Ємність: Додаткова інформація

Ємності в колах змінного струму поводять себе як коротко замкнуті компоненти по відношенню до змінного струму. Вони широко використовуються для фільтрування або відрізання змінних струмів в різноманітних колах – пульсацій змінного струму в джерелах постійного струму, шуму змінного струму в компьютерних колах тощо.

 

Ємності дозволяють уникнути потоків постійного струму у колах. Вони можуть використовуватись для блокування постійних струмів, дозволяючи в той же час проходити змінним сигналам. Використання ємностей для електричного з’єднання кіл – звичайне явище.

 

Час зарядки і розрядки конденсатора цілком передбачуваний, а тому ємності можуть використовуватись в різноманітних колах затримки. Вони дуже схожі на індуктивності, і часто для вирішення цих задач використовуються разом.

 

Загальна конструкція всіх ємностей передбачає наявність двох металічних пластин, розділених діелектриком. Оскільки струм не проходить крізь діелектрик, на обкладинках конденсатора накопичується різна кількість електронів. В результаті між ними виникає різниця потенціалів.

 

Дивись також розділ:

Inductor

 

Inductor

Індуктивність накопичує енергію у вигляді магнітного поля, створюваного змінами струму, що проходить крізь неї. Здатність протистояти зміні потоку струму називається індуктивністю (L), вона вимірюється в Генрі.

 

Значення індуктивності може лежати в межах від mH до H.

 

Допуск на індуктивність початково віднесений до глобальних параметрів (визначених у діалоговому вікні команди Analysis | Monte Carlo). Щоб вказати окреме значення, анулюйте опцію “ Use global tolerance ” (Використовуй глобальний допуск) і введіть нове значення у полі “ inductance tolerance ” (допуск індуктивності).

 

Дивись також розділ:

Variable Inductor

 

Індуктивність: Додаткова інформація

Індуктивність являє собою одне або більше кілець дроту (провідника). Її дія полягає у зміні магнітного поля за рахунок “наведеної” вздовж витків напруги і виникненні струму, протилежного за напрямком до початкового. Ці напруги можуть бути дуже великими.

 

Індуктивності, подібно до ємностей, накопичують енергію, лише у вигляді магнітного поля. Відомий час “зарядки” і “розрядки” сприяє їх використанню у колах затримки.

 

Електричні трансформатори мають перевагу у передачі енергіі від первинного кола у вторинне за рахунок наведених напруги і струму. Коефіцієнт передачі пропорційний відношенню кількості витків.

 

Радіо-антени є індуктивностями, що функціонують подібно до трансформаторів в генеруванні і реєстрації електромагнітних полів. Їх ефективність пропорційна їх розмірам.

 

Обмотка запалення автомобіля дозволяє розвивати дуже високі наведені напруги, коли струм через неї раптово стає дуже великим. Саме ця напруга запалює іскру на свічці.

Transformer

Трансформатори є одним з найпоширеніших і корисних застосувань індуктивності. Вони здатні підвищувати або знижувати вхідну первинну напругу (V1) до значення V2, що має назву напруги на вторинній обмотці. Зв’язок між V1 і V2 задається виразом V1/V2 = n, де n – відношення числа витків в первинній і вторинній обмотках.

 

Параметр n можна змінити, редагуючи модель трансформатора.

 

Для належного моделювання трансформатора обидві його частини повинні мати спільну точку відліку, якою може бути, зокрема, заземлення.

 

Дивись також розділ:

Transformer Models

 

Relay

Магнітне реле являє собою обмотку з конкретною індуктивністю (Lc, в Генрі), яка обумовлює розмикання чи замикання контакту, коли через неї проходить вказаний в моделі струм (Ion, в А), достатній, щоб зарядити її.

 

Контакт залишається у незмінному стані доти, доки струм не зменшиться нижче від утримуючого рівня (Ihd, в А), після чого контакт повернеться у початковий стан.

 

Дивись також розділ:

Relay Models

 

Про перемикачі

Парамикачі є резистивні елементи, що знаходяться або у відкритому, або у закритому стані. До складу корзини основних частин входять чотири типи керованих перемикачів:

 

Switch

Time-Delay Switch

Voltage-Controlled Switch

Current-Controlled Switch

 

Реле також може бути використане як перемикач.

Switch

Однополюсний премикач можна перевести в режими “увімкнено” чи “вимкнено” натискуванням кнопки на клавіатурі.

 

Кнопку, що керує перемикачем, можна визначити в діалоговому вікні закладки Value команди Circuit | Component Properties, ввівши її назву. Наприклад, якщо ви бажаєте, щоб перемикання відбувалося при натискуванні пробіла, вдрукуйте слово space у відповідне поле закладки Value, після чого натисніть OK.

 

Щоб використовувати …	Надрукуйте …
кнопку “пробіл”	space
кнопку “ENTER”	ENTER
кнопки від “а” до “z”	відповідну букву (наприклад, “a”)
кнопки від “0” до “9”	відповідну цифру (наприклад, “1”)

 

Time-Delay Switch

Перемикач з затримкою у часі має два стани: час увімкнення (Ton) і час вимкнення (Toff). У стані Toff він має нескінчено високий опір (це відповідає розімкнутому перемикачу), тоді як стан Ton характеризується нескінчено малим опором (перемикач коротко замкнутий).

 

Ton не може бути рівним Toff. При цьому обидві величини не можуть бути рівними 0.

Voltage-Controlled Switch

Керований напругою перемикач має два значення: напруга увімкнення (Von) і напруга вимкнення (Voff). Він замикається, коли напруга на керуючих контактах стає рівною або більшою, ніж параметр Von, Він переходить у розімкнутий стан, коли напруга стає рівною або меншою від Voff.

 

Керований напругою перемикач може використовуватись для моделювання цифрового вентиля.

Current-Controlled Switch

Керований струмом перемикач подібний до перемикача, керованого напругою. Коли струм через керуючі контакти рівний Ion, перемикач переходить у коротко замкнутий стан. Коли струм досягає значення Ioff, перемикач переходить у розімкнутий стан. Керований струмом перемикач може використовуватись для моделювання цифрового вентиля.

 

Дивись також розділ:

Voltage-Controlled Switch

Pull-Up Resistor

Резистор встановлення робочої точки має один кінець, під’єднаний до Vcc. Інший кінець під’єднаний до точки в логічному колі, у якій рівень напруги повинен досягати значень, близьких до Vcc.

 

Potentiometer

Потенціометр дуже схожий на звичайний резистор, і відрізняється від нього тим, що його опір може бути вами змінений на закладці Value діалогового вікна команди Circuit | Component Properties. Ви можете тут вказати опір потенціометра, його вихідні параметри (у відсотках), крок зростання (також у відсотках). Є також можливість вказати кнопку (від “A” до “Z”), що буде використовувась для керування параметрами потенціометра.

 

Ø Щоб зменшити значення параметрів потенціометра, натисніть вказану вами кнопку.

Ø Щоб збільшити значення параметрів потенціометра, натисніть кнопку SHIFT і, утримуючи її в такому положенні, натисніть вказану вами кнопку.

 

Наприклад, якщо значення опору потенціометра виставлене на 45%, крок зміни складає 5%, а кнопкою керування є “R”, то при першому натискуванні цієї кнопки опір потенціометра знизиться до 40%, після повторного натискування стане рівним 35%. Якщо ж після цього натиснути SHIFT+R, зачення опору знову зросте до 40%.

 

Дивись також розділ:

Resistor

 

Resistor Pack

Даний компонент являє собою набір із восьми резисторів, що тісно прилягають один до одного. Контакти кожного резистора розміщені точно навпроти один одного.

 

Параметри всіх резисторів ідентичні. Їх можна встановити глобально, перетягнувши набір резисторів у вікно кола, двічі клацнувши на ньому і вказавши відповідне значення на закладці Value діалогового вікна, що при цьому з’явиться.

 

Voltage-Controlled Analog Switch

Цей керований напругою перемикач виконує функцію, схожу до звичайного механічного перемикача типу “Увімкнути / Вимкнути”, з тією різницею, що умови, при яких реалізуються стани “Увімкнено / Вимкнено” залежать від рівня керуючої напруги.

 

Коли рівень керуючої напруги нижчий від вказаного значення, перемикач перебуває у стані “Вимкнено”, і вхідний та вихідний сигнали електрично роз’єднані.

 

Коли рівень керуючої напруги перевищує вказане значення, перемикач перебуває у стані “Увімкнено”, і вхідний та вихідний сигнали електрично з’єднані.

 

У наведеному нижче прикладі аналоговий перемикач використовується для періодичної вибірки з вхідного сигналу, що має форму синусоїдальної хвилі (нижня крива на дисплеї), з інтервалом, що визначається часом, на протязі якого керуючий сигнал залишається високим, вищим за 4.9 В для даної моделі. Коли керуючий сигнал падає до рівня, нижчого за 4.9 В, контакт розмикається, і сигнал на виході стає рівним нулю.

 

Діаграма вибірки на виході зображена у верхній частині дисплея. Вхідними значеннями можуть бути криві довільної форми і довільні (розумні) значення. Даний тип вибірки знаходить використання у мультиплексних системах з часовим розділенням.

 

Для підтвердження операції перемикання, поспостерігайте за керуючою (CONTROL) – перемикаючою – хвилею.

 

Частоту відліків можна змінити, змінивши частоту генератора тактових імпульсів.

 

Прикладом інтегральної схеми, що виконує цю функцію, є МС14016, інтегральна схема з 14 виводами, до складу якої входять чотири окремих аналогових перемикачі, з окремими керуючими перемикаючими входами.

 

Polarized Capacitor

Електролітичний конденсатор повинен бути під’єднаний у колі відповідно до його полярності. Інакше при роботі програми з’явиться повідомлення про помилку.

 

Значення ємності, вимірюваної у фарадах, може бути довільним в інтервалі від пФ до Ф.

Variable Capacitor

Змінна ємність моделюється відкритим колом, у якому струм через ємність прямує до нуля при великих значеннях імпедансу.

 

Значення параметрів компонента виставляються аналогічно тому, як це робиться для потенціометра.

 

Дивись також розділ:

Potentiometer

 

Variable Inductor

Дія компонента точно така ж, як звичайної індуктивності. Відмінність полягає у тому, що її параметри можна змінювати.

 

Змінна індуктивність моделюється відкритим колом, у якому струм через індуктивність прямує до нуля при великих значеннях імпедансу.

 

Значення параметрів компонента виставляються аналогічно тому, як це робиться для потенціометра.

 

Дивись також розділ:

Potentiometer

Coreless Coil

Даний компонент є концептуальною моделлю, яку ви можете використати як будівельний матеріал для створення різноманітних індуктивних і магнітних моделей у колі. Як правило, для побудови систем, які імітують поведінку лінійних та нелінійних магнітних компонентів, ви повинні використовувати соленоїд без серцевини у поєднанні з магнітною серцевиною (Magnetic Core). На виході отримується сигнал у формі напруги (пропорційної добутку струму на вході та числа витків), яка являє собою продуковану магнітнорушійну силу (мрс). Вихідна напруга поводить себе подібно до магніторушійної сили у магнітному колі, тобто після під’єднання соленоїда до магнітної серцевини чи деяких резистивних приладів, виникає потік струму.

 

Vo = N * I in

 

У наведеному нижче прикладі число витків (N) вибране рівним 10, а струм на вході складає 0.707 А (RMS). В результаті, магніторушійна сила складатиме 0.707 V (RMS).

 

Використання даного компонента полягає, як правило, у моделюванні магніторушійної сили, що застосовна до магнітних кіл чи компонентів.

 

Безсерцевинний соленоїд може використовуватись для генерації збуджуючого поля у магнітній серцевині. Ці два компоненти представлені в програмі з метою забезпечення широких можливостей в моделюванні і конструюванні лінійних та нелінійних магнітних компонентів.

 

 

Дивись також розділ:

Magnetic Core

 

Magnetic Core

 

Даний компонент є концептуальною моделлю, яку ви можете використати як будівельний матеріал для створення різноманітних індуктивних і магнітних моделей у колі. Ви можете конструювати на його основі різноманітні лінійні та нелінійні магнітні компоненти. Як правило, для побудови систем, які імітують поведінку лінійних та нелінійних магнітних компонентів, ви повинні використовувати магнітну серцевин у поєднанні з безсерцевинним соленоїдом (Coreless Coil). Ці два магнітні компоненти можна об’єднати у нелінійний трансформатор. Напруга на вході ним розглядається як величина магніторушійної сили (мрс). Ця вхідна напруга у багатьох випадках може бути отримана від соленоїда без серцевини.

 

До уваги приймаються розміри серцевини (її довжина та площа поперечного перерізу). Для розрахунку сигналу на виході використовуються до 15 числових значень типу числа витків на одницю довжини, Вебер на одиницю площі тощо.

 

Виходом є струм, що являє собою вихідну електрорушійну силу, що виникає у всьому магнітному колі.

 

Визначення до 15 пар координат (параметрів) дозволить вам промоделювати функціонування лінійних та нелінійних магнітних моделей.

 

В наведеному нижче прикладі для всіх параметрів вибрані одничні значення (площа = 1 кв.м, довжина = 1 м, і введена лише одна координатна пара).

 

Вихідний струм переводиться у напругу спеціально призначеним для цього компонентом (частіше використовуваним як зонд для струму).

 

Дивись також розділ:

Coreless Coil

Nonlinear Transformer

Даний компонент базується на загальній моделі, що може бути настроєна для різних застосувань.

 

До його складу входять (як будівельні блоки) магнітна серцевина, безсерцевинний соленоїд, разом з резисторами та індуктивностями. Використовуючи цей трансформатор, ви можете моделювати такі фізичні ефекти, як нелінійне магнітне насичення, втрати у первинній і вторинній обмотках, первинну та вторинну індуктивності розсіювання, вплив геометричних розмірів серцевини.

 

Настроювання

Нелінійний трансформатор може бути настроєний для роботи з різними застосуваннями. Основними будівельними блоками, що входять до його складу, є магнітна серцевина і безсерцевинний соленоїд. Вхідна напруга перетворюється магнітною серцевиною у магніторушійну силу (mmf). Напруженість (Н) магніторушійної сили отримується при діленні mmf на довжину серцевини:

 

H = mmf / L

 

Після цього величина Н використовується для визначення відповідної густини потоку магнітного поля (В). Виконання цієї операції базується на співвідношенні, описаному в Н-В масиві координатних пар. Цей масив можна отримати з усередненої Н-В кривої, яка повинна бути наведена у технічному довіднику, де описані магнітні характеристики різних серцевин.

 

Не можна, щоб нахил функціі В-Н змінювався різко, і він буде змінюватись плавно, якщо відправне значення області згладжування відмінне від нуля.

 

Густина потоку (В), домножена на площу поперечного перерізу, дає магнітний потік. Це значення використовується безсерцевинним соленоїдом для розрахунку індукованої зворотньої напруги.

 

В програмі модель серцевини розглядається як така, що не має втрат. Вони ніде в програмі і не розглядаються. Єдиним джерелом втрат, що можуть бути враховані в рамках даної моделі трансформатора, є опір обмоток.

 

Для отримання достовірних точок функції Н-В:

 

Ø Зв’яжіться з виробником. Він можуть забезпечити вас технічною інформацією щодо потрібної вам моделі серцевини.

Ø Отримайте дані експериментально.

 

Дивись також розділи:

Magnetic Core

Coreless Coil

Nonlinear Transformer Models

 

Simulation Hints

Алгоритм моделювання кола

Після того, як ви створили принципову схему кола і увімкнули його живлення (чи клацнули на кнопці Simulate), розпочинає роботу програма моделювання, завдання якої полягає у відшукуванні розв’язків кола і генеруванні даних, які ви можете спостерігати на вимірювальних приладах, таких як осцилоскоп. Якщо говорити більш конкретно, програма иоделювання є складовою частиною Electronics Workbench, що знаходить числові розв’язки математичної моделі кола, яке ви створили.

 

Для того, щоб ці розрахунки стали можливими, кожен компонент кола повинен бути представленим його математичною моделлю. Математичні моделі зв’язують принципову схему у вікні кола з його математичним представленням для моделювання. Те, наскільки добре результати моделювання узгоджуються з функціонуванням реальних кіл, залежить від точності моделей компонентів.

 

Математичне представлення кола являє собою систему нелінійних диференційних рівнянь. Основна задача програми моделювання полягає у відшуканні числових розв’язків цієї системи рівнянь. Програма моделювання, побудована за SPICE-алгоритмом, перебудовує нелінійні диференційні рівняння у систему нелінійних алгебраїчних рівнянь. Далі ці рівняння лінеаризуються. При цьому використовується модифікований метод Ньютона-Рефсона. Результуюча система лінійних алгебраїчних рівнянь успішно розв’язується методом розкладу розріджених матриць на складові.

 

За інформацією щодо етапів процесу моделювання кола дивись розділ “Чотири етапи моделювання кола”.

 

З приводу роз’яснень щодо формулювання рівнянь та методів розв’язку, використовуваних в процесі моделювання, дивись розділи “Формулювання рівнянь” та ”Розв’язок рівнянь”.

 

Примітка: Якщо результати для вашого кола не узгоджуються з очікуваними, або якщо ви отримуєте будь-які повідомлення про помилки моделювання, перш за все під’єднайте до кола заземлення.