Рис. 13.10. Работа предыдущей схемы в программе PSIM

Захотите окунуться в мир преобразователей – выбирайте «бассейн» по имени PSIM или SwCAD III. Первая программа есть в демо-версии, вторая имеет «усеченную» версию под названием LTSpice. А я хочу перейти к тому, почему я заговорил об этом вообще.

Проблемы симуляции электрических схем

Люди давно используют специализацию в общественной жизни. Никому, или почти никому, не приходит в голову все делать самому, не обращаясь к помощи других. Одни из нас хорошо умеют выращивать пшеницу, другие варить сталь, третьи из стали делать комбайны, чтобы первые могли собрать выращенную пшеницу. Как сказал классик: «Мамы всякие нужны, мамы всякие важны».

Программы, как Qucs, дают возможность моделировать работу сотен различных схем, но, видимо, есть ограничения, когда некоторые задачи выполняются не лучшим образом. Для тех любителей электроники, чьи интересы ближе, скажем, авиа-моделированию, а там тоже есть где приложить свои силы радиолюбителям, при работе с исполняющими устройствами в виде электромоторов может больше пригодится некая специализированная программа. Значит ли это, что Qucs не для них. Отнюдь. Можно так преобразовать задачу, что полученные функциональные узлы вполне хорошо позволят обработать себя и в этой программе. Означает ли, что программа Qucs хуже, чем программа PSIM? Тоже нет. Далеко не факт, что универсальная во всех отношениях программа, позволяющая делать все, не окажется настолько сложной в работе, что не специалист не сможет реализовать в ней даже

простейшую схему. Но я ушел в сторону от того, о чем хотел рассказать.

Проблемы симуляции, скорее математические, чем электрические, и о них можно было бы не упоминать. Но задача эта интересна сама по себе, и, кроме того, кто-то, кто начинал как радиолюбитель может почувствовать тягу к программированию или математике. А без этих специалистов сегодня электроника явно не может обойтись. Я уже говорил, ссылаясь на статью, что сегодняшним успехам импульсные блоки питания во многом обязаны появлению новых типов полевых транзисторов. Но они-то появились не сами, их создавали физики, математики, технологи, машиностроители – люди сотен специальностей, это их труд вложен во все современные технологии. И электроника, как одна из областей человеческой деятельности, открывает двери в смежные области, что, как мне кажется, очень хорошо.

Специалисты в области электроники не обязаны быть хорошими математиками, однако они обязательно изучают математику. Если вам надоело «тупо» повторять чужие схемы, вы рано или поздно захотите научиться создавать свои, и обязательно столкнетесь с математикой. Так вот одна из проблем с симуляцией, как я говорил, скорее математическая, чем электрическая. При симуляции электрической схемы компьютер производит вычисления. Чтобы не быть голословным, я приведу уравнения из работы Александра по конвертеру Чука, относящиеся к варианту, не представленному на рисунке, но они помогут мне рассказать о процессах, происходящих в самом симуляторе работы электрической схемы.

Рис. 13.11. Уравнения при взаимоиндукции в электрической схеме

Программа-симулятор работы электрической схемы должна обработать подобные уравнения. Для этого есть численные методы решения уравнений, но я не стану пересказывать соответствующие разделы учебника по математике, а обращу ваше внимание только на существование производных в этих уравнениях.

Мы знаем, что скорость обычного движения, пешком ли, на автомобиле, выражается отношением пути ко времени его прохождения. Отмеряем сто метров. Включим секундомер при начале движения бегуна по дорожке, остановим секундомер, когда бегун пересечет финишный створ, и с гордостью можем записать: V=S/t. Мы определили скорость, с которой он бежал. Н это, увы, не даст нам представление о характере его бега, о тех мучениях, которыми достался ему рекорд. А, ведь, при симуляции электрических схем нас весьма интересует именно характер движения, определяющий сигналы, с которыми мы имеем дело.

Мы можем разбить весь путь на равные промежутки, отмечая время прохождения этих промежутков. Для каждого из этих промежутков мы можем записать: V=∆S/∆t. Чем меньше ∆S, тем больше участков разбиения, но тем точнее мы определяем скорость в малые промежутки времени, а, значит, и характер движения. Когда промежуток времени стремится к бесконечно малой величине, мы наиболее точно знаем характер изменения интересующей нас величины, но при этом объем вычислительной работы становится бесконечно большим. И, заметьте, что если при движении происходят резкие изменения: промежуток ∆t очень мал, а величина (эк, он рванул) ∆S велика, скорость резко вырастает. Если мы не будем учитывать этих резких бросков, то можем получить неверную картину, а если будем учитывать, то их нужно отыскивать и оценивать, оценивать их влияние на конечный результат.

Примерно такую работу выполняет компьютер, когда работает программа-симулятор. Мы далеко не всегда можем до выполнения симуляции сказать, какой характер будет носить изменение той или иной величины интересующих нас токов или напряжений. Этого не знаем ни мы, ни программа. Чтобы эти вопросы как-то решить в программе используют разные алгоритмы вычислений. Большинство программ EDA работает с системой SPICE, имеющей определенные вычислительные алгоритмы. Они успешно справляются с различными электрическими цепями, но не с любыми, и не в любой ситуации. Например, если задать параметры преобразователя близкими к тем, что на рисунке 13.10, но заменить выпрямитель источником постоянного напряжения, и смоделировать поведение конвертера Чука в программе Qucs, то мы получим следующий результат.

Рис. 13.12. Моделирование конвертера Чука в программе Qucs

Напряжение на выходе при питающем напряжении 10 В составляет – 200 В. Каким будет это напряжение при выпрямлении переменного напряжения ~ 230 В? Если это действительно так, то пытаясь повторить эксперимент «живьем», на макетной плате, мы наверняка столкнемся «с определенными трудностями». Не сталкивается ли с ними и программа Qucs? И, если мы изменим алгоритм вычислений, то не «выплеснем» ли мы с водой и ребенка? Нужно подумать.

А пока я хочу продемонстрировать, как легко можно ошибиться, на примере рисунка 13.9, выделив часть из собственноручно построенной схемы, которая у меня не захотела работать.

Рис. 13.13. Моделирование выпрямителя в программе Qucs

Меня очень удивила полученная диаграмма. Думаю, и вас она приводит в замешательство. Куда подевались вершины знакомой нам с детских лет синусоиды? Я специально выделил на этом рисунке тип, использованного мной моста: 2КВВ20. Последние две цифры – сокращение от напряжения, видимо, предельно допустимого для этого моста, то есть, 200 В. Вот куда пропали верхушки синусоид. Поменять мост на 2КВВ40, и они появятся. Но суть, все-таки не в этом, проблема симуляции есть, и от этого никуда не денешься, но...

Как вы видите, это тоже интереснейшая область исследований. И если, решив все проблемы, вы построите нужный вам конвертер, то сможете увидеть на экране осциллографа работу своего творения.

Рис. 13.14. Конвертер Чука на экране осциллографа Это изображения я тоже взял из работы Александра Кушнерова, если он не возражает,

поскольку получить его на экране своего осциллографа не удосужился. И причина этого проста, я намерен сбежать из далекой мне области преобразователей к более мне знакомым микроконтроллерам, но перейти к рассказу окольным путем. Очень окольным путем.