RB Archief JWR 1998-2002 - de CAD/CAE Ontwerpen

8/6/2019 RB Archief JWR 1998-2002 - de CAD/CAE Ontwerpen

1/139

Design-Archief: CAD/CAE-OntwerpenJ.W. Richter

Dit Design archief bevat een aantal Microcap- en Eagle-ontwerpen, die als vingeroefeningen met deSimulatoren Microcap 5 en 6, respectievelijk Eagle 3.55 in de jaren 1998-2002 zijn ontstaan. Een

aantal van deze beschrijvingen en schakelingen is in RB Elektronica tussen 1998 en 2002gepubliceerd. Het overzicht van deze publicaties is in tabellenvorm in de appendix samengevat.

Nadat de oorspronkelijke web-site voor het archief in de Google-groep Radio Bulletin isopgeheven worden een aantal van de publicaties, die de auteur in Word-formaat ter beschikkingstonden, naar Scribd (Bereikjwr) overgebracht. De artikelen zijn vrijwel onveranderd per categoriein een bestand samengevat. In een aantal gevallen zijn er bij de overname van Word-formaat inOpenOffice geringe tekenfoutjes ontstaan, die echter voor de documentatie geen rol spelen.

Inhoud

Ervaringen met een A/D-simulator.......................................................................................................2Overzicht van de PSPICE - bibliotheek voor Micro Cap V...............................................................11Ervaringen met Eagle.........................................................................................................................20Thyristoren afschakelen......................................................................................................................28Multivibrator met een condensator.....................................................................................................33De Pacemaker van Wilson Greatbatch...............................................................................................37Simulatie van de Pacemaker...............................................................................................................43Alternatief Nulpuntsfilter...................................................................................................................45Buizenversterker in de simulator........................................................................................................50Gelijkspanningsinstelling...................................................................................................................52

50 Hz oscillator...................................................................................................................................59Het ontladen van een spoel.................................................................................................................63LC-oscillator.......................................................................................................................................70De Hartley oscillator...........................................................................................................................75De gyrator...........................................................................................................................................80Power Multivibrator...........................................................................................................................86De simulatie van filters.......................................................................................................................88De Micro-Cap 6 Simulator.................................................................................................................94Spanningsstabilisator........................................................................................................................100Blokgolfgenerator voor 3 Volt..........................................................................................................104Zelfbouw audioversterker.................................................................................................................107Koplampmodulator...........................................................................................................................119Hyper Peppy.....................................................................................................................................124Appendix 1: Overzicht der Microcap-designs..................................................................................129Appendix II: Overzicht der publicaties............................................................................................130
http://groups.google.com/group/ham_radio_bulletin?hl=dehttp://groups.google.com/group/ham_radio_bulletin?hl=dehttp://www.scribd.com/jwr1947http://www.scribd.com/jwr1947http://groups.google.com/group/ham_radio_bulletin?hl=de


2/139

Ervaringen met een A/D-simulator

De firma Spectrum stelt de analoog/digitaal simulator Micro-Cap V als gratis Demoversie in

het Internet ter beschikking. Dit artikel beschrijft de ervaringen met dit systeem.

Men vindt de simulator door in een zoekmachine (bijv. yahoo) het zoekbegrippspice op te geven.Als resultaat vindt men de homepage van de firma Spectrum, die een bruikbare simulator voor dehobbyist en professionele markt aanbiedt.De Micro-Cap V omvat een schema-editor en drie simulatoren voor Windows 3.1, NT resp. 95. De

professionele versie kost ca. $ 3500. Het aantal onderdelen en de omvang van de bibliotheek in deDemoversie is beperkt, maar ruim voldoende om een aantal interessante experimenten door tevoeren. Na het invullen van een eenvoudig registratieformulier voor de leverancier, transfereertSpectrum een gecomprimeerd ZIP-bestand van 1,75 MByte naar uw computer en installeert desoftware automatisch in het directory mc5demo.De simulator wordt geopend met een dubbele klik op het icon. Als invoering in de bediening is eengevisualiseerde inleiding in de editor en in de drie simulatoren aan te bevelen. Deze video bevindtzich in het Helpgedeelte van Micro-Cap V en duurt in totaal ongeveer een half uur.

Micro-Cap beheerst:

transientanalyse (voor alle niet-lineaire verschijnselen)

wisselspanningsanalyse (voor harmonische signalen bij lineair gedrag,inclusief Fourieranalyse)

gelijkspanningsanalyse (voor de gelijkspanningsinstelling)

Het systeem wordt geleverd met een dozijn voorbeelden, die elk een speciale prestatie van hetpakket demonstreren. Het doorspelen van deze voorbeelden is eveneens zinvol, omdat wij uit devoorbeelden nog belangrijke modelleringsgegevens kunnen kopiren. Elk voorbeeld wordt alsschema met het OPEN-commando geladen en vervolgens achtereenvolgens met de drie simulatorengeanalyseerd.

Transientanalyse met een Macromodel

Na deze avondvullende experimenten kunnen wij een schema opbouwen en zelf simuleren.Alhoewel er enkele voorbeelden worden meegeleverd, is een eigen ontwerp veel interessanter enleerrijker. Een klein ontwerp is bijvoorbeeld de kleine testschakeling met de 555 van fig. 2.De schakeling genereert bij een voedingsspanning van +5 volt een negatieve spanning van -5 volt.De 555 oscilleert in deze configuratie bij ongeveer 45 kHz en is ingesteld op een pulsbreedte vanongeveer 50 %.
http://g/data/Wittgenstein/http://%20www.spectrum-soft.comhttp://g/data/Wittgenstein/http://%20www.spectrum-soft.comhttp://g/data/Wittgenstein/http://%20www.spectrum-soft.com


3/139

Wij beginnen op een leeg blad met het plaatsen van de timerschakeling 555, die als macro in debibliotheek onderComponents > Analog Primitives > Macros > 555 ter beschikking staat. Eenmacro is een schema van een module, dat in diverse projecten kan worden hergebruikt. Het macrowordt als zelfstandig schema ontworpen en in de bibliotheek als onderdeel geregistreerd. Wijkunnen de 555 als onderdeel laden en zelfs het vervangend schema veranderen. Achter het schema

(fig. 1) bevindt zich een tekstgedeelte, waarin alle gegevens voor de 555 in de simulatortaal SPICEzijn opgeslagen.

Fig. 1 Detail uit het model van de timerschakeling 555

Na het plaatsen van de 555 groeperen wij de overige onderdelen eromheen. Elk onderdeel wordt uitde bibliotheek geladen en van de juiste waarde voorzien. Erg lastig is het roteren van onderdelen in

het schema. Het onderdeel draait geen 90 graden, maar springt soms 180 of 270 graden, zodat ikgemiddeld pas na twee pogingen de goede positie te pakken heb.Enkele andere details zijn eveneens storend, maar minder opvallend, zodat ik deze op deze plaatsvast bespreek. Op de eerste plaats moet de waarde van de onderdelen zonder spatie aaneengeschreven worden, dus 10pF in plaats van 10 pF. De tweede fout maakt de elektronicusgegarandeerd bij de specificatie van hoge weerstandenswaarden. De simulatortaal SPICEidentificeert namelijk de letters m en M als de prefix milli en de combinatie Meg of MEG alsMega.Waar een weerstandswaarde van 1M wordt ingebouwd, verwerkt de simulator dus een hoogstongebruikelijke 0,001 ohm. Als de gelijkspanningsinstelling of signaaldemping er helemaal naastligt, repareer ik dus eerst alle weerstandenswaarden met een losse M in de waarde.

In de te ontwerpen voedingsschakeling is de uitgangsimpedantie van de 555 van groot belang.De 555 kan bij 18 volt wel 100 mA leveren, maar wat is er in het model vastgelegd ?Zoals steeds in de praktijk van de elektronica, is meten beter dan geloven, dus wordt deze waarde


4/139

met een eenvoudig meetexperiment gecontroleerd. Daartoe worden twee meetweerstanden R4 enR5 in het schema ingebouwd. R4 en R5 wordt afzonderlijk gevarieerd, terwijl de uitgang van deschakeling door een hoge impedantie van C1 wordt gesoleerd. In het menu voor detransientsimulator kies ik een tijdsbereik van 100 uS, de tijdsfunctie T op de X-as en de spanningV(QA1) op de Y-as. Dit komt overeen met ongeveer 5 perioden van het signaal. Na aankruisen vanautoscale kiest de simulator zelf de optimale schaalverdeling. Vervolgens wordt de transient-

simulator voor de volgende meetreeks gestart:

Voeding R4 R5 C1 generator amplitude(min.)

amplitude (max.)

1 15 V 10Meg 10Meg 1pF onbelast, 15V 0 V 5Volt

2 5 V 10Meg 10Meg 1pF onbelast, 5 V 0 V 5Volt

3 5 V 1k 10Meg 1pF belast met 1k 0 V 3,8 Volt

4 5 V 10Meg 1k 1pF belast met 1k 0,6 V 5 Volt

De oscillator werkt inderdaad en levert een zuiver blokgolf van de juiste vorm. Na elke simulatiewijzig ik de waarde van R4 en R5. Voor elke meting heeft de simulator slechts enkele secondennodig. De eerste twee metingen beschrijven mij, dat de 555 onafhankelijk van de voedingsspanningmet dezelfde functie reageert. Het model kent dus maar een voedingsspanning en dat is 5 volt. Doorde belasting met R4 en R5 vinden wij de uitgangsimpedantie voor de uitgangstrap. Wij mogen deschakeling met niet meer dan 1 kohm belasten en de oscillator kan dus (in dit model) slechts 4 mAleveren. In de praktijk kan de 555 veel betere prestaties leveren, maar deze zijn in het model niet

beschreven. De oscillatoruitgang wordt nu weer in de oorspronkelijke staat met R4 en R5 als 1Megteruggebracht (fig. 2).

Fig. 2 Testschakeling met de 555 voor de simulator


5/139

Door het geringe uitgangsvermogen mag ik C1 slechts tot ongeveer 10 nF en niet hoger kiezen. Indit stadium laat ik de simulator nu ook het meetpunt V(QA3) weergeven en verdrievoudig hettijdsbereik op 300 microseconden, om de stationaire toestand te kunnen bekijken (fig. 3).De bovenste curve is het uitgangssignaal van de 555 met de amplitude van 5 Volt. Het onderstesignaal is de negatieve uitgangsspanning op meetpunt QA3. Een waarde van 22 nF voor C2 levert

bij een belasting van R3 = 10 kohm een spanningstoename van gemiddeld 1 Volt per impuls op. De

spanning bereikt slechts - 2,8 volt. In de stationaire toestand kan men ook de rimpel van devoedingsspanning met een amplitude van 200 mV goed waarnemen.

Fig. 3 Simulatorcurve voor de -5 Volt voeding met de 555

Het resulaat is onbevredigend en dus zoek ik naar een alternatief model voor de voeding.Dit model bevat geen macro voor de 555 maar een universeel programmeerbare generator.

Programmeerbare Impulsgenerator

Fig. 4 beschrijft een universeel simulatormodel van de schakeling met de volgende eigenschappen:

voedingsspanning 15 volt.

uitgangsspanning: ca. - 5 Volt

uitgangsstroom bij 50 ohm belasting: 100 mA.

In dit model hebben wij alle parameter, zoals de voedingsspanning en de oscillatorfrequentie zelf in

de hand. De universele schakeling werkt met een programmeerbare impulsgenerator (V1). V1 wordtin het schema met het model PULSE vastgelegd.


6/139

Fig. 4 Universeel model van de voeding

De impulsgenerator PULSE wordt geprogrammeerd met de volgende regel:.MODEL PULSE PUL (VZERO=0 VONE=15 P1=1u P2=1.1u P3=5u P4=5.1u P5=20u)Deze regel kopiren wij met Copy/Paste uit een van de voorbeelden en kunnen de inhoud met

behulp van een dubbele klik veranderen. VONE legt bijvoorbeeld de amplitude (15 Volt) en P5 deherhalingsfrequentie (50 kHz) vast.

Fig. 5 Parameter voor het programmeren van de impulsfunctie.

Deze schakeling bereikt inderdaad de gewenste uitgangsspanning van - 5V na ongeveer 1millisconde.

Test van de AC-analyse

P4

P2

P1 P5 (20uS)

P3


7/139

Als testobject voor de AC-analyse is een RC-transformator geschikt, die een 50 Hz sinussignaal meteen factor 1,28 versterkt (fig. 6). De sinusgenerator heet in deze schakeling BRON en is op 50 Hzgefixeerd met de modeldefinitie: .MODEL BRON SIN (F=50)Indien men verder niets aangeeft, neemt de simulator een standaard amplitude van 1 V aan.In de transientanalyse zien wij bij een tijdsbereik van 100 ms, dat de uitgangssinus op C4 inderdaadopgeslingerd wordt. De AC-analyse bewijst, dat het maximum inderdaad bij 50 Hz ligt. Men kieze

daartoe een frequentiebereik van 40 tot 60 Hz. Merkwaardigerwijze verlangt de simulator in hetveld frequentiebereik eerst de hoogste en dan de laagste frequentie. De juiste definitie luidt: 60,40.De curve uit de deze AC-analyse is in fig. 7 weergegeven.De transientanalyse toont dus de sinus van 50 Hz als tijdsfunctie, terwijl de AC-analyse deuitgangsspanning als functie van de frequentie weergeeft.

Fig. 6 RC-transformator met opslingering


8/139

Fig. 7 AC-analyse van de RC-transformator met opslingering van 1,3


9/139

Speciale macros

In enkele andere schakelingen worden speciale macros onderzocht. Zo is het kristal als een RLC-kring gedefinieerd. Dit is niet zo eenvoudig als het lijkt. In de modeldefinitie van het kristal,

bijvoorbeeld:

Xtal(10kHz,100,10000)

moeten de frequentie, de verliesweerstand en de kwaliteitsfactor worden vastgelegd. De frequentieis geen probleem. Deze staat op het kristal. De kwaliteitsfactor lukt meestal ook nog wel, omdatvele kristallen equivalent zijn en wij een waarde van een ander type mogen overnemen. Deweerstand is een probleem. Deze is immers niet direct meetbaar. Toch blijkt deze weerstand

belangrijk te zijn in het ontwerp voor een kristaloscillator of filter. Bij een te lage weerstand looptde oscillator bijvoorbeeld niet aan en bij een te hoge weerstand treedt er vervorming op. Na desimulatie weet ik wel, welke weerstandswaarde het kristal moet hebben, maar ik ken de waarde vanhet onderdeel in mijn voorraadsdoos met kristallen niet.

De potentiometer is eveneens als model beschikbaar (fig. 8). De modeldefinitie vereist een waardeen een percentage, waarmee de deler is ingesteld. De dimensionering van een nulpuntsfilter is metde simulator erg eenvoudig. Voor een loperinstelling van 50 % ligt het nulpunt bij 3,9 kHz, voor 20% bij 4,9 kHz en voor 10 % bij 6,7 kHz. In de praktijk kan men natuurlijk zonder problemendiverse belastings- en bronimpedanties aan de schakeling toevoegen.

Fig. 8 Potentiometer in het nulpuntsfilter van Andreyev


10/139

Beoordeling

De simulator is een interessant en machtig werktuig met een redelijke ergonomie. De operator kansnel wisselen tussen veranderingen in het schema en de diverse analysen. De signalen worden altijdens de berekening gepresenteerd en de ontwerpers kunnen de simulatie direct afbreken, als deresultaten onbevredigend zijn. Het programma reageert met voldoende snelheid en is zeer stabiel.Het systeem waarschuwt op het juiste tijdstip op fouten in het schema, in de modellering en in decommandos van de bediener. De meegeleverde online documentatie is voor experts uitstekend,maar voor de onervaren elektronici ontoereikend.

Na inwerking is het werktuig zelfs in de demoversie bruikbaar voor de ervaren hobbyist. Veleschakelingen bestaan immers uit modulen, die zich afzonderlijk met Micro-Cap uitstekend latenanalyseren. Vooral de dimensionering van filters en regelingsschakelingen is veel gemakkelijkermogelijk. Ook aanloopverschijnselen, hysterese en oscillaties zijn goed simuleerbaar. Het werktuig

bevat daartoe toevalsgeneratoren, die ruis en toleranties op alle parameters kunnen variren. Zoals

uit het experiment met de 555 blijkt, mag de elektronicus op meegeleverde modellen niet blindvertrouwen. Elke kritische parameter van de onderdelen moet eventueel afzonderlijk getest worden.Daartoe is een gedegen kennis van de elektronica nodig. Met een ondeugdelijk model produceert desimulator steeds onzin. In een professionele presentatie ziet het er erg betrouwbaar uit, maar als deschakeling werkelijk gebouwd wordt, komt de waarheid aan het daglicht.

Gepubliceerd: EB Elekronica Nr. 7 / 1999, pag. 40-42


11/139

Overzicht van de PSPICE - bibliotheek voor

Micro Cap V

Schakeling AD16

16 Bit AtoD and DtoA circuit.

Batterij 16 Volt

Digitalstimulator

A/D en D/A-converter

Sinusgenerator met 3 harmonischen:

5+1.0*SIN(2*PI*T*10E6)+2.0*COS(2*PI*T*20E6)+

3.0*SIN(2*PI*T*8E6)

Schakeling ANIM

Pulsgenerator met ingebouwde BCD-teller 7448

BCD - > 7 segment driver

7 segment display

Gate

(Om-) Schakelaar

Schakeling Carlo

This circuit demonstrates the Monte Carlo routines.Select the Transient or AC option under the Analysismenu, then press F2 to start the runs. After the runsare over, select the Histogram option from the MonteCarlo menu to see the various histograms.

Pulsgenerator met LRC-netwerk

.MODEL PULSE PUL(VZERO=0 VONE=5 P1=100N P2=110N P3=500N P4=510N P5=1000N).MODEL IND1 IND (L=1.0 LOT=10% )

.MODEL CAP2 CAP (C=1.0 LOT=10% )


12/139

Schakeling Carlo2

Demonstrates different distribution functions in DC

Impulsgenerator

weerstandsdeler met twee weerstanden

.MODEL V1 PUL ()

.MODEL RES1 RES (R=1.0 LOT=10% )

choke

voeding met dubbele gelijkrichter

twee halve sinussen

RLC-filter

schakeling Counter3

Vier flipflops met Clockgenerator, en twee Resetssimuleert teller

Schakeling curves

BJT IV curve tracer circuitDC-analyse voor collectorstromen (in bereik 200 mA / 5V)Transistor met Ib= 1 mA stroombron en Vc=15 volt voeding

Decoder

This circuit demonstrates the use of the Digital Library component 74145. To see the subckt modelof the 74145, click on the I button in the Tool bar, then click on the 74145.demonstreert Transientpatroon van een Een uit 16 decoder

Schakeling Diffamp

Verschilversterker met 6 transistoren en signaalgeneratorgenerator:

.MODEL V1 PUL ( VONE=0.001 P2=.2U P3=2.6U P4=2.7U P5=5U)verschiltrap.MODEL N1 NPN ( BF=250 CJC=0.8P CJE=1.8P TF=.5N TR=1N)

stroombron:.MODEL N2 NPN ( BF=50 CJC=1P CJE=2P TF=1N TR=6N)

schakeling eclgate

transistormodel van eclgate met twee 50 ohm generatoren en ca. 10 transistoren

schakeling fft1

toont de transients van een complexe golf met harmonischenThis circuit illustrates the use of DSP functions and complex operatorsin transient analysis. These operators include:

THD...Cumulative total harmonic distortion in percent due to 2'ndthrough N/2 harmonics, relative to the 1'st harmonic.


13/139

HARM..Returns the harmonic values in a complex array.Re(harm(v(1)) shows the even harmonics of the waveform V(1).Im(harm(v(1)) shows the odd harmonics of the waveform V(1).Mag(harm(v(1)) shows the magnitude of the even and odd harmonics.Ph(harm(v(1)) shows the phase angle.

FFT...Forward Discrete Fourier TransformX(k)= Sum from n=0 to N-1 of (x(n)*exp(-2*pi*j*k*n/N))

IFT...Inverse Discrete Fourier Transformx(k)= (1/N)*Sum from n=0 to N-1 of (X(n)*exp(2*pi*j*k*n/N))

RE....Real part of a complex expressionIM....Imaginary part of a complex expressionMAG...Magnitude of a complex expressionPH....Phase angle of a complex expression

Plots always show the magnitude of the final expression, sqrt(realpart^2+imagpart^2).

1.5+1.0*SIN(2*PI*T*1E6)+2.0*COS(2*PI*T*2E6)+3.0*SIN(2*PI*T*3E6)

Schakeling GILBERT MULTIPLIER

Modulator met 6 transistorenV1 op verschiltrap: dc 1 pulse 0 10m 0 10n 10n 250n 500nV2 op de stroombronnen: dc 0 ac 1 sin 0 .01 2e5

Schakeling mixeddemonstreert analoge & digitale simulatieTTL-Poort met transistoren, JK-flipflop

schakeling mixed1

bron, RLC-filter en twee inverters

Schakeling O7

bevat een 4 bit adder met losse poorten

en een LRC-filterte groot voor demoversie

schakeling opamp1

bevat ideaalmodel (onafhankelijk van frequentie),tweepoolmodel (integrator) enBoyle model (met drempels)

This circuit compares the output of the three levels ofopamps: the ideal model (level 1), the two pole model(level 2), and the Boyle model (level 3). Run transientand AC analysis.


14/139

schakeling perf1

This circuit demonstrates the performance functions.R en C varieren om de invloed van variaties te tonen.Pulsgenerator met LRC-filter

schakeling PLA

bevat twee PLAs en een 3 bit-generatorThis circuit tests a couple of the PLA primitives.To see the PLA programs in the Text Area type Ctrl+G.

Run transient analysis.

.DEFINE IN1+ 0NS 0+ LABEL=START+ 100NS INCR BY 1

+ 200NS GOTO START -1 times.MODEL t1 UPLD (OFFSET=0 COMPOFFSET=0 INSCALE=1 OUTSCALE=0)

Programmed Boolean equations are shown as comments..DEFINE PLA1 B$*C B A+ 1 0 0 ;C+ 1 1 0 ;C & B+ 1 1 1 ;C & B & A+$

.DEFINE PLA2 B$* C B A+ 01 00 00 ;~C+ 01 01 00 ;~C & ~B+ 01 01 01 ;~C & ~B & ~A+$

Schakeling Print

simuleert 74S381 (zeer grote schakeling)te groot voor de demoversie

ARITHMETIC LOGIC UNITS/FUNCTION GENERATORS

Schakeling RCA3040

simuleert RCA3040 met transistorenSnelle opamp met 50 dB versterking


15/139

schakeling RISE

bevat impulsgenerator met RLC-netwerkter demonstratie van toleranties in R en C.MODEL IND1 IND (L=1 LOT=40% TC1= .005).MODEL RES1 RES (R=1 LOT=10% DEV=1% TC1=.0045).MODEL CAP2 CAP (C=1 LOT=10% TC1= .0025)

Transient analysis checks the range of the rise time for this circuit through a Monte Carlo analysis.Note that the tolerances for the passive components have been added to the multiplier parameter inthe model statement.

SUBCKT SAMPLE CIRCUIT

toont Impulsrespons en frequentiekarakteristiekvan opamp LF155 met terugkoppeling.MODEL PULSE PUL (VZERO=-1 VONE=1 p1=1u p2=1.01u p3=5u p4=5.01u p5=10u)

SUBCKT1 SAMPLE CIRCUIT

versterker 741 met 15 db versterking tot 100 kHzThis circuit uses the ua741.mod spice subckt text file.MODEL PULSE PUL (VZERO=-1 VONE=1 p1=1u p2=1.01u p3=5u p4=5.01u p5=10u)

SchakelingTHY1

bevat:

PUT I-V Characteristics Test Circuit

TRIAC I-V Characteristics Test Circuit

SCR I-V Characteristics Test Circuit

This circuit displays the IV characteristics of the Put, Triac, and SCR macros.Run transient analysis.funktioneert niet: no such file : .....

Schakeling TRANS

This circuit implements a 10 to 1 step up transformer in three ways:

as a component,

as coupled inductors,

and as a macro.Run transient and AC analysis for the appropriate simulations.

Transient analyse levert sinusFrequentiekarakteristiek valt af vanaf 100 lHz - 1 MHz

.MODEL 1vpp SIN (F=2K A=500M RS=1u)


16/139

Schakeling UA 709

UA 709 Spice Benchmark circuit met ca. 20 transistoren40 db recht tot 10 kHz

ZDOMAIN.CIR

demonstreert inschakelverschijnselen.This circuit illustrates using a Z transform source to represent a Z-domain transfer function. Thisexample was derived from a circuit presented in the April 11,1996 edition of EDN.Run transient and AC analysis.AC 1 PULSE(-1 1 0 10N 10N 1M 2M)

.DEFINE ZFILTER (.10285*(Z+1)*(POW(Z,2)-.70621*Z+1))/((Z-.55889)*(POW(Z,2)-1.1579*Z+.76494))


17/139

555 timer macro

opgebouwd uit:

AND

Gate

RS flipflop

ABS MACRO

The abs output is a rectified version of the input. It is implemented with an nfv function source.

AMP Macro

The amp output is an amplified version of the input.The block is implemented with a vofv dependent source.

CENTAP MACRO

A CENTER-TAPPED 5 TERMINAL TRANSFORMER MACROElectrical model and physical model

CLIP MACRO

Clippercircuit om vastlopen te beschrijven

Macro Delay

This macro provides a time delay in transient analysis or a phase shift in AC analysis. The onlyparameter that needs to be specified is the value of the delay in seconds.Parameter: vertragingstijd

MacroDif

DIFFERENTIATOR MACRObevat IofV en VofV met een spoelParameter: scaleV(PIN2) = SCALE*D(V(PIN1))/D(T)

DIVIDE MACRO

The div macro provides a scaled ratio of the input signals.

Paramater scale

f macro

The f macro uses a laplace source to implementA linear transfer function.

INTEGRATOR MACRO

.PARAMETERS(SCALE,VINIT)V(PINB) = SCALE*INTEGRAL(V(PINA)) DT

invonbekende functie, niet gedocumenteerd


18/139

MUL MACRO

PROVIDES A SCALED PRODUCT OF THE INPUT SIGNALS.Parameter scaleSCALE*V(A)*V(B)

Noise macro

The noise source is a random value generator. It will produce a new random value every ts seconds.The value will be in the Range from vs*(0


19/139

KA*V(A)-KB*V(B)

SUM MACRO

The sum macro provides an output equal to the weighted sum of the input signals..PARAMETERS(KA,KB)KA*V(A)+KB*V(B)

SUM3 MACRO

Sumfunctie met drie ingangen.KA*V(A)+KB*V(B)+KC*V(C).PARAMETERS (KA,KB,KC)

TRIAC MACRO

Transistormodel met anode, kathode en gate.parameters(IH,IGT,TON,VTMIN,VDRM,DVDT,TQ,K1,K2)

TRIODE MACRO

The Triode macro is implemented with a 3/2 power function source. The model uses a voltage-controlled current source. The k, Mu, Cgp, Cgc, and Cpc values are passed as parameterswhen the macro is used in a circuit. For example, a typical macro parameter call would beTriode(1E-5,20,1nf,2nf,.1nf)..PARAMETERS (K,MU,CGP,CGC,CPC)-K*pow((V(PLATE)-(1+MU)*V(CATH)+MU*V(GRID)),1.5)

VCO MACRO

.PARAMETERS(VP,F0,KF)VP*COS(2*PI*(F0*T+KF*v(VMOD)))

Input parameters are:Vp...the peak magnitude of the output signalF0...the center frequencyKf...the frequency sensitivity in hz/volt

WIDEBAND MACRO

.parameters(RS,n,fl,fh)

.define k1 sqrt(1/(1+4*(fl/fh)))

The wideband macro model a wideband transformer. The RS parameter is the primaryimpedance, the n parameter is the square root of the impedance ratio, fl is the low -3dBfrequency, and fh is the high -3dB frequency

MacroXTAL

CRYSTAL (XTAL) MACRO.parameters(fo,R1,Q)LRC-schakelingL = R1*Q/ ( 2*PI*FO )

C = 1/ (pow( ( 2*PI*FO ),2)*R1*Q/ ( 2*PI*FO ) )


20/139

Ervaringen met Eagle

De firma CadSoft stelt het CAD-Pakket Eagle als gratis Demoversie in het Internet vrij terbeschikking. Dit artikel beschrijft de ervaringen met dit systeem.

Eagle bestaat uit een schema- en een layouteditor voor Windows95, NT, OS/2 en MS-DOS.In de professionele versie voor ca. fl 3000,- kan de elektronicus een motherboard ontwerpen. Metde Demoversie voor release 3.55 kan de student en hobbyist maximaal een oppervlak van 100 x 80mm en twee signaallayers ontwerpen.Een grote symboolbibliotheek staat ook in de lichte versie al ter beschikking.Het Internetadres voor deze software is: http://www.cadsoft.de/freeware.htmOp deze homepage bevindt zich ook een licentiebestand met 10-letter codewoord.Een dubbele klik start het inlezen van 3,5 MByte gecomprimeerde gegevens in het TEMP-bereik opde harde schijf. Na het uitpakken beslaat de software ca. 14 MByte, hoofdzakelijk bestaande uit 9MB bibliotheek, 3 MB documentatie en 2 MB programmas.Bij de eerste start moet de installateur de code intypen, die in de licentie is afgedrukt.Dit uitpakken en starten was probleemloos mogelijk.

Alhoewel er enkele voorbeelden worden meegeleverd, is een eigen ontwerp veel interessanter enleerrijker. Een klein ontwerp is bijvoorbeeld een kleine testschakeling met de 555 van fig. 2.De schakeling genereert bij een voedingsspanning van +5 volt een negatieve spanning van -5 volt.De 555 oscilleert in deze configuratie bij ongeveer 45 kHz en is ingesteld op een pulsbreedte vanongeveer 50 %.

De schakeling wordt met behulp de standaard onderdelen uit de meegeleverde bibliotheekopgebouwd. De typische Eagle-omgeving bestaat uit:

een Control-panel met de belangrijke administratieve functies

een schema-editor met het actieve schema

een layout-editor met het layout, dat bij het actieve schema behoort

Tussen schema en layout kan snel worden gewisseld, maar in eerste instantie beginnen wij met hetschema. Met behulp van een button aan de linkerrand wordt de bibliotheek geopend. Het aantal

bibliotheken is overweldigend, maar de indeling is vanzelfsprekend.

De 555 wordt al snel in de bibliotheek LINEAR gevonden. De voedingssymbolen voor 0 Volt en +5volt zijn in de SUPPLY-bibliotheek beschikbaar. De passieve onderdelen zijn gesorteerd naar demechanische afmetingen van de behuizingen. Zo heeft de condensator C15B7 een rasterafstand vanongeveer 15 mm en is 7 mm breed.Een onervaren layouter moet dus eerst zijn onderdelen met de schuifmaat nameten en de benodigderasterafstand eventueel door het ombuigen van de aansluitdraden tevoren meten en noteren.
http://www.cadsoft.de/freeware.htmhttp://www.cadsoft.de/freeware.htm


21/139

Bij een schema voor een print behoort een onderdelenlijst met waarden. Een waarde voor depassieve onderdelen is aanvankelijk nog niet noodzakelijk. Deze waarden leggen echter vooral voorde condensatoren ook de minimale steek en de breedte vast, die u voor de onderdelen in het schemamoet kiezen. Daarnaast kunnen onderdelen liggend of staand gemonteerd worden (fig. 1):

Fig. 1 Montagemogelijkheden

Wie met SMD werkt, heeft minder mogelijkheden voor de montage, maar de onderdelenkeuze iseenvoudiger, omdat de SMD-behuizingen beter genormeerd zijn. SMD-behuizingen heten

bijvoorbeeld 0204, 0805, 1210, SOT-23 enzovoorts. Vele hobbyisten werken echter met onderdelenmet draadaansluitingen, omdat deze gemakkelijker te monteren zijn.In ons voorbeeld luidt de onderdelenlijst bijvoorbeeld:

IC1 = 555 DIL08 steek liggend steek staand

R1 = 1.5K 4 mm Diam. 15 mm 4 mmR2 = 10K 4 mm Diam. 15 mm 4 mm

C1 = 10uF, 16V 5 mm Diam. 16 mm 4 mmC2 = 22uF, 16V 6 mm Diam. 16 mm 4 mmC3 = 1500pF 7 mm Diam. 22 mm 5 mmC4 = 100 uF, 10-16 VD1,D2 = 1N4001 diodes 2 mm Diam. 8 mm 3 mm

Ik kies staande elcos met 9 mm diameter en een steek van 5 mm en liggend gemonteerdeweerstanden met 5 mm breedte en een steek van 15 mm. Eagle kiest zelf de elektrische naam voor

het onderdeel, maar ik kan deze namen opnieuw vastleggen.Na het tekenen van het schema is een elektronische controle (ERC =Electrical Rule Check) en eencontrole der verbindingslijst (netlist) nodig. De ERC meldt een kortsluiting in het schema:

ERROR: OUTPUT and SUPPLY Pins mixed on net +5V

Het systeem heeft een verbinding tussen een uitgangspin en de voedingsspanning vastgesteld. Dezesluiting zal het IC beschadigen. Na een analyse van de verbindingslijst blijkt Eagle een kortsluitingte hebben geproduceerd. De sluiting ligt tussen Pin 2 en 3 van het IC (tabel 1). Deze kortsluting isin het schema niet zichtbaar.


22/139

aansluiting1

aansluiting2

aansluiting3

aansluiting4

aansluiting5

aansluiting6

Net Part Pad Part Pad Part Pad Part Pad Part Pad Part Pad

+5V C2 + R1 1 X1 1 U1 3 U1 4 U1 8

0V C1 2 C3 + D2 K X1 4 U1 1

N$1 R1 2 R2 2 U1 7

N$2 C1 1 R2 1 U1 2 U1 6N$4 C2 - D1 K D2 A

N$5 C3 - D1 A X1 2

Tabel 1 kortsluiting in Net +5V

Eagle kent ook verbindingspunten, die een verbinding duidelijk markeren. Een kruising zonderverbindingspunt is echter niet duidelijk gedefinieerd. Door aanklikken van elk net afzonderlijkmarkeert Eagle de samenhang van alle aansluitingen in dit net. Daardoor is de reparatie snelmogelijk. Na reparatie is de netlist in orde:

aansluiting 1 aansluiting 2 aansluiting 3 aansluiting 4 aansluiting 5

Net Part Pad Part Pad Part Pad Part Pad Part Pad

+5V U1 8 (V+) R1 1 X1 1 U1 4 (R)

0V C1 2 C3 + D2 K X1 4 U1 1(GND)

N$1 R1 2 R2 2 U1 7 (DIS)

N$2 C1 1 R2 1 U1 2 (TR) U1 6(THR)

N$3 C2 + U1 3 (Q)

N$4 C2 - D1 K D2 A-5V C3 - D1 A X1 2

Tabel 2 netlist na correctie

Na de optische en elektronische controle van het schema wisselt Eagle naar het layout.Naast de rechthoekige boardcontour vinden wij alle onderdelen met het ratsnest. Het ratsnest is deverzameling mikadostaafjes op het beeldscherm, die de open verbindingen weergeven. Deze lijnenhelpen ons bij de plaatsing van de onderdelen. Een nauwkeurige beschrijving van de afmetingen iseen grote hulp bij de afstandscontrole van de onderdelen. Als een onderdeel niet past, kunnen wij in

het schema snel corrigeren. Eagle zorgt bij veranderingen automatisch voor de afstemming tussenlayout en schema.Vervolgens wordt de router met een spoorbreedte van 1 mm voor een eenzijdige printgeconfigureerd en gestart. In eerste instantie vindt Eagle geen oplossing. Na bestudering van deovergebleven airlines wordt de stekkeraansluiting in het schema gewijzigd. Nu vindt de routerzonder problemen een 100 % oplossing. De router heeft voor dit kleine layout slechts enkeleseconden nodig. De router kan sporen onder elke hoek aanleggen. De Design Rule Check (DRC)meldt boringen, die naast het raster liggen en printsporen, die niet exact horizontaal of verticaalliggen.


23/139

Modificaties

Het gedrag van de router bij modificaties kan vooral voor grote layouts interessant zijn. Om dit tetesten voegen wij een grote condensator C4 aan de schakeling toe (fig. 2) en testen de router zonderen vervolgens met C4. Om het nieuwe onderdeel te verbinden is het nodig, enkele naburigeleidingen te wissen en router opnieuw te starten. Het resultaat is in fig. 3 en 4 afgebeeld. Corrigerenvan kritische sporen met de hand is daarna eenvoudig mogelijk. Eagle laat daarbij in het elektrischenetwerk alleen de sporen toe voor verbindingen, die het schema tevoren definieert. Daarbuiten zijnvrije structuren toegestaan. Het opvullen van vlakken is voor hoogfrequente schakelingen en voorhet sparen van het etsmiddel interessant. Voor de koper-structuur in fig. 5 is slechts eenrechthoekige omranding over de gehele print nodig. Deze polygoonlijn wordt vervolgens door derouter gevuld. Eagle blijft daarbij op voldoende afstand van het bestaande sporenpatroon. Maakdeze kopervlakte echter niet oneindig smal, want dan gaat Eagle op tilt.Een optimaal resultaat levert de router, indien er aan de randen genoeg plaats ter beschikking staat.Het is dus zinvol, de rand van de print voorlopig royaal te kiezen. De rand kan na afsluiting van het

layout gemakkelijk teruggebracht worden.

Beoordeling

Eagle is een interessant en machtig werktuig met een goed comfort. De ontwerper kan dezoekprocedure van de router op het scherm volgen. Het is een boeiende bezigheid en aangenameopgave, de diverse tools te bedienen. Het wisselen tussen schema en layout, en de bediening van dewerktuigen is overzichtelijk, comfortabel en snel. Postprocessoren voor de printerformatenPostscript en DXF, boorcoordinaten en fotoplottergegevens completeren het systeem. Met de

beschikbare bestanden kan een plaatsings- en een testautomaat eenvoudig aangesloten worden.

Om het systeem te leren kennen zijn slechts enkele uren interessante studie aan het beeldschermnodig. De documentatie is uitstekend, maar grotendeels overbodig. De uitvoerige (online)documentatie in (Duits resp. Engels) heb ik slechts enkele minuten hoeven raadplegen. De prijsvoor een dergelijk werktuig lag enkele jaren geleden ongeveer een factor 1000 hoger !


24/139

Fig. 2 Schema van de testschakeling


25/139

Fig. 3 Layout van de testschakeling


26/139

Fig. 4 testschakeling


27/139

Fig. 5 Kopervlakken (detail)

Gepubliceerd in Nr. 9/10 1999, pag. 55-57


28/139

Thyristoren afschakelen

Thyristoren treffen wij in een gelijkstroomcircuit niet vaak aan, omdat het afschakelen nietzo eenvoudig is. In het volgende artikel wordt dit afschakelen door middel van een listige

kortsluiting beschreven en als experiment in een simulator gedimensioneerd.

De schakeling gaat uit van een stuurstroom, die de basis van de transistoren V1 en V4 binnentreedt(afb. 1).

Afb. 1 stuurschakeling voor thyristoren

Het stuursignaal AAN schakelt V1 af en leidt de gatestroom via R1 ongehinderd naar de thyristor.De transistoren V4 en V5 zijn eveneens afgeschakeld, zodat de batterijstroom uitsluitend door D1,D2 en D3 loopt. De spanningsval over D2 en D3 brengt V2 in verzadiging, zodat V3 niet kangeleiden.

Het stuursignaal UIT schakelt V1 in verzadiging, zodat de gatestroom naar de thyristor verdwijnt.Tevens brengt dit stuursignaal de Darlington V4, V5 in geleiding, zodat V5 de batterijstroom vanD1,D2 en D3 overneemt.Het stuursignaal AAN betekent dus, dat er geen ingangsstroom en het signaal UIT betekent, dater een ingangsstroom aanwezig is. De schakeling bevat geen drempeldetector, zoals bijv. eenSchmitttrigger.Als de spanning over D2 en D3 nu terugloopt, schakelt V2 af en geraakt V3 in verzadiging. V3 opzijn beurt schakelt de Darlington uit. De thyristor blijft nu uitgeschakeld, totdat er weer eenAAN-signaal op de basis van V1 verschijnt.

stuurstroomR5

R4

R3

R2

Rlast

R1

D1D2D3

V2

V1

V3

V4

V5

+E


29/139

V5 blijft uitgeschakeld, totdat er een UIT-signaal wordt gegeven en de thyristor nog in geleidingis. V5 is dus slechts gedurende korte tijd in geleiding. V5 moet de gehele verbruikersstroom kunnenschakelen, maar een koeling is normaal gesproken niet nodig.In de stationaire UIT-fase zijn V1 en V3 permanent in geleiding.

Bij een stoorimpuls in de UIT-fase schakelt de thyristor automatisch weer af.

Een gebruikelijke inschakeltijd voor een thyristor is 0,5 microseconde en de uitschakeltijd ongeveer5 microseconden. De beschreven schakeling bevat geen tijdsafhankelijke elementen en is voorintegratie in een IC geschikt. De weerstandswaarden zijn uiteraard van de batterijspanning en demaximale te schakelen stroomsterkte afhankelijk. In de oorspronkelijke beschrijving uit het jaar1964 heeft de auteur geen onderdelen en waardes gespecificeerd.De dimensionering is echter voor een gegeven schakelprofiel zonder veel rekenwerk mogelijk. Indit geval wordt de schakeling gesimuleerd met een in Internet verkrijgbare simulator Micro-Cap Vvan de firma Spectrum. Zie daartoe http://www.spectrum-soft.com van de firma Spectrum.

Wij beginnen met de definitie van een impulsgenerator V2, die met behulp van een regel tekst in hetschema wordt gedefinieerd. De amplitude is 12 volt en de periode bedraagt 1 milliseconde.

De impuls begint pas 100 microseconden na het tijdstip van inschakelen:

.MODEL PULSE PUL (VZERO=0 VONE=12 P1=100u P2=110u P3=500u P4=510uP5=1m)

Deze impuls levert de stuurimpuls voor de bovenstaande schakeling (afb. 2). Als eindtrap passenwij de vermogenstransistor 2N3055 toe en voor alle kleine transistoren is de 2N2222 geschikt.Omdat er in de demoversie van de simulator geen geschikte thyristor ter beschikking staat, nemenwij een triac uit een van de voorbeelden. Met een belasting van 10 ohm en een voeding van 12 voltkunnen wij de overige onderdelen met de simulator goed vastleggen, zodat de schakeling stabielwerkt. De uitgangsspanning moet natuurlijk zonder parasitair oscilleren nauwkeurig het hierboven

beschreven profiel volgen. Als er een weerstand te groot of te klein gekozen wordt, werkt ernatuurlijk een transistor niet goed en door middel van meetpunten lossen wij deze moeilijkhedenzonder soldeerbout op. De simulator laat toe, dat signaalleidingen gewoon onderbroken worden.Wel verlangt het systeem, dat elk punt galvanisch aangesloten wordt. Dit betekent, dat wij geenlosse onderdelen in het schema mogen laten liggen, en dat bijvoorbeeld condensatoren aan beidezijden aangesloten moeten worden. In de meeste gevallen is dat door middel van een kortsluitingeenvoudig mogelijk.
http://www.spectrum-soft.com/http://www.spectrum-soft.com/


30/139

Afb. 2 Schema van de thyristorsturing in de Micro-Cap simulator


31/139

De transistoren en de dioden worden elk met ongeveer vijf regels Spice-code gemodelleerd. Voor de2N3055 geldt bijvoorbeeld:

*** NPN 15A 60V.MODEL 2N3055A NPN (IS=5.796901E-016 BF=2K NF=705.162M VAF=100 IKF=3.80365+ ISE=1.000000E-022 NE=538.208M BR=1.94862 IKR=1.26258 ISC=2.9356U RE=135.229M

+ RC=1.00052U CJE=481.743P VJE=1 MJE=551.604M CJC=251.349P VJC=1 MJC=375.837M+ TF=68.9864N XTF=497.584M VTF=10.0538 ITF=796.376F TR=1.19464M)

Deze modellen staan achter het schema als tekst ter beschikking, zodat de ervaren ontwikkelaar elkeparameter zelf kan veranderen en zelf zijn transistoren kan modelleren. De triac is eveneens met eenenkele regel geparametriseerd, zodat wij ook in dit geval kunnen ingrijpen:

TRIAC(10M,5M,.8U,1.1,100,30MEG,10U,1,1)

De thyristorsturing werkt althans in de simulator inderdaad zoals voorspeld. Deherhalingsfrequentie is in het voorbeeld op ca. 1 kHz vastgelegd, om de stijgtijden van de

schakeling te kunnen weergeven (afb. 3). Het bovenste diagram beschrijft de ingangspuls en hetsignaal op de gate van de triac. Het onderste diagram beschrijft het uitgangssignaal van deschakeling. De kortsluitimpuls van de Darlingtontrap is als negatieve, korte impuls goed te zien.Daarna begint het langzame afschakelen van de triac, dat hier als een stijgtijd opvalt. Hetinschakelen van de triac is daarentegen zeer snel, maar vindt pas plaats als de gatespanning eenzekere drempelwaarde heeft bereikt.

Afb. 3 Golfvormen van de thyristorsturing in de Micro-Cap simulator

Wij kunnen de schakeling ook nog aan een MonteCarlo test onderwerpen. Om de stabiliteit van deschakeling te onderzoeken, willen wij alle weerstandswaarden eens met 10 % varieren. Uiteraardvarieert de simulator ook willekeurige combinaties van hoge en lage waarden voor alle onderdelen.


32/139

Daartoe wordt een speciaal weerstandsmodel in het schema vastgelegd met behulp van de definitie:

.MODEL RES_2 RES (R=1.0 DEV=10% )

Alle weerstanden in de schakeling worden vervolgens in het schema met behulp van dit modelRES_2 op 10 % tolerantie vastgelegd. Na het starten en doorlopen van de transientanalyse stelt het

systeem ons in het MonteCarlo menu twee opties ter beschikking. In een veld kunnen wij destatistische verdeling vastleggen, het aantal tests en een grensvoorwaarde invullen.Bij de keuze: normale verdeling en 200 tests begint de simulator de schakeling te analyseren. Elketest duurt enkele seconden, waarbij de simulator alle meetcurven over elkaar heenschrijft. Omdatdeze berekeningen lang duren, is het gunstig, dat wij tijdens deze berekening bijvoorbeeld in eentekstprogramma een artikel voor RB Elektronica Magazine kunnen schrijven. De simulatorwaarschuwt ons, als de drempel in de grensvoorwaarde is bereikt.

De simulator biedt ons een interessante mogelijkheid, om de schakeling zonder hardware en zondersolderen te onderzoeken. Een bestaande en nauwkeurige beschreven schema uit te werken en tedimensioneren, is goed mogelijk. De functie van elk onderdeel is reeds bekend en zorgvuldig

doordacht. Alle signaalvormen zijn in een dergelijk schema reeds bekend en in het gunstigste gevalgrafisch gedocumenteerd.Voor het uitwerken van een geheel nieuwe schakeling kan alleen een ervaren elektronicus desimulator zinvol inzetten. Daarna is zelfs voor eenvoudige schakelingen een afsluitende test met dehardware onontbeerlijk, omdat de elektronica ertoe neigt, steeds op een onverwacht punt een geheelnieuw gedrag te ontwikkelen. Dat echter maakt het vak zo interessant.

Bronvermelding van de schakeling:400 Ideas for Design (uit Electronic Design 1964),Auteur: D. K. Phillips, Culver City, Ca., USA.


33/139

Multivibrator met een condensator

De klassieke multivibrator is symmetrisch, bevat twee condensatoren en nog een aantalandere nadelen. De hier beschreven schakeling werkt met een condensator. De oscillator

wordt in een simulator geanalyseerd.De klassieke multivibrator bevat twee transistoren, die beurtelings in verzadiging werken. Indien bijhet starten toevallig beide elementen in verzadiging geraken, start de oscillator niet en dit kan voorhet systeem als geheel een fatale uitwerking hebben. Indien wij een dergelijke oscillator

bijvoorbeeld als knipperlicht in de auto inbouwen, kan een niet werkende oscillator een ongelukveroorzaken. In professionele schakelingen voegen de ontwerpers aan de multivibrator steeds eenspeciale startschakeling toe, om dit risico uit te sluiten.

De volgende schakeling is bewust asymmetrisch gekozen. Het ontwerp start automatisch. Deoscillator bevat slechts een tijdsbepalende condensator, zodat een variabel bereik met eeneenvoudige omschakelaar mogelijk is. Daarnaast zijn de ingang en de uitgang gesoleerd van detijdsbepalende onderdelen. De ontwerper moet er slechts voor zorgen, dat de transistoren ingelijkspanningsbedrijf (bijvoorbeeld door wegnemen van de condensatoren) niet in verzadiginggeraken.

Daartoe tekenen wij het schema in de Micro-Cap V simulator van Spectrum (afb. 1).


34/139

Afb. 1 Multivibrator met een condensator

Als transistoren kiezen wij een eenvoudige 2N2222 uit de meegeleverde bibliotheek.De simulator beschrijft deze transistor met een aantal technische velden in de tekst, die achter hetschema leesbaar ter beschikking staat. Het transistormodel voor de 2N2222 luidt:

*** NPN General purpose transistor.MODEL 2N2222 NPN (IS=501.657F BF=282.144 NF=1.16176 VAF=100 IKF=1.05431+ ISE=20.5297F NE=1.36131 BR=2 IKR=988.851 ISC=1.181988E-017 RE=543.714M+ RC=1.00912U CJE=39.2628P VJE=700M MJE=499.227M CJC=31.2633P VJC=699.997M+ MJC=499.832M TF=493.812P XTF=499.971M VTF=10 ITF=9.69242M TR=176.624N)

Alleen de professionele gebruiker zal proberen, iets aan deze beschrijving te willen veranderen.Belangrijk is voor de hobbyist, dat een dergelijk transistormodel normaal gesproken voor elkeuniversele, kleine siliciumtransistor in het laagfrequentbereik te gebruiken is.

In de eerste versie van het schema wordt een schrijffout gemaakt. De weerstanden van 4,7 kiloohmworden met 4K7 gemodelleerd. De Spicesimulator kan met deze codering niets beginnen en leverteen onduidelijke foutmelding. De fout verdwijnt als wij 4700 ohm definiren.

Na het starten van de transientanalyse levert de simulator een eerste resultaat met het berekendeuitgangssignaal. Als de oscillator niet start, kan de elektronicus de gelijkspanningsinstellingcontroleren. Daartoe levert de simulator alle gelijkspanningen in het schema.

Na het repareren van schrijffouten en tekenfouten levert de oscillator eindelijk een signaal.

De periode van het uitgangssignaal bedraagt ongeveer milliseconde en de amplitude ca. 2 volt top-top.


35/139

De schakeling bevat een synchronisatiepunt, dat in het model voor de vrijlopende oscillator met eenklein signaal wordt gemodelleerd. Het synchronisatiesignaal is een trapezevorm met 0,5 voltamplitude (top-top) en een periode van 1 milliseconde:

.MODEL PULSE PUL(VZERO=0.5V VONE=1V P1=0.1m P2=0.2m P3=0.5m P4=0.7m P5=1m)

Afb. 2 Vrijlopende oscillator

Uit de simulatiecurve is afleesbaar, dat de schakeling op dit geringe signaal niet synchroniseert.Na verhoging van de amplitude van 0,5 volt tot 4 volt (top-top) synchroniseert de oscillator reeds natwee impulsen. De modellering van de impulsgenerator, die direct leesbaar in het schema is

beschreven, luidt nu:

.MODEL PULSE PUL(VZERO=0.5V VONE=4.5V P1=0.1m P2=0.2m P3=0.5m P4=0.7m P5=1m)

De startfase van de oscillator is in de simulator duidelijk te zien. De periode van het uitgangssignaalbedraagt in dit geval uiteraard exact 1 milliseconde.


36/139

Afb. 3 Synchronisatie van de oscillator

De Micro-Cap simulator levert een uitstekend beeld van de eigenschappen van deze multivibrator.De uitgangssignalen zijn ook voor de synchronisatie in de startfase goed bestudeerbaar. Omdat het

systeem ook een MonteCarlo-analyse ter beschikking stelt, kan de elektronicus ook de statistischeverdeling van de parameters in alle onderdelen onderzoeken.

De simulator is een bijzonder waardevol werktuig voor de dimensionering van oscillatoren met eenkritische startfase of een problematische specificatie in het synchronisatiebereik.

Gepubliceerd : RB Elektronica 9/10 1999, pag. 37-38


37/139

De Pacemaker van Wilson Greatbatch

Het menselijke hart wordt nog steeds met een bijzonder respect behandeld. Deze eerbiedhangt samen met de eigenschappen, die men dit mechanisch relatief eenvoudige

pompsysteem op geestelijk gebied nog steeds toekent. Om deze redenen is de pacemakereen van de beroemdste toepassingen van de moderne elektronica geworden.

De eerste implanteerbare pacemaker met patentnummer 3 057356 heeft de uitvinder WilsonGreatbatch een plaats opgeleverd in de nationale erehal van de Verenigde Staten. Hij deelt deze

plaats met Thomas Alva Edison, Alexander Graham Bell en William George Armstrong. Integenstelling tot deze beroemdheden is de heer Greatbatch, 76 jaar oud, nog steeds in leven en hijwoont momenteel in de staat New York.

De uitvinder

Wilson Greatbatch maakt al vroeg kennis met de beginselen der elektronica. In zijn jeugd bouwteen kortegolfontvanger met twee buizen en luistert met behulp van een zelfgewikkelde spoel naaruitzendingen uit London. Op zestienjarige leeftijd behaalt hij een zendvergunning (W8QBD) enwerkt daarnaast met het radiostation W8QBU van de zeeverkenners. Dit station is in 1938gedurende 26 uur in de lucht om berichten tijdens een wervelstorm te relayeren. Een jaar later treedtGreatbatch met vele andere verkenners als marconist in dienst van de marine.Gedurende de wereldoorlog leiden de verkenners meer dan 50 marconisten op. In de vijfjarigedienst is Greatbatch onder meer elektronicus op een torpedojager, marconist in konvooien, opleidervan radarspecialisten in Texas, en schutter op een vliegdekschip.

Na de oorlog repareert hij eerst een jaar lang telefoons en begint daarna een studie aan de CornellUniversiteit in Ithaca, New York. Tijdens zijn studie bouwt hij ontvangers voor de radiotelescoop

van Arecibo, gelegen in Puerto Rico. Enige tijd later begint hij vervolgens een baantje op hetlaboratorium van de psychologische faculteit, waar hem de meting van de elektrische signalen aaneen honderdtal schapen wordt opgedragen, te weten: de hartslag, de bloeddruk, enzovoorts.

Het hartblock

Onder normale omstandigheden wordt de hartslag geregeld door een natuurlijke gangmaker, diebestaat uit een groep gespecialiseerde cellen in de wand van de rechterboezem. Elektrischeimpulsen, die van deze gangmaker uitgaan, gaan naar de twee boezems (atria) en vervolgens naarde kamers (ventrikels), en veroorzaken zo de ritmische samentrekkingen van de hartspier, die wijhartslagen noemen.

Tijdens de lunchpauzes van 1951 luistert Greatbatch naar een discussie tussen twee chirurgen enhoort voor het eerst een beschrijving van de hartblock. Deze stoornis ontstaat als de geleiding vande elektrische impulsen van de boezems naar de kamers via de bundel van His terugloopt of zelfsgeheel verdwijnt. Het ritme van het atrium is niet gecoordineerd met het ritme van de ventrikels. Ditresulteert in een onregelmatige hartslag en in ernstige gevallen volgt daarop bewusteloosheid eneventueel de dood. Greatbatch weet, dat hij dit euvel kan verhelpen, maar niet met de buizen en

bijbehorende accu's uit die tijd.Onafhankelijk van Greatbatch had inmiddels Paul Zoll in Boston een eerste praktische pacemakergebouwd. Het apparaat was zo groot als een flinke radio en werd op het lichtnet aangesloten. De

behandeling was pijnlijk en beschadigde de huid, maar het toestel kon levens redden. Enkele jarenlater ontwikkelt Earl Bakken een draagbare pacemaker met een batterij als voeding.


38/139

Siliciumtransistoren

Greatbatch is inmiddels assistent hoogleraar elektrotechniek geworden. Rond 1956 komen ersilicium transistoren op de markt voor een prijs van $ 90,- per stuk en Greatbatch krijgt van een artsde opdracht een 1 kHz-markeeroscillator voor het onderzoek aan harttonen te bouwen. De

basisweerstand in de oscillator schakeling is een 10 kohm exemplaar, maar Greatbatch neemt deverkeerde waarde (1 Mohm) uit de voorraaddoos. Als gevolg van deze fout oscilleert de schakelingop een onverwachte manier. Tussen twee impulsen van 1,8 milliseconden lengte wacht de oscillatoreen volle seconde, terwijl de transistor volledig uitgeschakeld zijn en dus geen enkele stroomvoeren. Greatbatch staat ongelovig te staren naar dit gedrag. Dit is precies de schakeling, die hijvoor zijn pacemaker nodig heeft. Het systeem start vanzelf en de belangrijkste eigenschappen

blijven ook bij teruglopende batterijspanning nagenoeg constant.Greatbatch vindt uiteindelijk een chirurg, die de implanteerbare pacemaker wil uitproberen. De artsverwacht, dat het toestel ca. 10.000 levens per jaar zou kunnen redden.Drie weken later, op 7 mei 1958, levert Greatbatch het eerste prototype af. Nadat twee chirurgen(William C. Chardack en Andrew Cage) het hart van een hond hebben blootgelegd, verbindt

Greatbatch twee uitgangsdraden van de pacemaker met het hondehart. Het orgaan slaat inderdaadsynchroon met de elektronische schakeling. Chardack kijkt naar het signaal op de oscilloscoop enmompelt "verdomme".

De behuizing

Aanvankelijk vormen minimale lekken in de omhulling van de pacemaker een reusachtig probleem.De randvoorwaarden in een lichaam (vocht, zout, warmte) zijn niet bepaald bevorderlijk voor deelektronica. Bovendien mag het materiaal het lichaam niet beschadigen of een aanval van hetverdedigingssysteem uitlokken. Het eerste onderhuids ingebouwde ontwerp werkt slechts vier uuren wordt dan kortgesloten. Greatbatch giet de schakeling in epoxymateriaal en ontdekt daarbij, datdraden beter zonder isolatiemateriaal kunnen worden ingegoten. Hij laat de eerste veertig

prototypen in dieren implanteren en op 15 april 1960 durft Chardack een test met 10 hartpatintenaan. De eerste patint overleeft de ingreep slechts 18 maanden, maar een van de eerste patintenheeft nog ca. 30 jaar met een pacemaker (en wel grotendeels met behulp van een nucleaire cel)geleefd.De chirurgen moeten aanvankelijk een drempel overschrijden bij de eerste implantaties vanelektronica. De pacemaker blijkt daartoe echter een ideale kandidaat. In de praktijk gedraagt hethart zich nogal goedmoedig. Een falende pacemaker voert niet tot automatisch tot de dood.Bovendien is de hartspier gemakkelijk stuurbaar. Na een korte impuls geleiden de hartvezels designalen spontaan en versterken daarbij de impuls automatisch, zodat de hartspier uiteindelijkkrachtig samentrekt.

De schakeling van de pacemaker

Een van de eerste succesvolle pacemakers is in fig. 1 geschetst. De schakeling wordt aangesloten openkele batterijen van 1,4 volt. De oscillator wordt gevolgd door een spanningsverdubbeling. C1laadt via R1 op, totdat Q1 en Q2 in geleiding komen. Daarbij wordt C1 in een korte impuls van 2milliseconden ontladen. In de laadfase zijn alle transistoren gesperd, zodat het stroomverbruik erglaag is (fig. 2). De impuls wordt vervolgens in een spanningsverdubbelaar versterkt. De werkingvan de verdubbelaar is af te lezen uit fig. 3. In rust zijn beide condensatoren opgeladen tot de vollevoedingsspanning (2,8 volt) en tijdens de impuls worden beide schakelaars kortgesloten, waardoorde dubbele spanning op de uitgang verschijnt. Een eenvoudige audioversterker kan het menselijkelevensritme duidelijk hoorbaar maken.


39/139


40/139

Een vaste hartslagfrequentie is wel leuk voor de noodgevallen, maar een normaal levend patint wileen variabele hartslagfrequentie, die zich aan de situatie aanpast en een stimulatie, die alleen inactie komt als dat echt nodig is. Daarmee verlengt men natuurlijk ook het leven van de batterij.Greatbatch kan in 1965 een eerste werkend prototype van een dergelijke schakeling leveren.

Duurproeven maken duurAlle onderdelen van een pacemaker worden al vroeg aan een grondig onderzoek onderworpen. Deeerste transistoren waren nogal onbetrouwbaar. Greatbatch sorteert de onderdelen in klassen enonderwerpt de bouwstenen aan shocktests en aan temperatuurtests gedurende 500 uur. Elketransistor, die een onbetrouwbaar gedrag vertoont, wordt weggenomen. Greatbatch' echtgenote is

jarenlang verantwoordelijk voor de schoktests in twee ovens, die daartoe in de echtelijkeslaapkamer worden opgesteld. Ondanks deze voorzorgen sterven er een groot aantal patinten aande diverse complicaties, die de nieuwe techniek met zich meebrengt. Naast de corrosie door hetlichaamsvocht is in de beginjaren vooral de operatie gevaarlijk. De borstkast wordt geopend en deelektrodes worden direct op de middenlaag van het hart aangesloten. Tien procent van de (meestalverzwakte) patinten sterven aan de ingreep. Later ontwikkelt Chardack een methode, waarbij eendraad via een ader naar het hart wordt gevoerd.


41/139

De voeding

De levensduur van de batterij was oorspronkelijk op vijf jaar begroot, maar in 1970 bedraagt degemiddelde werktijd slechts twee jaar. Het zink-kwik-element is gebaseerd op een ontwerp uit de

jaren veertig en daarna aangepast voor het gebruik in horloges. Kwikcellen ontwikkelen gas enkunnen daarom niet hermetisch worden gesloten. Voor de behuizing hadden de ontwerpers dus eenhalfdoorlatend epoxymateriaal gekozen, dat weliswaar het zout buitenhoudt, maar de schakeling in

principe in een bad van gedistilleerd water dompelt. Elke verontreiniging kan daardoor eenkortsluiting of corrosie veroorzaken. Greatbatch kiest twee verschillende alternatieven alsvoedingsbron: een lithiumcel en een nucleaire cel met plutonium 238. De nucleaire cel is in staateen levenslang in bedrijf te blijven, maar blijkt te gevaarlijk door de stralende en giftige

bijverschijnselen. De lithiumcel ontwikkelt geen gas en met een dergelijke voeding kan depacemaker in een hermetisch gesloten omhulling worden verzegeld. Tegenwoordig bedraagt degemiddelde levensduur van de pacemaker meer dan 10 jaar.


42/139

Afscherming

Moderne pacemakers zijn ongevoelig voor storingen van buiten af. Toch is het raadzaam uit debuurt te blijven van krachtige radio- en radarzenders. De aansluitdraden kunnen immers als antennefunctioneren. Bij operaties is een aantal voorzorgen bij diathermie-technieken nodig, die wordengebruikt om bloedingen te stoppen. En bij een crematie moeten de pacemakers worden verwijderd,omdat deze bij extreme hitte kunnen exploderen.

Samenvatting

Greatbatch heeft de ereplaats in de nationale erehal niet verdiend zozeer op basis van zijnschakeling, maar vanwege de consequente kwaliteitsverbetering, die tot de betrouwbare stand dertechniek van vandaag hebben geleid. Daarnaast is zijn pacemaker de voorloper en gangmaker vaneen groot aantal nieuwere implantaten geworden, die op ervaringen met dit toestel zijn gebaseerd.


43/139

Simulatie van de Pacemaker

In dit artikel wordt de beroemde schakeling voor de eerste pacemaker in eensimulator geanalyseerd.

De schakeling bestaat uit een oscillator met de transistoren Q1, Q2 en een spanningsverdubbelaarmet Q3, Q4. De ontwerper Wilson Greatbatch heeft de oscillator voor de pacemaker eigenlijk in1958 door toeval ontdekt: hij koos uit de onderdelendoos een weerstand met een verkeerdekleurcode (1 Mohm in plaats van 10 kohm). Daardoor ontstaat een schakeling met eenherhalingsfrequentie van ongeveer 1 Hz en de volgende eigenschappen:

starteigenschappen: gegarandeerd zelfstartende oscillator

periodeduur: 0,8-1 seconde over het spanningsbereik 0,7 - 2,8 volt

impulsduur: ca. 1,6 millisec.

stroomverbruik: ca. 1 microampere voedingsspanning: vanaf ca. 1,5 volt tot 2,8 volt

uitgangsspanning: tussen ca. 1,5 volt en 4,5 volt

belastingsimpedantie minimaal 1 kohm

inwendige weerstand van de batterij: 1 kohm

Fig. 1 Pacemaker van Wilson Greatbatch (1958)


44/139

De ontwikkeling en de werking van de schakeling is in RB Elektronica, oktober 1995 beschreven.Interessant is aan een dergelijke schakeling het gedrag bij lage voedingsspanningen. Uiteraard zijnin een dergelijke schakeling voor een laag stroomverbruik silicium halfgeleiders nodig. Dezeelementen vereisen echter theoretisch een drempelspanning van 0,7 volt per overgang. Met deMicro-Cap simulator kan men echter aflezen, dat de schakeling zelfs bij een voedingsspanning van

0,7 volt nog oscilleert. De spanningsverdubbelaar werkt echter niet meer efficint. Vanaf ongeveer1,5 volt voeding is er een redelijke uitgangsimpuls beschikbaar. In fig. 2 zijn de idealeimpulsvormen voor de gespecificeerde bedrijfsspanning 2,8 volt opgetekend. De inwendigeweerstand van de batterij (R11) en de uitgangsbelasting (R10) zijn in de simulator op 1 kohmvastgelegd.

Fig. 2 Spanningsvormen van de pacemaker

Afgezien van zeer lage voedingsspanningen is de aanloopperiode van de oscillator zeer kort. Detweede impuls is al op volle sterkte.De simulator bewijst bij de transientenanalyse van deze schakeling zijn waarde vooral op het gebiedvan de invloed van de voedingsparameter, de belastingsweerstand en de aanloopanalyse. Ondankshet relatief grote aantal onderdelen kan de lezer deze schakeling nog in de gratis beschikbaredemoversie van de simulator onderzoeken. Het programma staat iedereen in Internet ter

beschikking: http://www.spectrum-soft.com

Gepubliceerd:Simulatie van de Pacemaker van Wilson Greatbatch in RB Elektronica 5/6 1999
http://www.spectrum-soft.com/http://www.spectrum-soft.com/


45/139

Alternatief Nulpuntsfilter

Het klassieke dubbel-T-filter bevat drie condensatoren en drie weerstanden, die niet opdezelfde waarde worden ingesteld. Het hier beschreven filter werkt met twee condensatoren

en levert een nulpunt voor 1837 Hertz. De schakeling is eenvoudig instelbaar en vereistgeen hoge nauwkeurigheid voor de onderdelen.

R1C1 leveren een golfvorm, die bij de nulpuntsfrequentie 45 graden voorijlt en R2C2 verschuivende golfvorm op de emitter van Q1 eveneens over 45 graden. Het collectorsignaal is steeds integenfase met de emitter, zolang wij ruimschoots onder de afsnijfrequentie van de halfgeleider

blijven en is dus -135 graden in fase verschoven. Als wij deze twee signalen met de juiste amplitudeoptellen, is het uitgangssignaal nul.

De schakeling wordt met de Micro-Cap-simulator onderzocht. Allereerst tekenen wij het schema(fig. 1). Als uitgangsimpedantie wordt een weerstandsdeler van 2 x 47 k gekozen.Uiteraard mogen wij deze waarde aanpassen.

Fig. 1. Nulpuntsschakeling voor 1837 Hz.


46/139

Eerst dimensioneren wij de schakeling op een correcte golfvorm.Daartoe wordt de transientanalyse toegepast. Wij controleren de sinusvorm en zien hetinschakelverschijnsel, waarmee de transistor zijn gelijkspanningspunt vindt.

Fig. 2. Transientanalyse van de nulpuntsschakeling


47/139

Als de schakeling eenmaal een transientanalyse heeft doorgevoerd, zijn alle gelijkspanningen in hetschema bekend. Wij kunnen de spanningen op een knopdruk in het schema zichtbaar maken:

Fig. 3. Gelijkspanningsinstelling van de nulpuntsschakeling


48/139

Vervolgens starten wij de AC-analyse, die de responscurve als functie van de frequentie tekent:

Fig. 4. AC-analyse van de nulpuntsschakeling

De simulator levert met een knopdruk het minimum en de bijbehorende frequentie (1837 Hz).

Met potentiometer R3 wordt de versterking van de transistortrap in de AC-analyse afgeregeld. Voorde potentiometerinstelling geldt volgende tabel, die met behulp van de simulator werd opgesteld:

Potentiometer-instelling (in %)

Demping in het nulpunt(Minimum bij 1838 Hertz)

67 -40 dB

68 -42 dB

69 -46 dB

70 -50 dB71 -60 dB

71,5 -70 dB

72 -60 dB

73 -50 dB

74 -46 dB

Tabel 1. Demping als functie van de potentiometerinstelling

Het nulpunt (theoretisch -70 dB) wordt bij 71,5 % gevonden. De auteur van de schakeling heeft inde praktijk een waarde van -55 dB en een responsie met gelijkvormige meetcurve gemeten.


49/139

De nulpuntsfrequentie wordt vastgelegd door de condensatoren C1 en C2. Het schema en allecurven werken met een waarde van 100 nF. Met C1 = C2 = 1000 nF bedraagt de nulpuntsfrequentie185 Hertz. Uiteraard moeten wij dan de koppelcondensatoren C3 en C6 eveneens een factor 10hoger kiezen.

De versterking van de schakeling hangt sterk af van de belastingsweerstanden R9, R10. Met behulp

van de simulator kunnen wij de responsiecurve goed aanpassen.De Micro-Cap V simulator van de firma Spectrum heeft een uitstekend beeld opgeleverd van dezefilterschakeling. Alle eigenschappen van het nulpuntfilter worden binnen enkele seconden berekenden gedimensioneerd.

Bronvermelding:Novel Notch Filter is Easy to Tune for Nullby Alan J. Adler, 400 Ideas for Design, 1964.

Gepubliceerd in RB Elektronica 5/6 1999, Pag. 16-17


50/139

Buizenversterker in de simulator

Met behulp van de MicroCap-Spicesimulator wordt onderzocht, of het model van de triodevoor de simulatie van een audioversterker bruikbaar is. Dit is wellicht interessant voor de

audiofreaks, die veranderingen aan een eigen buizenversterker voor de opbouw met desoldeerbout eerst in de computer willen testen.

In de voorbeelden, die de firma Spectrum met de demo-versie van de simulator meelevert, zijn eentriode, een potentiometer en een transformator beschikbaar. Deze modellen zijn echter universele

beschrijvingen, zodat wij de beschrijvende parameters voor de onderdelen eerst uit de handboekenvoor onze buizen en de specificatie van de eindtrafo moeten aanpassen.Een pentode is helaas niet beschikbaar, zodat wij een eenvoudige drietraps versterker met triodenontwerpen.

Modellering van de onderdelen

De triode wordt in de simulator beschreven met de volgende 3/2-machtsfunktie:

-K*pow((V(PLATE)-(1+MU)*V(CATH)+MU*V(GRID)),1.5)

De parameters k, Mu, Cgp, Cgc, and Cpc worden als parameters ingevoerd. Een voorbeeld voor demodelbeschrijving luidt: Triode(1E-5,20,1nf,2nf,.1nf)Een probleem vormen daarbij de eerste parameter k en parasitaire capaciteiten van de buis.Bij de buis ECC81 bedraagt de Cgp ongeveer 1,5pF, Cgc ca. 2,5 pF en de capaciteit van het rooster

t.o.v. punten met vaste spanningen ca. 2 pF. De Cpc wordt eveneens op 2 pF geschat.Wij willen echter nog de invloed van de bedrading en de buisvoet meenemen en verdubbelen dezewaarden daarom in ons model.De mu van de ECC81 is 60. Daarna is nog slechts een parameter k in het model onbekend.De buis moet bij 250 V anodespanning en 2 volt roosterspanning 10 mA stroom trekken.Wij tekenen de buis X3 nu in een schema met een anodespanning van 250 volt, leggen het roosteraan aarde en kiezen de kathodeweerstand van 200 ohm. Vervolgens passen wij de faktor k in hetmodel voor X3 aan, totdat de kathodespanning 2 volt bedraagt. Deze berekeningen worden in hetschema voor de versterker uitgevoerd en in het derde hoofdstuk (Gelijkstroominstelling) van ditartikel beschreven. Voor de vereiste instelling moet de modelparameter k = 0.7E-5 zijn. Onzemodelbeschrijving voor de ECC81 is dus:

Triode(0.7E-5,60,3pF,5pF,4pF)

Deze definitie wordt als VALUE aan de buizen X1,X2 en X3 ingegeven.


51/139

Vervolgens komt de transformator aan de beurt. De transformator wordt gespecificeerd met drieparameters: de primaire en secundaire inductiviteit en een koppelfactor. De koppelfactor is ietskleiner dan 1 en wij mogen hier 0,99 aannemen.Uit de specificatie van de eindtrafo AD9020 voor de eindbuis EL84 lezen wij af, dat de primaireinductiviteit 10 Henry bedraagt. De transformatieverhouding is voor een 5 ohm luidspreker 33maal, dus moet de secundaire inductiviteit 10/1000 = 0,01 Henry zijn.

Onze modelbeschrijving voor de eindtrafo AD9020 luidt nu:

10,.01,.99

Deze waarde wordt eveneens als VALUE aan het element T1 gedefinieerd.De inwendige weerstand (540 ohm) van de trafo modelleren wij als extra weerstand (R15) in hetschema. Parallel aan de primaire wikkeling bevindt zich een condensator C3, die zowel decapaciteit van de wikkeling als ook een compensatie voor het frequentiebereik modelleert.Deze condensator wordt voorlopig op 0 pF gezet.

In het schema willen wij de versterker met een amplitude van 10 millivolt via een potentiometer

met een waarde van 250 kohm en loperinstelling van 10 % sturen. Het model voor de potentiometerluidt nu:

Pot(250k,10)

Ook deze waarde wordt als VALUE aan het element P1 ingegeven.De VALUE=250V van de gelijkspanningsbron V1 wordt direct aan het symbool voor V1geschreven. Dit is de (ideale) spanningsbron voor de hoogspanningsvoorziening. De stroombronvoor de gloeidraden mogen wij in de simulator natuurlijk weglaten.De simulatie van de hoogspanningsvoeding met de afvlakking is wel belangrijk, maar wordt in ditartikel weggelaten.Als ingangsspanning V3 voor de transientsimulator kiezen wij een sinusgolf van 1 kHz met 100 mVamplitude. Wij kunnen aan deze golfvorm een willekeurige naam toekennen en noemen de bron

bijvoorbeeld OTTO. Het model OTTO wordt vastgelegd op de tekstpagina, die zich achter hetschema bevindt.De amplitude, fase en de gelijkspanningscomponente worden in deze definitie vastgelegd,

bijvoorbeeld voor een 1kHz-bron met een amplitude van 100 mV zonder gelijkspanning en met eenbeginfase van 1,23 rad.:

.MODEL OTTO SIN (A=0.1 DC=0 F=1000 PH=1.23)

Door de keuze van deze startfase geven wij de versterker eveneens een sprongfunctie alsstartimpuls, waardoor de simulator eventueel instabiliteit en oscillaties kan detecteren. Dezeinstabiliteit wordt door een sprong aangestoten.


52/139

Schema van de buizenversterker

Nadat wij hebben gecontroleerd, dat voor alle problematische onderdelen een bruikbaar model terbeschikking staat, tekenen wij het schema in de Micro-Cap-simulator:

Fig. 1 Audioversterker met buizen

Gelijkspanningsinstelling

De eerste stap, die wij uitvoeren is de controle van de gelijkspanningsinstelling.

Daartoe wordt eenmaal de transientsimulator gestart en onmiddellijk met close weer afgesloten.Nu levert de simulator op een knopdruk (vierde knop van links op de onderste rij) in het schema allegelijkspanningen. Wij controleren de instelling van de buizen:

buis anode kathode Rk stroom

X1 140 volt 1,3 V 390 ohm 3,3 mA

X2 135 volt 1,2 V 340 ohm 3,5 mA

X3 242 volt 1,9 V 200 ohm 10 mA

Met dezelfde knop kunnen alle spanningen weer uit het schema gewist worden.


53/139

Fig. 2 Gelijkspanningen in de audioversterker

De audioversterker wordt afgesloten met een weerstand R13 van 5 ohm, die een ideale luidsprekervoorstelt. De versterker bevat een enkele terugkoppeling via weerstand R11, die wij nu willenanalyseren en dimensioneren.


54/139

Openlus versterking

Allereerst wordt de weerstand R11 aan aarde gelegd, om de openlus versterking te simuleren.Wij mogen R11 niet gewoon weglaten, omdat deze weerstand een deel van de kathodestroom voert.

Fig. 3 Openlus versterking

De openlus versterking wordt aan alle trappen berekend. Daartoe wordt in de AC-analyse in delogarithmische schaal ter compensatie van de potentiometerinstelling 20 dB bij elk signaal opgeteld.Bij de specificatie van het frequentiebereik geeft men eerst de bovengrens, daarna de ondergrensaan: 1MegHz,1

Na de berekening van de curven kunnen wij het plotbereik gemakkelijk zelf kiezen.Daartoe een dubbele klik in de tekening en het bereik voor de Y-as aanpassen op bijvoorbeeld:

Range Low = 0 dBRange High = 50 dB of bijvoorbeeld 100 dB

De nauwkeurigheid van de berekeningen is afhankelijk van de tijdsduur, die wij daarvoor terbeschikking stellen. Deze tijdsduur hangt af van de ingangsamplitude. Bij kleine amplitudes is hetrekenwerk eenvoudiger en de simulator beduidend sneller klaar. Een bruikbaar compromis is eenwaarde Maximum Change tussen 0.01% en 0.001 %. Bij 0.01 % voert de simulator de berekening

binnen enkele seconden uit. Interessant is natuurlijk de uitgangsspanning met de kleinstebandbreedte tussen slechts ongeveer 100 Hz en 20 kHz in fig. 3.De openlus versterking bedraagt bij 1 kHz ca. 44 dB ten opzichte van 10 mV en bedraagt dusongeveer 1,5 volt amplitude in de weerstand van 5 ohm (fig. 4).

De golfvorm van fig. 4 wordt in de transientanalyse getekend. Als maximaal bereik is 4 msec voor 4volledige perioden van het 1 kHz signaal gespecificeerd.Het beschikbare vermogen is natuurlijk erg laag, maar wij willen in dit geval geen


55/139

vermogensversterker ontwerpen.

Fig. 4 Ingangs- en uitgangsspanning van de openlus versterker

De drie trappen versterken elk ongeveer 25 dB, waarbij de laatste trap in het hogerefrequentiebereik rond 30 kHz nog eens 10 dB extra versterkt. Bij een ingangssignaal van 10 mVwordt de eindtrap reeds vol uitgestuurd. Bij 90 dB versterking in het bereik 30 kHz bedraagt deamplitude reeds ongeveer 300 Volt.Wij kunnen ook de fasedraaiing van de signalen berekenen, maar besteden daaraan in dit voorbeeldgeen aandacht, omdat het faseverloop volgens de theorie van Bode in een lineair systeem direct methet amplitudeverloop samenhangt. De triode is weliswaar geen lineair element, maar in de

versterker zal geen noemenswaardige afwijking in de fasekarakteristiek optreden.


56/139

Terugkoppeling

In een volgend experiment wordt de terugkoppeling opgevoerd door R11 aan de luidsprekeruitgangte koppelen (fig. 5).

Fig. 5 Versterking bij terugkoppeling

De versterking van het uitgangssignaal (300 mV) is nu 30 dB ten opzichte van 10 mV, maar debandbreedte is nu recht van ca. 20 Hz tot 70 kHz. Indien wij de condensator C3 vergroten, leidt dittot een hogere versterking in het bereik 70 kHz. De toename van de bandbreedte volgt nauwkeurigde wetten van de elektronica. De simulator heeft correct gewerkt.


57/139

Vervorming

Met behulp van de potentiometer kunnen wij de oversturing in de transientanalyse zichtbaar maken.Bij de instelling 10 % is de vorm van het uitganssignaal nog een sinus. Na oversturing met eeninstelling 100 % snijdt de versterker de bovenste helft van de sinus gedeeltelijk weg. Helaas zienwij een vervorming in de sinusvorm niet duidelijk genoeg. Daartoe wordt in het volgendeexperiment een tweede bron V2 met de modeldefinitie OTTO_F ingevoerd:

.MODEL OTTO SIN (A=0.1 DC=0 F=1000 PH=0.123)

.MODEL OTTO_F SIN (A=3.0 DC=0 F=1000 PH=0.123)

Deze bron heeft een amplitude van 3 volt en eventueel een andere fase. De spanning van deze bronwordt op meetpen QA5 aangesloten. Wij trekken nu deze mathematisch correcte sinus af van hetuitgangssignaal en vermenigvuldigen het verschilsignaal met 10, zodat wij de vervorming alsverschil van de vervormde en echte sinus duidelijk kunnen zien.De verschilcurve is als onregelmatige golfvorm in de bovenste grafiek van fig. 6 weergegeven.

De bijbehorende in- en uitgangsgolven zijn in de onderste grafiek van fig. 6 geschetst.

Fig. 6 Vervorming bij potentiometerinstelling 100 %

Natuurlijk weten wij nog niet, welke spectrale componenten aan de vervorming bijdragen, maar alscontrole op een zuivere signaalvorm is de methode bruikbaar. Bij deze berekening is het natuurlijkhandig, om de twee bronnen ten opzichte van elkaar in fase te kunnen verschuiven.Als alternatieve bewerking van de vervormingsmeting kunnen wij de berekende signalen in digitalevorm opslaan en in een ander programma analyseren.

SamenvattingDe simulator levert een goed inzicht in de werking van de onderdelen in de versterker. Deschakeling is vergelijkbaar met de HIFI-buizenversterkers, die wij in de zestiger jaren hebben


58/139

gebouwd. De favoriete buizen waren destijds de ECL82, ECC83 en EL84.Alhoewel ik de schakeling na de simulatie niet heb gebouwd en nagemeten, ziet de simulatie er

betrouwbaar uit en komt overeen met een werkend schema met deze buizen.Ook een balanstrap moet de simulator kunnen verwerken. Vermoedelijk is het aantal onderdelen indit geval te groot voor de gratis demoversie en moet U daartoe een volwaardige software bij defirma Spectrum bestellen.

Voor het ontwerpen van een hoogwaardige versterker zijn de modellen van de nietlineaireelementen (buizen, transformator, luidspreker) ontoereikend. De eindbuis (pentode) kan wellichtmet het standaard model voor de FET worden beschreven, die immers in het verloop van dekarakteristieken en de belangrijkste eigenschappen (steilheid, inwendige weerstand,versterkingsfactor, roosterstroom) goed overeenstemt met de buis. Ongetwijfeld zijn ook de geringewaarden voor de parasitaire capaciteiten in de bedrading rondom de trioden te optimistisch voor degemiddelde zelfbouw versterker. Indien wij in de modeldefinitie

Triode(0.7E-5,60,10pF,15pF,12pF)

deze waarden rond 10 pF kiezen, reduceren wij de openlus bandbreedte van 20 tot 12 kHz en debandbreedte van de teruggekoppelde versterker van 70 kHz tot 40 kHz.In de transformator zijn is de verzadiging niet gemodelleerd, terwijl de voedingsfilters, deluidspreker, de kabels en het scheidingsfilter in een goed model ook reactieve elementen bevatten.De simulator is echter met behulp van nauwkeurige Spicemodellen in staat de combinatie voeding,versterker, eindtrafo, toevoerkabels, scheidingsfilters & luidspreker als een samenhangend systeemte dimensioneren. Een systeem is immers steeds beter dimensioneerbaar dan een verzameling vanlosse onderdelen.Daartoe moet de elektronicus weliswaar de probleemgevallen eindtrafo en luidsprekers modelleren,maar dit lijkt mij niet onhaalbaar.Wie probeert het eens uit ?


59/139

50 Hz oscillator

Geachte Heer C.,

Uit het artikel oscillatoren heeft U de Wienbrugoscillator willen toepassen voor de sturing van eenzonnecollector. Uw systeem werkt met een 12 V -> 220 volt omvormer voor 50 Hz. Deze omzetterwordt gesynchroniseerd met de 50 Hz netspanning. Bij een storing in de netsapnningsvoorzieningvalt de synchronisatie weg en werkt de omvormer niet meer. Daardoor is de zonnecollector innoodgevallen niet bruikbaar voor een diepvriezer.

Uw idee, de omzetter bij uitval van de netspanning met behulp van een hulposcillator van 50 Hz tesynchroniseren, is inderdaad goed mogelijk. In een simulator is de dimensionering van de oscillatorvoor dit doel aangepast. Als opamp is een 741 gekozen. De eigenschappen van dit model zijn mijechter niet bekend. Uit ervaringen met andere modellen (de 555) weet ik echter, dat wij hiervoorzichtig moeten zijn. De Wienbrug-oscillator stelt echter geen hoge eisen aan de opamp.

Het basisschema van 50 Hz oscillator is in fig. 1 getekend. De schakeling levert een sinus van 4 volt(fig. 2). Een kleine uitgangstransformator 3 V -> 220 V kan een 220 V synchronisatiesignaal bijgeringe stroomafname goedkoop en betrouwbaar opwekken. Vermoedelijk is zelfs bij toepassingvan een beltrafo de belasting voor de 741 te groot en moet U een eenvoudige eindtrap aan deuitgang van de oscillator inbouwen.

In fig. 1 is de 12 V-accu opgedeeld in twee gelijke spanningen met 6 volt. Normaal gesprokenbestaat een accu uit 6 cellen van 2 V. Daardoor is een middenaftakking als aardpunt voor de opampbeschikbaar. Op dit aardpunt kan ook de transformator gebalanceerd aangesloten worden. Omdat de

simulator in de demoversie geen model voor een Zenerdiode bevat, is de begrenzerschakeling metde dioden D1, D4 opgebouwd. Deze twee dioden zijn vergelijkbaar met Zenerdioden voor 0,7 volt.

De uitgangsfrequentie ligt door de keuze van 330 nF voor C1 en C2 uit de standaardreeks enkeleprocenten onder de 50 Hz. De uitgangsfrequentie en de uitgangsamplitude zijn in de simulatorvrijwel onafhankelijk bij variatie van de voedingsspanning tussen 10 en 14 volt.De inwendige weerstand van de 741 kan echter bij lagere spanningen oplopen en eenspanningsafval veroorzaken.


60/139

Fig. 1 50 Hz Wienbrug oscillator

D1 en D4 kunnen ook elk door meerdere dioden in serie worden vervangen. Met het aantal diodenstijgt de uitgangsamplitude, bijvoorbeeld:

Aantal dioden voor D1 en D4 Amplitude (top-top)

1 diode 4 volt

2 dioden 8 volt

3 dioden 10 volt

Bij een grotere amplitude moet U echter ook een hogere voedingsspanning kiezen. Wellicht leverthet zonnepaneel 2 x 12 volt spanning. Dan is een grotere amplitude natuurlijk interessant.

Ter stabilisatie is ook een gloeilampje of een NTC bruikbaar.


61/139

De gloeilamp 6V/20 mA komt dan op de plaats van R2. Op de plaats van het diodennetwerk en deweerstanden R1,R3 moet U een potentiometer van 300 ohm en daarmee in serie een 56 ohmweerstand inbouwen.

De NTC moet in plaats van het diodennetwerk en de weerstanden R1,R3 ingebouwd worden.

Fig. 2 Uitgangssignaal van de 50 Hz Wienbrug oscillator


62/139

De schakeling bevat ook een synchronisatiepunt V1 via R6. Daarmee kan de oscillator eensinussignaal met de nauwkeurigheid van een kwartsoscillator leveren. Ter synchronisatie verlagenwij de waarde voor R6 naar 100 kohm. Daardoor wordt de uitgangsspanning gesynchroniseerd enverloopt de startfase van de schakeling veel sneller. Bovendien is de uitgangsamplitude bijsynchronisatie met 5,5 volt een stuk groter (fig. 3).

U kunt eventueel ook een synchronisatiesignaal van 50 Hz met een gevoelige versterker uit de luchthalen. Experimenten van amateurs hebben bewezen, dat de 50 Hz brom zelfs midden op de hei (meteen raamantenne ?) ter beschikking staat.

Fig. 3 Uitgangssignaal van de gesynchroniseerde 50 Hz Wienbrug oscillator

De schakeling en de golfvormen uit de simulator leveren U een goed inzicht in het gedrag van deWienbrug-oscillator. Als U ervaringen met deze schakeling heeft gemaakt, is een publicatie in RBelektronica goed mogelijk. Ik wens U alvast veel succes met de experimenten.

Met vriendelijke groeten,

J.W. Richter


63/139

Het ontladen van een spoel

Na het afschakelen van een relais is het absorberen van de overtollige magnetische energienodig. Meestal staat daartoe genoeg tijd ter beschikking. Indien de afvaltijd van het relais

echter zeer kort moet zijn, kunnen wij de spoel meestal sneller ontladen. In dit artikel wordtdeze methode gesimuleerd.

Allereerst beschouwen wij de situatie zonder diode (fig 1). De simulator berekent voor dezeschakeling een vonk van meer dan 800 Volt, die de 2N3055 normaal gesproken niet overleeft.Daarnaast vertoont de simulator nog oscillaties, die door parasitaire capaciteiten in de transistorontstaan. Deze verschijnselen worden afzonderlijk met de simulator onderzocht.Daarbij blijkt het optimale blussysteem toch niet zo eenvoudig te zijn.

Fig. 1 Schakeling zonder vliegwieldiode


64/139

Normaal gesproken werkt de elektronicus met een vliegwieldiode over de spoel. Deze diode staatparallel geschakeld aan de spoel en is in stationaire toestand gesperd. Bij het afschakelen van despoel geraakt de diode in geleiding en ontlaadt daarbij de magnetische energie. De energie van despoel kan echter alleen in de diode en in de inwendige weerstand van de spoel dissiperen.

Fig. 2 Schakeling met vliegwieldiode

RB Archief JWR 1998-2002 - de CAD/CAE Ontwerpen

Documents

Transcript of RB Archief JWR 1998-2002 - de CAD/CAE Ontwerpen