Eines der mächtigsten Werkzeuge, das jemals für Elektronik-Entwickler geschaffen wurde, ist zweifellos die Möglichkeit, elektronische Schaltungen auf dem PC zu
simulieren. Mittlerweile schaffen diese Programme fast Unglaubliches: Nicht nur die Funktion einer Schaltung kann getestet werden bevor man das erste Mal den Lötkolben anheizt. Dabei ist unter Funktion die Ermittlung
aller Spannungs- und Stromwerte zu beliebigen Zeiten zu verstehen, zu dem das Verhalten im Zeit- und Frequenzbereich, Abhängigkeiten von Temperaturschwankungen und Bauteiltoleranzen, sowie massenhaft mathematische
Funktionen um das alles grafisch darstellen zu können. Weiterhin fließen nicht nur die elektrischen sondern auch die mechanischen und sogar wirtschaftliche Modelle der eingesetzten Bauelemente in die Simulation ein. Die
EMV-Verträglichkeit, die Wärmeverteilung auf der Platine - alles ist erkennbar. Es können nach erfolgreicher Funktionssimulation Leiterplatten entworfen, platziert und (auto-)geroutet werden, schließlich die
Materialkosten kalkuliert und die Verfügbarkeit dieser für die Produktion verwaltet werden. Ein komplettes Entwicklungssystem mit den genannten Fähigkeiten schlägt dann auch mit ein paar hunderttausend Euro zu Buche
und sollte Hardwaresimulation gewünscht sein, geht’s in die Millionen. Glücklicherweise gibt es für Privatanwender und Bildungseinrichtungen diverse (eingeschränkte) Versionen, die durchaus brauchbar sind. Zu nennen
sind die (allerdings stark eingeschränkte) Demoversion von Electronic Workbench
und die Evaluierungsversion des Stammvaters aller PC-Simulationsprogramme, PSPICE.
Bezugsquellen und zusätzliche Links/Literatur finden sich am Ende dieser Seite. Um die Evaluierungsversion von PSPICE soll es hier gehen. Zuerst ein Simulationsbeispiel, dann ein paar Hinweise zur Bauteilmodellierung.
Simulation “verzögernder Spannungsregler”
Die Relaisstromversorgung des
HausSteuerungsComputers HSC muss folgende Eigenschaften haben:
- Eingangsspannung +28V (+/-2V)
- Ausgangsspannung +24V, Ausgangsstrom 0..200mA
- Ausgang kurzschlussfest
- Ausgangsspannung darf erst nach min. 3sek nach Anlegen der Eingangsspannung erscheinenWenn schon die Ausgangsspannung gesteuert werden muss, kann man sie auch gleich noch stabilisieren,
nach mehreren Versuchen habe ich folgende Schaltung synthetisiert: Zur Erläuterung: V9 ist die Rohspannungsquelle mit extern angeordnetem Innenwiderstand Ri, die
Kombination aus V8, V15 und Ri2 wird nur für die Simulation des Ausschaltverhaltens gebraucht, also um zu prüfen, wie lange die Schaltung nach Ausfall der Eingangsspannung braucht, um sich zu erholen. Q1
(SD336C) entspricht etwa einem BD136, Q2 und Q3 (SC237D) etwa den BC237. D28 ist eine Z-Diode 9V. V10...V13 werden im konkreten Betrieb einzeln je nach Bedarf kurzgeschlossen, um die
Ausgangsspannung möglichst genau auf +24V zu bringen.
R1, C1, Q3 und V17 sind für die Einschaltverzögerung zuständig. Wie man sieht, erzeugt die Einschaltflanke
der Eingangsspannung einen Strom über R1 und C1 in die Basis von Q3, der damit durchgesteuert ist und so Q2 sperrt. Mangels Basisstrom sperrt auch der Längstransistor Q1 bis nach etwa drei Sekunden C1
soweit aufgeladen ist, dass Q3 sperrt. Ab diesem Moment ist die Einschaltverzögerung beendet, der Normalbetrieb setzt ein. Die Verzögerung der Ausgangsspannung ist in der Darstellung der
Transientensimulation der ersten 10 Sekunden des Betriebes schön zu sehen (Bild2). Zusätzlich sind die Verhältnisse bei unterschiedlichen (aber konstanten) Lasten dargestellt.Zusätzlich interessiert das Regelverhalten der Schaltung im Normalbetrieb. In dem die Eingangsspannung
zwischen 0 und 40V variiert wird, ergibt sich für den eingeschwungenen Zustand das folgende Bild 3 (wieder für die drei Lastfälle). Aus der Steigung der Kennlinien ab Uin=28V lässt sich die Regelwirkung der
Schaltung ablesen. Mit einem Regelfaktor von ~17 nicht gerade toll für dieses Bauteilgrab...
Hinsichtlich der Simulationsbedingungen muss man beachten, dass die Darstellung des eingeschwungenen
Zustandes den eingeschalteteten Analyseparameter “Skip initial transient solution” in den Optionen zur Transientenanalyse voraussetzt. Gemeint ist das Überspringen der Einschaltvorgänge, obwohl hier die
Transientenanalyse deaktiviert ist! Schließlich soll noch gezeigt werden, welche Verlustleistung am Längstransistor Q1 im ungünstigsten Fall
auftritt. Neben der Ermittlung der notwendigen Kühlfläche dient das der Überprüfung der geforderten Kurzschlussfestigkeit. Im Bild 4 ist mit Hilfe des eingeschalteten Messcursors ersichtlich, dass das Maximum der Verlustleistung
mit 5,76 W bei einem Lastwiderstand von 19,2 Ohm auftritt. Wer mutig ist, kann aus dem schmalen Bereich wesentlicher Verlustleistungen schließen, dass deren Auftreten ziemlich unwahrscheinlich ist und auf
Kühlflächen für Q1 verzichten. Nur zwischen 19 Ohm und 24 Ohm Last übersteigt die Verlustleistung 1 W, den zulässigen Wert für ungekühlten Betrieb.
Im Kurzschlussfall werden in Q1 60 mW umgesetzt, das ist ok.
Die gezeigten Bilder sind nur ein winziger Ausschnitt dessen, was die Evaluierungsversion von PSPICE kann. Zum Abschluss noch ein paar Hinweise zur Erstellung eigener Bauteilmodelle. Modellierung von Bauelementen
Schon in der Evaluierungsversion von PSPICE sind fast 300 Modelle enthalten, allerdings sind dabei Sondermodelle, wie Spannungs/Stromquellen, Messpunkte u.ä. enthalten. Weitere Modellbibliotheken z.B. aus dem Internet
lassen sich (in begrenztem Maße) aber zufügen. PSPICE verwaltet sehr viele maßgebende Daten in Textdateien, sowohl Ausgangsdaten, als auch Ergebisse. Das bezieht sich auch auf die
Bibliotheken, die mit einfachen Texteditoren bearbeitet und ergänzt werden können. Man muss allerdings wissen, was man tut. Die Spezifikationen der Bauelemente beiinhalten deren physikalische Daten, weniger
die, die man üblicherweise in Datenblättern findet. Zu dem ist zwischen Symbolbibliotheken (*.slb) und Modellbibliotheken (*.lib) zu unterscheiden. Erstere enthalten die Symbole, die in Schaltbildern verwendet
werden und beziehen sich per Verweis auf die korrespondierenden Modelle, die die elektrischen Parameter enthalten.
Das Werkzeug zum Erstellen/Bearbeiten von Symbolen ist im Programm “Schematics”, also dem
Schaltplaneditor, enthalten. Zusätzlich gibt es ein Werkzeug namens PART, mit dem die Bauteilmodelle erstellt und geändert werden können. Leider ist das in der Evaluierungsversion auf Diodenmodelle beschränkt.
In der Elekta-CD sind Tools zu finden, mit deren Hilfe aus Datenblattangaben von bipolaren und Feldeffekt-Transistoren, sowie von Dioden, die PSPICE-Modelle erzeugt werden können. Es ist allerdings
zu beachten, dass nicht alle Parameter des Modells aus den Eingaben stammen. Ohne dass besonders darauf hingewiesen wird, sind einige Werte unveränderlich, das Diodenprogramm setzt z.B. automatisch
Siliziumdioden voraus. Modelle von Leuchtdioden können damit nicht erzeugt werden.
Selbst kreierte Modelle sollte man in PSPICE einzeln gründlich testen, sich also mit allen denkbaren
Simulationsversuchen davon überzeugen, dass die Ergebnisse den theoretischen Erwartungen entsprechen.
Software/Literatur |
Links |
Heinemann, PSPICE Elektroniksimulation
Hanser Verlag 1998 |
Electronic Workbench
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Weber, Elekta 2.0 (Interaktive CD Elektronik-Know-how), Franzis’ Verlag |
PSPICE
Dazu eine Einführung der FH Mittweida |
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Der SPICE-Club |
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Bauteilmodelle |
Tietze, Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, Springer-Verlag, 1999 |
Website der Fa. Cadence |
Nührmann, Professionelle Schaltungstechnik, Franzis-Verlag, 1989 |
LInkliste der Fa. Logmatic
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Balcke,Krause, Grundlagen der analogen Schaltungstechnik, Verlag Technik, 1981 |
Newsgroup: de.sci.electronics |
Seifart, Analoge Schaltungen, Verlag Technik, 1988 |
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