Digitech-AG: Schaltungen simulieren

Am Sonnabend den 12.12.2020 versuchten wir in der online Arbeitsgemeinschaft, elektrische Schaltungen zu simulieren. Zum Erstellen der Schaltpläne haben wir KiCAD verwendet. KiCad ist ein freies Programmpaket zur Entwicklung von Leiterplatten. Es wird von einer Gruppe von freiwilligen Entwicklern und zwei Wissenschaftlern des CERN entwickelt. Seit der Version 5.1 ist auch ein Simulator für elektrische Schaltungen integriert. Dieser basiert auf ngSPICE („Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis„).

Anleitungen im Internet

Ein einfacher Stromkreis

Der erste Versuch besteht aus einer Spannungsquelle (Bauteiltyp „VSOURCE“, Referenz „V1“) und einem Widerstand (Bauteiltyp „R“, Referenz „R1“, Wert „100“ Ohm). Die Spannungsquelle ist als Gleichspannung („DC“) mit 5 Volt eingestellt. Wichtig ist, einen Masseanschluss (Bauteiltyp „GND“) hinzu zu fügen, damit die Simulation weiß, was 0V ist.

Die erste Simulation schaut sich das zeitliche Verhalten an (Typ „Transient“). Wir nehmen als Zeitschritte 1 Millisekunde (1m) und Simulationsdauer 100 Millisekunden (100m). Das Ergebnis ist ziemlich langweilig: Die Spannung ist die ganze Zeit auf 5V und es fließen 50mA Strom durch den Widerstand R1.

Die zweite Simulation schaut sich das Verhalten in Abhängigkeit von der Spannung an (Typ „DC-Sweep“). Wir nehmen als Startspannung 0 Volt und Zielspannung 5 Volt, sowie als Schritte 0.1 Volt. Das sieht schon interessanter aus: Die x-Achse zeigt die Spannung der Spannungsquelle V1 und die y-Achse den Strom durch den Widerstand R1. Wir sehen, dass der Strom proportional mit der Spannung zunimmt. Bei 2 Volt fließen 20mA und bei 5V fließen wieder 50mA.

Ein Spannungsteiler

Die zweite Schaltung ist keine große Veränderung. Wir haben einen weiteren Widerstand hinzugefügt (Bauteiltyp „R“, Rezerenz „R2“, Wert „20“ Ohm). Wir wiederholen die Simulation der veränderlichen Spannung („DC-Sweep“) mit den selben Einstellungen. Diesmal ist mehr zu sehen: Die Spannung in der Mitte zwischen beiden Widerständen „V(mitte)“ ist deutlich kleiner als die Spannungsquelle und durch beide Widerstände fließt der selbe Strom. Zum Beispiel bei 2.5 Volt aus der Spannungsquelle ist V(mitte) = 0.416 Volt und der Strom durch Widerstand R1 und R2 jeweils 20.83mA.

Und nun mit einem Kondensator

Unsere dritte Schaltung hat nun einen Kondensator und einen Widerstand zwischen Spannungsquelle und Kondensator. Hat die Spannungsqelle eine höhere Spannung als der Kondensator, so lädt sich das elektrische Feld im Kondensator auf. Der Strom wird dabei durch den Widerstand R2 begrenzt. Und hat die Spannungsquelle eine kleinere Spannung, so entlädt sich der Kondensator über R2 – es fließt als Strom zurück in die Spannungsquelle. Der Widerstand R1 ist nun 10kOhm groß und kann eigentlich auch ganz weggelassen werden.

Nun wird die zeitliche Simulation (Typ „transient“) endlich interessant. Wir haben die Spannungsquelle neu konfiguriert, so dass sie rechteckige Spannungspulse erzeugt. Sie ist 50 Millisekunden lang auf 5 Volt, dann auf 0V bis 100 Millisekunden um sind. Danach wiederholt sich der Zyklus. Man sieht, wie zum Anfang noch fast 50mA durch den Widerstand R2 in den Kondensator fließen. Dann sinkt der Strom, weil die Spannung im Kondensator steigt und damit auch der Unterschied zur Spannungsquelle. Nach 50 Millisekunden ist der Kondensator gut aufgeladen und die Spannungsquelle schaltet auf 0V um. Nun fließt ein negativer Strom, also Rückwärts, vom Kondensator zurück in die Spannungsquelle bis sich der Kondensator nach weiteren 50 Millisekunden entladen hat.

Ein Gedanke zu „Digitech-AG: Schaltungen simulieren“

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