基于PSpice的機(jī)載10S延時(shí)電路仿真教學(xué)研究

杜海龍， 段照斌，李靜昭

(中國(guó)民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300)

0 引言

機(jī)載10S延時(shí)繼電器實(shí)驗(yàn)是我校工程技術(shù)訓(xùn)練中心開(kāi)發(fā)的綜合型項(xiàng)目[1]，學(xué)生通過(guò)電路的焊接、調(diào)試、測(cè)試、排故等環(huán)節(jié)，建立內(nèi)場(chǎng)維修的基本理念，掌握機(jī)載電路的維修方法，為以后從事相關(guān)維修工作奠定實(shí)踐基礎(chǔ)[2][3]。在電路測(cè)試排故環(huán)節(jié)采用學(xué)生之間互設(shè)故障及教師總結(jié)常見(jiàn)故障相結(jié)合的方式進(jìn)行[4]，然而在新冠肺炎疫情期間，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)受到了很大的影響。PSpice軟件是一種通用的仿真工具，可以進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路以及模數(shù)電路的混合仿真[5][6][7][8]，本文用PSpice軟件建立了10S延時(shí)電路的仿真模型，采用整體電路分析與元件特性分析相結(jié)合的方法，分析影響延時(shí)時(shí)間的因素，有效的改善了教學(xué)現(xiàn)狀，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

1 10S延時(shí)電路

10S延時(shí)電路由一個(gè)比較器、一個(gè)三極管、三個(gè)二極管及若干電阻、電容組成，其電路原理圖如圖1所示[9]，主要作用是控制繼電器的吸合和斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)起落架系統(tǒng)空地信號(hào)的切換[1]。

圖1 10S延時(shí)電路原理圖

此電路工作在28V直流電壓下，X1接28V正極、X2接28V負(fù)極，在CR1(20V穩(wěn)壓二極管)作用下，通過(guò)R2和R4的分壓，使得U1-6引腳的電壓約為9.5V，當(dāng)28V電壓加到C1端時(shí)，電容C1充電，U1-5引腳電壓在R6上接近28V，此時(shí)U1-7引腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)Q1使得繼電器K1吸合；當(dāng)C1斷開(kāi)28V電源時(shí)，電容C1緩慢的通過(guò)R6進(jìn)行放電，當(dāng)U1-5引腳電壓低于U1-6引腳(9.5V)時(shí)，U1-7引腳輸出低電平，Q1截止，繼電器K1斷開(kāi)，延時(shí)時(shí)間在10S左右。

經(jīng)過(guò)以上分析可知，當(dāng)28V電壓從C1端斷開(kāi)時(shí)，繼電器K1并沒(méi)有立即斷開(kāi)，而是通過(guò)比較器比較正負(fù)端輸入的電壓值，過(guò)一段時(shí)間繼電器K1才斷開(kāi)，這個(gè)時(shí)間就是延時(shí)時(shí)間，也就是說(shuō)延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短既取決于比較器負(fù)端的基準(zhǔn)值，又取決于比較器正端的電容C1放電的快慢，理想的C1通過(guò)R6的放電公式為：

(1)

式中U為電容兩端的瞬時(shí)電壓值，U0為電容充滿(mǎn)電的電壓值，t為放電時(shí)間，R為電阻值，C為電容值。

公式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得：

(2)

公式(2)整理得：

(3)

此處U0就是比較器負(fù)端的電壓，其值為：

(4)

式中U1為穩(wěn)壓管CR1兩端的電壓。

將R=R6，C=C1，及公式(4)代入公式(3)得：

(5)

將R6=1×106Ω，C1=10×10-6F，U0=28V，U1=20V，R2=40.2×103Ω，R4=36×103Ω，代入公式(5)得：

t≈10.86 s

(6)

2 10S延時(shí)電路的PSpice仿真

圖1中的繼電器是個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，本文僅對(duì)10S延時(shí)電路的特性展開(kāi)研究，不仿真繼電器的電弧等內(nèi)部參數(shù)，因此將其用電阻替代不影響整體電路的特性，萬(wàn)用表測(cè)量繼電器控制端的電阻是700歐姆，CR3在電路中的作用是防止電容C1從CR3支路放電，原型號(hào)為1N5061，實(shí)習(xí)項(xiàng)目中由于這個(gè)二極管價(jià)格比較昂貴，因此采用1N4148來(lái)替代，其他元件的型號(hào)可通過(guò)10S延時(shí)繼電器的CMM手冊(cè)查到，在僅對(duì)繼電器和CR3進(jìn)行等效后用Cadence軟件建立的PSpice仿真模型如圖2所示。

圖2中橫放的元件，比如R1、D3、R3，其左邊是1引腳，右邊是2引腳；豎放的元件，比如D1、R4、R5、R7等，上面是1引腳，下面是2引腳。

圖2 10S延時(shí)電路PSpice仿真電路圖

2.1 10S延時(shí)電路的時(shí)域分析

時(shí)域分析即瞬態(tài)分析，在圖1中給X1和C1加入信號(hào)激勵(lì)分析電路工作狀態(tài)，X1端電壓接28V直流，C1輸入端接入脈沖，脈沖的最高電壓28V，最低電壓0V，脈沖出現(xiàn)在1S后，脈沖持續(xù)時(shí)間1S，之后就恢復(fù)0V。

在圖2中D3的正端(1引腳)，C1的正端(1引腳)，R7的下端(2引腳，也就是Q1的C極)放置電壓探頭，仿真的波形如圖3所示。

圖3 10S延時(shí)電路時(shí)域仿真圖

從圖3中可得出整體電路的延時(shí)時(shí)間為

t1=11.179-2.0825=9.0965

(7)

和公式(6)計(jì)算出來(lái)的時(shí)間相差1S多，差距較大，下面通過(guò)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)分析探尋原因。

2.2 各個(gè)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)分析

在V1=28V，V2=0V的條件下，此時(shí)圖2中比較器LM193的IN+IN-，Q1處于飽和狀態(tài)。在以上兩種條件下，進(jìn)行靜態(tài)仿真分析獲得的各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，電流及元件功耗如圖4所示。

圖4中，實(shí)線(xiàn)框表示電壓、電流，虛線(xiàn)框表示功率。從圖4可以看出，當(dāng)V2從0V變到28V時(shí)，LM193 IN-支路上各節(jié)點(diǎn)參數(shù)(電壓、電流)幾乎沒(méi)有變化，而IN+支路上變化較大，這和理論分析一致。因此我們重點(diǎn)研究IN+支路，以分析延時(shí)時(shí)間變短的原因。

經(jīng)過(guò)前面的理論分析，IN+支路上是電容C1通過(guò)電阻R6放電獲得延時(shí)時(shí)間的，因此理論上電容C1放電路徑有四條，C1通過(guò)R1放電，C1通過(guò)IN+放電，C1通過(guò)CR2放電，C1通過(guò)CR3放電，結(jié)合圖4(a)可以看出，LM193IN+上有電流流出(忽略)，D2(CR2)上面有超過(guò)7.3nA的電流流過(guò)，D3(CR3)上流過(guò)的電流小于2.5nA，因此C1主要通過(guò)R6進(jìn)行放電，并且在其他兩條放電支路中，D2(CR2)占據(jù)的分量最大。

(a)V1=28V，V2=0V靜態(tài)分析圖

(b)V1=28V，V2=28V靜態(tài)分析圖圖4 節(jié)點(diǎn)靜態(tài)分析圖

將D2(CR2)進(jìn)行斷路后，輸入激勵(lì)和2.1節(jié)一致，重新進(jìn)行時(shí)域分析所得的仿真波形如圖5所示。

圖5 斷開(kāi)D2后10S延時(shí)電路時(shí)域仿真圖

從圖5中可得出整體電路的延時(shí)時(shí)間為

t2=12.750-2.0492=10.7008

(8)

這和公式(6)計(jì)算出來(lái)的時(shí)間相差不多，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。

2.3 示波器探頭分析

一般的示波器探頭有兩檔——×1和×10，其中×1典型輸入阻抗為1MΩ，×10典型輸入阻抗為10MΩ。在實(shí)際電路中，當(dāng)用示波器接到電容C1端觀(guān)察放電曲線(xiàn)時(shí)，由于示波器探頭存在輸入阻抗，電容C1也會(huì)通過(guò)示波器探頭進(jìn)行放電，因此采用雙通道示波器在電容C1測(cè)量延時(shí)時(shí)間，測(cè)出來(lái)的結(jié)果比實(shí)際結(jié)果短。

當(dāng)用示波器探頭×1檔測(cè)量時(shí)，相當(dāng)于在R6上并聯(lián)了一個(gè)1MΩ的電阻，此時(shí)并聯(lián)后的電阻是500KΩ，變?yōu)樵瓉?lái)的一半。將R6=500KΩ代入公式(5)中得，電路延時(shí)時(shí)間為

t3≈5.43s

(9)

當(dāng)用示波器探頭×10當(dāng)測(cè)量時(shí)，相當(dāng)于在R6上并聯(lián)了一個(gè)10MΩ的電阻，此時(shí)并聯(lián)后的電阻約是0.909MΩ。將R6=0.909MΩ代入公式(5)中得，電路延時(shí)時(shí)間為t4≈9.87s

(10)

2.4 電容C1充電特性分析

在圖4(b)條件的基礎(chǔ)上，設(shè)置瞬態(tài)掃描時(shí)間為100ms，得到電容C1隨時(shí)間的充電曲線(xiàn)如圖6所示。從圖6中可以看出，電容充電是先快后慢的過(guò)程，大約經(jīng)過(guò)40ms后，電容C1兩端電壓達(dá)到26.9V，接近滿(mǎn)電壓(27.5V)的97.8%，90ms后電容充滿(mǎn)。

圖6 電容C1充電仿真圖

2.5 比較器LM193特性分析

在圖4(a)條件的基礎(chǔ)上，設(shè)置V2電壓從0V開(kāi)始上升到28V，步進(jìn)為0.1V，得到LM193 OUT(輸出端)電壓隨IN+(正輸入)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)輸入端IN+電壓在9.454V--9.759V之間時(shí)，雖然此時(shí)IN+>IN-(9.454V)，但是OUT并沒(méi)有輸出高電平；輸入端IN+電壓在9.759V--9.841V之間時(shí)，輸出端OUT存在突變過(guò)程；輸入端IN+電壓大于9.841V時(shí)，輸出端OUT輸出穩(wěn)定的高電平。

圖7 LM193 輸出端特性仿真圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PSpice仿真分析，可知①在實(shí)際電路中，為了準(zhǔn)確測(cè)量延時(shí)時(shí)間，雙通道示波器的一個(gè)通道應(yīng)接在D3(CR3)正極，另一個(gè)通道接到Q1的集電極。②CR2(D2)接入電路中可造成延時(shí)時(shí)間縮短；③為了獲得較為準(zhǔn)確的電容C1放電曲線(xiàn)，應(yīng)選用×10的探頭進(jìn)行測(cè)量；④LM193比較器正輸入端在高于9.841V時(shí)才穩(wěn)定輸出高電平，也就是說(shuō)正輸入端要比負(fù)輸入端高0.387V。

本文使用PSpice對(duì)機(jī)載10S延時(shí)電路進(jìn)行仿真，增強(qiáng)了新冠肺炎疫情期間實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)課程教學(xué)效果，加深了學(xué)生對(duì)于機(jī)載10S延時(shí)電路的理解，應(yīng)用PSpice進(jìn)行電路仿真對(duì)于教學(xué)、研究和電子類(lèi)課程設(shè)計(jì)都是十分必要的。