دورة سبايس: تحليل التيار المتردد – أخبار إلكترونيات الطاقة
في هذه المقالة، سوف نستكشف تحليل التيار المتردد باستخدام التوجيه “.AC”، وهو أحد التقنيات الرئيسية لتقييم استجابة التردد للدوائر. إنها واحدة من أقوى ميزات SPICE التي تسمح للمرء بدراسة الاستجابة الترددية للدائرة، أي كيفية تفاعل الدائرة مع الإشارات ذات الترددات المختلفة. ومن خلاله، يمكن للمصممين فهم كيفية تصرف الدوائر في المواقف المختلفة، بدءًا من استجابات مرشح تمرير النطاق إلى التذبذبات في الدوائر عالية التردد.
مفاعلة مكثف
دعونا نقدم الموضوع بمثال بسيط لفهم فلسفة تشغيل التوجيه .AC. ويبين الشكل 1 دائرة كهربائية تتكون من المكونات الإلكترونية التالية:
- V1: مولد جهد جيبي 12 فولت، تردده متغير.
- C1: مكثف بقيمة 3.3 فائق التوهج.
- R1: مقاومة 1 أوم.
في النظام المتناوب، يتصرف المكثف بشكل مشابه للمقاومة. بمعنى آخر، يتميز بممانعة تتغير باختلاف تردد الإشارة، وبطبيعة الحال، أيضًا حسب القيمة السعوية للمكثف. المفاعلة السعوية هي مفهوم أساسي في الإلكترونيات وتمثل المقاومة “الافتراضية” التي يظهرها المكثف عندما يتدفق تيار متردد عبره. في الترددات المنخفضة، تكون المفاعلة السعوية أكبر، ويقاوم المكثف مرور التيار المتردد بشكل أكبر. مع زيادة التردد، تقل المفاعلة السعوية، ويسمح المكثف بمرور تيار أكبر عبره. في النظام المتناوب، يتم تحديد المفاعلة السعوية للمكثف بالصيغة التالية:
أين:
- Xc هي المفاعلة السعوية للمكثف، معبرًا عنها بالأوم.
- f هو تردد الإشارة، معبراً عنه بالهرتز.
- C هي سعة المكثف، معبرًا عنها بالفاراد.
تُستخدم المفاعلة السعوية في دوائر الترشيح، حيث تتصرف المكثفات بشكل مختلف عند ترددات تشغيل مختلفة. بناءً على هذا السلوك، يأخذ المكثف 3.3 فائق التوهج الممانعات التالية، عند الترددات المختلفة:
- 1000 هرتز: 48.23 أوم
- 2000 هرتز: 24.11 أوم
- 3000 هرتز: 16.07 أوم
- 4000 هرتز: 12.06 أوم
- 5000 هرتز: 9.64 أوم
- 6000 هرتز: 8.04 أوم
- 7000 هرتز: 6.89 أوم
- 8000 هرتز: 6.03 أوم
- 9000 هرتز: 5.36 أوم
- 10000 هرتز: 4.82 أوم
يوضح الرسم البياني في الشكل 1 اتجاه التيار عبر المكثف والمقاومة، عند ترددات تتراوح بين 1 هرتز و10 كيلو هرتز.
التوجيه المستخدم في LTspice هو ما يلي:
.ac لين 10000 1 10 كيلو
أين:
- يشير .ac إلى أنه يتم إجراء تحليل التردد.
- يحدد lin أنه تحليل خطي، ويتم زيادة التردد خطيًا على النطاق المحدد.
- 10000 هو عدد النقاط التي سيتم إجراء التحليل عندها. بمعنى آخر، يقوم جهاز المحاكاة بإجراء التحليل عند 10000 نقطة مختلفة ضمن نطاق التردد المحدد.
- 1 هي القيمة الأولية للتردد بالهرتز.
- 10k هي القيمة النهائية للتردد بالهرتز. تشير اللاحقة “k” إلى أنه يتم التعبير عن القيمة بالكيلو هرتز.
بشكل أساسي، من خلال تشغيل محاكاة واحدة، يمكن للمصمم ملاحظة سلوك الدائرة عند ترددات مختلفة. الملف المصدر SPICE المستخدم والمنشأ تلقائيًا بواسطة LTspice هو كما يلي:
* رد فعل جيوفاني دي ماريا
V1 في 0 جيب (0 1 1K) التيار المتناوب 12
C1 في N001 3.3 فائق التوهج
R1 N001 0 1
.ac لين 10000 1 10 كيلو
.backanno
.نهاية
في ngspice، يختلف البرنامج النصي SPICE قليلًا، كما هو مذكور أدناه. وعلى أية حال، فإن النتائج هي نفسها كما في البرنامج السابق. تم توسيع التحليل، في هذا المثال، إلى تردد 500 كيلو هرتز.
* رد فعل جيوفاني دي ماريا
V1 في 0 جيب (0 1 1K) التيار المتناوب 12
C1 في N001 3.3 فائق التوهج
R1 N001 0 1
.دقق في كل شيء
.يتحكم
ايه سي لين 10000 1500 ك
قطعة الأرض ط (R1)
.endc
.نهاية
لاحظ أنه تم تكوين مصدر الجيب لتردد 1 كيلو هرتز وجهد 1 فولت (ذروة صفر)، ولكن في نظام التحليل المتناوب يتم تجاهل هذا الإعداد وبدلاً من ذلك يتم أخذ البند “AC 12” في الاعتبار، والذي يحدد المصدر بدقة عند 12 V. يؤدي تشغيل مصدر SPICE في ngspice إلى إنشاء الرسم البياني الحالي على R1 الموضح في الشكل 2، والذي يقارنه مع ذلك الذي تم إنتاجه بواسطة LTspice.
إنشاء ومحاكاة مرشح تمرير النطاق السلبي
يصف هذا القسم المحاكاة، والأهم من ذلك، مراقبة استجابة التردد لمرشح تمرير نطاق RLC، وهو مكون أساسي يستخدم لاختيار ترددات معينة من إشارة كهربائية. كما هو موضح في الشكل 3، فهو يتكون من ثلاثة أنواع رئيسية من المكونات، وهي المقاومات (R)، والمحاثات (L)، والمكثفات (C). يمكن توصيل هذه المكونات على التوالي أو على التوازي حسب الحاجة. يختار مرشح تمرير النطاق RLC نطاقًا من الترددات ويسمح بالمرور عبره فقط، مما يخفف الترددات الأقل والأعلى من تردد القطع. لحساب مكونات المرشح، هناك الأدبيات المناسبة وهناك أيضًا العديد من الأدوات والتطبيقات البرمجية والآلات الحاسبة التي تساعد في التصميم. يتمتع المرشح المصمم في المثال بالخصائص التالية:
- عامل التصفية: ممر الموجة.
- النوع: تشيبيشيف.
- الترتيب: 3.
- تردد القطع السفلي: 150 هرتز.
- تردد القطع العلوي: 250 هرتز.
- مقاومة الإدخال: 50 أوم.
- مقاومة الإخراج: 50 أوم.
المكونات المستخدمة في الفلتر المصمم ببرنامج LTspice هي كما يلي:
- V1: إشارة صوتية الإدخال.
- R1: مقاومة 50 أوم.
- R2: مقاومة 50 أوم.
- C1: مكثف 39 فائق التوهج.
- C2: مكثف 8.2 فائق التوهج.
- C3: مكثف 8.2 فائق التوهج.
- L1: محاثة 18 مللي أمبير.
- L2: محاثة 82 مللي أمبير.
- L3: محاثة 82 مللي أمبير.
عادةً، يجب إنشاء المحاثات يدويًا، ولكن من السهل أيضًا العثور عليها تجاريًا. أصبح إنشاء مخطط الأسلاك ممكنًا بفضل NETLIST SPICE من LTspice:
* مرشح ممر الموجة لجيوفاني دي ماريا
V1 N001 0 جيب (0 1 1K) تيار متردد 12
C2 N002 N003 8.2 فائق التوهج
L2 N003 N004 82 مللي أمبير
R1 N002 N001 50
C1 0 N004 39 فائق التوهج
L1 N004 0 18 مللي أمبير
C3 N004 N005 8.2 فائق التوهج
L3 N005 خارج 82mH
ر20 من 50
.ac لين 10000 1 1 ك
.backanno
.نهاية
تختلف قائمة NETLIST الخاصة بـ ngspice قليلاً ولكن الفلسفة الرئيسية هي نفسها.
* رد فعل جيوفاني دي ماريا
V1 N001 0 جيب (0 1 1K) تيار متردد 12
C2 N002 N003 8.2 فائق التوهج
L2 N003 N004 82 مللي أمبير
R1 N002 N001 50
C1 0 N004 39 فائق التوهج
L1 N004 0 18 مللي أمبير
C3 N004 N005 8.2 فائق التوهج
L3 N005 خارج 82mH
ر20 من 50
.يتحكم
ايه سي لين 10000 1 1 ك
مؤامرة ضد (خارج)
.endc
.نهاية
ويبين الشكل 4 استجابات التردد لمرشح تمرير النطاق، مع LTspice (ذو لون فاتح) ومع ngspice (ذو لون داكن). يوضح الرسمان البيانيان الأولان القياسات بالترميز الخطي لكل من الإحداثيات والإحداثيات. من الممكن الحصول على الرسوم البيانية بالديسيبل (Y) والمقياس اللوغاريتمي (X) في ngspice عن طريق استبدال أمر البرنامج النصي:
مؤامرة ضد (خارج)
كالآتي:
مؤامرة vdb (خارج) xlog
ومع ذلك، باستخدام LTspice، ما عليك سوى النقر بزر الماوس الأيمن على المحاور لتغيير خصائصها. الرسوم البيانية اللوغاريتمية متطابقة مع بعضها البعض.
استجابة التردد لمضخم الترانزستور
كمثال أخير، يمكننا التحقق من استجابة التردد لمضخم ترانزستور بسيط ذو باعث مشترك، والذي يظهر مخطط دائرته في الشكل 5. هذا مضخم كلاسيكي يعمل، في هذه الحالة، على تضخيم الإشارة حوالي 16 مرة. وبطبيعة الحال، لن نقوم بشرح عملها هنا. البرنامج النصي ngspice هو كما يلي:
* مكبر للصوت لجيوفاني دي ماريا
V1 N001 0 5 فولت
Q1 N002 N003 N004 0 BC547B
R1 N001 N002 2.2 كيلو
R2 N004 0 1 ك
R3 N001 N003 22 كيلو
R4 N003 0 10 كيلو
C1 N003 في 10nF
V2 في 0 جيب (0 10 مللي فولت 1 كيلو) تيار متردد 10 مللي فولت
C2 خارج N002 1μF
R5 خارج 0 47 ألف
C3 N004 0 100 فائق التوهج
.model BC547B NPN(IS=2.39E-14 NF=1.008 ISE=3.545E-15 NE=1.541 BF=294.3 IKF=0.1357 VAF=63.2 NR=1.004 ISC=6.272E-14 NC=1.243 BR=7.946 IKR=0.1144 VAR=25.9 RB=1 IRB=1.00E-06 RBM=1 RE=0.4683 RC=0.85 XTB=0 EG=1.11 XTI=3 CJE=1.358E-11 VJE=0.65 MJE=0.3279 TF=4.391E-10 XTF= 120 VTF=2.643 ITF=0.7495 PTF=0 CJC=3.728E-12 VJC=0.3997 MJC=0.2955 XCJC=0.6193 TR=1.00E-32 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.333 FC=0.9579 Vceo=45 Icrating=10 0 م)
.يتحكم
ايه سي لين 100000 1900 ميجا
مؤامرة الخامس (خارج) xlog
.endc
.نهاية
يؤدي تشغيل عمليتي المحاكاة (باستخدام LTspice وngspice) إلى توفير استجابات التردد لمكبري الصوت. تظهر الرسوم البيانية في الشكل 6 وتتعلق بجهد الخرج لمكبرات الصوت، نسبة إلى LTspice (أعلى) وngspice (أسفل). تتم المحاكاة، مرة أخرى، في مجال التردد، ويمثل المحور السيني التردد بينما يمثل المحور الصادي جهد خرج مكبر الصوت، في تنسيق خطي.
خاتمة
يعد تحليل “.AC” في SPICE أداة قوية ويستخدم لمراقبة وتحليل الاستجابة الترددية للدوائر الإلكترونية. فهو يمكّن المهندسين من تقييم سلوك التصميمات في حالات التردد المختلفة وتحسين أداء الدائرة. إنه مفيد بشكل خاص لتصميم المرشحات ومكبرات الصوت. كما هو موضح في الأمثلة، فإن الرسوم البيانية لمجال التردد التي تنتجها LTspice وngspice تختلف أحيانًا قليلاً عن بعضها البعض. هذه الحقيقة يجب أن تجعل المرء يفهم عدد المرات التي يتصرف فيها جهازا محاكاة بشكل مختلف قليلاً في التحليلات المعقدة نسبيًا. ولهذا السبب بالتحديد، يوصى دائمًا بإجراء العديد من عمليات المحاكاة الإلكترونية باستخدام جهازي محاكاة مختلفين أو ثلاثة لمراقبة النتائج البديلة.
دليل محاكاة SPICE لتحليل وتصميم الدوائر – الحلقات
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
