QSPICE: تحليل المجال العابر – أخبار إلكترونيات الطاقة

في الجزء الأول من برنامجنا التعليمي حول QSPICE ، برنامج محاكاة الإلكترونيات القوي ، استكشفنا المحرر التخطيطي الإلكتروني ، وتعلمنا كيفية إنشاء الدوائر الكهربائية وتخصيصها. في هذا الجزء الثاني ، سوف نستكشف المحاكاة في المجال العابر ، وهي ميزة أساسية لفهم سلوك الدوائر بمرور الوقت. على وجه الخصوص ، سيتم إجراء محاكاة لمصدر طاقة التيار المستمر.

تصميم مصدر طاقة بسيط للتيار المستمر

يعد مصدر الطاقة البسيط ضروريًا في المختبر. إنه يوفر جهد تيار مستمر ثابت وموثوق للدوائر ، مما يضمن التشغيل الأمثل. يمكن استخدامه لتشغيل عدد كبير من الأجهزة ، مثل أجهزة الراديو ومكبرات الصوت وأنظمة الإضاءة الصغيرة واللوحات المدمجة ودوائر التحكم الدقيقة. يمكن بناؤه باستخدام مكونات يسهل العثور عليها ، مثل المحول ، وجسر الصمام الثنائي ، والمكثف ، وربما منظم الجهد. يقوم المحول بتحويل طاقة الشبكة إلى جهد تيار متردد منخفض ، ويقوم جسر الصمام الثنائي بتصحيحها إلى جهد نبضي موجب ، ويقوم المكثف بترشيحها لتقليل التموج ، ويقوم منظم الجهد بتثبيته عند قيمة ثابتة. يؤدي الجمع بين هذه المكونات إلى مصدر طاقة مستقر يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة الإلكترونية بأمان وكفاءة. من المؤكد أن تنفيذه هو الخطوة الأولى التي يجب أن يتخذها عشاق الإلكترونيات ، ويوفر نقطة انطلاق ممتازة للمشاريع الأكثر تعقيدًا التي تتطلب مصادر طاقة. يتطلب التصميم تحليلًا دقيقًا لمخطط الأسلاك ، والأهم من ذلك ، تقييم الخصائص الكهربائية المطلوبة. متوسط ​​متطلبات مصدر الطاقة المراد تصميمه هي كما يلي:

• جهد الإمداد: حوالي 30 فولت
• أقصى تيار على الحمل: حوالي 4 أ
• تردد المحول: 50 هرتز

يُظهر مخطط الأسلاك في الشكل 1 ، الذي تم إنشاؤه باستخدام محرر QSPICE ، حلاً بسيطًا جدًا لتنفيذ مصدر الطاقة. إنه غير مستقر ويوفر فقط جهدًا للتيار المستمر يبلغ حوالي 30 فولت. بالنظر إلى الرسم التخطيطي ، يجب على المرء أن يركز الانتباه على العديد من العناصر والمكونات الوصفية المهمة للغاية التي تشكل جزءًا من الدائرة:

• V2 هو جهد التيار المتردد لمأخذ الطاقة. تبلغ قيمته الذروية 325 فولت وبجهد RMS 230 فولت ويبلغ تردده 50 هرتز.
• X1 هو محول جهد مثالي ، يتكون من 480 دورة في المرحلة الأولية و 50 دورة في المرحلة الثانوية. يتكون من اثنين من المحرِّضات المقترنة بالحث. من الممكن تحديد معلمات تشغيل إضافية ، ولكن في الوقت الحالي ، من الأفضل تركها بقيمتها الافتراضية.
• D1 و D2 و D3 و D4 عبارة عن جسور ذات صمام ثنائي الغرض منها تحويل الطاقة المتناوبة إلى طاقة شبه مستمرة. والغرض الرئيسي منه هو تصحيح الإشارة المتناوبة ؛ أي تحويل الإشارة التي تغير القطبية باستمرار إلى إشارة إيجابية. تحمل الثنائيات الأربعة تيارًا قدره 5 أ ، ونموذجها هو RFN5BM3S. تم تدوير الثنائيات بزاوية 45 درجة في التخطيطي ، وهو خيار يتيحه عدد قليل من المحررين للمستخدمين.
• C1 و C2 عبارة عن مكثفات تسوية تستخدم لجعل الجهد مستمرًا قدر الإمكان. إنها توفر الطاقة أثناء الموجات النصفية السلبية ، عندما لا يقوم الجسر بتوصيل التيار ، وتعمل كمراكم للطاقة.
• R1 حمولة مقاومة 22-Ω.

توجيهات سبايس

كما لوحظ ، فإن مخطط الدائرة لا يتكون فقط من مكونات إلكترونية ، ولكن هناك عناصر نصية أخرى تشكل توجيهات سبايس. توجيهات سبايس هي أوامر خاصة مستخدمة في برامج محاكاة الدوائر القائمة على سبايس. إنها لغة محاكاة تستخدم على نطاق واسع لتحليل سلوك الدوائر الإلكترونية. يتم وضع توجيهات SPICE داخل ملف إدخال المحاكي وتوفر تعليمات محددة للتحكم في عملية المحاكاة. تسمح هذه التوجيهات بتعريف خصائص المكونات وظروف التشغيل الأولية والقياسات التي يتعين إجراؤها وخيارات المحاكاة الأخرى. هناك العديد من توجيهات SPICE ، وهي تسمح بتخصيص المحاكاة والتحكم فيها وفقًا للاحتياجات المحددة للدائرة التي يتم تحليلها. تتم مراجعة جميع توجيهات SPICE المستخدمة في مخطط مصدر طاقة التيار المستمر أدناه:

08.10.2023

08.10.2023

08.09.2023

• .model RFN5BM3S D (هو = 1.8236E-9 N = 1.3647 …: يصف هذا التوجيه الخصائص الكهربائية للديود RFN5BM3S ، المأخوذ كنموذج خارجي. يمكن العثور على النماذج على الإنترنت أو تكون ذاتية الصنع ، ولكن مع الكثير من البحث والتحليل.
• .tran 200 م: يستخدم هذا التوجيه لتحديد خيارات المحاكاة العابرة. على وجه التحديد ، يوجه جهاز محاكاة سبايس لإجراء تحليل عابر لفترة زمنية محددة. بالتفصيل ، يشير إلى أنه يجب إجراء المحاكاة العابرة لمدة 200 مللي ثانية. هذا يعني أن جهاز المحاكاة يحسب سلوك الدائرة خلال هذه الفترة الزمنية. أثناء التحليل العابر ، يحسب جهاز محاكاة سبايس كيفية تفاعل الدائرة مع التغيرات الإلكترونية بمرور الوقت ، مثل التغيرات في الفولتية أو التيارات في الدائرة. هذا النوع من التحليل مفيد لفهم السلوك الديناميكي للدائرة ودراسة المؤقت الأولي حتى الوصول إلى حالة مستقرة. من المهم ملاحظة أن دقة المحاكاة تعتمد على خطوة أخذ العينات ، إن وجدت ، المحددة في أمر التحليل العابر. على سبيل المثال ، إذا كانت خطوة أخذ العينات هي 1 µs ، فسيقوم جهاز المحاكاة بحساب قيم الدائرة كل 1 µs ، خلال فترة 200 مللي ثانية.
• .plot v (in)، v (out)، i (r1): يتم استخدام توجيه SPICE هذا لتحديد المتغيرات التي سيتم عرضها في الإخراج الرسومي للمحاكاة (انظر الرسوم البيانية للإخراج في الشكل 2). على وجه التحديد ، يوجه جهاز المحاكاة لرسم الرسوم البيانية للجهود والتيارات ذات الأهمية أثناء تحليل الدائرة. بالتفصيل ، يوجه المحاكي لرسم الرسوم البيانية المتعلقة بـ v (in) ، وهو الرسم البياني لجهد الدخل للدائرة بمرور الوقت ، إلى v (خارج) ، وهو الرسم البياني لجهد الخرج للدائرة بمرور الوقت ، وإلى i (r1) ، وهو الرسم البياني للتيار المتدفق خلال الحمل “R1”. يتم استخدام هذا التوجيه ، لذلك ، لعرض كميات محددة بيانياً عند تحليل الدائرة. ومع ذلك ، يمكن تحديد كميات أخرى ، مثل الفولتية والتيارات والقوى والثوابت والقيم المحسوبة الأخرى للدائرة – ما عليك سوى سردها بفصلها بفاصلات. سيعرض الإخراج الناتج عن المحاكاة رسومًا بيانية للكميات المحددة ، مما يسمح لك بمراقبة سلوك الدائرة بمرور الوقت وتحليل البيانات الناتجة من المحاكاة.
• .meas vin rms (v (in)): يستخدم هذا التوجيه لقياس قيمة جذر متوسط ​​التربيع (RMS) لجهد الدخل للدائرة أثناء المحاكاة. يسمح هذا الأمر بحساب وعرض قيمة RMS لجهد الخرج. ستكون نتيجة هذا القياس متاحة بعد ذلك في الإخراج النصي للمحاكاة (انظر الشكل 3). يمثل قياس RMS قيمة RMS للكمية ، وهي مقياس لاتساعها الفعال. في هذه الحالة المحددة ، يحسب “rms (v (in))” قيمة RMS لجهد الدخل “v (in)” في الدائرة ، لأنه جهد متناوب جيبي. يُرجع القياس الذي تم إجراؤه قيمة RMS تبلغ حوالي 230 فولت.
• .meas vout rms (v (out)): يستخدم هذا التوجيه لقياس RMS لجهد الخرج للدائرة أثناء المحاكاة. يسمح هذا الأمر بحساب قيمة RMS لجهد الخرج والإبلاغ عنها كنتيجة للتحليل. يُرجع القياس الذي تم إجراؤه قيمة RMS تبلغ حوالي 31 فولت.
• .meas CURR avg (i (r1)): يستخدم هذا التوجيه لحساب متوسط ​​التيار المتدفق عبر المقاوم “R1” أثناء محاكاة الدائرة. يحصل هذا الأمر على متوسط ​​القيمة الحالية نتيجة التحليل. يُرجع القياس الذي تم إجراؤه قيمة RMS تبلغ حوالي 1.4 أ.

يوصى بمراجعة الدليل المرفق مع البرنامج بعمق بالضغط على F1.

محاكاة

لبدء محاكاة الدائرة ، ما عليك سوى النقر فوق الزر الأخضر الموجود في شريط الأدوات العلوي (RUN). المحاكاة سريعة جدًا وتنتهي بعرض الرسوم البيانية والبيانات المقاسة.

بالعودة إلى الرسم البياني الناتج عن المحاكاة ، يمكن ملاحظة ثلاث إشارات:

• تمثل الإشارة الخضراء V (IN) ، بمقياس على اليسار ، جهد الدخل الجيبي. كما يتضح ، تبلغ قيمته القصوى 325 فولت.
• تمثل الإشارة الزرقاء V (OUT) ، مع وجود مقياس على اليسار ، جهد الخرج المستمر. تبلغ قيمته حوالي 31 فولت.
• تمثل الإشارة الحمراء I (R1) ، بمقياس على اليمين ، التيار المتدفق خلال الحمل. تبلغ قيمته حوالي 1.4 أ.

يعرض الرسم البياني الشبكة ، والتي يمكن تنشيطها بالضغط على CTRL + G. يمكن تغيير قيم الحد الأدنى والحد الأقصى لمقاييس العرض عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على المقياس نفسه. يمكن للمستخدم أيضًا تكبير منطقة معينة ، باستخدام الماوس ، كما يتضح من الشكل 4. في هذا التكبير ، من الممكن ملاحظة وجود إشارة تموج صغيرة على إشارة الخرج ، بقيمة ذروة من حوالي 1.2 فولت. من الممكن تقليل هذا العنصر المزعج عن طريق زيادة قيمة مكثف التحليل الكهربائي.

خاتمة

باستخدام QSPICE ، من السهل جدًا إنشاء ومحاكاة معظم الدوائر الإلكترونية. يجب أن تكون متطلبات الكمبيوتر مناسبة للبرنامج ، ويجب أن يكون لديك إصدار 64 بت من Windows 10 أو Windows 11 مثبتًا. يوصى أيضًا بمعالج قوي وربما GPU. يسمح الاستخدام المكثف لتوجيهات SPICE للمصممين بالاستفادة القصوى من برنامج المحاكاة. يرجى ملاحظة أن مصدر طاقة التيار المستمر المقترح في هذه المقالة يحتوي على جهد خرج يعتمد على نوع المحول المستخدم.

تحميل المخططات والملفات ذات الصلة

لطالما كان جيوفاني مولعًا بالإلكترونيات والرياضيات والأعمال اليدوية. وهو مبرمج كمبيوتر ومدرس لعلوم الكمبيوتر والرياضيات. إنه يحب الشخصيات ويبحث دائمًا عن أرقام رئيسية كبيرة. كما كتب كتابًا عن برمجة PIC Microcontroller 16F84 باستخدام mikroBasic. هو صاحب شركة Elektrosoft ، وهي شركة تتعامل مع الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات. إنه مدرب ومعلم بدوام كامل.