Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 6.18. Входное и выходное напряжении при исследовании низкочастотного отклика

В лаборатории реакция наблюдалась бы с помощью осциллографа, подключенного на выход усилителя при подаче на его вход прямоугольного напряжения соответствующей частоты.

Схема на рис. 6.19 содержит конденсатор в одной ветви и катушку индуктивности в другой. Источник напряжения подключается, чтобы зарядить конденсатор, затем он закорачивается.

Рис. 6.19. Схема с индуктивной и емкостной ветвями

Прежде чем выполнять анализ на PSpice, необходимо определить начальные напряжения и токи, при которых он будет проводиться. В команде описания для v s указано, что приложенное напряжение постоянно и равно 6 В при t< 0. В схеме замещения для постоянных составляющих конденсатор представляет собой разрыв, а катушка индуктивности — короткое замыкание. Ток от источника в 6 В равен 6 В/3 Ом=2 А, а напряжение узла 1 равно 4 В и представляет собой напряжение на конденсаторе при t =0. Ток в 2 А проходит через R 1, R 2, и L . При t =0 приложенное напряжение v s= 0 В, и схема приобретает вид, показанный на рис. 6.20. Эта схема и анализируется на PSpice. Входной файл при этом

Initial Conditions Example

R1 0 1 1

R2 1 2 2

C 1 0 250mF IC = 4V

L 2 1 21 IC=2A

.TRAN 0.01ms 4s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.20. Схема замещения для момента t = 0

Входной файл содержит в команде ввода конденсатора С значение IС=4 В, которое задает начальное напряжение на конденсаторе; в команде ввода L имеется запись IС=2 А, которая задает начальный ток через L. Отметим, что для конденсатора может быть задано только начальное напряжение, а для катушки индуктивности —только начальный ток. В команду .TRAN добавлена запись UIC , которая означает, что анализ переходных процессов должен начинаться при определенных начальных значениях.

Выполните анализ и получите графики напряжения на конденсаторе и на катушке индуктивности. Убедитесь, что при t =0,5 с, v c (0,5 с)=–0,860 В и v L (0,5 с)=-3,49 В. Графики показаны на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Графики напряжений на конденсаторе и катушке в схеме на рис. 6.20

В качестве дополнительного упражнения получите графики токов конденсатора и катушки индуктивности. Убедитесь, что i C (0)=–6 А. Поскольку R 1=1 Ом и R 2=2 Ом, мы должны принять начальный ток через R 1вдвое большим тока через R 2. Зададим начальный ток 4 А через R 1и ток 2 А через R 2. Нарисуйте схему и покажите направления токов в различных ветвях. После получения графиков тока убедитесь, что при t =0,5 с t c (0,5с)=–0,457 и i L (0,5с)=1,316 А. Обратите внимание, что если на одном графике представлены две кривые, вы можете задать движение курсора по одной из них, выбрав Cursor и затем нажав мышью на маркер выбранной кривой. Например, можно нажать на значок перед v(2) под осью X , чтобы выбрать вторую кривую.

Прежде, чем выйти из программы Probe, получите графики токов через оба резистора. Убедитесь, что при t= 0 i R1(0)=–4 А и i R2(0)=2 А. Учтите направления токов на рис. 6.20, чтобы определить их знаки (положительные и отрицательные). Графики напряжений на элементах схемы на рис. 6.20 приведены на рис. 6.21.

Другая схема, в которой источник напряжения исключается из цепи при t =0, показана на рис. 6.22. Перед проведением анализа на PSpice найдем начальные условия. Имеется напряжение постоянного тока V s= 6 В, приложенное к схеме при t <0. При этом условии схемой замещения является параллельное соединение R 1и R 2. При делении тока между ветвями получаются значения токов i R1=3 А и i R2=2 А. Последний ток проходит также через катушку L. Ток через R 2создает на этом сопротивлении напряжение:

V(1,2) = R 2 I R2= 3 Ом · 2 А = 6 В.

Рис. 6.22. Цепь с ключом, размыкающимся при t = 0

Это начальное напряжение на конденсаторе. Обратите внимание на полярность этого напряжения и направление начального тока катушки индуктивности. Схема замещения с учетом начальных условий, получающаяся после замыкания ключа, показана на рис. 6.23. Входной файл при этом приобретает вид:

Switch-Opening Circuit with L, С

R11 0 2

R2 1 2 3

N 1 2 4000mF IC=6V

L 2 0 SH IC=2A

.TRAN 0.01ms 16s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.23. Схема замещения после размыкания ключа

Проведите анализ и убедитесь, что при t =0, при разомкнутом переключателе v c (0) = 6 В и i L (В) = 2 А в соответствии с начальными условиями, зафиксированными во входном файле. Получив график v(2), проверьте также, что v L (0)=-10B и i L (0)=0.

Как можно определить v L (0) после размыкания ключа с помощью простого схемотехнического анализа? Так как ток через катушку индуктивности в момент переключения неизменен, ток через R 1мгновенно становится равным 2 А (направлен вверх, к узлу 1 ), хотя до размыкания ключа он равен 3 А и направлен от узла 1 (вниз). Ток в 2 А создает падение напряжения 4 В с полярностью, показанной в рис. 6.23. Применение второго закона Кирхгофа к контуру, содержащему R 1, С и L, дает v L (0)=-10 В, подтверждая результаты, полученные на PSpice. На рис. 6.24 показано напряжение v(1, 2), которое и является напряжением на конденсаторе v c .

Рис. 6.24. График напряжения на R 2в схеме на рис. 6.23

Прежде чем выйти из программы Probe, убедитесь, что токи и напряжения в момент t =2 с имеют следующие значения:

v c (2 с) = 5,2778 В;

v L (2 с) = –3,94 В;

i c (2 с) = –2,428 А;

i L (2 с) = –0,675 А.

Токи показаны на рис. 6.25.

Рис. 6.25. Графики токов в ветвях схемы на рис. 6.23