Осваиваем систему моделирования TINA-TI. Схема управления

В.Н. Гололобов

Многие радиолюбители недооценивают программы моделирования, как хороший инструмент для проверки электрических схем. На примере ряда схем посмотрим, как это выглядит в программе TINA-TI.

Программа TINA-TI есть в англоязычной и русскоязычной версиях. При установке программы она может оказаться чувствительной к языку операционной системы. Особенно это относится к операционной системе Linux, где программа успешно (в настоящее время) работает в среде Wine. Если язык не совпадает с устанавливаемой версией, то установка может не получиться, и следует установить другую версию TINA-TI.

Программа имеет множество примеров, которые интересны и полезны. Загляните в них. Если примеры не открываются по умолчанию, то в разделе «Файл» есть подраздел «Открыть примеры».

Начнем рассказ с простой схемы. Схема управления.

Не космическим кораблем, даже не моделью самолета. Но управления. Итак, что должна делать схема:

За основу данной схемы взят триггер на транзисторах с двумя устойчивыми состояниями. Аппарат реагирует на кратковременный сигнал звуковой частоты, который и переводит триггер в другое устойчивое состояние, то есть включает и выключает нагрузку.

Я не буду приводить всю схему, есть вопросы и по другим элементам схемы, но давайте рассмотрим, как работает (или как должна работать) схема триггера на транзисторах. Вот часть оригинальной схемы, выделенная мной:

Схема триггера на транзисторах (часть общей схемы).

Эту часть схемы я нарисую в программе Tina 9 - TI. Программа не коммерческая, ее можно использовать бесплатно, и хотя она не полная в такой версии, но позволяет сделать достаточно много. Версия, доступная сегодня и обозначенная как sloc243c, русифицирована.

Выделенная часть схемы устройства в программе Tina-TI.

В таком виде, исключая резистор R2, заменивший транзистор VT1 оригинальной схемы, и наличие генератора VG1, заменившего источник сигнала и усилитель, в таком виде схема в точности повторяет ту, что приведена выше. Источник VG1 будет генерировать короткие импульсы, имитирующие напряжение, возникающее при «кратковременном сигнале звуковой частоты».

Первый опыт я проведу со схемой «как есть», хотя можно заметить на оригинальном фрагменте, что резистор в коллекторной цепи второго транзистора не имеет точки соединения с положительным полюсом источника питания. Не исключено, что схема имеет и еще аналогичные дефекты. Тем не менее:

Результат первого опыта со схемой триггера.

Я не знаю реальной длительности и амплитуды кратковременного сигнала, так что мой выбор, что называется, «навскидку». После импульса от генератора длительностью 1 мс на коллекторе транзистора VT2 (измеритель VF2) напряжение 12 В. Это приведет к включению реле (отсутствующего на оригинальном рисунке). Что должно нас насторожить в данный момент?

Согласен, напряжение на коллекторе транзистора VT1 (измеритель VF1). Если это триггер, то его выходы должны попеременно переходить в высокое и низкое состояние. Причиной может стать опечатка – нет соединения резистора R8 с коллектором VT1. Исправим эту опечатку.

Работа схемы после исправления опечатки.

Теперь напряжения на коллекторах транзисторов больше похожи на правильные, но первый импульс не включает, а выключает реле. Посмотрим, не сделает ли это второй импульс. Для этого я перестрою работу генератора VG1. В программе Tina-TI это можно сделать в разделе свойств генератора напряжения. Вначале обратимся к свойствам сигнала, затем выберем и настроим нужный нам вид генерируемого напряжения.

Настройка генератора VG1 для генерации последовательности импульсов.

Перестроив генератор, повторим анализ переходного процесса:

Повторение анализа переходного процесса.

Нет. Это не тот результат, которого я ожидал.

Не знаю, как удобнее вам, а я в подобных случаях начинаю «танцевать от печки». Если у меня возникают сомнения, я стараюсь перерисовать схему в том виде, в каком увидел когда-то впервые, открыв перед экзаменами учебник. Потратив немного времени на перерисовку схемы, я быстрее начинаю понимать, на что следует обратить внимание. Виною того, что происходит со схемой, может быть и ошибка в схеме, и ошибка в номиналах элементов, и неправильная работа программы. Триггер на двух транзисторах – это симметричная схема. В реальной жизни после включения питающего напряжения сработает естественная асимметрия: номиналы деталей никогда не совпадут в точности. Программа, основанная на математических вычислениях, оперирует с числами, которые заданы одинаковыми, поэтому в случае с триггером программа может неправильно показывать результат работы схемы.

Работа перерисованной и исправленной схемы.

Чтобы схема получилась симметричной, мне пришлось добавить еще один резистор; транзисторы я заменил конкретным моделями. Вид схемы не столь элегантен, как изначально, но, похоже, схема начинает работать. Убедимся в этом, увеличив интервал наблюдений:

Анализ переходного процесса с увеличенным интервалом наблюдения.

После первого импульса, как видно на рисунке, схема работает не совсем ожидаемым образом, но второй импульс восстанавливает «справедливость». В дальнейшем видно, как чередуются состояния высокого и низкого уровня на коллекторах транзисторов.

Небольшая деталь, касающаяся программы Tina-TI: по умолчанию и сигналы, и их отображение используют положительное и отрицательное напряжение. Я не ожидаю появления на коллекторах транзисторов отрицательного напряжения. Поэтому мне удобнее исправить вид кривых. Для этого, выделив мышкой первую кривую VF1, я обращаюсь к свойствам кривой, щелчком правой клавиши мышки вызвав выпадающее меню свойств, где и исправляю нижний предел измерений.

Изменение свойств кривой на графике.

Когда схема заработала в программе Tina-TI, мы можем разобрать подробнее, как она работает. Принято (или было принято) начинать с предположения, что при включении питающего напряжения, благодаря естественному разбросу номиналов деталей, один из транзисторов начинает включаться. Положим, что это транзистор VT2. Напряжение на базе транзистора VT1 будет уменьшаться, поскольку напряжение на базу VT1 подается с коллектора VT2 через делитель напряжения: R8 – сопротивление перехода база-эмиттер VT1. Уменьшение базового напряжения транзистора VT1 приведет к тому, что ток через него уменьшится, а напряжение на его коллекторе увеличится. Увеличение напряжения через резистор R9 увеличит напряжение базы-эмиттер транзистора VT2, что приведет к еще большему открыванию транзистора VT2. Процесс проходит лавинообразно до тех пор, пока транзистор VT2 не перейдет в режим насыщения, то есть, транзистор VT2 будет полностью открыт, а транзистор VT1 полностью закрыт. Нарисуем этот момент в виде схемы, где транзистор VT2 будет заменен резистором, скажем, 100 Ом.

Вид схемы, когда один из транзисторов открыт, второй закрыт.

Маркеры, добавленные к графикам, дают возможность определить, что напряжение на коллекторе второго транзистора около 0.8 В, а на коллекторе первого около 6 В. Давайте посмотрим, как меняется напряжение на конденсаторах C1 и С2?

Напряжения на конденсаторах C1 и C2.

После первого импульса, переключающего транзисторы, конденсатор C1 заряжен до напряжения, определяемого импульсом генератора VG1 (отмечено на рисунке выше). Конденсатор C2 не заряжен. В момент, когда импульс прошел, то есть, конденсаторы  подключены к общему проводу, конденсатор C1 через диод и резистор R3 отрицательным напряжение на базе транзистора T1 помогает удерживать его в закрытом состоянии. Но с приходом следующего импульса конденсатор C2 заряжается, а конденсатор C1 оказывается разряжен. И после прохождения импульса конденсатор C2 отрицательным напряжением на базе транзистора T2 закрывает его, что приводит к открыванию транзистора T1. Триггер переключился и перешел во второе устойчивое состояние до прихода очередного переключающего импульса с генератора VG1.

Мы убедились, что триггер (пусть и виртуальный) переключается. Добавим каскад усиления, который не вошел из оригинальной схемы в тот фрагмент, что был первоначально выделен.

И, я думаю, пора привести полную оригинальную схему устройства.

Полная схема устройства, взятая из книжки.

Добавим и к нашей схеме входной каскад на транзисторе.

 

Работа виртуального триггера с входным каскадом.

Точка соединения резисторов R2 и R5 на оригинальной схеме, конечно, должна соединяться с базой транзистора. Но зачем нам нужно повторять эту часть схемы?

Меняя амплитуду входного сигнала, то есть, амплитуду сигнала генератора VG1 мы можем определить ее значение, при котором триггер устойчиво переключается. Эта амплитуда сигнала послужит отправной точкой в дальнейших экспериментах с микрофоном.

Задав амплитуду напряжения генератора VG1 равной одному вольту, мы получим такую картину:

Работа схемы при напряжении входного сигнала 1 В.

Похоже, что напряжение на входе схемы должно быть более 1 В. Проводя анализ при напряжениях до 9 В, я не увидел убедительного результата. И только увеличение входной емкости до 1 мкФ дает что-то похожее на работу устройства при амплитуде входного сигнала в 2 В:

Последняя проверка работы схемы управления.

Так чем же управляет схема? В описании устройства написано:

Сигнал (звук хлопка в ладоши) улавливается угольным микрофоном ВМ1 типа МК16-У, затем фильтруется RC-цепочкой C1R4, (Она пропускает только сигнал с частотой, соответствующей звуковым колебаниям от хлопка в ладоши).

Я не хочу сказать, что результаты, полученные при моделировании схемы в программе Tina-TI – это истина в последней инстанции. Однако прежде чем раздадутся аплодисменты, прежде чем схема начнет работать, ее следует тщательно проверить. Не скажу, что подобная проверка на макетной плате невозможна. Но, согласитесь, сделать это за компьютером гораздо удобнее. За компьютером легче поменять, например, тип транзистора, чтобы определить, как эта замена повлияет на работоспособность схемы.

Работа схемы после замены типа транзисторов.

После замены транзистора 2N2222A транзистором 2N2484 напряжение на открытом транзисторе существенно изменилось, стало меньше. А замена первого транзистора вернула работоспособность схемы при входной емкости 1 нФ, даже при уменьшении длительности входного импульса до 100 мкс.

Замена всех транзисторов и перестройка параметров генератора.

Проверяя другие параметры, можно попытаться что-то улучшить или исправить. Так, я не уверен, что есть смысл применять угольный микрофон, можно ли его сегодня достать? Угольные микрофоны из старых телефонных аппаратов могут иметь столь большой разброс по чувствительности, если микрофон в рабочем состоянии, что параметры усилителя следует подбирать после экспериментов с конкретным микрофоном. А лучше применить электретный микрофон.

Редко какие программы моделирования имеют библиотеки отечественных компонентов, что является одной из причин, по которой радиолюбители так неохотно обращаются к программам моделирования. Вместе с тем, не так много параметров, скажем, транзистора следует сравнить в отечественных и импортных моделях. Допустимые токи и напряжения, верхняя граничная частота и напряжение насыщения для транзисторов, работающих в ключевом режиме – этого, как правило, хватает в любительской практике. А найти параметры транзисторов можно в Интернете:

Таблица параметров транзистора КТ315.

Это первая же ссылка на сайт http://www.5v.ru, где есть эти справочные данные. А данные для транзистора 2N2222A можно взять из справочного листка (datasheet):

Некоторые электрические параметры транзистора 2N2222A.

Сравнивая параметры транзисторов, можно сделать выводы о допустимом использовании импортных аналогов в схемах, где указаны отечественные модели.

Наконец, сегодня можно купить импортные компоненты. Можно собрать макет устройства на отечественных компонентах, затем заменить их импортными и сравнить работу устройства в первом и втором случае. Такие эксперименты принесут только пользу.

Недавно мой Интернет-знакомый, тезка Владимир, написал, что использует дистрибутив LinuxMint. Я никогда не пользовался этим дистрибутивом, но, чтобы разговор не был беспредметным, установил его с помощью VirtualBox в другом дистрибутиве Linux. После установки Wine установка программы TINA-TI прошла обычным образом. И я затеял с Владимиром разговор об инкубаторе. Схему, которую я предложил ему рассмотреть, я взял из журнала «Электрик».

Моделирование схемы инкубатора в LinuxMint.

Программа даже в такой «матрешке» прекрасно работала. Многое о схеме удалось узнать, но об этом в следующий раз.

Использованная литература и ссылки:

1. Андрей Кашкаров. Автоматическое включение кухонной вытяжки. - Радиолюбитель, 12/2007, стр. 16-17.
2. Кашкаров А.П.  Электроника на даче и в загородном доме. - М.: ДМК Пресс, 2010, стр. 11-12
3. Сайт программы TINA-TI: http://www.ti.com/tool/Tina-TI