PSpice Seminar 2010

PSpice-Seminar (1) Einführung; Einfache Netzwerke Prof. Dr. U. Schwarz 1

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Einführung Vorbemerkung: Als begleitende Literatur wird unbedingt das Buch von „PSPICE“ von R. Heinemann empfohlen. Das PSpice-Seminar benutzt die kostenlos erhältliche Evaluations-Software Orcad PSpice-Studentenversion 9.1 mit den von R. Heinemann erstellten Modifikati-onen. Mit dieser Version kann man schon relativ umfangreiche Schaltungen erstellen und simulieren.

Für den geregelten Arbeitsablauf stellt Orcad PSpice 9.1 einige Oberflächen zur Verfügung. Die Oberfläche zur Schaltungseingabe, –Generierung und Vorbereitung von Simulationen heißt „Schematics”. Die eigentliche Simulation läuft in „PSpice“ ab. Die Ergebnisausgabe erfolgt in der Regel als Darstellung bestimmter Ströme und Spannungen und anderer elektrischer Größen in „Probe“ als Funktion der Zeit, der Frequenz oder von anderen selbst gewählten Variablen.

A) Arbeiten mit Schematics In Schematics wird zunächst das Schaltbild erstellt. Hierzu benutzt man im Menu „Draw“ den Unterpunkt „Get new Part“, der alle benötigten Bauteile enthält. Im Part Browser Basic wird ein kleines Fenster geöffnet, das die Bauteile mit ihren gebräuchlichen Bezeichnungen enthält: R, L, C, VSIN, IDC, usw. können durch Doppelklick markiert und auf dem Zeichenblatt platziert werden. Im Part Browser Advanced wird zusätzlich das grafische Symbol des markierten Bau-teils angezeigt. Benötigt man eine Bauteilart mehrfach, so kann man beim Platzieren durch einen Klick auf die linke Maustaste das Bauteil vervielfachen. Ein (virtuelles) Bauelement, das für jede Simulation benötigt wird, ist die Masse AGND zur Definition des Bezugspunktes, gegen den alle Potentiale gemessen werden. Abgeschlossen wird die Bauteilplatzierung durch einen Klick auf die rechte Maustaste. Nach Schließen des Part Browsers befinden sich die Bauteile zunächst ungeordnet auf dem Ar-beitsblatt. Einzelne Bauteile oder auch ganze Baugruppen können markiert werden, indem man sie anklickt (Farbe Rot). In diesem Zustand kann man sie durch Ziehen der Maus verschieben. Durch „Ctrl+R“ kann man markierte Bauteile/-Gruppen drehen und durch „Ctrl+F“ kippen. Nachdem alle Bauteile sich an ihrem Platz befinden, werden sie elektrisch verbunden. Hierfür gibt es in der Werkzeugleiste von Schematics einen Bleistift mit dünner Linie. Er wird durch Doppelklick angewählt und erscheint als Symbol auf dem Arbeitsblatt. Durch Ziehen der Maus wird der Bleistift in die gewünschte Position gebracht (z.B. an den Anschluss eines Bauteils) und durch Mausklick links aktiviert. Er kann dann waagerechte und senkrechte Linien zeichnen. Durch Mausklick links kann man eine Ecke im Linienzug erzeugen. Am gewünschten Endpunkt (z.B. Bauteilanschluss) wird durch Mausklick links die Verbindung fixiert und der Bleistift kann neu platziert werden. Mit Mausklick rechts wird dieser Arbeitsschritt beendet.

B) Spannungsquellen (VDC, VAC, VSIN, VPULSE) Alle Spannungsquellen in PSpice beginnen mit dem Buchstaben „V“. Sie haben die nachfolgend dargestellten Schaltsymbole (unterschiedlich in der amerikanischen und deutschen Version!), sind bezeichnet mit U plus fortlaufender Nummer, Beispiel: U1, U2,…, und zeigen z.T. ihren Wert in Volt an. Der Innenwiderstand ist jeweils Null.

VDC: Dies ist die einfachste Quelle. Sie wird benutzt als Konstantspannungsquelle zur Er-mittlung von stationär sich einstellenden Betriebszuständen und als Hauptvariable im DC-Mode zur Ermittlung von Schaltungs- bzw. Bauteilverhalten bei Spannungsvari-ation. Durch Doppelklick auf den Namen oder den Wert öffnet sich ein Fenster, in dem man dann den gewünschten Namen bzw. Wert eingeben kann.

VAC: Diese Quelle wird zur Ermittlung des Frequenzverhaltens von Schaltungen benutzt. Beim Doppelklick auf das Schaltsymbol öffnet sich das unten dargestellte Fenster. Der Wert für DC sollte auf 0V gestellt werden, der beste Wert für die AC-Größe ist 1V, weil er in der häufig gebrauchten db-Darstellung Null ergibt und so als Referenzlinie


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benutzt werden kann. Der Wert ACPHASE muss nicht eingestellt werden. ACMAG kann auch über Doppelklick auf den angezeigten Wert angewählt und eingestellt werden. Namens-änderung: siehe VDC.

VSIN: Diese Quelle wird zur Erzeu-gung von sinus-förmigen Span-nungen im Zeit-bereich benutzt. Die Abb. rechts zeigt die Einstel-lung für das normale 50-Hz-Netz. Wichtig: VOFF muss mit einem Wert ver-sehen werden. Hier ergibt sich die Möglichkeit einen Gleichanteil zu definieren, der natürlich bei einer reinen Wechselspannung Null ist. Der Phasenwinkel kann zur Erzeugung eines Mehrphasensystems genutzt werden. Namensänderung: siehe VDC.

Vorsicht: das Schaltsymbol sieht genauso aus wie VAC und ist in der Schaltungsdarstellung nicht davon zu unterscheiden! Man muss also bei der Auswahl achtgeben und sich in einer Schaltung gegebenenfalls durch Doppelklick auf das Symbol vergewissern.

VPULSE: Diese Quelle wird vor allem im Zeitbereich genutzt.

V1, V2: Spannungslevel TD: Verzögerungszeit TR: Anstiegszeit TF: Abfallzeit PW: oberes Plateau PER: Periodendauer Die Abb. rechts zeigt die Einstellung für eine 1-kHz-Rechteckquelle. Die Verzögerungszeit beträgt 10μsec. Diese Quelle kann man über ihre AC-Einstellung auch als AC-Quelle benutzen. Sie bietet dadurch eine sehr gute Möglichkeiten zum Test der Übertra-


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gungseigenschaften einer Schaltung (Beispiel: Filter) im Zeit- und im Frequenzbereich; Namensänderung: siehe VDC.

C) Einfache Quellen-/Widerstandsschaltungen 1. Erstellen Sie die beiden nachfolgenden Schaltungen und speichern Sie sie ab (z.B. Bruecke

und 2_Spann; PSpice lässt keine Umlaute zu!).

a) nicht abgeglichene Brücke

b) Schaltung mit 2 Quellen Testen Sie die Richtigkeit durch Ausführen der Unterpunkte „Create netlist“ und „Electrical rule check“ im Untermenu „Analysis“. Widerstandswerte bzw. –namen oder Spannungswerte bzw. Namen von Quellen können durch Doppelklick auf den Wert bzw. Namen oder auf das Schaltzeichen selbst angewählt und geändert werden. Hierbei sind folgende Regeln zu beachten:

• PSpice akzeptiert die üblichen Abkürzungen bis auf drei Ausnahmen: μ (mikro) = u und M (Mega) = meg; Kommawerte sind als Punkt „.“ zu setzen.

• Einheitszeichen (V, A, Ohm) sind nicht nötig und werden deswegen häufig weggelassen. Wenn man sie dennoch benutzt, muss man sie direkt ohne Leerzeichen nach dem Zahlen-wert bzw. der Abkürzung eintragen. Ein etwaiges Leerzeichen versteht PSpice bei Aus-führung der Simulation nicht und erzeugt entsprechend eine Fehlermeldung mit Simu-lationsabbruch!

• Die neu eingetragenen Werte sind durch „ok“ (Wert/Namen) oder durch „Save Attribute“ (Schaltzeichen) zu bestätigen.

Führen Sie erste Simulationen aus durch Betätigen des Unterpunktes „Simulate“ im Untermenu „Analysis“. Sie können auch die gelb hinterlegte Kurvenzug-Schaltfläche benutzen. Während der Simulation öffnet sich das PSpice-Fenster, das Auskunft über den Zustand der Simulation liefert. Das Ende der Berechnung wird durch „Bias point calculated“ angekündigt.

2. a) Machen Sie die berechneten Spannungen und Ströme durch Anklicken der Schaltflächen „V“ bzw. „I“ in der Werkzeugleiste von Schematics sichtbar. Beim Anklicken (Markie-ren) einzelner Stromwerte wird die Stromrichtung durch einen roten Pfeil angezeigt. Mar-kierte Strom- bzw. Spannungswerte können durch Betätigen der Entf-Taste entfernt wer-den.

b) Deaktivieren Sie die „V“- und „I“-Schaltflächen und machen Sie die Berechnungsergeb-nisse sichtbar, indem Sie im Schematics-Fenster unter Analysis, Examine Output, die Ausgabedatei (Schaltungsname mit der Endung „.out“) öffnen. Was stellen Sie fest?

c) Entfernen Sie das Massezeichen und starten Sie die Simulation. Was passiert? d) Stellen Sie auf einfache Weise fest, ob PSpice richtig gerechnet hat. Kann man die Brücke

durch geeignete Wahl des Widerstandes R4 abgleichen? (789, 468Ohm) Kommentar? e) Erzeugen Sie in der 2-Quellenschaltung rechts durch geeignete Wahl der Spannung U2 in

R4 den Strom 1mA (-4,35V) und Null (16,6667V)! f) Kann der Strom in R5 der Brückenschaltung durch eine zweite Spannungsquelle mit ge-

eigneter Größe im Querzweig zu Null gemacht werden? Gelingt dieses sowohl durch eine Spannungsquelle in Reihe zu R5 als auch durch eine parallel zu R5 geschaltete Quelle? (Reihenschaltung, 4,58333V)


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Zusatzaufgaben 1

Z11. Ermitteln Sie für die Schaltung (1) alle Ströme und Spannungen. Wie groß muss der Widerstand R6 sein, damit IR6 0,5 mA beträgt? (11,52kΩ).

Z12. In der Schaltung (2) sind die Spannungen U1 = 10V und U2 = 20V. Die Widerstände sind R1 = 1,7kΩ, R2 = 4kΩ, R3 = 6,45kΩ und R4 = 4kΩ. Wie groß ist der Strom I4? (2.5mA).

Z13. In der Schaltung (3) betragen die Spannungen U1 = 20V und U2 = 10V. Die Widerstände sind R1 = 5Ω, R2 = 10Ω, R3 = 2Ω und R4 = 5Ω. Welcher Strom fließt in der Verbindungs-leitung zwischen den Punkten A und B? (500mA).

Z14. Stellen Sie sich ein würfelförmiges Widerstandsnetzwerk vor, in dem die Kanten jeweils von einem Widerstand R = 1kΩ gebildet werden. Stellen Sie das Netz (flächig) in Schematics dar und speisen Sie eine Gleichspannung U = 10V zwischen der Ecke oben links und der Ecke unten rechts (Endpunkte einer Raumdiagonalen) ein.

a) Wie groß sind die Ströme (3*4mA, 6*2mA, 3*4mA) und Spannungen (3*6V, 3*4V)? Erklärung? Es ergeben sich drei Parallelzweige mit 1kΩ, 0,5kΩ, 1kΩ.

b) Wie kann das Netzwerk modifiziert werden, damit alle Teilströme gleich groß sind? Wie groß ist in diesem Fall der Ersatzwiderstand? Man entfernt die Verzweigungen der zweiten Teilstrecke durch Eliminieren von 3* einem Widerstand.

c) Speisen Sie über einer anderen Raumdiagonalen -10V ein. Was ändert sich? Die Schaltung wird symmetrisch mit 4* dem gleichen Potential 1*10V, 2*5V, 1*0V: in 4 Widerständen fließt kein Strom, in 8 Widerständen fließt 5mA.

D) DC-Analysis

Bisher wurde noch keine Analyse-Art bewusst ausgewählt. Dies bedeutet für PSpice die Berech-nung des eingeschwungenen Grundzustandes (Bias point calculation). Die oben gestellten Auf-gaben 2e) und 2f) kann man entweder durch „zu Fuß-Berechnung“ oder durch Ausprobieren lösen. Die Lösung durch Ausprobieren wird mit Hilfe der DC-Analysis sehr erleichtert: bei dieser Analyse wird sozusagen eine Reihe von Grundzuständen aneinandergereiht, indem man eine Schaltungsgröße als Variable vorgibt. 3. Erstellen Sie als Einstieg in diese Simulationsart die nebensteh-

ende Schaltung; starten Sie die Simulation und schauen Sie sich die Ergebnisdatei an. Was erkennen Sie? Wird irgendetwas vari-iert? Welche Schaltungsgröße(n) bieten sich als Variable an?

Die DC-Analysis wird im Menu „Analysis“, Untermenu „Setup“ aufgerufen. Durch Doppelklick auf die Schaltfläche „DC Sweep“ öffnet sich ein Dialog-Fenster, in dem man links oben die Größe wählt, die als unabhängige Variable (x-Achse) dienen soll (Beispiel Spannung: voltage source); rechts oben gibt man die Kurzbezeichnung aus Schematics an (Beispiel: U1), legt darunter Beginn, Ende und Inkrement (beliebig, aber sinnvoll) fest und wählt schließlich die Darstellungsart (Beispiel: linear). Das Fenster wird geschlossen und die Analyse-Art durch Anklicken des Enabled-Feldes aktiviert. Es ist offensichtlich, dass nun die Simulationsergebnisse nicht mehr mit simplen Zahlenwerten darzustellen sind. Man benötigt hierzu ein Grafik-Fenster, das in diesem Programm „Probe“

U

R3

R2R1

I4

U2

R4

+–

+

–

U1

R3

R1 U2R2

B

R4

A +

–

+

–


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heißt und die nahezu ausschließlich genutzte Oberfläche zur Ergebnisdarstellung ist. Nach der Simulation öffnet sich das Probe-Fenster mit der gewählten Simulationsvariable als X-Achse. Das Fenster ist (zunächst) leer, da Probe natürlich detaillierte Informationen benötigt, welche Größen darzustellen sind, da es völlig unsinnig wäre, alle berechneten Ströme und Spannungen in einem Diagramm darzustellen. Die Auswahl der Ergebnisgrößen wird in „Probe“ oder in „Schematics“ getroffen.

Wahl von Ergebnisgrößen in Probe Durch Betätigung der Schaltflächen „Trace“ und „Add Trace“ öffnet sich ein Dialogfeld mit den für die Darstellung möglichen Größen. Sie werden angeklickt und durch Komma von einander getrennt. Der große Vorteil der Darstellungswahl in Probe besteht darin, dass Größen verknüpft (Beispiel Leistung, Impedanz) bzw. mathematisch nachbehandelt (Beispiel Linearer Mittelwert, Effektivwert) werden können.

Wahl von Ergebnisgrößen in Schematics durch die Schaltfläche „Markers“, die bei Doppelklick Spannungen gegen Masse (voltage/ level), Differenzspannungen (voltage differential) und Ströme (current into pin) zur Verfügung stellt. Die gewählte Darstellungsart erscheint als Pfeil in Schematics, der mit der Maus beliebig positionierbar und vervielfältigbar ist (siehe Bauteile). Es muss dabei beachtet werden dass ein Strom-Marker nur an Bauteilanschlüssen angebracht werden darf.

4. Positionieren Sie jeweils einen Strom-Marker an einem Widerstand der Aufgabe 3 und führen Sie die Simulation durch. Was passiert?

5. Positionieren Sie jeweils einen Strom-Marker zur Messung der Ströme aus den Aufgaben 2e) und 2f) und führen Sie die jeweilige Simulation durch. Was passiert?

E) Darstellung in PROBE Das Probe-Fenster bietet eine Fülle von Einstellungen und Informationen, auf die z.T. detailliert eingegangen wird. Das Darstellungsfenster lässt sich durch die üblichen Windows-Techniken optimieren. Alle (z.B. mit Marker) gewählten Größen werden in Abhängigkeit von der im Setup gewählten Variablen als Kurvenzug dargestellt. Die automatische Achsenskalierung sorgt dafür, dass die zahlenmäßig größte berechnete Größe formatfüllend erscheint (z.B. I(R5) = f(V_V1), da sie die einzig markierte Ergebnisgröße ist). Wählt man die Grenzen der unabhängigen Variablen vernünftig, schneidet die Ergebnisgröße die Nulllinie: jeweilige Lösung von 2e) bzw. 2f). Ein sehr geeignetes Hilfsmittel zur genauen Feststellung des Nulldurchgangs ist der Cursor, der über eine spezielle Schaltfläche in Probe aktiviert werden kann. Es erscheint auf dem Bildschirm über dem Diagramm ein Fadenkreuz, das mit der Maus verschoben werden und einzelnen Kur-ven zugeordnet werden kann. Gleichzeitig sind zwei Cursorn verfügbar (einer für die linke und einer für die rechte Maustaste), so dass auch Differenzmessungen möglich sind. 6. Finden Sie mit Hilfe des Cursors die Nulldurchgänge der Ströme aus den Aufgaben 2e) und

2f) heraus. Was stellen Sie fest? Weiter Zusatzaufgaben 1

Z15. Welchen Verlauf hat die Leistung im Widerstand R1 der 2-Quellenschaltung bei Variation von U1? Wie klein ist der niedrigste Wert, und wo liegt er? (Parabel, -1,5V; 0W).

Z16. Führen in der Schaltung von Aufgabe 3 einen der Widerstände als Variable ein. Stellen Sie die Leistung in R2 als f(R2) bei fest vorgegebener Spannung U1 = 15V dar.

Z17. Variieren Sie in der Zusatzaufgabe Z14c die Spannung U2 zwischen 0 und 10V und stellen Sie Spannungen und Ströme in Probe dar.


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F) Einsatz von Parameters Für die Schaltung unter 3 bieten sich als Hauptvariable der Innen- oder der Lastwiderstand an. Um dieses zu realisieren, benutzt man das virtuelle „Bauelement“ Param (Parameters). Für die Parametervariation gibt man als Wert des gewählten Widerstands einen selbst gewählten Namen in geschweiften Klammern an (Beispiel: Rval statt 1k), der im Element Parameters unter NAME1 ohne geschweifte Klammern eingetragen wird. Dazu ist ein beliebiger (aber sinnvoller) Wert unter VALUE1 einzutragen, der allerdings hier für die Rechnung ohne Bedeutung ist. Im Unterpunkt DC Sweep klickt man dann Global Parameters an und trägt im Feld für die Variable den gewählten Namen Rval ein. Alle anderen Einstellungen erfolgen sinngemäß. 7a) Ermitteln Sie den Strom für einen Lastwiderstand von 1Ω bis 3kΩ. 7b) Stellen Sie für diesen Fall die Leistung in der Last und im Innenwiderstand dar.

G) Ändern von Modelleigenschaften Bisher haben Sie nur die ungefährliche Seite von PSpice kennengelernt. Bei dem nun folgenden Unterpunkt zur Änderung von Modelleigenschaften müssen Sie sehr umsichtig vorgehen, weil Sie hier durchaus Modelle endgültig unbrauchbar machen können. In der Regel kann man Modelleigenschaften in PSpice nicht einfach ändern. In der (Eval-)- version von Orcad PSpice 9.1 gibt es jedoch eine Klasse von Modellen, bei denen einige Modelleigenschaften variiert werden können. Dies sind die so genannten Breakout-Modelle. 8a. Zur praxisnahen Nutzung dieser Möglichkeit erstellen Sie in Schematics die Schaltung

einer Ausschlagbrücke zur Temperaturmessung mit einem PT100-Element. Setzen Sie zur Anzeige einen Differenzspannungsmarker ein.

Um überhaupt eine Temperaturänderung anzeigen können (wie?), muss der als PT-100-Element wirkende Widerstand mit dem Temperaturkoeffizienten für Platin versehen werden. Das Bauteil in PSpice, das hierfür geeignet ist, heißt Rbreak. Man baut also zunächst in die Brücke einmal Rbreak ein; sodann markiert man dieses Bauteil mit einem Mausklick. In diesem Zustand öffnet man das Untermenu Edit – nur in diesem Menu hat man Zugang zu den Modelleigenschaften und kann sie dementsprechend auch zerstören!! – und klickt den Unterpunkt Model… an. Es öffnet sich ein Menu, in dem Sie Edit Instance Model (Text) anklicken, das die Modelleigen-schaften als ASCII-Text wie folgt aufruft: .model Rbreak RES R=1 *$ Zum Einbau der Temperatureigenschaft erzeugt man eine neue vorletzte Zeile, die die Bezeich-nung TC1 und den Temperaturbeiwert des Werkstoffs (hier 3,85·10-3/K) enthält. Die Zuordnung erfolgt durch Gleichheitszeichen (kein Blank zwischen TC1 und Wert!). Danach verlässt man diese Menu-Ebenen durch jeweiliges Betätigen von ok. Der Ausdruck TC1 bedeutet etwa: Temperature Coefficient 1. order. Es wird also nur der lineare Anteil des Temperatur-Koeffizienten berücksichtigt, was hier aber völlig ausreicht. 8b. Simulieren Sie die Arbeitsweise der Brücke mit der Temperatur als Hauptvariablen

zwischen -50°C und 100°C. Was stellen Sie fest? (der Ausschlag ist nicht linear; bei 0°C ergibt sich ein Ausschlag UB = -274mV).

8c. Wie muss die Schaltung modifiziert werden, damit die Anzeige bei 0°C auch Null beträgt? (RBreak, TC1 = 0,00385/K (Platin); mit RT = 100 Ohm ergibt sich ein falscher Bezugswert (27°C). Deswegen muss der Anfangswert von RT = R0/(1-TC1•27) = 111,6 Ohm bei R0 = 100 Ohm gewählt werden).

PSpice-Seminar (2) Kennlinien(-Felder) und DC Analysis Prof. Dr. U. Schwarz 7

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Kennlinien(-Felder) PSpice benutzt sehr wirklichkeitsnahe Bauelemente. Entsprechend kann man Testschaltungen zur Ermittlung der Bauteileigenschaften in „Schematics” erstellen und mit der Simulationsart „DC“ testen. Die Ergebnisgrößen werden entweder mit Marker oder direkt in „Probe“ gewählt.

A. Einfache Testschaltungen (Diode1.sch; fet1,c,d.sch; Transistor1,i,u.sch; IGBtest.sch) 1. Erstellen Sie einfache Testschaltungen für eine Diode (D, 1N4002), einen Transistor (Q,

Q2N3904), einen FET (J, J2N4393) und einen IGBT (Z, IXGH40N60) und erstellen Sie - soweit möglich - jeweils Eingangs-. Übertragungs- und Ausgangsdiagramm. Was stellen Sie fest?

Ein echtes Kennlinienfeld mit vielen Kennlinien, die durch die parametrische Variation einer Steuergröße (Beispiel Basisstrom beim Transistor) entstehen, lässt sich in PSpice durch die Verwendung des Unterpunkts „Parametric“ im Untermenu „Setup“ erreichen, wenn die Parametergröße eine Spannung oder ein Strom ist. Natürlich können Sie auch das virtuelle Bauelement „Param“ benutzen (hier etwas umständlicher). Vor der Simulation ist in „Parametric“ die Art der Steuerung einzutragen – ganz ähnlich wie beim „DC Sweep“. 2. Fügen Sie den obigen Testschaltungen die Parametrierung einer Steuergröße hinzu und

stellen Sie dabei die jeweils günstigste Art der Parametervariation fest. Transistor1i: Ic = f(Ib; 10uA... 5mA) (fraglich ob verträglich mit Nenndaten) (ausgewählter Bereich: 10uA.... 0,2mA)

Fragen zum Transistor: Welche Kollektorströme liegen vor bei IB = 10μA/40μA/80μA /140μA und UCE = 4V/10V16V? Wie groß ist jeweils UBE? Transistor1: Ic = f(Uce; 0....20V; Parameter: Ib = 0,005mA......0,14mA mit 0,005mA Schritten)

3. Einbau von 3 Arbeitsgeraden U0 = 20V, 1kΩ; U0 = 16V, 1,6kΩ; U0 = 12V, 0Ω;

B. Übungen zu Kennlinien (fet1,c,d.sch; Transistor1,i,u.sch; IGBtest.sch) 4. Der Transistor Q2N3904 wird mit Basisströmen von 10μA bis 140μA angesteuert. Welchen

mini-/maximalen Kollektorstrom IC liefert er bei UCE = 18V bzw. bei UCE = 12V? (1.7mA/24,74mA)

5. Welchen maximal nutzbaren Strom IC liefert er in einer Schaltung mit RC = 1kΩ und UB = 18V. Wie groß sind dabei IB und UCE? (110uA/767mV/17,2mA) Bei welchem IB wird der Transistor übersteuert und wie groß ist dabei IC ? (115uA/294mV/17,7mA)

6. Mit einem Basisstrom von 0,1mA soll ein konstanter Strom geliefert werden. Wie groß sind der maximale/ minimale Lastwiderstand (Normwert) und die zugehörigen Stromwerte? (910Ω/ 676mV/15,7mA; 0Ω/15V/18,8mA) Wie gut ist die Stromstabilität? Wie groß ist für diesen Lastfall UBE ? (743,1mV)

7. Erzeugen Sie die oben angegebenen Basisströme mit einer Spannungsquelle plus Basiswider-stand. Wie ändern sich Ein- und Ausgangskennlinienfeld? Welcher maximal nutzbare Strom IC kann in einer Schaltung mit RC = 1kΩ und UB = 20V erzeugt werden? Wie groß ist UCE? (13,2mA..15,35mA/ 8,62V/)

8. Geben Sie für den FET J2N4393 aus dem ID-UGS-Diagramm an, in welchem Spannungs-bereich der FET sinnvoll angesteuert werden kann. Welche Ansteuerspannung liefert den größten Strom? (-1,3..0,7V;0,7V) Welchen maximalen Strom können Sie mit einem Lastwider-stand von 500Ω bei UB = 15V realisieren (Werte von UGS, UDS,)? ?(0,3V; 1,74V; 26,5mA) Wie groß ist die Stromveränderung bei 0Ω Last? (15V; 28,5mA) Wie ändern sich die Werte für den nächsten Normwiderstand der Reihe E6? (470Ω; 0,35V; 1,83V, 28mA; 15V; 30,1mA) Welcher maximale Strom kann in diesem Ansteuerbereich mit welchem Lastbereich erreicht werden bei UB = 16,2V? (360Ω; 0,7V; 2,0V, 39,4mA; 16,2V; 42,6mA)

9. Geben Sie für den FET IRF150 aus dem ID-UGS-Diagramm an, in welchem Spannungsbereich der FET sinnvoll angesteuert werden kann. Welche Steuerspannungen liefern den maximalen

PSpice-Seminar (2) Kennlinien(-Felder) und DC Analysis Prof. Dr. U. Schwarz 8

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Pulsstrom (152A) und den maximalen Dauerstrom (38A)? Wie groß ist der maximale Strom bei einem Lastwiderstand von 4,7Ω bei UB = 100V (Werte von UGS, UDS,)? Wie groß ist die Stromänderung bei für diese Last?

10. Erstellen Sie das Ausgangskennlinienfeld für den IGBT IXGH40N60) und geben Sie an, mit welchen Ansteuerspannungen Lastströme zwischen 1A und 16 A realisiert werden können. Welcher maximal nutzbare Strom IC kann in einer Schaltung mit RC = 8Ω und UB = 100V erzeugt werden? Ansteuerspannung, UCE , Stromvariation für diese Spannung? (11,84A; 4,75V; 5V; 11,84A...12,86A)

Zusatzaufgaben 2 Z21. Wie lassen sich in den verschiedenen Kennliniendiagrammen für den Transistor Q2N3904

die h-Parameter erzeugen und darstellen? (Anwendung der Ableitungen: h11 = δUBE/δIB; h21 = δIC/δIB; h22 = δIC/δUCE;)

Z22. Wie lassen sich in den verschiedenen Kennliniendiagrammen für den FET IRF150 die h-Parameter erzeugen und darstellen? Sind diese Parameter hier sinnvoll? (nicht alle!)

Z23. Erzeugen Sie für den Transistor 2N3904 ein Ausgangskennlinienfeld mit einer Betriebs-spannung UB = 20V und IBmax = 1,5mA. Legen Sie die Ptot-Kurve in das Diagramm für Ptot = 0,5W. Erzeugen Sie eine gerade noch zulässige Arbeitsgerade. Wie groß ist hierfür der Arbeitswiderstand, und wo liegt der Arbeitspunkt für den A-Betrieb? (RAP = 200Ω; UAP = 10V; IAP = 50mA)

Z24. Erzeugen Sie für diese Betriebsparameter eine Kurve, aus der Sie den Beginn des Sättigungsbereichs ablesen können. (UCB = 0)

PSpice-Seminar (3) Einbinden neuer Modelle Prof. Dr. U. Schwarz 9

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Einbinden neuer Modelle für die Nutzung unter SCHEMATICS In PSPICE unterscheidet man zwischen zwei Arten von Bauteil-Bibliotheken: Schaltzeichenbibliotheken mit der Dateiendung .slb und Modellbibliotheken mit der Dateiendung .lib.

Die Modelldateien beinhalten die Beschreibung des elektrischen Verhaltens der Bauteile. Sie können mit einem normalen Editor geöffnet und bearbeitet werden. Das Internet enthält mehrere tausend Modell-Dateien (meistens) kostenlos. Wenn Sie aber ein neues Modell durch Modifi-kation eines vorhandenen Modells erstellen wollen, so gehen Sie folgendermaßen vor.

A. Erstellen eines neuen Modells mit Hilfe eines vorhandenen Modells (LED). Da PSpice in der Evaluationsversion kein LED-Modell besitzt, wird das Modell Dbreak zur Er-zeugung des neuen Modells benutzt. Hierzu ruft man das Modell Dbreak auf und markiert es durch Anklicken. Man öffnet im Untermenu Edit den Unterpunkt Model durch Anklicken. Es öffnet sich das Fenster Edit Model, in dem man Edit Instance Model (Text) anklickt. Man erhält: .model Dbreak-X D Is=1e-14 Cjo=.1pF Rs=.1 *$ Mit den minimalen Daten für ein Dioden-Modell (Is: Sättigungsstrom; Cjo: Sperrschichtkapa-zität; Rs: Bahnwiderstand; hinzu kommt häufig noch die Trägerdichte N). Nach diesem Muster wird das LED-Modell Im Windows-Editor folgendermaßen als neue Datei erstellt. .MODEL LED-X D N=2.5 RS=1.1 CJO=40PF IS=3E-21 *$ .., die man als LED.lib im Verzeichnis Program Files/OrCAD_Demo/PSpice/Userlib abspei-chert. Die Kopfzeile beginnt grundsätzlich mit .MODEL gefolgt von dem Namen (LED-X) und dem Bauteiltyp (D). Die Schwellspannung US wird im Wesentlichen über IS eingestellt – je kleiner der Wert, desto höher US. Über RS kann man die Steilheit der Kennlinie im Durchlass-bereich steuern. Zum Gebrauch in PSpice muss die Bibliothek noch angemeldet werden.

B. Modellbibliotheken an- und abmelden 1. Öffnen Sie aus dem Menü ANALYSIS heraus durch Betätigen der Schaltfläche LIBRARY

AND INCLUDE FILES... das Fenster LIBRARY AND INCLUDE FILES. 2. Tragen Sie in die Eingabefläche den Namen der anzumeldenden Modellbibliothek ein. 3. Betätigen Sie die Schaltfläche ADD LIBRARY*

4. Verlassen Sie das Fenster durch Betätigen von OK. 5. Zum Abmelden einer Modellbibliothek markieren Sie den Namen der abzumeldenden

Bibliothek im Fenster LIBRARY AND INCLUDE FILES und betätigen anschließend die Schaltfläche DELETE.

Es können beliebig viele Bibliotheken mit Endung .lib angemeldet werden. (ONsemi: 2N3055 Qmj15015, Qmj15016; 2N6042, 2N6045, Dmbr10h100ct, Dmurhf860ct)


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Wesentlich schwieriger gestaltet sich der Umgang mit den Schaltzeichenbibliotheken .slb, die die grafische Information für das Schaltzeichen und die erforderlichen Informationen zur Erstellung der Netzliste enthalten. SCHEMATICS lässt die Einbindung weiterer Schaltzeichenbibliotheken zu. In der Eval-Version 9.1 darf jede zusätzliche slb-Bibliothek maximal 20 Bauelemente enthalten. Die Gesamtzahl der gleichzeitig nutzbaren slb-Bibliotheken ist auf maximal 10 beschränkt.

Bei der Installation der Studentenversion hat PSPICE folgende 9 slb-Dateien eingebunden: · ABM.SLB (ABM-Bausteine sind Bestandteile mancher PSPICE-Modelle) · ANALOG.SLB (Widerstände, Kondensatoren, etc.) · ANALOG_P.SLB (braucht man nicht unbedingt) · BREAKOUT.SLB (Bauteile mit editierbaren Modellparametern) · EVAL.SLB (Beinhaltet u.a. alle Halbleiterbauelemente) · PORT.SLB (Beinhaltet u.a. das Massezeichen AGND) · SOURCE.SLB (Alle Spannungsquellen) · SOURCSTM.SLB (braucht man nicht unbedingt) · SPECIAL.SLB (Beinhaltet u.a. das Parametersymbol PARAM)

Man muss also nicht benötigte slb-Dateien für den Einsatz eigene slb-Dateien abmelden. Hierbei arbeitet man überwiegend mit dem risikobehafteten Bauteil-Editor. Also Vorsicht: • Schaltzeichenbibliotheken bei PSPICE an- und abmelden. • Neue Schaltzeichenbibliotheken erstellen. • Modellbibliotheken bei PSPICE an- und abmelden.

C. Schaltzeichenbibliotheken abmelden 1. Öffnen Sie durch Anwahl von OPTIONS/EDITOR CONFIGURATION.../LIBRARY

SETTINGS... das Fenster LIBRARY SETTINGS. 2. Markieren Sie die abzumeldende Bibliothek durch Anklicken ihres Namens mit der Maus. 3. Betätigen Sie die Schaltfläche DELETE. 4. Verlassen Sie das Fenster LIBRARY SETTINGS durch Anklicken von OK. 5. Schließen Sie das Fenster EDITOR CONFIGURATION durch Anklicken von OK.

E. Für ein vorhandenes Modell ein Schaltzeichen durch Verändern eines vorhandenen Schaltzeichens erstellen (LED)

1. Öffnen Sie den Symboleditor durch Anklicken der Schaltfläche: 2. Öffnen Sie aus dem Menü PART heraus das Fenster COPY PART. 3. Betätigen Sie die Schaltfläche SELECT LIB und finden Sie die Bibliothek (eval.slb), in der

sich das Schaltzeichen befindet, dessen Kopie Sie zur Erstellung eines neuen Schaltzeichens verwenden wollen. Öffnen Sie diese Bibliothek und bringen Sie dadurch deren Inhalt im Fenster COPY PART zur Anzeige.

4. Klicken Sie im Fenster COPY PART den Namen des Bauteils (1N4002) an und befördern Sie ihn dadurch in die beiden Eingabefelder EXISTING PART NAME und NEW PART NAME.

5. Tragen Sie bei NEW PART NAME den Namen des neu zu erstellenden Bauteils (LED) ein und kehren Sie mit OK zurück zum Symboleditor.

6. Öffnen Sie im Symboleditor das Menü PARTS und betätigen Sie ATTRIBUTES.... Es öffnet sich das Fenster ATTRIBUTES.

7. Ändern Sie die Attribute PART, MODEL und COMPONENT so, dass sie zum neuen Bauteil passen.


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8. Stellen Sie sicher, dass auch im Fenster DEFINITION, das Sie über PART / DEFINITION... erreichen, bei PART NAME der neue Name eingetragen ist.

F. Ein Schaltzeichen in einer neu anzulegenden Schaltzeichenbibliothek abspeichern: 1. Erzeugen Sie das Schaltzeichen im Symboleditor (E). 2. Aktivieren Sie im Fenster FILE die Option SAVE AS... und öffnen Sie dadurch das Fenster

SAVE AS. 3. Öffnen Sie im Fenster SAVE AS den Ordner USERLIB. 4. Tragen Sie in das Eingabefeld DATEINAME den von Ihnen gewünschten Namen

(MIX.SLB) für die neue Schaltzeichenbibliothek ein. 5. Verlassen Sie das Fenster SAVE AS durch Betätigen der Schaltfläche SPEICHERN. 6. Es öffnet sich das Fenster CONFIGURE. Bestätigen Sie die darin gestellte Frage mit ja,

falls Sie die neuerstellte Bibliothek auch gleich anmelden wollen.

D. Einer bereits vorhandenen Bibliothek ein Schaltzeichen hinzufügen 1. Öffnen Sie den Symboleditor. 2. Öffnen Sie die Bibliothek, in die das neue Schaltzeichen aufgenommen werden soll. 3. Erzeugen Sie das gewünschte neue Schaltzeichen (B). 4. Speichern Sie das Schaltzeichen durch Betätigen der Schaltfläche SAVE in der geöffneten

Bibliothek.

E. Eine Schaltzeichenbibliothek anmelden (MIX.SLB) 1. Öffnen Sie durch Anwahl von OPTIONS.../EDITOR CONFIGURATION/ LIBRARY

SETTINGS... das Fenster LIBRARY SETTINGS. 2. Tragen Sie den Namen der anzumeldenden Bibliothek bei LIBRARY NAME ein. 3. Markieren Sie die kleine Fläche vor SYMBOL mit einem Haken. Die kleine Fläche vor dem

Namen PACKAGE bleibt unmarkiert. 4. Betätigen Sie die Schaltfläche ADD*, um die Bibliothek FET.SLB der Liste der bei PSPICE

angemeldeten Bibliotheken hinzuzufügen. 5. Kehren Sie durch Anklicken von OK zurück zum Fenster EDITOR CONFIGURATION.

Verlassen Sie das Fenster EDITOR CONFIGURATION durch Anklicken von OK.

F. Ein Schaltzeichen aus einer Schaltzeichenbibliothek entfernen 1. Öffnen Sie den Symboleditor 2. Öffnen Sie die Bibliothek, in der sich das zu löschende Schaltzeichen befindet. 3. Öffnen Sie aus dem Menü PARTS heraus das Fenster REMOVE. 4. Finden Sie den Namen des zu löschenden Bauteils im Fenster REMOVE auf, markieren Sie

ihn und befördern Sie ihn dadurch in die Eingabezeile PART NAME. 5. Betätigen Sie die Schaltfläche DELETE. Verlassen Sie REMOVE durch Anklicken von

CLOSE. 6. Speichern Sie die Änderungen durch Betätigen der Schaltfläche SAVE.

G. Aufgaben 1. Erstellen Sie die Kennlinie der LED und testen Sie die Auswirkung verschiedener Werte für

IS und RS aus.

2. Ein Nabendynamo liefert Ueff = 6V und darf mit 3W belastet werden. Er soll die oben definierte LED mit maximal 200mA versorgen. Ermitteln Sie anhand der Kennlinie den nötigen Vorwiderstand. (26,57Ω)


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3. Tragen Sie die Leistungen für den Widerstand und die LED ins Diagramm ein.

PSpice-Seminar (4) Gleichrichter-Schaltungen Prof. Dr. U. Schwarz 13

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Gleichrichter-Schaltungen (Transient Analysis) Eine sehr wichtige Simulationsart ist der Test des Zeitverhaltens von Schaltungen. Sie heißt Transient Analysis und wird wie alle anderen Analysearten in Schematics im Untermenu Analysis, Setup angewählt und eingestellt. Die Ergebnisausgabe erfolgt wie vorher mit den ge-wählten Größen in „Probe“ als Funktion der Zeit. Diese Simulationsart soll zunächst an einfa-chen Gleichrichterschaltungen geübt werden.

A) Einfache GR-Schaltung 1. Erstellen Sie aus den nebenstehenden Elementen eine einfache

Gleichrichterschaltung. Welches wichtige Element fehlt noch? 2. Stellen Sie sicher, dass die nebenstehende Quelle vom Typ VSIN

ist (VAC sieht gleich aus!). Bei der Spannungsquelle müssen mehrere Eigenschaften angegeben werden, die dann durch „Save Attr“ zu bestätigen sind (Voff = 0; Vampl = 1.414; Freq = 50).

3. Welche Größen wollen Sie als Zeitverlauf darstellen? Im Menu „Markers“ finden Sie die ver-fügbaren Größen (Spannung gegen Masse, Strom in einem Punkt, Spannung zwischen zwei Punkten), die Sie anklicken und durch Ziehen einzelnen Schaltungspunkten zuordnen können.

4. Vor dem Start der Simulation müssen in dem Menu „Analysis“ die Startbedingungen einge-stellt werden: im Unterpunkt „Setup“ wird die Simulationsart TRANSIENT durch einen Dop-pelklick gewählt. Es öffnet sich ein Dialogfeld, in das „Print Step“, „Final Time“ und „Step Ceiling“ einzutragen sind. Welche Werte sind hier brauchbar? (10μs; 30ms)

5. In Probe werden die Amplituden- und Zeitwerte über die Cursor-Funktion ermittelt. Wie groß ist die maximale Spannung an R1 bei R1 = 1kΩ; 100Ω? Wann beginnt die Diode zu leiten/ sperren bei jeweils welcher Diodenspannung? (370/346mV; 374/337mV) Darüber hinaus kann man im Untermenu „Trace“ über die Funktion „Add“ neue (künstliche) Darstellungen erzeugen. Wie groß sind jeweils Effektiv-/Gleichrichtwert der Speise- und Lastspannung? (382/217mV; 320/178mV)

6. Modifizieren Sie die Schaltung mit den Werten der LED-Aufgabe. Stellen Sie den Effektiv-wert der Spannung an der LED und des Stromes dar und machen Sie den Zeitverlauf der Leistung in der LED sichtbar.

B) Spitzenwertgleichrichtung 1 Modifizieren Sie die Schaltung A1 durch Hinzufügen eines Kondensators 10μF parallel zur

Last. 2 Machen Sie durch geeignete Wahl der angezeigten Größen mindestens 4 unterschiedliche

Phasen in den Zeitverläufen sichtbar.

C) Spannungsverdopplung (Villardschaltung; Greinacherschaltung) 1. Erzeugen Sie durch Vertauschen von Diode und Kondensator in Schaltung B) eine einfache

Verdopplungsschaltung. Machen Sie anhand der Zeitverläufe in Probe die elektrischen Vorgänge klar.

2. Erzeugen Sie durch Kombination der Schaltungen C1) und B) eine Verdopplungsschaltung mit Glättung. Machen Sie anhand der Zeitverläufe in Probe die elektrischen Vorgänge klar. Welche Vorteile hat die Schaltung C2) gegenüber C1) (Die Ausgangsspannung ist besser geglättet.

3. Realisieren Sie die Schaltung rechts und erläutern Sie mittels geeig-neter Marker und der resultierenden Zeitverläufe in PROBE die elek-trischen Vorgänge. Wozu dient die Schaltung; welche Probleme er-geben sich bei kleinen Spannungen? (Messung des Spitzenwerts; negativer Einfluss der Dioden-Flussspannung)


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Weitere Schaltungen: Brückenschaltung mit und ohne Glättung (siehe unten); Schaltung mit Plus- und Minus-Spannung gegen Masse.

Erzeugen Sie folgende Schaltungen und erklären Sie die Funktionsweise anhand ausgewählter I- und U-Verläufe


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Zusatzaufgaben 4 Z41. Wozu dienen die beiden Schaltungen unten? Erläutern Sie die prinzipielle Funktion und stellen Sie die Unterschiede anhand ausgewählter Spannungs- und Strom-Verläufe fest. Worin besteht der Vorteil der Schaltung rechts?


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Verstärker Aufbauend auf den Schaltungen zur Ermittlung von Transistor- bzw. FET-Kennlinien lassen sich Verstärkerschaltungen konzipieren. 1. Der einstufige Verstärker rechts ist zu simulieren. Wie kann man den Arbeits-

punkt einstellen bzw. variieren? Wie wirken sich Variationen der Versor-gungsspannung U2, und des Widerstandes R7 = RC aus? Grundeinstellung der Wechselspannung: 10mV, 100kHz. (U0ff schiebt AP; kleiner Bereich bringt Nichtlinearitäten durch Eingangskennlinie; R7 groß: Arbeitsgerade flach IC-Variation klein und umgekehrt;)

2. Die Arbeitspunktspannung kann durch den Spannungsteiler R8, R9 eingestellt werden (rechts). Die Ankopplung der Wechselspannung erfolgt in der Regel über einen Kondensator – hier C4. Simulieren Sie die Schaltung. Wie wirken sich Veränderungen im Spannungsteiler R8, R9 aus? Wie weit können die Werte von R8, R9 vergrößert werden, ohne die Schaltungseigenschaften wesentlich zu beeinflussen? Wie wirkt sich die Größe der Koppelkapazität aus? Wie wirkt sich eine Temperaturänderung aus? (IR9 sollte mindestens 10* größer als IB sein. Schon kleine Temperaturänderungen haben großen Ein-fluss auf AP! Größe von C wird dadurch gegeben, dass C mit R9 einen komplexen Spgsteiler bildet: 1/ωC <<< R9; R10 zerstört die Verstärkung.)

3. Der Arbeitspunkt kann durch einen Emitterwiderstand (R10, Abb. rechts) stablisiert werden. Prüfen Sie die Stabilisierung bei unterschiedlichen Temperaturen anhand geeigneter Ströme und Spannungen.

4. Die Stabilisierung kann durch einen Kondensator parallel zu R10 (C5, rechts) erweitert werden, der Wechselspannungsanteile im Emitterkreis kurzschließt. Prüfen Sie auch diese Stabilisierung mit unterschiedlichen Temperaturen. Die Auskopplung der Lastspannung erfolgt mit C6 (Abb. unten links). Wie beeinflusst die Last U- und I-Verläufe? (Die Last wirkt als Parallelschaltung zu R7: der Spannungshub wird verringert.)

5. Zur Realisierung einer höheren Verstärkung setzt man häufig die Darling-tonschaltung ein (Abb. unten rechts). Schaltungseigenschaften?

6. Ähnliche Verstärkerschaltungen lassen sich auch mit FETs realisieren. Der bisher behandelten Emittschaltung entspricht die Sourceschaltung (Abb. unten mitte). Warum gibt es keinen Oberwiderstand zur Einstellung des Gate- Potentials und wie groß ist es im Ruhezustand? Welches Problem entsteht durch den Stabili-sierungswiderstand R10? Wo liegt der Arbeitspunkt? Schaltungseigenschaften? Hinweis: Vari-ieren Sie R10 (220Ω; 100Ω) und R7 (1,8kΩ;1kΩ), stellen Sie die Auswirkungen fest und ver-gleichen Sie sie mit Werten der ID-UGS-Kennlinie. (Der Fet ist selbstleitend: man kann AP nur mit R10 einstellen, hier z.B. bei ca. -428mv, 9,5mA. Variationen R7: 1k brauchbar, 1,8k unbrauchbar; R10 steigend heißt ID fallend.)


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7. Was ändert sich. Wenn Sie einen M-FET einsetzen? (Der M-FET braucht einen ganz normalen Spannungsteiler am Gate.)

Gegentaktverstärker – B-Betrieb (A-B-Betrieb) Wenn man den Arbeitshub eines Verstärkers erhöhen möchte, legt man den Arbeitspunkt in den Bereich sehr kleiner Kollektorströme und hoher Kollektorspannungen (B-Betrieb). Dann lässt sich jedoch nur eine Polarität des Wechselsignals verstärken. Für die andere Polarität benötigt man eine komplementäre Verstärkerstufe. Beide Verstärker arbeiten dann auf einen gemeinsa-men Lastwiderstand, der am Emitter angeschlossen wird: Kollektorschaltung. 1. Benutzen Sie die Schaltung 1 aus Blatt (4) zur Einstellung des B-Betriebs und stellen Sie

charakteristische Strom- und Spannungsverläufe bei verschiedenen Eingangswechselspannungen dar.

2. Erweitern Sie die Grundschaltung durch eine Komplementärstufe gem. Abbildung rechts. Was stellen Sie bei der Simulation fest? (Die Spannungsverstärkung beträgt 1, d.h. das Wechselsignal ist groß. Es treten Über-nahmeverzerrungen auf.)

3. Zur Vermeidung der Verzerrungen müssen die Basen der Transistoren mit einer Vorspannung versorgt werden. Die Schaltung ganz rechts ist ein erstes Beispiel hierfür. Erläutern Sie anhand geeigneter Strom- und Spannungsverläufe die Wirkung der Dioden. Welches Problem tritt auf? (Der Querstrom ist ziemlich groß.)

4. Um große Querströme und Signalspannungen zu vermeiden, wird eine Treiberstufe mit der Vorspannungserzeugung beaufschlagt (Abb. unten links). Die Stufe erzeugt einen Querstrom, der gerade ausreicht, um den höchsten Basisstrom zu liefern. Das Ruhepotential von R2 sollte möglichst Null sein. Wie sind die Widerstände R5, R7 und R8 zu wählen? Wie können Sie PSpice bei der Wahl einsetzen? (Dimensionierung von R5: V13 arbeitet in einem Arbeitspunkt mit UCE von einigen Volt. Wenn ein Querstrom von einigen mA fließen soll, muss R5 2kΩ … 5kΩ sein (3,3kΩ). R7, R8: UBE von V13 ist etwa 0,7V. Das führt ca. zu einem Teilerverhältnis von 1:57. Bei R7 = 10kΩ ergibt das für R8 178Ω. Den optimalen Wert für R8 erhält man durch Parametrieren von R8 (181,4Ω).)

5. Eine weitere Möglichkeit zeigt die Schaltung Abb. unten rechts. Wie arbeiten die FETs und wozu dienen die Widerstände R3 und R4? (Die FETs arbeiten als Stromquellen. Der AP wird durch die Flussspannung der 3 Dioden eingestellt. Die Widerstände R3 und R4 dienen zur Stabilisierung bei Erwärmung der Transistoren.)


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Passive Filter - Darstellung im Frequenzbereich Häufig ist es notwendig, das Verhalten einer Schaltung bei unterschiedlichen Frequenzen zu ken-nen. Typische Beispiele hierfür sind Filterschaltungen, die angewendet werden zur Selektion bzw. Unterdrückung bestimmter Frequenzen. PSpice bietet hier die Simulationsart „AC“ an. Die Schaltungen werden ebenso wie sonst in Schematics erstellt. Allerdings ist darauf zu achten, dass die Quellen zur Frequenzvariation geeignet sind. Für Spannungen sind dies z.B. VPULSE und VAC. VPULSE ist sowohl für die AC- als auch für die Transient Analysis einsetzbar. Allerdings müssen hier eine Reihe von Eigenschaften definiert werden: AC für die AC-Analysis; V1, V2 für die Transient Analysis und das Zeitverhalten mit TD (Time Delay), TR (Rise Time), TF (Fall Time), PW (Pulse Width), PER (Period). Beispiel: AC = 1V; V1 = 0V; V2 = 8V; TD = 0; TR = 10ns; TF = 10μs; PW = 0.5ms (0.3ms); PER = 1ms (0.5ms). Die Simulationsart AC wird unter SETUP im Untermenu AC-SWEEP gewählt. Hier ist sinn-vollerweise für die Darstellungsart (AC Sweep Type) der dekadische Logarithmus (Decade) zu wählen. Dafür müssen in der Maske Sweep Parameters die Anzahl der Punkte pro Dekade, Startfrequenz und Endfrequenz angegeben werden. Beispiel: Pts/Decade: 501; Start Freq.: 10(Hz); End Freq.: 100k(Hz).

1a. Erstellen Sie einen RC-Tiefpass (50kΩ, 100nF) und stellen Sie Amplitude und Phase der Ausgangsspannung über der Frequenz dar. Wie groß ist die Grenzfrequenz?

b. Wie ändert sich die Ausgangsspannung, wenn der Pass mit 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ belastet wird?

c. Wie ändern sich die Werte, wenn der Widerstand in R1 = 40kΩ und R2 = 10kΩ aufgeteilt und die Ausgangspannung über R2 und C abgegriffen wird?

d. Wie ändert sich die Ausgangsspannung, wenn der so geänderte Pass mit 10kΩ belastet wird? e. Schalten Sie 3 RC-Glieder aus a. hintereinander. Was ändert sich im Bode-Diagramm? f. Schalten Sie 3 RC-Glieder mit jeweils C/10 und R·10 hintereinander. Was ändert sich im

Bode-Diagramm?

2. Erstellen Sie einen CR-Hochpass (10kΩ, 100nF). Sonst wie 1.

3. Erstellen Sie den nebenstehenden Bandpass mit der Quelle VPULSE. Führen Sie beide Simulationsarten durch und stellen Sie die Bandbreite des Passes fest. Wie ändert sich das Verhalten, wenn der Pass mit R = 10kΩ, 50kΩ, 200kΩ belastet wird?

4a. Erstellen Sie einen Reihenschwingkreis mit L = 10mH, C =10μF und variablem R (5Ω, 20Ω, 45Ω) und führen Sie beide Simulationsarten durch. Stellen Sie die Amplituden- und Phasengänge an den drei Elementen dar. Welchen Pass können Sie mit welchem Element als Ausgangselement erstellen? Wie realisieren Sie eine Bandsperre? Wie groß ist die Reso-nanzfrequenz?

b. Worin besteht der wesentlicheUnterschied im Verlauf für UR im Vergleich zu Aufgabe 3? Stellen Sie für die drei unterschiedlichen Widerstände Bandbreite (45°-Frequenzen!) und Güte des Schwingkreises fest.

c. Was passiert, wenn ein Lastwiderstand R = 100Ω parallel zu C, R, L und L-C geschaltet ist? d. Was ändert sich, wenn Sie jeweils die Last auf 1kΩ, 10kΩ ändern?

5. Lassen Sie den Schwingkreis aus Aufgabe 4 ohne Spannungsquelle frei schwingen. Was stellen Sie fest? Wie groß ist die Dämpfung bei dem Widerstand R = 5Ω?


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6. Erzeugen Sie mit möglichst einfachen Mitteln in einer Last von 3Ω einen unipolaren Stromimpuls von 10A mit 500μs Anstiegszeit.


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Aktive Filter und Ortskurven Aktive Filter enthalten Operationsverstärker, um (weitgehend) lastunabhängige Eigenschaften und Entkopplung der einzelnen Filterzweige zu erreichen. Auf den Einbau von Induktivitäten kann verzichtet werden, da durch Kapazitäten im Rückkopplungszweig gleiche Eigenschaften erreichbar sind. In der Demo-Version von PSpice stehen die OPs μA741 und LM324 zur Verfü-gung. Beide benötigen jeweils getrennte Versorgungen für +15V und für –15V. 1. Erstellen Sie einen aktiven Tiefpass 1. Ordnung (frequenzbestimmende Elemente parallel im

Rückkopplungszweig) entsprechend dem ersten passiven Pass (Aufgabenblatt 4/1) mit der Verstärkung 1 und der Verstärkung 10. Vergleich mit den Daten des passiven Passes.

Typische Vertreter aktiver Pässe 2. Ordnung zeigen die nachfolgenden Schaltungen: Sallen Key (links) und Multiple FeedBack (rechts).

2. Erstellen Sie beide Schal-tungen und stellen Sie die Art der Pässe und die Grenz-frequenzen fest. Wie unterscheiden sie sich von den Pässen in Aufgabe 3 aus (5)? Variieren Sie beim MFB-Pass die Werte von C2 in 1,8/4,7/50,6nF. Wie ändern sich die Passeigenschaften?

3. Erstellen Sie den rechts dargestellten Pass. Um welchen Typ handelt es sich? Wie groß ist die Grenzfrequenz? Welche anderen Eigenschaften können Sie feststellen?

Bemerkung: In Probe können Strom- und Span-nungsverläufe verschiedener Schaltungen gleichzeitig in einem Diagramm dargestellt werden. Dazu müssen jedoch die gewählten Knoten gleiche Bezeichnungen haben.

Switched–Capacitor-Filter Mit Kondensatoren, die mit hoher Frequenz geschaltet werden, kann man variable Wider-stände nachbilden. Dies ist besonders interessant für Filter mit wählbarer Charakteristik. Als Vor-stufe soll zunächst ein Integrator gemäß Schalt-bild rechts realisiert werden. Simulieren Sie die Schaltung und erklären Sie die Funktion anhand ausgewählter U- und I-Verläufe. Wie kann man die Integratoreigenschaften ändern? Wie groß sind Inte-grationszeitkonstante und RDson? Stellen Sie die Funkti-onsfähigkeit auch mit anderen Spannungsquellen dar.


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Durch den vorgeschalteten Addierer wird aus dem Integrator ein Filter 1. Ordnung (oben). Stellen Sie anhand ausgewählter U- und I-Verläufe die unterschiedlichen Filterfunktionen fest und stellen Sie sie in Zeit- und Frequenzbereich dar. Welches Problem tritt auf?

Monte-Carlo- und Worst-Case-Analysis Zur Abschätzung des Verhaltens realer Schaltungen sind diese Simulationen sehr nützlich, weil sie die Toleranzen der Bauteile berücksichtigen. Die MC-Analyse variiert nach dem Zufalls-prinzip und erstellt bis zu 399 Durchläufe. Die WC-Analyse soll den schlimmsten Fall ermitteln. 1. Erstellen Sie das Filter rechts zu-nächst ohne %-Angaben und simulie-ren Sie die Schaltung für Frequenzen von 1kHz bis 100kHz. Art des Pass-es? Fügen Sie die %-Angaben für die einzelnen Bauteile wie folgt ein: a) Markieren Sie alle Widerstände,

indem Sie sie mit gedrückter Shift-Taste einzeln anklicken.

b) Klicken Sie im Menu EDIT die Option Attributes an.

c) Klicken Sie im erscheinenden Fenster Yes an. d) Es öffnet sich das Fenster Global Edit Attributes. Unter Browse finden Sie die gemeinsamen

Attibute. Markieren Sie Tolerance , tragen Sie 1% ein und bestätigen Sie die Eingabe. Die neue Toleranz erscheint für alle Widerstände im Schaltplan. Geben Sie für alle C 2% ein.

Die Monte-Carlo-Analyse wird im Fenster Analysis Setup angeklickt. Markieren Sie Monte Carlo, und AC sowie unter Function (MAX) und unter Output (All). Als Output Var. tragen Sie V(U2:OUT) und unter MC Runs: 10 ein. Starten Sie danach die Simulation. Ergebnis?

Ortskurven Nach der AC-Analysis stehen zur Ergebnisdarstellung alle Ströme und Spannungen der Schal-tung als Funktionen der Frequenz zur Verfügung. In Probe kann man über das Untermenu Plot, X-Axis-settings, axis variable auch andere Arten der Darstellung wählen. Die Default-Einstel-lung frequency kann man z.B. ersetzen durch den Realteil der zu betrachtenden Größe. Wenn man nun für die Y-Achse den Imaginärteil der gleichen Größe wählt, erhält man die Ortskurve über den eingestellten Frequenzbereich. Simulieren Sie den rechts dargestellten Schwingkreis für 1Hz bis 100kHz. Erstellen Sie die Ortskurve von V(OUT) ent-sprechend dem oben vorgegebenen Schema.

Hinweise: Stellen Sie zuerst im Untermenu X-Axis-settings die Darstellungsart linear ein (mit der logarithmischen Darstellung gibt’s Probleme); Realteil und Imaginärteil Der Größe V(OUT) finden Sie im Funktionsmenu rechts im Untermenu axis variable unter R( ) bzw.IMG( ) also z.B. R(V(OUT)). Wie groß ist maximale Blindanteil und bei welchem Realteil tritt er auf? Stellen Sie auch die Ortskurven von I(L1) und von I(C1) dar und diskutieren Sie die Unterschiede.


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Kippschaltungen, Digitalgrundschaltungen 1. Die Schaltung rechts (Transistor-Inverter) soll bei einer kleinen/gro-

ßen Eingangsspannung U2 eine hohe/kleine Ausgangsspannung an R3 liefern. Prüfen Sie, ob die Bedingungen der Baureihe 74LS00 (UIH > 2V → UOL < 0,5V; UIL < 0,8V → UOH > 2,7V) erfüllt sind bei U1 = 5V. Wie muss die Schaltung eventuell modifiziert werden? Wie kann man das Schaltverhalten des Transistors kontrollieren?

2. 2 mitgekoppelte Inverter bilden ein RS-Flip-Flop (mitte). Erläutern Sie die Funktion anhand ausgewählter Spannungs- bzw. Stromverläufe. Wie wirken sich Höhe und Dauer der Ansteuerimpulse aus? Wie be-einflussen die Koppelwiderstände den Vorgang?

3. Wenn man die Quelle U7 entfernt und U5 als Sinusquelle ausbildet, erhält man einen Schmitt-Trigger (oben rechts). Erläutern Sie die Funktion anhand ausge-wählter Spannungs- bzw. Stromverläufe. Wie wirkt sich die Amplitude der Steuerspannung aus? Wie wirkt sich Variationen der Widerstände R6, R1, R2 aus?

4. Legt man den Anschluss von R3 an U1 und koppelt über C1die Basis von Q4 mit dem Kollektor von Q3, erhält man einen Monovibrator (mitte). Erläutern Sie die Funktion anhand ausgewählter Spannungs- bzw. Stromverläufe. Wie wirken sich Variationen von C3 und/oder R3 aus?

5. Werden beide Transistoren dynamisch mitgekoppelt (oben rechts), entsteht ein Multivibrator, der keine Steuerquelle mehr benötigt, sondern frei “schwingt”. Erläutern Sie die Funktion anhand ausgewählter Spannungs- bzw. Stromverläufe. Wie wirken sich Variationen von C1, C2 und/oder R3, R4 aus?

Die Schaltungen mit diskreten Transistorenkann man auch mit OPV´s oder Gattern realisieren. Nachfolgend werden Schmitt-Trigger und Multivibratoren mit diesen Bauelementen behandelt.

6. Die Schaltung rechts zeigt einen SchmittTrigger mit mitgekoppeltem OP. Wozu dienen die Quellen U3 und U4? Wie kann man die Schaltschwelle Null realisieren? Wie kann man die Schaltschwellen symmetrisch/asymmetrisch gegen Null verschieben? Mit welchen Signalen kann man sich die Zeitabläufe gut klarmachen? Funktionsweise?

7. Die Schaltung rechts zeigt einen Schmitt-Trigger als Baustein; wie kann man die Schaltzeiten verlängern? Wie wirkt sich die Ladung des Kondensators aus? Erläutern Sie die Funkti-onsweise anhand ausgewählter Signalverläufe.


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8. Die Schaltung oben links zeigt einen Multivibrator mit OP. Warum wird keine externe Quelle benötigt? Wie kann man Periodendauer und Schaltzeiten verstellen? Wie wirkt sich die Variation von R2 bzw. R1 aus?

9. Ermitteln und erklären Sie die Funktion(en) derSchaltung oben mitte anhand geeigneter U-/I-Verläufe.

10. Die Schaltung oben rechts zeigt einen Multivibrator mit Gatter. Wie wird die Schaltung angestoßen? Wie wirken sich die Veränderung C1 und/oder R1 aus? Warum sind alle Ein-gänge kurzgeschlossen?

Digitalsimulationen Mit PSpice kann man Analog- und Digitalsimulationen durch führen. Zur Einführung soll die ge-mischte Simulation dienen. Statt der normalen Pulsquellen werden sinnvollerweise digitale Quel-len DSTM eingesetzt, die bis zu 16 aufeinander folgende Zustände mit beliebiger Zeitabfolge/-dauer lefern können. Neben 0 und 1 gibt es die Zustände R (Rise), F (Fall), Z (hohohmig) und X (unbestimmt).

11./12. Was bewirken die Schaltungen unten? Stellen Sie in Probe die Signale “EIN”, “MITTE”, “OUT”, V(OUT) dar: Unterschiede? Wie werden Zustandsübergänge dargestellt? Wie groß ist die Laufzeit?

13. Wozu dient die Schaltung rechts? Wählen Sie sinnvolle Bit-Muster für DSTM1, 2 aus unter der Berücksichtigung, dass jede Quelle statisch nur 2 Zustände liefern kann, und stellen Sie die Funktion anhand ausgewählter Signalverläufe dar.

14. Wozu dienen die beiden nachfolgenden Schaltungen (Check z.B. durch Überprüfung des statischen Zustands in Schematics)? Wählen Sie sinnvolle Bit-Muster für DSTM1, 2 aus unter der Berücksichtigung, dass jede Quelle statisch nur 2 Zustände liefern kann, und stellen Sie die Funktion anhand ausgewählter Signalverläufe dar. Was bewirken endliche Anstieg- und Abfallzeiten ein, die sich überlappen, bzw. gleichzeitig auftreten? Was bewirken nicht gleichzeitig auftretende Flanken?


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11. Prüfen Sie die Funktion des Asynchron-Zählers anhand ausgewählter Signalverläufe; wie groß ist die Laufzeit? Übergänge L-H und H-L? wann springt nach 8. Takt Q4 um?

12. Prüfen Sie die Funktion des Schiebregisters unten anhand ausgewählter Signalverläufe.


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Stromquellen Aufbauend auf Verstärkerschaltungen lassen sich Stromquellen konzipieren. Ausgangspunkt ist die Transistorschaltung mit Basisspannungsteiler und Emitterwiderstand.

1. Die Schaltung rechts liefert einen konstanten Strom bei UBE = konst. unab-hängig vom Lastwiderstand R3. Stellen Sie den zulässigen Wertebereich für R3. durch die Simulation geeigneter Größen der Schaltung fest. Hierzu wird R3 mit einem variablen Wert (PARAM) versehen und eine DC-Analysis über R7 als globalem Parameter durchgeführt. Über R10 wird der gewün-schte Laststrom eingestellt. Variieren Sie R10 so, dass sich Lastströme von ca. 1mA, 2mA und 3mA ergeben. Wie ist der zulässige Lastbereich für I = 3mA erweiterbar? Wie schwankt der Strom mit der Temperatur?

2. Die Temperaturabhängigkeit lässt sich durch die Di-ode V7 in Reihe mit R9 verringern (mitte). Erläutern den Einfluss der Diode qualitativ anhand geeigneter Strom- und Spannungsverläufe. Wie können Sie zusätzlich den Einfluss von R9 darstellen?

3. Noch besser ist die Stabilisierung mit dem Transistor Q1 anstelle Der Diode V7 (Stromspiegel, ganz rechts). Wie verhält sich der Laststrom IC2 zum Einstellstrom IC1? Begründung? Stellen Sie fest, wie sich ein Wider-stand im Emitterpfad von Q1 und die Variation von R10 auswirken. Wie ändert sich der Lastbereich?

Besonders einfach sind Stromquellen mit selbstleitenden FETs zu realisieren, da diese praktisch leistungslos nur durch Spannungen angesteuert werden können.

4. a. Ein Ergebnis der Verstärkerschaltungen war die Einstellung des Ar-beitspunktes durch einen Widerstand im Sourcekreis. Die Schaltung rechts ist zu simulieren und ihre Funktion anhand ausgewählter Strom- bzw. Spannungsverläufe zu erläutern. Welches ist der Lastwiderstand und welches der Einstellwiderstand? Was kann man über die Spannung UGS sagen? Welcher Strom-Einstellbereich ergibt sich daraus?

b. Wie muss die Schaltung aus a. variiert werden zur Realisierung eines größeren Stroms?

5. Ein Stromspiegel mit FETs analog zu der Schaltung in Aufgabe 3 ist rechts angegeben. Was fällt Ihnen auf und was ist zum Laststrom in R1 und zum Einstellstrom in R2 zu sagen ? Wie weit reicht der Lastbereich? Wie ist die Stromkonstanz und der Stromwert? Wie wirkt sich eine Temperaturänderung aus?


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OP-Quellen Stromquellen können auch sehr gut mit Operationsverstärkern realisiert werden.

1. Erläutern Sie die Eigenschaften der strom-/spannungsgesteuer-ten Stromquelle (rechts) anhand ausgewählter Spannungen und Ströme. Worin besteht der Unterschied zu den Transistorstrom-quellen (Stabilität, Temperaturabhängigkeit, Zeitverhalten)? Wo liegt der Lastwiderstand und wodurch ist er in seiner Größe begrenzt? Wie wird der Ausgangsstrom gesteuert?

2. Um zu höheren Ausgangsströmen zu kommen, kann man dem OP Transistoren nachschalten. Erläutern Sie die Eigen-schaften der Schaltung rechts anhand ausgewählter Span-nungen und Ströme (Stabilität, Temperaturabhängigkeit, Zeitverhalten).

TESTFRAGEN 1. Wozu dient die Schaltung rechts? Stellen Sie ihre

Eigenschaften anhand geeigneter Simulationen fest. Ermitteln Sie die Werte von R2 für die Lastströme 5/10/15mA. Wie groß darf Rl für eine Stromabweichung von 1% bei I = 15mA werden? Wie groß sind bei diesem Widerstand die anderen Ströme?

2. Wie können Sie die Eigenschaften von Transistoren/Fets/MOSFETs/ mit PSpice feststellen? Stellen Sie das • Ausgangskennlinienfeld Ice = f(Uce) (Ib als Parameter) dar; • Übertragungskennlinienfeld Ic = f(Ic) (Ube als Parameter) dar; • die Eingangskennlinienfelder Ube = f(Ib), f(Uce) dar. Welche Möglichkeit zur Parametrierung gibt es außerdem?

3. Wie unterscheiden sich aktive und passive Filter? Mit welchen Simulationsarten kann man diese Unterschiede darstellen? Welche PSpice-Quellen sind hier besonders geeignet? Welche speziellen Signalarten stehen in der Simulationsart AC zur Verfügung und wozu dienen Sie?

4. Warum kann man in PSpice Gleichrichterschaltungen mit kleinen Versorgungsspannungen gut simulieren? Wie kann man die störenden Diodeneigenschaften bei kleinen Spannungen eliminieren? Welche Elemente kann man zur Glättung der Gleichspannung einsetzen? Erläutern Sie eine einfache Schaltung dieser Art in ihren unterschiedlichen Phasen.

5. Entwerfen Sie eine Gleichspannungsversorgung (Brückenschaltung mit Glättung), die ± 15V liefert und bei Belastung mit 150mA nur x% einbricht.

6. Entwerfen Sie eine Gleichspannungsversorgung (Brückenschaltung mit Glättung), die aus dem 50Hz-Versorgungsnetz gespeist wird, ± 15V liefert und bei Belastung mit 150mA nur x% einbricht.

7. Realisieren Sie die Schaltung rechts und erläutern Sie mittels geeigneter Marker und entsprechender Zeitverläufe in PROBE die elektrischen Vorgänge. Wozu dient die Schaltung; welche Probleme ergeben sich bei kleinen Spannungen?

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Netz:

http://www.cadence.com/products/orcad/downloads/pspice_models/index.aspx

http://www.irf.com/product-info/models/

http://www.infineon.com/cms/en/product/

http://focus.ti.com/adc/docs/midlevel.tsp?contentId=31690

PSpice Seminar 2010

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Transcript of PSpice Seminar 2010