SISÄLLYSLUETTELO. Esipuhe 3. Elektroniikan kytkentöjen mallintaminen ei ole vaikeaa 9 SIMULAATTORIOHJELMAN KÄYTTÖ 10

Transkriptio

1 SISÄLLYSLUETTELO Esipuhe 3 Elektroniikan kytkentöjen mallintaminen ei ole vaikeaa 9 SIMULAATTORIOHJELMAN KÄYTTÖ 10 Yksinkertaisimman virtapiirin luonti 10 Oskillaattorin luonti 21 Generaattorikytkennän luonti 28 Vahvistimen luonti 38 Piirrosmerkkien luonti 51 Komponentien luonti 55 ELEKTRONIIKKASIMULAATTORIN PIKAOPAS 59 Dynaamisen DC-analyysin käyttö 60 Transient-analyysin käyttö 61 AC-analyysin käyttö 62 DC-analyysin käyttö 63 Monte Carlo -analyysin käyttö 64 Fourier-analyysin käytöt 65 Animaatioiden käyttö 66 Suodinten suunnittelun käyttö 67 Laskimen käyttö 68 OHJELMAN VALIKOT 69 Tiedosto-valikko 69 Muokkaa-valikko 72 Komponentti-valikko 75 Ikkunat-valikko 77 Työkalut-valikko 79 Analyysit-valikko 88 Suodinten suunnittelu-valikko 90 KOMPONENTTEJA 98 Passiivisia komponentteja 98 Vastus 98 Ylösvetovastus 99 Alasvetovastus 99 Potentiometri 99 Kondensaattori 99 Elektrolyyttikondensaattori 100 Kela 100 Muuntaja 100 Muuntaja väliulosotolla 100 Laajakaistamuuntaja 101 Muuntajasydän, kelasydän 101 Kaiutin 101 Lamppu 101 Kide 101 Rele 101 Kytkin 102 V-kytkin 102 I-kytkin 103 Digitaalikytkin 103 Johdin 103 Maataso, vertailutaso 103 Hyppylangat 104 Näkymätön yhdiste 104 Sähkölähteet ja generaattorit 104 Tasasähkölähde 104 Kiinteä tasasähkölähde 104 Jännitelähde 104 Virtalähde 104 Siniaaltogeneraattori 105 Impulssigeneraattori 105 Pulssigeneraattori 105 Sahahammasaaltogeneraattori 105 Suorakaideaaltogeneraattori 106 Kolmioaaltogeneraattori 106 Käyttäjän generaattori 106 Kohinageneraattori 108 Herätegeneraattori (Stim 1, 2, 4) 109 Herätegeneraattori (Stim 8, 16) 109 Kiinteä digitaalitaso 110 NTC7-generaattori 110 5

2 Puolijohteet 110 Diodi 110 Ledi 110 Seitsensegmenttinäyttö 111 Zenerdiodi 112 Transistorit 112 Tyristori, SCR 113 Tyristori, PUT 114 Triakki 114 Kide 115 Operaatiovahvistin 115 Porttipiirit 115 Puskuri 116 Invertteri 116 Kiikut 116 Muuntimet, AD ja DA ajastinpiiri 117 Järjestelmäkomponentit 118 Absoluuttinen tasasuuntain 118 Derivaattori 118 Gyraattori 118 Hystereesi tai välys 119 Integraattori 119 Jakaja 119 Jänniteohjattu oskillaattori 120 Kertoja 120 Lineaarinen siirtofunktio 121 Rajoitin 121 Resonaattori 121 Schmith-triggeri 121 Summain 122 Summain, kolmitulo 122 Vahvistin 122 Viive 123 Vähennin 123 Muita komponentteja 123 SÄHKÖLÄHTEITÄ 124 Puoliaaltotasasuuntaaja 124 Puoliaaltotasasuuntaaja ja suodatus 127 Kokoaaltotasasuuntaaja 130 Kokoaaltotasasuuntaaja ja suodatus 133 Jännitteen kahdentaja 137 Jännitteen moninkertaistaja, kaskadi 139 Säädettävä tasasähkölähde 140 Vakiovirtalähde 145 Virtapeili, vakiovirtalähde 147 VAHVISTIMIA 149 Transistorivahvistinaste 149 Erilaisia vahvistimia 161 Invertoiva operaatiovahvistin 163 Ei-invertoiva operaatiovahvistin 170 Summaava operaatiovahvistin 175 Erotusoperaatiovahvistinaste 178 FET-transistorivahvistinaste 180 Radioputki vahvistimena 183 OSKILLAATTOREITA 186 Multivibraattori 186 Colpitts-oskillaattori 189 RC-ketjuoskillaattori RC-ketjuoskillaattori CMOS_oskillaattori 201 Kideoskillaattori 204 Wienin silta oskillaattori oskillaattori pulssioskillaattori 213 SUOTIMIA 217 Alipäästösuodin 217 Ylipäästösuodin 222 Jakosuodin 227 Kolmitiejakosuodin 230 Monikanavainen taajuuskorjain 232 6

3 MUITA VIRTAPIIREJÄ 234 Jännitteenjakopiiri 234 Jännitteen vakavointi zenerdiodilla 236 RC-aikavakiopiiiri 240 RL-aikavakiopiiiri 243 RCL-sarjaresonanssipiiri 246 LC-rinnakkaisresonanssipiiri 250 LC-sarjaresonanssipiiri 252 Vaimentimia 254 Schmitt-liipaisin 262 Transistori kytkimenä 268 Derivaattori 273 Integraattori 276 Transistorin ominaiskäyriä 278 DIGITAALIPIIREJÄ 283 JA-portti 283 TAI-portti 285 EI-TAI-portti 287 EI-JA-portti 289 Ehdoton-TAI-portti 291 RS-kiikku 293 D-kiikku 295 JK-kiikku 297 Laskinkytkentä 299 Liikkuva valo 303 CMOS-4000-kirjaston asennus 306 Induktiivinen reaktanssi 318 Impedanssi 320 Hetkellinen jännite 322 Huippujännite 232 Tehollisjännite 327 Hetkellinen virta 329 Vaihesiirto 331 Jännitevahvistus 334 Jännitevahvistus (db) 338 Alarajataajuus 340 Ylärajataajuus 342 Signaalin säröytyminen 344 Taajuus (1) 346 Taajuus (2) 348 Tuloimpedanssi 350 Lähtöimpedanssi 352 Kolmivaihesähkölähde 354 Laskin 357 Liitteet 360 Hyvä tietää 360 Desibelilaskentaa 369 MITTAUKSIA JA MÄÄRITTEITÄ 309 Kytkentäpisteiden numerointi 309 Kytkentäpisteiden nimeäminen 310 Tasajännite 311 Tasavirta 311 Tasasähköteho 312 Toimintatilat OFF, SAT, LIN ja HOT 313 Logiikkatilat 1, 0 ja X 313 Logiikkatilat 1, 0, R ja S 314 Kapasitiivinen reaktanssi 316 7

4 Elektroniikan kytkentöjen mallintaminen ei ole vaikeaa Oikeilla välineillä, kuten Elektroniikkasimulaattorilla, mallintaminen onnistuu helposti. Elektroniikkasimulaattori on oppikirjan ja cd-rom-levyn muodostama kokonaisuus, joka mahdollistaa peruspiirikytkentöjen tutkimisen kirjan ja tietokoneen avulla valmiiden kytkentöjen muokkaamisen ja omien kytkentöjen luomisen omien piirrosmerkkien ja komponenttimallinnusten luonnin kaupallisten komponenttien mallin haun Internetistä työskentelyn omassa laboratoriossa missä ja milloin tahansa koulun oman verkkomateriaalin käytön ja tuottamisen koetehtävien laadinnassa tehtävien tarkistamisen ja kysymysten asettelun sähköisten kytkentöjen optimoinnin 9

5 Oskillaattorin luonti Piirretään yksinkertainen virtapiirikytkentä, jonka avulla tutkitaan virtapiirin käyttäytymistä värähtelijänä, oskillaattorina. Tutkiminen tapahtuu oskilloskoopin käyttöä jäljittelevän Transient-analyysin avulla. Myös piirikaaviossa tapahtuvien virtojen ja jännitteiden vaihtelujen seuranta on mahdollista. Seuraava piirikaaviokuva kertoo tarvittavat komponentit ja niiden väliset yhteydet. Tavoitteena on piirtää kuvan mukainen oskillaattorikytkentä ja todeta simulaattoriohjelman avulla sen toimivuus Komponenttien haku Aloitetaan mallin mukaisen virtapiirin piirtäminen keräämällä aluksi tarvittavat komponentit. Vastukset haetaan oheisilla painikkeilla tai Vastukset haetaan Resistor-painikkeen avulla. Vastuksen valintaikkunan auettua annetaan vastukselle sen resistanssiarvo ja tarkistetaan, että se tulee näkyviin myös piirikaaviossa. Sijoitetaan vastukset aluksi rinnakkain. Vastusten suunnalla (pysty tai vaaka) ei ole tässä vaiheessa merkitystä. Vastusten haku piirikaavioon Kondensaattorit haetaan tällä painikkeella Kondensaattorit haetaan Capacitor-painikkeen avulla. Kondensaattorin valintaikkunan auettua annetaan kondensaattorille sen kapasitanssiarvo ja tarkistetaan, että se tulee näkyviin myös piirikaaviossa. Sijoitetaan kondensaattorit aluksi vastusten rinnalle. Kondensaattoreiden suunnalla (pysty tai vaaka) ei ole tässä vaiheessa merkitystä. Kondensaattoreiden lisääminen piirikaavioon 21

6 Lopputuloksen tarkastelua Tuloksena on oma virtuaalinen kytkentä, jonka toiminta voidaan testata analyysin avulla. Oskilloskooppikuva (tässä tapauksessa Transient-analyysi) osoittaa, että oskillaattori toimii. Se värähtelee 1 khz taajuudella ja sen aaltomuoto on sakara-aalto. Piirikaavio osk01a.cir Transient-analyysi Tämän kytkennän saa tarvittaessa valmiiksi tehtynä oheisesta tiedostosta. 27

7 AC-analyysin käyttö AC-analyysi muodostuu tavallaan kahden mittalaitteen käytöstä. Pyyhkäisygeneraattorilla muutetaan tutkittavan piirin taajuutta ja analysaattorilla esitetään piirin tulon ja lähdön välinen muutos. Analyysin valinta Piirikaavio Analyysin asetukset Paluu piirikaavioon Analyysin käynnistys Tulos AC-analyysi laskee (tässä) piirikaavion komponenttiarvojen perusteella annettujen suureiden arvoja ja piirtää niistä kuvaajia. 62

8 Tyristori (put, Programmable Unijunction Transistor) Simulaattoriohjelman demoversiossa put-tyristori voidaan mallintaa sen makromallin (put.mac) avulla. Put-tyristorin makrotiedosto put.mac Lisätietoja put-tyristorin käytöstä saa simulaattoriohjelman thy1.cir- ja thy2.cir-tiedostoista. Triakki (triac, TRI-electrode Alternating Current semiconductor switch) Simulaattoriohjelman demoversiossa put-tyristori voidaan mallintaa sen makromallin (put.mac) avulla. Triakin makrotiedosto triac.mac Lisätietoja triakin käytöstä saa simulaattoriohjelman thy1.cir-tiedostosta. 114

9 SR-kiikku (srff, Set Reset Flip-flop) Muuntimet (converters) AD-muunnin (AtoD4, AtoD8, AtoD12, AtoD16, Analog to Digital) Lisätietoja AD-muuntimen käytöstä saa simulaattoriohjelman ad16.cir-tiedostosta. DA-muunnin (DtoA4, DtoA8, DtoA12, DtoA16, Digital to Analog) 555-ajastinpiiri (555, 555 timer) 555-ajastinpiirin makrotiedosto 555.mac Lisätietoja ajastinpiirin käytöstä saa simulaattoriohjelman 555astab.cir- ja 555mono.cir-tiedostoista sekä 555-piirin datalehdiltä LM555.pdf, NE555.pdf ja SE555.pdf. 117

10 Virtapeili, vakiovirtalähde (Current Mirror) Eräs vakiovirtalähdetyyppi on virtapeili. Virtapeilien sovelluksia käytetään esim. operaatiovahvistinpiireissä. Yksinkertainen virtapeilikytkentä muodostuu kahdesta transistorista ja kahdesta vastuksesta. Toiminnan kuvaus Yksinkertaisimmassa virtapeilissä on kaksi virtapiiriä, jonka muodostavat transistori ja sen kollektorivastus. Transistoreiden kannat on liitetty yhteen ja toisen transistorin kollektori on yhdistetty kantoihin. Transistoreiden kannan ja emitterin välinen jännitehäviö on n. 0,6 V. Myös transistorin Q 1 kollektorilla on sama 0,6 V jännite. Transistori Q 1 toimii tässä kytkennässä diodina. Molempien transistoreiden on oltava samanlaisia. Kun diodina toimivan transistorin Q 1 kollektorivastusta säädetään, säätyy diodin (kannan ja emitterin kautta kulkeva) virta. Virran toinen haara peilautuu transistorille Q 2. Vastuksen R 1 säädöllä (tai mitoituksella) voidaan vaikuttaa vakioitavan virran suuruuteen. Koska transistori Q 2 saa vakiovirtaohjauksen kannalleen, on sen kollektorivirta myös vakio riippumatta sen kollektorivastuksen suuruuden vaihteluista. Tämä vastus R L toimiikin virtapeilin kuormitusvastuksena. Vakiovirtalähde, jossa näkyvät simulaattoriohjelman liukusäätimet Piirikaavio vakiov02a.cir Dynaaminen DC-analyysi Toiminnan tutkiminen tietokoneen avulla Virrat Jännitteet Virtapeilin toimintaa voidaan tutkia sen piirikaaviossa suoritettavalla Dynaamisella DC-analyysillä. Piirikaaviossa saadaan näkyviin ja piiloon vastusten ja tasasähkölähteen liukusäätimet näpäyttämällä valikossa olevaa Asetuksetpainiketta eli P-painiketta (Preferences) ja rastittamalla sen jälkeen Liukusäädinten näyttö (Show Slider). Tässä esimerkissä transistorin Q 1 kollektorivastuksen R 1 liukusäätimellä voidaan asettaa virtapeilin virranrajoitusarvo sopivaksi. Kuormitusvastuksen R L liukusäätimen avulla voidaan mallintaa kuormituksessa tapahtuvia impedanssimuutoksia. Säädettäessä liukusäätimellä on ensin näpäytettävä komponentin piirrosmerkkiä. Komponentin värin vaihtumisen jälkeen säädintä liikuttelemalla se saadaan säätymään. Jännitteiden ja virtojen lukemat saadaan esiin ja piiloon oheisilla painikkeilla. Säätämällä virranrajoitusvastuksen R 1 arvoa sen asetetulla säätöalueella 100 Ω 470 Ω havaitaan kuorman läpi kulkevan virran säätyvän n. 20 ma 90 ma. Säätämällä vastaavasti kuormitusvastuksen R L arvoa sen asetetulla säätöalueella 10 Ω Ω havaitaan, että kuormituksen kautta kulkeva virta ei juurikaan muutu. Kytkentä toimii aseteltavana vakiovirtalähteenä. 147

11 Analyysikuvan mukaan suurin lähtöjännite (U OUThh ) on n. 450 mv, jolloin kuormitus oli 1 MΩ. Kuormitusvastuksen ollessa 10 kω on vastaava jännitearvo 300 mv ja kuormitusvastuksen arvolla 1 kω on jännite n. 100 mv. Tästä voidaan päätellä, että lähtöjännite puolittuu kuormitusvastuksen arvon ollessa 1 kω - 10 kω. Lähtöimpedanssin arvo on vastaava 1 kω 10 kω. Tämä menetelmä toimii käytännössä ja sen avulla saadaan toki tarkempikin arvo. Seuraavassa esityksessä on toinen, simulaation avulla suoritettava lähtöimpedanssin määritystapa. Lähtöimpedanssin Z OUT määrittäminen simulaation avulla Piirikaavio vahv01e.cir AC-analyysi Tämä analyysitulos antaa tarkemman arvon lähtöimpedanssille kuin edellinen kuormitusmenettelyyn perustuva tapa. Lähtöimpedanssiksi saadaan 3,7 kω. Kun tätä arvoa verrataan vahvistinasteessa aiemmin käytettyyn kuormitusvastuksen arvoon, voidaan todeta, että 10 kω ei ainakaan kuormittanut vahvistinastetta liikaa. Simulaatiossa on käytetty Spice-virtageneraattoria kuormitusvastuksen paikalla. Huom. Kuormitusvastukseksi R L merkitty vastus on 10 MΩ, joten sillä ei ole mitään käytännön merkitystä tutkittavalle piirille. Tätä vastusta tarvitaan ainoastaan ohjelman laskennallisten syiden vuoksi. AC-analyysi mittaa jännitteen lähdön navoista taajuuden funktiona. Ohmin lain mukaan R = U/I ja I:n ollessa 1 A on R = U eli Z = U. Tämän vuoksi impedanssiarvo voidaan lukea suoraan y-akselilta. Tämä menettely on täysin teoreettinen. Käytännössä ei pidä toimia esitetyllä tavalla. Esimerkkikytkennän Z OUT on 3,7 kω äänitaajuusalueella Lähtöimpedanssin Z OUT riippuvuus taajuudesta Piirikaavio vahv01e.cir AC-analyysi 155

12 Tuloimpedanssi (Input Impedance) Tutkitaan seuraavaksi esimerkkivahvistinasteen tuloimpedanssia. Menettely on sama kuin lähtöimpedanssin määrittelyssä. Korostettakoon vielä, että kyseessä on täysin teoreettinen menettelytapa. Käytännössä ei pidä toimia esitetyllä tavalla. Tuloimpedanssin Z IN määrittäminen simulaation avulla Piirikaavio vahv01f.cir AC-analyysi Tuloimpedanssi Z IN on lähtöimpedanssin Z OUT tapaan taajuusriippuvainen. Esimerkkikytkennän Z IN on 4,8 kω keskitaajuudella Piirikaavio vahv01f.cir AC-analyysi Kirjallisuus, puhuessaan yhteisemitterikytkentäisestä transistorivahvistinasteesta, käyttää ilmaisua keskisuuri tulo- ja lähtöimpedanssi. Analyysin avulla on nyt selvitetty, mistä lukuarvoista on kysymys. Lisäksi analyysituloksista voi päätellä, että jos kyseiseltä vahvistinasteelta olisi jaettava signaali kolmelle samanlaiselle vahvistinasteelle, ne kuormittaisivat ensin mainittua astetta liikaa. Havaittiin myös, että lähtöimpedanssi on voimakkaasti taajuusriippuvainen. Komponenttiarvojen hajonnan vaikutus toimintaan Edellä olemme tutkineet yhden vahvistinasteen toimintaa, jonka vastukset ja kondensaattorit ovat olleet ideaalisia. Niiden arvot ovat olleet täsmälleen sitä, mitä niihin on kirjoitettu. Käytännössä tilanne on aivan toinen. Komponenteilla on nimellisarvo, esim. vastuksella 100 Ω tai kondensaattorilla 47 nf. 156

13 Transient-analyysi esittää RCketjuoskillaattorin käynnistymisen ja sen tuottaman signaalin Piirikaavio osk03a.cir Transient-analyysi Jakson kestoajaksi T saadaan analyysikuvan avulla n. 0,16 ms, jonka perusteella voidaan laskea oskillaattorin värähtelytaajuus f. 1 f = = T 1 0,16 ms 6,3 khz Laskemalla ja simuloimalla saadut arvot poikkeavat vain vähän toisistaan. Vahvistuksen säädön vaikutuksen tutkiminen Seuraavassa kuvasarjassa on alkuperäinen piirikaavio sekä siitä otetut kaksi kopiota. Toisen kytkennän takaisinkytkentävastus R 5 on liian pieni, jolloin oskillaattori ei jaksa värähdellä vaan se sammuu. Kolmannen kytkennän takaisinkytkentävastus R 9 on liian suuri, jolloin lähtösignaalin huiput leikkautuvat eikä värähtelyn aaltomuoto ole enää siniaaltoa. Kolme hieman erilaista RC-ketjuoskillaattorikytkentää Piirikaavio osk03b.cir Transient-analyysi 198

14 Transient-analyysi kertoo ensimmäisen kytkennän toimivan moitteettomasti, mutta toinen kytkentä sammuu ja kolmas tuottaa vääristynyttä aaltomuotoa Piirikaavio osk03b.cir Transient-analyysi Edellä olevasta ilmenee, kuinka helppoa on esim. vahvistuksen asettaminen (potentiometrin tai trimmerin avulla) oikeaksi operaatiovahvistinasteessa verrattuna transistorivahvistinasteeseen. Taajuuden mitoittaminen Kun RC-ketjuoskillaattori halutaan mitoittaa toimimaan tietyllä taajuudella, on helpointa tehdä se siten, että valitaan taajuuteen vaikuttavista komponenteista ensin se, joka on vaikeampi hankkia tai valmistaa. Tässä tapauksessa tietyn kapasitanssin suuruinen kondensaattori on vaikeampi hankkia kuin vastus. Ratkaistaan edellä mainittu yhtälö R:n suhteen. f0 = 2 π 1 6 R C josta R = 2 π 1 6 C f 0 Mitoitetaan RC-ketjuoskillaattori toimimaan 1 khz:n taajuudella. Valitaan ja lasketaan komponenttiarvot ja tarkistetaan tulos simulaation avulla. Asetetaan vahvistuksen arvo sopivaksi, jotta oskillaattorin signaali olisi mahdollisimman sinimuotoinen. Valitaan kondensaattoreiden arvoksi 10 nf ja lasketaan vastusten arvot. 1 1 = = = 6,50 kω 9 2 π 6 C f 0 2 π F 1 10 Hz R 3 Valitaan vastuksen käytännönarvoksi 6,49 kω ja sijoitetaan se piirikaavion vastusarvoksi. Takaisinkytkentävastuksen R 4 arvon on oltava 30 kertaa suurempi kuin ketjussa olevien vastusten arvot. Vastuksen R 4 arvo voidaan kirjoittaa tulomuotoon piirikaavioon, jolloin se on helposti luettavissa ja muutettavissa. 199

15 Tämän oskillaattorin taajuus on sama kuin edellisen, mutta pulssisuhde on nyt symmetrinen Piirikaavio osk07b.cir Transient-analyysi Tutkitaan 555-ajastinpiirin sisäistä kytkentää sen toiminnan ymmärtämiseksi Kuvassa tummennetulla alueella on mallinnettu 555-ajastinpiirin sisäinen kytkentä. Todellisen piirin liitinnastojen numerointi on merkitty myös kuvaan. Tämäkin piirikaaviokuva on interaktiivinen ja sen avulla voidaan perehtyä tarkemmin kyseisen piirin toimintaan. 555-piirin sisäinen kytkentä (tummennettu alue) ja piirin toimiminen oskillaattorina Piirikaavio osk07c.cir Transient-analyysi (Autom. animaatio) Piirikaavio osk07d.cir Transient-analyysi (Manuaalinen animaatio) 211

16 Puolittain sulkeutuneena olevan PNP-kytkintransistorin kanta-, kollektori- ja emitterivirta sekä (oikealla) jännitteet Piirikaavio trans02c.cir Dynaaminen DC-analyysi Kuvassa kantavirta I B ei ole riittävän suuri saattamaan transistoria täysin johtavaan kyllästystilaan SAT, vaan se jää vielä puolijohtavaan LIN-tilaan(LINear), jossa emitterin ja kollektorin välinen kyllästysjännite U SAT on (12,0 V - 8,4 V) 3,6 V. Vasta kantavirran lisääminen kantavastuksen arvoa pienentämällä saattaa tämän kytkintransistorin johtavaan SAT-tilaan, jossa U SAT on (12,0 V 11,8 V) 0,2 V. Sulkutilassa olevan (hyvin sulkeutuneen) PNP-kytkintransistorin kanta-, kollektori- ja emitterivirta sekä (oikealla) jännitteet Piirikaavio trans02d.cir Dynaaminen DC-analyysi Simulaattoriohjelmassa olevia kytkintransistorin tiloja ovat OFF ja SAT. Transistorivahvistimissa olevien transistoreiden tyypillisiä tiloja ovat LIN-tilat. Jos ohjelma ilmoittaa tilaksi HOT (kuuma), se huomauttaa siitä, että transistorin sallittu häviöteho saattaa ylittyä. Se saattaa ylittyä siitä huolimatta, vaikka kollektorivirta ja kollektori-emitterijännitteet olisivat sallituissa rajoissa. Johtamattomassa tilassa (avoimena) olevan PNP-kytkintransistorin kanta-, kollektori- ja emitterivirta sekä (oikealla) jännitteet Piirikaavio trans02e.cir Dynaaminen DC-analyysi Kun transistoria käytetään kytkimenä, on huolehdittava siitä, että sen ollessa johtavassa tilassa johtavuus on riittävän hyvä. Esimerkkinä tästä ovat sivun yläreunassa olevat kuvat. Transistoria on ohjattava riittävän suurella kantavirralla, jotta sen kollektori-emitteriväli kyllästyy eli saturaatiojännite on mahdollisimman pieni. 270

17 Transistorin ominaiskäyrän mallintaminen simulaattoriohjelmalla Seuraavalla mittauskytkennällä voidaan esittää BJT-transistorin lähdön ominaiskäyrästö. Mitattavaa transistoria Q 1 syötetään virtageneraattorilla I B. Tasasähkölähteenä toimii säätyvä jännitelähde (0 V 5 V). Ominaiskäyrien mittauskytkentä, jossa tutkittavana on ohjelmasta suoraan löytyvä 2N2222A-transistori Piirikaavio trans04a.cir DC-analyysi Mittauksen aikana kantavirta I B saa arvoja 100 µa µa sadan µa välein. Nämä määritteet saa tarvittaessa näkyviin DC-analyysin valintaikkunasta. Kutakin kantavirran arvoa vastaava kuvaaja piirtyy kuvaruudulle muodostaen käyrästön. Transistorin 2N2222A ominaiskäyrästö, jossa I C = f(u CE ), I B = 100 µa µa Piirikaavio trans04a.cir DC-analyysi Transistorin BC547A ominaiskäyrän esittämiseksi kuvan mittauskytkentään on sijoitettava transistori BC547A. Sen Internetistä (tai tämän kirjan liitteenä olevalta cd-rom-levyltä) saatava mallinnuslause (Model) on sijoitettava simulaattoriohjelman piirikaavion Teksti-sivulle. Ennen ominaiskäyrien skaalausta tutkitaan lyhyesti, mitä Datasivut kertovat kyseisestä transistorista. Datasivu löytyy myös tämän kirjan cd-rom-liitteestä. BC547A, kytkintransistori V CEO = 45 V (kollektorin ja emitterin välinen enimmäisjännite) I C = 100 ma (kollektorin enimmäisvirta) = 500 mw (kokonaishäviöteho) P TOT 280

18 OR-portin toiminnan tutkiminen simulaation avulla Käynnistämällä Transient-analyysi ja pitämällä jotain näppäimistön painiketta alas painettuna analyysi etenee. Näpäyttämällä hiirellä piirikaavion digitaalikytkintä U1 sen tila vaihtuu nollasta ykköseen (kuvassa n. 1 ms kohdalla). Tällöin lähdön tila muuttuu myös ykköseksi (koordinaatiston alin kuvaaja). Kun digitaalikytkin U1 palautetaan nolla-asentoon (n. 2 ms kohdalla), sammuvat ledit 1 ja 3 ja kuvaajat piirtävät nollatasossa. Näpäyttämällä hiirellä piirikaavion digitaalikytkintä U2 sen tila vaihtuu nollasta ykköseen (kuvassa n. 3 ms kohdalla). Tällöin lähdön tila muuttuu myös ykköseksi. Kun digitaalikytkin U2 palautetaan nolla-asentoon (n. 4 ms kohdalla), sammuvat ledit 1 ja 3 ja kuvaajat piirtävät nollatasossa. 8 ms kohdalla molemmat kytkimet ovat yläasennossa ja kytkennän kaikki ledit palavat. Kun kytkimet palautetaan nolla-asentoon, sammuvat ledit. Piirikaavio dig04a.cir Transient-analyysi (Manuaalinen animaatio) Tässä simulaatiossa digitaalikytkennän kytkentäpisteet on muutettu sivulla 2 (page 2) digitaalisista analogisiksi, jotta animaation aikana simulaattoriohjelman käyttäjällä olisi mahdollisuus käyttää kytkennän digitaalikytkintä. Samoin kytkennän piirtymisnopeus on paremmin hallittavissa ja tarvittaessa säädettävissä muuttamalla Maksimi askellusajan suhdetta Aika-alueeseen. Kuvassa Maksimi askellusaika on sadasosa Aika-alueen arvosta. Mitä pienempi Maksimi askellusaika on suhteessa Aika-alueen arvoon, sitä hitaammin (ja tarkemmin) kuvaaja piirtyy. 286

19 Laskinkytkentä (Counter circuit) Digitaalitekniikan peruskomponentteja ovat portit, kiikut ja laskimet. Tämä kappale käsittelee niistä muodostuvaa kytkentää. Esimerkissä on käytetty kahta animaatiokomponenttia, lediä ja seitsensegmenttinäyttöä (seven segment), joita ei ole mallinnettu samalla tavalla kuin muita ohjelman komponentteja. Nämä animaatiokomponenteiksi kutsutut komponentit esiintyvät sähköisen mallinnuksen sijasta animaatiomallinnuksina. Tutkittava piiri on laskinkytkentä, jossa kellopulssioskillaattorissa syntyvä signaali kulkee puskurin, transistorin ja kiikun läpi kymmenjakajalle Kuvan kytkennässä oskillaattori synnyttää suorakaideaaltosignaalin, jota kaksinumeroinen ylös-laskin (up counter) lähtee laskemaan. Mallinnuksen aikana ledi vilkkuu ja seitsensegmenttinäytöt näyttävät lukuarvoja. Piirikaavio dig01a.cir Transient-analyysi (Autom. animaatio) Toiminnan kuvaus Ohjelman kiinteä logiikan ykköstila, joka voidaan asettaa myös nollaksi Piirikaaviokuvan ensimmäisen mikropiirin IC 1 osa A toimii CMOS-oskillaattorina. Samassa mikropiirissä oleva osa B toimii puskurina (buffer). Seuraavana on transistorilla toteutettu invertteri, joka toimii samalla tavalla kuin sitä edeltävä puskuri. Tämän jälkeen on vuorossa mikropiiri IC 2, jonka osa A on toinen kahdesta JKkiikusta. Sen valmiustulot J ja K on kytketty loogiseen 1-tilaan, jolloin kiikku toimii T-kiikkuna (Toggle flip-flop). T-kiikun lähdöstä 1Q saatava pulssi on taajuudeltaan puolet sen sisään tulevan pulssin taajuudesta. Ohjelman stimulusgeneraattori (herätegeneraattori), jossa merkinnät tarkoittavat, että aluksi tila on nolla, mutta 1 µs kuluttua se vaihtuu ykköseksi ja pysyy siinä Kiikun merkinnöissä oleva sana bar tarkoittaa viivaa (esim. 1Qbar = 1Q). Käänteisellä tulolla oleva esiasettelu (1PREbar) on kytketty ykköstilaan. Käänteisellä tulolla oleva nollaus (1CLRbar) on kytketty myös ykköstilaan, mutta se on simulaattoriohjelman vaatimuksesta tehty ohjelman stimulusgeneraattorin avulla. Kiikku ei ymmärrä, mihin tilaan sen pitäisi asettua sähkön kytkeytymisen jälkeen. Tämä stimulusgeneraattorin antama lyhyt nollauspulssi (0 µs 1 µs) asettaa kiikun oikeaan tilaan. Mikropiiri IC 3 on 10-jakaja (decade counter), joka muodostuu kahdesta jakajasta. Ensimmäinen jakaja jakaa pulssin kahdella (aivan kuin edellä ollut kiikkukin). Sen tulonasta on CKA (clock A) ja lähtönasta QA. Ulkoisella johdo- 299

20 Kolmivaihesähkölähde (Three Phase Power Supply) Kuvan virtapiirissä on liitetty kolmivaiheverkkoon eräiden kulutuskojeiden yksinkertaisia malleja. Kolmivaiheinen liesi on kytketty siten, että se kuormittaa vaiheita epäsymmetrisesti. Sähkömoottorit on kytketty kolmio- ja tähtikytkentään. Kulutuskojeita kolmivaiheverkossa Piirikaavio mitt25a.cir Transient-analyysi Kolmivaihesähkölähde on muodostettu kolmesta siniaaltogeneraattorista, joiden keskinäinen vaihekulma on säädetty 120 asteeseen. Oheisista yksittäisten generaattoreiden mallinnuslausekkeista (.model) ilmenevät generaattoreiden nimet (L 1, L 2, L 3 ), aaltomuoto (sin), taajuus (50 Hz), amplitudi (230V*sqrt(2)) ja generaattoreiden keskinäinen vaihesiirto radiaaneina. Nämä mallinnuslausekkeet voivat sijaita tekstisivulla tai piirikaaviosivulla. Piirikaaviokuvassa on käytetty piirrosobjekteja (viivat, ympyrät, suorakaiteet) esityksen havainnollistamiseksi. Piirrosobjektin viiva ei mallinnu samalla tavoin kuin johdin. 354