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7. Der DC-Sweep

Die Schaltung zur Anzeige einer Transistorausgangskennlinie
   Aufbau

  Funktionsweise
  Das Simulationsprofil für den DC-Sweep
Grafische Darstellung des Kollektorstroms
  1. Marker verwenden
  2. Anzeige der Werte oder Variablen ohne Marker
Sichern von bereits simulierten PSpice-Projekten

Falsches und richtiges Austauschen von Transistoren, Halbleitern u.s.w.
 
Beim DC-Sweep können Sie die Spannung bzw. den Strom einer Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle schrittweise automatisch verändern lassen, so dass Sie damit zum Beispiel Kennlinien grafisch anzeigen lassen können. Im nachfolgenden Beispiel sollen Sie sich die Ausgangskennlinie eines bipolaren Transistors anzeigen lassen. Kennliniendarstellungen von Halbleitern sind  übrigens insofern wichtig, damit Sie die Halbleitermodelle mit den meistens verbindlichen Angaben in den Datenblättern der Hersteller vergleichen können. Zudem lernen Sie hier, was Marker sind und wie Sie sich die Variablen mit und ohne Marker anzeigen lassen können.

Die Schaltung zur Anzeige einer Transistorausgangskennlinie

Aufbau

Die Stromquelle I1 (IDC) finden Sie wie die Spannungsquelle V1 (VDC) in der "source.olb". Der Transistor Q2N2222 ist in der Lite- oder Student-Version in der "eval.olb" vorhanden. In den Vollversionen finden Sie diesen Kleinleistungstransistor in der "bipolar.olb". Falls Sie Schwierigkeiten haben ein Bauteil zu finden, können Sie auch die Suchmaschine benutzen. Die Schaltung (transistor, transistor.zip) ist in einem gesonderten Ordner mit dem Namen "transistor" abzuspeichern. Der Name dieses neuen Projekts soll "transistorausgangskennlinienfeld" lauten.

Schaltung für die Untersuchung der Ausgangskennlinie
Schaltung zur Anzeige der Ausgangskennlinie. Während V1 "sweeped", misst man den Kollektorstrom. Somit entsteht eine Ausgangskennlinie. Beachen Sie auch die Pfeilrichtung der Stromquelle IDC und das Plus- und Minuszeichen dieser. Der Strom fließt aus dem Minuszeichen heraus.

Funktionsweise

Die Stromquelle (IDC) I1 liefert einen konstanten Strom von 0,01 mA, welcher in die Basis fließt. Die Spannungsquelle (VDC) V1 liefert die Kollektorspannung. Wenn wir nun diese Spannungquelle (VDC) V1 schrittweise verändern, dann verändert sich auch der Kollektorstrom. Diese Abhängigkeit können wir uns grafisch anzeigen lassen:


Ausgangskennlinie
Ausgangskennlinie des Transistors bei einem Basisstrom von 0,01 mA.

Auf der horizontalen X-Achse ist (die "gesweepte") Kollektorspannung V1 eingetragen, auf der vertikalen Y-Achse der Kollektorstrom.

Das Simulationsprofil für den DC-Sweep

Wir müssen dazu wie bereits bekannt ein Simulationsprofil aufrufen. Das neue Profil vom Typ "DC Sweep" soll dafür sorgen, dass die Spannung von V1 zwischen 0 und 3 Volt in 0,1 Volt-Schritten linear ansteigt:

Simulationsprofil
Simulationsprofil zum Anzeigen der Ausgangskennlinie.

Erklärung Schritt für Schritt:

1. Unter "Analysis type" wählen Sie "DC-Sweep"
2. Kontrollieren Sie, dass unter "Sweep variable" "Voltage source" (Spannungsquelle) markiert ist.
3. Unter "Name:" tragen Sie "v1" ein, den Namen der Spannungsquelle, welchen Sie im Schaltbild wieder finden. Groß- oder Kleinschreibung ist wie immer egal.
4. Unter "Sweep type" wählen Sie "linear", damit die Schrittweite, mit der die Spannung verändert wird, linear ist.
5. Unter "Start value" geben Sie den Startwert von 0Volt ein, unter "End value" 3Volt ein und unter "Increment" die Schrittweite von 0.1Volt. Dadurch wird die Spannung von 0 bis 3 Volt in 0,1 Volt-Schritten linear erhöht.

Das nachfolgende Video verdeutlicht nochmals den Eingabe-Vorgang:

Anlegen eines Simulationsprofils "DC-Sweep" zum Sweepen der Gleichspannungsquelle V1 von 0 bis 3 Volt in 0,1-Volt-Schritten (ausgang1.avi).

Bei der Wahl der Schrittweite müssen Sie übrigens nicht darauf achten, dass der Endwert genau getroffen wird. Sie können auch eine logarithmische Schrittweite wählen. Unter "Value list" können Sie auch eine Liste beliebiger Spannungswerte eingeben, indem sie die einzelnen Werte nur durch Leerzeichen trennen.


Eingabe beliebiger Werte für den DC-Sweep
Eingabe beliebiger Werte für den DC-Sweep unter "Value list". Werte nur mit Leerzeichen trennen.


Grafische Darstellung des Kollektorstroms

Sie müssen dem Programm noch mitteilen, welche Strom- und / oder Spannungswerte für die Y-Achse angezeigt werden. In unserem Beispiel interessieren wir uns für den Kollektorstrom. Es gibt zwei Methoden:

1. Marker verwenden

Marker können Sie in der Schaltung wie Mess-Spitzen einsetzen. Es gibt Sie für Spannung, Spannungsdifferenz, Strom und Leistung. Diese Marker holen Sie mittels entsprechender Knöpfe, welche sich in der oberen Werkzeugleiste von Capture befinden:


Knöpfe für die Marker
Knöpfe in der oberen Werkzeugleiste von Capture zum Holen der Marker. Von links nach rechts: Spannung, Spannungsdifferenz, Strom, Leistung.

Beim Platzieren des Strommarkers müssen Sie darauf achten, dass der Strommarker genau am Ende eines Bauteile-Pins gesetzt wird. Also dort, wo der Draht von braun rot auf braun seine Farbe wechselt. Das nachfolgende Bild zeigt es.

Setzen eines Strommarkers
Das Platzieren eines Strommarkers ist nur am Ende eines Bauteile-Pins möglich, wo der Draht die Farbe wechselt.

Das nachfolgende Video zeigt Ihnen nochmals den Vorgang und was passiert, wenn Sie sich nicht an diese Regel halten.

Zu Beginn zeigt das Video ein fehlerhaftes Platzieren des Strommarkers, dann wird er richtig plaziert (ausgang2.avi).

Schließlich zeigt das Video noch, wie Sie sich das Simulationsergebnis anzeigen lassen. Nach der Simulation nimmt der Marker diejenige Farbe an, die auch der entsprechende Graph auch im Diagramm (Probe-Fenster) erhält. Nach der Simulation können Sie die Marker auch an andere Punkte der Schaltung platzieren. Entsprechend sehen Sie auch andere Graphen im Probe-Fenster. Dazu müssen Sie nicht jedes Mal neu simulieren. PSpice berechnet nämlich sämtliche Daten für jeden einzelnen Knoten der Schaltung. Diese Daten finden sich in einer Datei mit der Endung DAT wieder, in der normalerweise auch sämtliche berechnete Daten der Simulation enthalten sind. Die graphische Darstellung im Probe-Fenster erfolgt dann mit Hilfe dieser DAT-Datei. Selbstverständlich können Sie auch mehrere Marker gleichzeitig setzen.

Den Strommarker müssen deshalb genau an einem Pin setzen, damit man die Stromrichtung herausfinden kann. Bei Spannungsmarkern besteht dieses Problem nicht und deshalb können sie diese an jede beliebige Stelle eines Verbindungsdrahtes setzen. Die Leistungs-Marker setzen Sie direkt auf die Bauteile.

Manchmal gelingt das Platzieren eines Markers nicht. Dann müssen Sie nur Ihr Projekt abspeichern, Ihr Projekt schließen und wieder neu aufrufen. Damit ist der Fehler behoben. Sie müssen jedoch nicht das ganze Capture-Programm schließen.

2. Anzeige der Werte oder Variablen ohne Marker

Sie können Sich die Graphen auch ohne Zuhilfenahme von Markern anzeigen lassen. Ohne Marker sehen Sie nach der Simulation allerdings keine Graphen. Um dem Abhilfe zu leisten, rufen Sie in der Menüleiste des Probe-Fensters unter "Trace - Add Trace" ein weiteres Fenster  mit dem Namen "Add Traces" auf.

traceaddtrace im Probe-Fenster
Über "Trace - Add Trace" in der Menüleiste von Probe rufen Sie ein das Fenster "Add Traces" auf.

In dem nachfolgend abgebildeten Fenster "Add Traces" können Sie dann den oder die Variablen anklicken, die in der Y-Achse erscheinen sollen. Spannungen fangen immer mit "V" an, Ströme mit "I". Da wir uns für den Kollektorstrom des Transistors Q1 interessieren, klicken wir die Output-Variable IC(Q1) an.


addtraces-Fenster von Probe
Auswahl der Output-Variable IC(Q1) im Add-Trace-Fenster.

Anstatt die Output-Variablen direkt anzuklicken, können Sie diese auch direkt in das untere Eingabe-Fenster "Trace Expression" eintippen. Mehrere Variable werden durch Leerzeichen getrennt. Variablen können auch durch mathematische Funktionen verknüpft werden, welche Sie dem rechten Fenster "Functions or Macros" entnehmen.

Das nachfolgende Video zeigt Ihnen, wie Sie den Kollektorstrom in die Y-Achse einsetzen:

In der Menüleiste von Probe (PSpice) rufen Sie "Trace" - "Add Trace" auf. Im Fenster "Add Traces" wählen Sie dann eine oder mehrere Werte aus, die graphisch anzuzeigen sind. (ausgang3.avi).


Sichern von bereits simulierten PSpice-Projekten

Im Zuge der Simulation entstehen eine Reihe von Dateien. Wenn Sie für jedes PSpice-Projekt einen eigenen Windows-Ordner angelegt haben, finden Sie alle Dateien übersichtlich in einem einzigen Projekt. Darunter befindet sich auch eine Datei mit der Endung DAT. In dieser DAT-Datei ist das Simulationsergebnis enthalten, welches für die grafische Darstellung in Probe notwendig ist. Diese Datei kann sehr groß werden. Für die Datensicherung Ihrer Projekte können Sie die DAT-Datei löschen. Eine erneute Simulation erzeugt sie wieder.


Die DAT-Datei im Explorer
Die DAT-Datei kann je nach Simulation riesig werden. Für die Datensicherung muss man sie jedoch nicht sichern.

Falsches und richtiges Austauschen von Transistoren, Halbleitern u.s.w.

Angenommen, Sie möchten den Transistor Q2N2222 dieser Schaltung durch den Q2N3904 ersetzen. Dann dürfen Sie auf keinen Fall folgenden Anfängerfehler begehen, indem Sie auf die Bezeichnung Q2N2222 im Schaltbild doppelt anklicken, um in dem sich dann öffnenden Fenster unter "Value" die Transistorbezeichnung zu ändern:


FALSCH!!!! So dürfen Sie NIEMALS ein Bauteil austauschen, indem Sie doppelt auf die Bezeichnung (des Transistors) klicken, um dann im Fenster "Display Properties" unter "Value" eine andere Transistorbezeichnung einzutragen. Damit ändern Sie nichts an der Netzliste.

Wenn Sie so vorgehen würden, wäre tatsächlich der alte Q2N2222 immer noch aktiv, obwohl jetzt eine andere Bezeichnung im Schaltbild steht. Dies können Sie durch Überprüfen in der Netzliste leicht feststellen.

So machen Sie es richtig: Markieren Sie das ganze Bauteil per Doppelklick, das sich nun rosa verfärbt hat. Dann betätitigen Sie die Taste "Entf" Ihrer Tastatur. Nach dem Verschwinden des Bauteils können Sie wie gewohnt über den Part-Browser ein anderes Bauteil holen und einsetzen:


RICHTIG: Vor dem Austauschen des Transistors müssen sie den alten vollständig entfernen. Markieren Sie ihn dazu per Doppelklick und entfernen Sie ihn dann mit der Taste "Entf" Ihrer Tastatur.


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