Gleichstromnetze und Wechselstromnetze

Transkript

1 Hochschule München (FH) Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Prof. Dr. G. Meyer, Prof. Dr. W. Tinkl Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik: Gleichstromnetze und Wechselstromnetze Einführung zu PSPICE 1. Allgemeines 2. Ablauf einer Netzwerksimulation 3. Namen und Bezeichnungen Dateiendungen: Werteeingabe: Folgende Vorsätze kennt PSPICE: Zehnerpotenzen Kommastellen Einheiten 4. Stromrichtungen 5. Analysearten: Bias Point (Gleichstromarbeitspunktermittlung): AC- Sweep: DC- Sweep: Transient: Parametric: Sonstige: Links: 1.Allgemeines PSPICE ist ein Netzwerksimulationsprogramm das die Berechnung von elektrischen und elektronischen Schaltungen ermöglicht. Vorläufer des Programmes waren verschiedene Versionen von SPICE, das ursprünglich an der Berkley Universität von D.O. Pederson, L. Nagel u. a. entwickelt wurde. SPICE = Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Von den vielen anderen SPICE- Versionen hat sich besonders die für PC geeignete Version PSPICE der Firma Microsim Corp. in den vergangenen Jahren erheblich verbreitet. Auch von PSPICE gibt es mittlerweile mehrere immer weiter vervollkommnete Versionen. Bezüglich der Eingabe von Schaltungen gibt es eine DOS-Version, bei der die Schaltung in Form einer Netzwerkliste eingegeben werden muss und eine WINDOWS- Version, bei der eine Schaltung über eine Zeichenoberfläche eingegeben werden kann. Die letztgenannte Version wird in diesem Praktikum verwendet, wobei die grafische Oberfläche SCHEMATICS verwendet wird.

2 Im Praktikum wird nicht die Vollversion verwendet, sondern eine Demoversion V9.1, die von den Firmen OrCAD bzw. Hoschar und jetzt von der Firma CADENCE DESIGN SYSTEMS i. a. kostenlos bezogen werden konnte. Alle von PSPICE benötigten Hilfsprogramme sowie PSPICE selbst sind in einer Entwicklungsoberfläche zusammengefasst die sich DesignLab nennt. Für eine gezielte Einarbeitung und als Nachschlagewerk wird folgendes Buch empfohlen: Robert Heinemann: PSPICE - Elektroniksimulation Hanser- Verlag; 30,- bis zur 6. Auflage beschreibt das Buch die im Praktikum verwendete Version V9.1 ab der 7. Auflage nur noch die fast aktuelle Version In diesem Buch befindet sich ebenfalls eine CD mit der Demoversion 16.0 früher auch die Version (V9.1) mit europäischen Schaltungssymbolen. Das Rechenverfahren stützt sich auf die Knotenpotenzialanalyse (KPA). Für Wechselstromschaltungen wird die KPA mit komplexer Rechnung durchgeführt. Für nichtlineare Schaltungen wird das Newton- Raphson- Verfahren zur Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme verwendet und für transiente Vorgänge wird die Integration mithilfe der Trapezregel durchgeführt. 2. Ablauf einer Netzwerksimulation Gewünschte Aufgabenstellung klären Schaltbild skizzieren DesignLab oder gleich die Schaltungseingabe mit SCHEMATICS starten SCHEMATICS aufrufen und Schaltung mit Schaltplansymbolen eingeben. Bezugsknoten eintragen (Knotennummer 0 Element AGND) Bauelementenamen eingeben Bauelementewerte eingeben Ggf. Spannungs- und Strommesser einbauen Schaltbild abspeichern (dabei im Dateinamen keine Umlaute verwenden) Gewünschte Analyseart wählen und entsprechende Voreinstellungen vornehmen Simulation starten Bei Fehlermeldungen die Schaltung korrigieren und erneut starten. Ergebnisse entweder direkt oder mit dem Programm PROBE darstellen. Ergebnisse dokumentieren (PROBE Ausdruck).

3 3. Namen und Bezeichnungen Dateiendungen: Wird eine Schaltung erstellt und simuliert so entstehen mehrere Dateien mit demselben Namen aber mit verschiedenen Endungen. Für das Abspeichern eines Schaltbildes genügt es, die Datei < >.sch anzulegen. < >.sch ASCII-Datei des SCHEMATICS Schaltplanes < >.out Output-File; Ausgabedatei die während der Simulation mit PSPICE erstellt wird. Sie enthält die berechneten Arbeitspunkte, die benötigte Simulationszeit und Simulationsergebnisse für Empfindlichkeits-, Fourier-, Rausch-, Monte- Carlo-, Worst- Case- und andere Analyseverfahren und Fehlerhinweise. < >.net Netlist;diese Datei enthält die Netzlisteninformationen der Schaltung einschließlich der Quelleneigenschäften. Sie wird beim Aufruf von Analysis oder Create Netlist automatisch erstellt. < >.cir Circuit File; beinhaltet die Simulationsnetzliste einschließlich der Steuerbefehle für die Simulation. < >.als Alias File; enthält die Zuordnung der Knotennummern zu sämtlichen am Knoten angeschlossenen Bauelementen. Werteeingabe: Historisch bedingt gibt es einige unschöne Besonderheiten für die Vorsätze der Maßeinheiten. Natürlich kann auch auf die Vorsätze verzichtet werden, wenn die Eingabe mit Zehnerpotenzen erfolgt. Allerdings wird dadurch ein Stromlaufplan meist etwas unübersichtlicher. Folgende Vorsätze kennt PSPICE: 1 k = 10 3 ; 1 Meg = 10 6 ; 1 G = 10 9 ; 1 T = ; 1 f = ; 1 p = ; 1 n = 10-9 ; 1 u = 10-6 ; 1 m = Achtung: PSPICE unterscheidet nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung: 1M ist gleichbedeutend mit 1m und bedeutet also 1 milli!! PSPICE kennt keine griechischen Buchstaben: 1μ darf nicht eingegeben werden, es führt zu einer unübersichtlichen Fehlermeldung. Stattdessen wird 1u verwendet. Für 1 wird 1Ohm eingegeben. Zehnerpotenzen Sie werden in der Form = 3e- 11 (auch: 3E- 11) eingegeben.

4 Kommastellen: Sie werden durch Punkte gekennzeichnet z. B. 3.11E9; 0.10 =.1 Achtung: Ein fälschlich eingegebenes Komma wird nicht sofort gemeldet. Es führt ebenfalls zu einer unübersichtlichen Fehlermeldung. Einheiten: Wird keine Einheit angegeben, so wird automatisch die zum Bauelement passende SI- Einheit verwendet. Also: A V Ohm F H Hz für Stromquellen, für Spannungsquellen, für Widerstände, für Kondensatoren, für Induktivitäten, für Frequenzen usw. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit eines Stromlaufplanes sollten aber die Einheiten angegeben werden und zwar ohne Zwischenraum zu den vorhergehenden Zeichen. Achtung: Dieser Fehler wird auch nicht sofort gemeldet, sondern führt ebenfalls zu einer unübersichtlichen Fehlermeldung. 4. Stromrichtungen Beim Aufruf eine Zweipols (R, L, C usw.) wird dieser in horizontaler Lage auf den Bildschirm gebracht. Nun befindet sich der Anschluss 1 links und der Anschluss 2 rechts. Leider sind die Anschlüsse nicht bezeichnet. Der Stromzählpfeil für Zweipole ist immer von 1 nach 2 orientiert, d. h. er weist beim aufgerufenen Zweipol von links nach rechts. Soll ein Bauelement senkrecht eingebaut werden, so kann es durch gleichzeitiges Drücken der STRG- und der r- Taste um 90 nach links rotiert werden. Damit ist Anschluss 2 oben und 1 unten, der Stromzählpfeil zeigt von unten nach oben! Will man dies vermeiden, so kann durch zwei weitere Rotationsvorgänge der Anschluss 1 nach oben gebracht werden. Nun würde der Stromzählpfeil von oben nach unten weisen. Bei Bauelementen mit mehr als zwei Anschlüssen sind die Stromzählpfeile grundsätzlich so orientiert, dass sie zum Bauelement hin weisen.

5 5. Analysearten: PSPICE muss wissen, was berechnet werden soll. Je nach Wahl der Analyseart werden unterschiedliche Rechenverfahren angewandt. Folgende Analysearten können ausgewählt werden: Bias Point (Gleichstromarbeitspunktermittlung): Diese Analyse wird bei allen anderen Analysearten auch zuerst angewandt. Sie muss nicht extra eingestellt werden. Mit ihr lassen sich Gleichspannungsanalysen durchführen. Bei der Schaltungseingabe ist darauf zu achten, dass keine unbestimmten Gleichspannungsarbeitspunkte auftreten, d. h.- an jedem Knotenpunkt muss ein definiertes Potenzial liegen. Gegebenenfalls sind zusätzliche ohmsche Widerstände einzubauen (mit vernachlässigbarem Wert). Beispielsweise sind die nachfolgenden Schaltungen nicht zulässig: I q U q U q AC-Sweep: In einer Wechselstromschaltung wird die Frequenz in einem wählbaren Bereich variiert. Es können Frequenzgänge berechnet werden. DC-Sweep: Bis zu drei Parameter können in einer Gleichstromschaltung veränderlich gestaltet werden, z. B. Widerstandswerte, Quellengrößen und darüber hinaus die Temperatur. Transient: Die Transienten- Analyse erlaubt die Berechnung von Schalt- und Übergangsvorgängen. Parametric: In einer Wechselstromschaltung können neben dem AC- Sweep oder der Transienten- Analyse noch weitere Parameter variabel gestaltet werden, Sonstige: Darüber hinaus bietet PSPICE noch weitere Analysarten, die aber in diesem Praktikum keine Verwendung finden: Sensitivity, Temperature, Transfer Function, Monte- Carlo, Worst Case, Bias Point Detail, Fourier Analyse.

6 Links: PSPICE Homepage Robert Heinemann Bernhard Beetz Firma OrCAD Firma Cadence default.aspx