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32. Untersuchung einer Spannungsstabilisierung

Die Schaltung der Spannungsstabilisierung
Das Simulationsprofil verändert den Lastwiderstand
Ausgangsspannung und differentiellen Innenwiderstand ermitteln
Monte-Carlo-Analyse
Temperaturverhalten

Dieser Abschnitt zeigt Ihnen exemplarisch in einer Zusammenfassung, wie Sie mit Hilfe von PSpice eine Spannungsstabilisierung untersuchen können. Dabei können Sie nicht nur die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Ausgangslast feststellen, sondern auch den differentiellen Innenwiderstand ermitteln. Zudem können Sie in einem zweiten Schritt mit einer Monte-Carlo-Analyse die Auswirkungen der toleranzbehafteten Bauteile und Exemplarstreuungen untersuchen. In einem dritten Schritt können Sie sogar das Verhalten der Schaltung bei unterschiedlichen Sperrschicht-Temperaturen untersuchen.

Die Schaltung der Spannungsstabilisierung

Die Spannungsquelle V1 liefert am Eingang 14 Volt. Ri (30 Ohm) stellt den Innnenwiderstand der Eingangsquelle dar. Als Z-Diode kommt die D1N750 zum Einsatz, welche bereits mehrfach verwendet wurde. Bei ihr wurde allerdings der Modell-Parameter Bv verändert und auf 10 heraufgesetzt. Untersucht wird das Verhalten in Abhängigkeit von dem Lastwiderstand RLast, für welchen ein Rbreak-Modell (breakout.olb) zum Einsatz kommt.


Eine einfache Spannungsstabilisierung soll einer genaueren Untersuchung unterzogen werden. Was passiert, wenn sich der Lastwiderstand RLast verändert (siehe stabi oder stabi.zip)?

Das Simulationsprofil verändert den Lastwiderstand

Ein primärer DC-Sweep verändert den Widerstand RLast. Für RLast dient ein Rbreak-Widerstand, dessen Modell-Parameter R gesweept wird. R stellt einen Faktor für den Widerstand dar und steht im Normalfall auf 1. Um den Faktor R verändern zu können, kommen die Prinzipien der parametrischen Analyse zum Einsatz. Das Modell des Lastwiderstands RLast verändern Sie, damit es wie folgt aussieht:

.model R_Sweep-R-Faktor RES R={Faktor}

Die Variable "Faktor" steht in geschweiften Klammern, damit sie eine parametrische Analyse verändern kann.

Eine weitere, vorbereitete Beispiel-Schaltung für das Sweepen des Faktors R finden Sie unter faktor oder faktor.zip. Ein DC-Sweep verändert den Modell-Parameter R des Rbreak-Widerstands. In Probe lässt sich der Widerstandsverlauf darstellen.

Nachfolgend ist das Simulationsprofil für die Spannungsstabilisierungs-Schaltung abgebildet:


Das Simulationsprofil der Schaltung.

Erklärung: Ein primärer DC-Sweep verändert den globalen Parameter "Faktor" (dieser steht im Rbreak-Modell in geschweiften Klammern und ist zudem im Param-Symbol eingetragen) von 0.5 bis 10 mit einer Schrittweite von 0,1. Da der Nominalwert des RLast 100 Ohm beträgt, ändert sich der Widerstand dadurch von 50 Ohm bis 1000 Ohm.

Ausgangsspannung und differentiellen Innenwiderstand ermitteln

In der nachfolgenden Abbildung sehen Sie das Simulationsergebnis in Probe, wenn der Lastwiderstand verändert wird.


Die Diagramme zeigen die Ergebnisse nach der Simulation und einer anschließenden mathematischen Auswertung mit Probe.

Erklärung:

D(V(AUS)) / D(I(RLast)): Der differentielle Innenwiderstand der Spannungsstabilisierung (Ausgangsspannungsänderung / Ausgangsstromänderung).
W(Q1)
: Die Verlustleistung des Transistors Q1
W(RLast)
: Die Verlustleistung des Lastwiderstands RLast

V(AUS): Die Ausgangsspannung der Spannungsstabilisierung.
-I(RLast)
: Der Strom durch den Lastwiderstand.
-V(AUS) / I(RLast)
: Der Widerstand des Lastwiderstands (R=U/I).

Monte-Carlo-Analyse

In der vorangegangenen Simulation wurden noch nicht die Bauteiletoleranzen und Exemplarstreuungen berücksichtigt. Dies können Sie nachholen, wenn Sie zusätzlich zu dem primären DC-Sweep eine Monte-Carlo-Analyse vornehmen:


So sieht das Simulationsergebnis nach einer Monte-Carlo-Analyse mit 50 Durchgängen bei uniformer (gleichförmiger) Verteilung aus.

Für die statistische Untersuchung wurde neben dem Widerstand R1 auch die Z-Spannung der Diode (Parameter Bv) und der Stromvertärkungsfaktor des Transistors (Parameter Bf) verändert, um die Exemplarstreuungen der Halbleiter berücksichtigen zu können.

Temperaturverhalten

In einem dritten Schritt können Sie noch gleichzeitig neben dem DC-Sweep und der Monte-Carlo-Analyse das Temperaturverhalten der Schaltung untersuchen, indem Sie im Simulationsprofil des vorbereiteten Beispiels ein Häkchen vor "Temperature (Sweep)" setzen:


Dieser zusätzlich aktivierte Temperatur-Sweep sorgt dafür, dass die Simulation bei -30 Grad, 0 Grad und 150 Grad Celsius Sperrschichttemperatur stattfindet.

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