Моделирование схемы
Данный раздел документации добавлен при необходимости пересчета номиналов электронных компонентов, подбора аналогов, незначительных изменений в схеме и, разумеется, из академического (образовательного) интереса. С целью сохранения выходных характеристик в вышеперечисленных случаях, в процессе симуляции работы схемы, может понадобится попутно пересчитать значения зависимых компонентов схемы. Вообще говоря, разработка устройства начиналась именно моделирования.
Important
Раздел предназначен для опытных пользователей, понимающих теорию цепей и принципы разработки электронных устройств посредством моделирования SPICE-подобным Симуляция электронных устройств выходит за рамки настоящей технической документации, начинающему пользователю многое будет непонятно. 🤯
Симулирование составных схем фотореле произведено в специализированном программном продукте SPICE-моделирования Micro-Cap 12 и разбито на отдельные простые схемы и статьи документации к ним. Все исходные файлы расположены в специальной директории исходников. Ниже перечислены составные блоки фотореле, схемы которых моделируются индивидуально (отдельно).
На рисунке 1 ниже представлена моделируемая схема компаратора в составе устройства фотореле Sims\LSenseComparator.cir.
Рисунок 1. Электронная схема симулуляции аналогового компаратора с гистерезисом.
В качестве фотодатчика фоторезистор R3 с темновым сопротивлением 1МОм GL5516. Сопротивление данного резистора R3 зависит от падающего на него светового потока: чем сильнее поток (ярче), тем сопротивление меньше. Краевые значения (минимальное, максимальное) сопротивлений измеряются эмпирически мультиметром, далее заносятся текстово в параметры SPICE ниже:
; Настройки фоторезистора
.param R3max=470k ; Максимальный порог яркости включения фотореле
.param R3min=5k ; Максимальный порог яркости отключения фоторелеФрагмент 1. Код SPICE задания значений минимального и максимального сопротивлений фоторезистора R3.
Резистор R3 в составе делителя напряжения R1X1R2, которое сравнивается с опорным напряжением на делителе
Далее проводится статический анализ по постоянному току и анализ переходных процессов (по времени).
Первый и главный анализ DC по постоянному току для рабочих точек. Моделирование схемы рисунок 1 по постоянному току (DC-анализ) при различных значениях сопротивлений фоторезистора R3 позволяет выбрать номиналы всех постоянных резисторов и задать требуемый диапазон регулирования. Резистор R3 является управляемым, сопротивление которого равно напряжению источника V1 (в виду особенности DC-анализа). В результате моделирования, отобразим интересующие нас данные графически на графике 1, измерием значения в некоторых точках и проанализируем.
Tip
Особенность DC-анализа состоит в плавном изменении (повышение/понижение) значения какого-либо одного источника напряжения/тока, при этом на каждой итерации перерасчитываются токи и напряжения в каждом узле схемы. Полученные значения можно выводить на график, обычно интересуют не все, а определенные узлы. Изменять значения не источников при DC-анализе недоступно. Типичным примером DC-анализа является построение ВАХ диодов и транзисторов.
График 1. Графики результата DC-анализа схемы рисунок 1.
Построенные графики отображают зависимость напряжений в интересующих точках схемы от сопротивления резистора R3 (фоторезистора) по оси абсцисс. На одном поле выведено два семейства графиков:
-
Compare voltage. Семейство графиков напряжения в точке SET_lvl для нижнего по схеме (
$${\color{red}L\_POT=0\%}$$ красная кривая) и верхнего по схеме ($${\color{green}L\_POT=100\%}$$ зеленая кривая) положений потенциометра X1. -
Comparator Out Voltage. Семейство графиков выходного напряжения компаратора в точке Out для нижнего (
$${\color{red}L\_POT=0\%}$$ красного цвета) и верхнего ($${\color{green}L\_POT=100\%}$$ зеленого цвета) положений потенциометра X1. Низкое выходное напряжение компаратора логически активное и сигнализирует команду включения нагрузки (подается далее в другую схему).
На графике 1 в точках начала спада выходного напряжения компаратора фактически происходит опрокидывание триггера Шмитта,
нарисуем (вручную) вертикальные линии в этих точках и обозначим их Граница A (светлее), Граница B (темнее). Чтобы понять в каких конкретно точках ставить
вертикальные линии (метки) можно подогнать визуально с помощью встроенных средств работы с графиками, а можно написать специальную SPICE-функцию измерения
DETECT_FALL(Y) ниже:
* Поиск точки начала опрокидывания триггера
.BEGIN_MEASURE DETECT_FALL(Y,N=FIRST)
.MEASURE DC peak1 MAX Y FROM=DCMIN TO=DCMAX
.MEASURE DC DETECT_FALL WHEN Y=peak1*.99 TD=.1n RISE=N
.MEASURE TRAN peak1 MAX Y FROM=TSTART TO=TMAX
.MEASURE TRAN DETECT_FALL WHEN Y=peak1*.99 TD=.1n FALL=N
.END_MEASURE DETECT_FALLФрагмент 2. Код функции поиска точки начала спада на графиках.
Далее написанную SPICE-функцию требуется добавить в вывод DC-нализа в раздел численных измерений Measurements, по команде CTRL+ALT+M, это
окно также показано на графике 1. В результате работы функции мы получим значение сопротивления фоторезистора R3 при котором происходит опрокидывания
триггера для случая крайнего нижнего и верхнего положений движка потенциометра регулировки чувствитльности X1. Положение потенциометра в процентах (%) определено параметром
L_POT. Для сравления в окне Measurements добавлена встроенная функция поиска первого минимума Low_X(Y) результаты измерения сопротивления которой немного отличаются,
т.к. она показывает не начало, а конец спадающего фронта, в нашем случае неправильно; на самом деле триггер опрокинется мгновенно и наклонной линии (режим усиления) в
действительности не будет, в другом анализе переходных процессов мы это увидим.
Tip
Вертикальные линии спада графиков Comparator Out Voltage немного под наклоном, в виду наличия у модели операционного усилителя небольшой усилительной области. Не нужно на это обращать внимания, в анализе переходных процессов этих наклонов не будет.
Точки пересечения вертикальных пунктирных линий с линиями графиков, которые были поставлены по результатам работы функции DETECT_FALL(Y) отображены желтыми квадратиками.
Как видно по графику точки опрокидывания триггера попадают достаточно точно в заданные краевые значения сопротивления фоторезистора.
Близко, но не точно – это связано с наличием у компаратора гистерезиса, подробнее об этом в анализе переходных процессов.
Закрашенная серым замкнутая фигура между графиками и пунктирными линиями - зона регулировки чувствительности потенциометром X1, т.е. весь возможный диапазон для всех значений сопротивления фоторезистора R3 в пределах установленных граничных условий сопротивления.
График диапазона регулирования ⤵️
На графике 2 ниже с помощью инструментария Perfomance построен график постобработки всего диапазона работы компаратора фотореле. По оси абсцисс положение потенциометра X1 в процентах (%), по оси ординат - сопротивление фоторезистора R3. Данный график можно использовать, как номограмму.
График 2. Полный диапазон работы компаратора фотореле рисунок 1.
Анализ переходных процессов для схемы (рис .1) позволяет понять работу схемы во времени. На графике 3 ниже отображены интересующие численные данные результата анализа переходных процессов. Семейство графиков для каждого из крайних положений движка потенциометра X1.
График 3. Графики результата симуляции анализа переходных процессов схемы рисунок 1.
Верхний график отображает сначала нарастающую по времени, затем спадающую кривую сопротивления фоторезистора R3, для подсчета гистерезиса по сопротивлению и напряжению. На нижнем графике сначала следует обратить внимание на семейство графиков Comparator Output, которые представляют выходной сигнал работы компаратора (активный низкий уровень) или еще называют опрокидывание триггера Шмитта. Сперва нужно убедиться, что во всем диапазоне изменений сопротивления резистора R3 наблюдается 4 опрокидывания триггера – два на включение и два отключение. Таким образом, мы видим, что реле работает правильно. Если кол-во опрокидываний окажется меньше, это свидетельствует, что порог триггера вышел за установленные пределы и вживую такое фотореле работать не будет.
Note
Нижний график, содержит на своем полотне несколько графиков для экономии пространства.
График красного цвета – при положении потенциометра X1 (DETECT_FALL(Y) уже
описана выше, добавим функцию DETECT_RISE(Y) ниже.
* Поиск начала опрокидывания триггера
.BEGIN_MEASURE DETECT_RISE(Y,N=FIRST)
.MEASURE TRAN peak1 MAX Y FROM=TSTART TO=TMAX
.MEASURE TRAN DETECT_RISE WHEN Y=0.05 TD=.1n RISE=N
.END_MEASURE DETECT_RISE
Фрагмент 3. Код функции поиска точки начала нарастания графика.
Tip
Писать SPICE-функции необязательно, они введены для удобства экономии времени. Встроенных средств работы с графиком вполне достаточно, чтобы вычислить эти значения вручную по графикам.
По временным точкам опрокидывания триггера поставим координаты точек абсцисс и ординат на каждой кривой графиков (цифры в желтом квадратике), а на верхнем графике для
наглядности на этих точках нарисуем вертикальные пунктирные линии. Таким образом, видна вся работа компаратора и значения в краевых точках. Закрашенная серым цветом зона
нижнего графика показывает весь диапазон регулировки чувствительности потенциометром X1. Визуально с помощью встроенных средств работы с графиками или с помощью самописной
SPICE-функции HYSTERESIS(Y) (ниже) посчитаем величину гистерезиса сопротивления и напряжения.
* Поиск гистерезиса сопротивления
.BEGIN_MEASURE HYSTERESIS(Y,what)
.MEASURE TRAN peak1 MAX Y FROM=TSTART TO=TMAX
.MEASURE TRAN w1 FIND what WHEN Y=peak1*.99 TD=.1n FALL=FIRST
.MEASURE TRAN w2 FIND what WHEN Y=0.05 TD=.1n RISE=FIRST
.MEASURE TRAN HYSTERESIS PARAM w1-w2
.END_MEASURE HYSTERESIS
Фрагмент 4. Код SPICE-функции нахождения гистерезиса между двумя противоположными состояниями триггера.
Как становится понятно, величина гистерезиса на переключение по напряжению одинакова для обоих крайних положений, но величина сопротивления фоторезистора R3 отличается вдвое.
Warning
Это говорит о том, что гистерезис светочувствительности фотореле непостоянен и при затенении увеличивается. Для данного устройства это некритично, однако это причина по которой не следует еще более его увеличивать (уменьшать сопротивление резистора R6).
Вторая симулируемая составляющая схема фотореле представляет собой аналоговую задержку включения-выключения гирлянд и изображена на рисунке 2. Схема представляет собой интегрирующую цепочку R1C1 и компаратор X1 с расширенным гистерезисом (практически Rail-to-Rail) благодаря транзистору M1.
Tip
Интегрирующая цепочка R1C1 для фотодатчика наиболее предпочтительное решение, вместо, например, Watchdog-подобных таймеров. Это позволяет фильтровать кратковременные перекрытия светового потока (например, листьями деревьев), при таком режиме работы включение фотореле будет определено средним значением динамически меняющейся яркости фотодатчика.
Рисунок 2. Электронная схема симулуляции времени задержки на операционном усилителе.
Для данной схемы выполняется только один анализ переходных процессов. По завершению анализа выводится график 4, интересующих динамически меняющихся узловых потенциалов.
График 4. Графики результата анализа переходных процессов схемы рисунок 2.
На графике изображена
* Максимальная задержка включения
.BEGIN_MEASURE DELAY_ON(Y1, Y2)
.MEASURE TRAN pk1 MAX Y1 FROM=TSTART TO=TMAX
.MEASURE TRAN pk2 MAX Y2 FROM=TSTART TO=TMAX
.MEASURE TRAN DELAY_ON TRIG Y1 VAL=pk1*0.9 TD=.1n RISE=1 TARG Y2 VAL=pk2*0.9 TD=.1n RISE=1
.END_MEASURE DELAY_ON
* Максимальная задержка включения
.BEGIN_MEASURE DELAY_OFF(Y1, Y2)
.MEASURE TRAN DELAY_OFF TRIG Y1 VAL=0.9 TD=.1n FALL=1 TARG Y2 VAL=0.9 TD=.1n FALL=1
.END_MEASURE DELAY_OFF
С помощью моделирования можно подобрать другие значения номиналов электронных компонентов, если требуются другие временные задержки.