Компьютерное моделирование электрических схем

Компьютер является мощным инструментом, который при правильном использовании может предоставить нам безграничные возможности для моделирования и анализа электрических схем. Специально для этих целей существуют соответствующие программы. Эти программы незаменимы при проектировании схем, они позволяют смоделировать и проверить идеи перед воплощением их в жизнь, экономя тем самым время и деньги.  

Программы моделирования электрических цепей будут полезны начинающим электронщикам, так как они позволяют легко и быстро исследовать любые схемы без сборки реальных устройств. Эти программы, конечно же, не заменят собой реальную работу, но они дадут вам возможность экспериментировать, и видеть, как эти эксперименты влияют на работу схемы. В этой статье, в целях наглядности важных моментов, мы представим скриншоты одной из программ моделирования. Наблюдая за результатами компьютерного моделирования вы получите интуитивное понимание поведения схемы, не боясь ее абстрактного математического анализа.

Для моделирования электрических схем на компьютере можно использовать программу под названием PSPICE, которая может проводить анализ схем на основании текстовых данных. В сущности, эти данные являются своего рода компьютерной программой и должны соответствовать синтаксическим правилам языка PSPICE. После ввода текстовых данных, описывающих схему, программа интерпретирует эти данные, и выводит (так же в текстовом виде) детальный математический анализ. Более подробно эта программа будет рассмотрена позже, а сейчас мы остановимся на основных понятиях, и применим PSPICE для анализа ранее рассмотренных простых схем. 

Итак, для дальнейшего изучения материала вам необходимо установить на свой компьютер программу PSPICE.  В нашей статье мы используем студенческую версию PSPICE  9.1.

Следующее, что нам нужно - это схема для анализа. Давайте возьмем одну из схем, рассмотренных нами ранее:

В связи с тем, что PSPICE является текстовой программой, она не понимает графического описания схемы, поэтому все компоненты цепи и точки их соединения должны быть описаны в текстовом формате. Каждая уникальная точка соединения двух и более компонентов схемы в этой программе называется "узлом", которому присваивается соответствующий номер. Таким образом, все электрически общие точки схемы для этой программы будут иметь одинаковое обозначение, что противоречит правилу описанному нами ранее, но вполне подходит под нумерацию проводов между этими точками, которая также была нами ранее рассмотрена. Поэтому, узлами схемы мы будем называть провода, соединяющие компоненты этой схемы. В нашей схеме имеется всего два "узла": верхний провод и нижний провод. Давайте обозначим нижний провод номером 0, а верхний провод номером 1:

Здесь мы отобразили несколько цифр "1" и "0" вдоль соответствующих им проводов чтобы показать, что все общие точки имеют единый номер - номер узла (провода). Однако, эта схема все еще остается графическим изображением, а не текстовым описанием. Для того, чтобы проанализировать схему, мы должны предоставить программе РSPICE значения компонентов и номера узлов в тестовом формате.

Для того, чтобы создать текстовый файл с описанием схемы,  запустите программу PSPICE и выберите позиции меню File -> New -> Text File:

Описание нашей простой, двухкомпонентной схемы мы начнем с того, что в первой строке редактора введем ее название (title) на английском языке:

Для описания батареи, нам нужно перейти на новую строку в редакторе, и ввести в ее начале букву "v" (обозначает "источник напряжения"). После этой буквы мы указываем номера проводов (узлов), к которым подключаются контакты батареи, и напряжение батареи:

Эта строка рассказывает программе PSPICE, что источник напряжения нашей схемы привязан к проводам (узлам) 1 и 0, имеет постоянный ток (DC) и напряжение 10 В. Это всё, что SPICE должен знать о батарее. Теперь перейдем к резистору. Его описание начинается с буквы "r", далее указываются номера проводов (узлов), к которым он подключен и величина его сопротивления. Мощность резистора указывать не нужно, поскольку речь идет о компьютерном моделировании (виртуальные компоненты не пострадают от чрезмерного напряжения или тока):

Теперь SPICE знает, что у нас есть резистор, который подключен к проводам (узлам) 1 и 0, и имеет сопротивление 5 Ом. Эти короткие текстовые строки сообщают программе, что резистор привязан к тем же проводам (1 и 0), что и батарея. 

Если к этому набору команд добавить оператор .end, обозначающий конец описания схемы, то мы будем иметь всю информационную потребность PSPICE, собранную в одном файле и готовую к обработке:

Теперь нам нужно "сохранить" этот текстовый файл на жестком диске компьютера. Для этой цели выберите позиции меню File -> Save As. В открывшемся окне выберите папку, в которую хотите сохранить файл и введите его название (мы его назовем circuit1.cir), затем нажмите кнопку "Сохранить". После этого закройте окно тестового редактора.

Чтобы провести анализ схемы, откройте только что созданный файл (File -> Open -> circuit1.cir) и выберите Simulation -> Run circuit1:

В нижнем правом углу программы должно появиться сообщение "100 %". Для просмотра результатов анализа на экране компьютера выберите View -> Output File. Получится примерно следующее:

В начале этого файла программа повторяет список соединений вместе с названием файла и оператором ".end". Примерно посередине отображается напряжение во всех узлах схемы по отношению к узлу 0. В нашей схеме кроме нулевого узла имеется всего один узел, так что отображается только одно напряжение равное 10 вольтам. Затем программа показывает величину силы тока через каждый источник напряжения. Так как у нас существует всего один такой источник, то отображается одна величина тока равная 2 амперам. Из-за непонятной причуды PSPICE, эта величина выводится со знаком минус.

В последней строке файла отображается "суммарная рассеиваемая мощность", которая в данном случае составляет 2.00Е+01 ватт, или 2.00 х 10¹ = 20 ватт. Вывод большинства чисел в экспоненциальной форме поначалу может сбить с толку, но потом, при работе с очень большими или очень маленькими числами это будет даже удобно.

При необходимости вы можете сохранить результаты анализа в текстовый файл (File -> Save As расширение .txt). Этот файл можно открыть в любом текстовом редакторе, удалить ненужную информацию оставив только данные напрямую связанные с анализом схемы: 

Чтобы изменить параметры какого-либо компонента, нужно открыть  файл списка соединений (circuit1.cir) и сделать необходимые изменения в тексте описания схемы. Затем необходимо сохранить сделанные изменения и запустить анализ. Такой процесс редактирования и обработки текстового файла знаком каждому программисту. Это одна из причин, по которой мы выбрали программу PSPICE - она заставляет ученика думать и работать как программист, что немаловажно, поскольку компьютерное программирование является важной частью передовых технологий электроники.

Ранее мы исследовали последствия изменения одной из трех переменных электрической цепи (напряжения, силы тока или сопротивления) с помощью математических вычислений Закона Ома. Теперь давайте попробуем сделать то же самое с помощью программы PSPICE.

Если мы увеличим напряжение батареи с 10 вольт до 30, то при неизменном сопротивлении, сила тока у нас должна увеличиться в 3 раза. Чтобы проверить это создайте в программе новый текстовый файл, аналогичный первому, только величину напряжения введите 30 вольт. Далее проведите анализ этого файла как было описано выше, и получите следующее (ненужная информация удалена):

Как мы и ожидали, при утроении напряжения, сила тока так же утроилась (с 2 ампер она возросла до 6 ампер (6.000 х 10⁰)). Одновременно с увеличением силы тока, увеличилась и суммарная рассеиваемая мощность. Если раньше ее величина составляла 20 ватт, то теперь - 180 ватт (1.8 х 10²). Напомним вам, что мощность прямопропорциональна квадрату напряжения (Закон Джоуля: P=U²/R), поэтому, при утроении напряжения, мощность увеличится в 9 раз (3²=9). Действительно, если мы 20 умножим на 9, то получим 180.

Для того, чтобы посмотреть как эта простая схема будет вести себя в широком диапазоне напряжений батареи, нам нужно задействовать некоторые более продвинутые операторы PSPICE. С помощью оператора ".dc" мы будем изменять напряжение батареи от 0 до 100 вольт, с шагом 5 вольт. Выводить значения напряжения и силы тока на каждом шаге нам поможет оператор ".print". Строки, начинающиеся с символа "*" являются комментариями. Они не предлагают компьютеру выполнить какое-либо действие, а служат исключительно для информирования человека о каких -то важных моментах текстового представления схемы.

Оператор ".print" дает программе команду напечатать столбцы чисел, соответствующие каждому шагу анализа:

Если мы в текстовом файле заменим команду ".print dc v(1) i(v)" на команду ".plot dc i(v)", то SPICE выведет график, состоящий из текстовых символов:

Левый столбец цифр в обоих выходных файлах показывает напряжение батареи на каждом интервале увеличения от 0 до 100 вольт, с шагом 5 вольт. Цифры в правом столбце показывают силу тока для каждого из этих напряжений. Посмотрите внимательно на эти цифры, и вы увидите пропорциональное соотношение каждой их пары. Закон Ома (I=U/R) сохраняется в каждом случае, потому что при сопротивлении равном 5 Ом, каждое значение силы тока составляет 1/5 от соответствующего ему напряжения. На знак "-" перед значениями силы тока не обращайте внимание (причуда программы).

Существуют компьютерные программы, которые способны интерпретировать текстовые данные PSPICE и конвертировать их в графический формат. Одна из таких программ называется Nutmeg, и выводимый ей график выглядит примерно так: