Patrycja Grabowska Marta Byczek Sebastian Fronc Katarzyna Matuszkiewicz	Elektronika w mechatronice Laboratorium Sprawozdanie nr 1
IMIR, Mechatronika, Projektowanie Mechatroniczne	Temat: Podstawy tworzenia symulacji w środowisku LTspice

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zasadami tworzenia symulacji obwodów elektronicznych w środowisku Ltspice, nabycie umiejętności budowania obwodów elektronicznych, doboru odpowiedniego typu i parametrów symulacji oraz zapoznanie się z możliwościami wizualizacji wyników.

1. Rozwiązania zadań

Zadanie I

1. Układ o określonych wartościach oporników.

   Układ składa się z 2 oporników R1=10 Ω i R2=20Ω i jest zasilany przez 230V.

   Na podstawie symulacji otrzymano następujące wyniki:

   

   Sprawdzenie za pomocą obliczeń:

$${V2 = V1*\left( \frac{R2}{R1 + R2} \right)\left\lbrack V \right\rbrack\backslash n}{V2 = 153,33\ V\backslash n}{I = \frac{V2}{R2}\ \left\lbrack A \right\rbrack\backslash n}{I = 7,67A}$$

Dokonane obliczenia potwierdzają poprawność symulacji.

1. Układ ze sparametryzowanym suwakiem

   

   
   

   Jak można zauważyć na powyższym wykresie, wraz ze wzrostem wartości oporu R2 wzrastało napięcie V2. Stosunek wartości napięcia V2 do napięcia źródła jest równy stosunkowi oporu R2 do oporu całkowitego R.

Zadanie II

1. Filtr dolnoprzepustowy pasywny RC.

Obliczenia:

$${fg = 1Hz\backslash n}{fg = \frac{1}{2*\pi*R*C}\backslash n}{R = \frac{1}{2*\pi*fg*C}\backslash n}{dla\ C = 100\mu F\ \backslash n}{R = 1591,55\ \Omega}$$

Symulacja:

Wykresy przedstawione poniżej to wykres fazowo–częstotliwościowy oraz amplitudowo-częstotliwościowy. Filtr dolnoprzepustowy jak sama nazwa wskazuje przepuszcza sygnał o częstotliwości od 0Hz o częstotliwości granicznej. Częstotliwości granicznej odpowiada tłumienie 3dB.

Dla obliczonejwartości granicznej częstotliwości 1Hz przesunięcie fazowe wynosi -45⁰ jak to ukazano na powiększeniu poniżej.

2. Filtr górnoprzepustowy pasywny RC- symulacja:

Filtr górnoprzepustowy przepuszcza sygnał mający częstotliwość powyżej częstotliwości granicznej, w badanym przypadku powyżej częstotliwości 1Hz.

Dla zadanej wartości granicznej częstotliwości 1Hz przesuniecie fazowe wynosi 45⁰ jakto pokazano na rysunku poniżej. Częstotliwości granicznej odpowiada tłumienie 3dB.

W obu filtrach kondensator C zwiera składowe o dużych częstościach. Najłatwiej działanie jego działanie można przeanalizować stosując zapis wskazowy przebiegów przemiennych. Napięciom (1) i (2) odpowiadają odpowiednio wskazy

Funkcja przenoszenia dla filtru dolnoprzepustowego jest równa:

Kładąc f = fg otrzymujemy , co oznacza, że dla częstotliwości granicznej poziom charakterystyki amplitudowej opada o 3dB.

Zadanie III

Obliczenie rezystancji krytycznej dla układu RLC z kondensatorem C=1µF i cewką L=1mH:

$${Rc = 2\sqrt{\begin{matrix} \frac{L}{C} \\ \end{matrix}}\backslash n}{Rc = 63,25\ \mathrm{\Omega}}$$

Poniżej przedstawiono charakterystyki czasowe dla 3 sytuacji: przebieg aperiodyczny, aperiodyczny krytyczny i drgania tłumione.

1. Układ RLC aperiodyczny

R> R1

Na charakterystyce zmiany napięcia w czasie można zauważyć, że napięcie maleje, by po pewnym czasie osiągnąć stałą wartość większą od zera.

1. Układ RLC aperiodyczny krytyczny

R=Rc

Napięcie maleje od wartości maksymalnej do zera

1. Układ RLC- drgania tłumione

R<Rc

Napięcie jest zmienne w czasie – przebieg ma charakter sinusoidalny. Zmienia się kierunek prądu (napięcie przyjmuje wartości ujemne). Amplituda maleje. Częstotliwość zmian jest stała.

1. Wnioski

• Program LTspice pozwala na szybkie wirtualne prototypowanie układów elektronicznych. Dużą przewagą jest fakt, że jest on udostępniany za darmo.

• Dzielnik napięcia jest niewielkim pasywnym układem składającym się z dwóch rezystorów. Odpowiedni dobór wartości rezystancji pozwala na osiągnięcie amplitudy napięcia innej niż źródło, nie zmieniając jednak jego charakterystyki. Korzystając z potencjometru uzyskujemy możliwość płynnej regulacji napięcia wyjściowego.

• Pasywny filtr RC jest kolejnym podstawowym układem stosowanym w elektronice, zarówno w wersji górno-, jak i dolnoprzepusowej. Zastosowanie takiego filtru pozwala na eliminację niepożądanych częstotliwości z układu. Częstotliwość odcięcia może zostać wyznaczona prostą zależnością $fg = \frac{1}{2*\pi*R*C}$.

• Układ RLC to układ drugiego rzędu, o czym świadczy oscylacyjna odpowiedź układu na skok jednostkowy (przy pewnych parametrach). W zależności od wartości elementów R, L oraz C odpowiedź układu może być aperiodyczna lub oscylacyjna. Dodatkowo częstotliwości, przeregulowanie oraz tłumienie uzyskane na wymuszenie są zależne od parametrów układu.