직렬 및 병렬 회로의 SPICE 시뮬레이션
직렬 및 병렬 회로에 대한 SPICE 회로 시뮬레이션을 시연하며, 노드 명명 요구 사항과 0V DC 전압 소스를 사용하여 분기 전류를 측정하는 방법을 소개합니다.
이전에 우리는 전압, 전류 및 등가 저항을 결정하기 위해 직접적인 분석 방법( 옴의 법칙 과 같은 ) 을 사용하여 직렬 회로 와 병렬 회로를 조사했습니다. 이 문서에서는 일반적인 SPICE(집적 회로 강조 시뮬레이션 프로그램) 회로 시뮬레이터를 사용하여 직렬 및 병렬 회로를 모두 평가하는 방법을 설명합니다 .
우리의 분석은 SPICE 시뮬레이터에 초점을 맞추겠지만, 오늘날에는 오픈 소스와 상용으로 판매되는 SPICE 스타일 회로 시뮬레이터가 많이 있습니다.
직렬 회로의 SPICE 시뮬레이션
자세히 살펴보면서, 그림 1의 간단한 직렬 회로를 SPICE를 사용하여 평가해 보겠습니다. 이 회로는 DC 전압원과 직렬로 연결된 3개의 저항으로 구성되어 있습니다.
먼저, 소프트웨어에서 인식할 수 있는 형식으로 컴퓨터에 회로를 설명해야 합니다. SPICE 프로그램은 회로의 모든 전기적으로 고유한 지점에 번호가 매겨져야 하며, 부품 배치는 해당 번호가 매겨진 지점 또는 "노드" 중 어느 것을 공유하는지에 따라 이해됩니다.
명확성을 위해 그림 1의 예제 회로의 네 모서리에 1~4까지 번호를 매겼습니다. 그러나 SPICE는 일반적으로 접지 또는 참조 노드로 간주되는 회로의 어딘가에 노드 0(0)이 있어야 합니다. 따라서 그림 2와 같이 회로의 왼쪽 아래 모서리를 4에서 0으로 다시 번호 매기기로 번호 매기기 방식을 약간 변경하여 회로를 다시 그려 보겠습니다.
거기에서 우리는 SPICE가 이해할 수 있는 용어로 회로를 설명하는 여러 줄의 텍스트를 컴퓨터 파일에 입력해야 합니다. 또한 DC 회로 분석을 수행하고 검토를 위해 전압 및 전류 데이터를 인쇄하도록 프로그램을 지시하는 몇 줄의 추가 코드를 추가할 것입니다. 이 컴퓨터 파일은 SPICE 용어로 넷리스트라고 합니다.
직렬 회로
v1 1 0
r1 1 2 3k
r2 2 3 10k
r3 3 0 5k
.dc v1 9 9 1
.print dc v(1,2) v(2,3) v(3,0)
.끝
이제 우리가 해야 할 일은 SPICE 프로그램을 실행하여 넷리스트를 처리하고 결과를 출력하는 것입니다.
v1v(1,2)v(2,3)브(3)나(v1)
| 9.000E+00 | 1.500E+00 | 5.000E+00 | 2.500E+00 | -5.000E-04 |
SPICE 프로그램의 이 인쇄 출력은 배터리 전압이 9V이고 R 1 , R 2 , R 3 의 전압 강하가 각각 1.5V, 5.0V, 2.5V임을 알려줍니다. SPICE의 모든 구성 요소에서의 전압 강하는 구성 요소가 있는 노드 번호로 참조됩니다. 따라서 v(1,2)는 회로의 노드 1과 2 사이의 전압을 참조하는데, 이는 R 1 의 위치 사이의 지점입니다 .
노드 번호의 순서가 중요하다는 점을 명심하세요. SPICE가 v(1,2)에 대한 값을 출력할 때, 노드 1에 빨간색 테스트 리드를, 노드 2에 검은색 테스트 리드를 두고 전압계를 잡고 있는 것과 같은 방식으로 극성을 고려합니다. 또한 0.5 mA 또는 500 μA에서 전류(음수 값)를 표시하는 디스플레이도 있습니다. 이 전류는 이전에 옴의 법칙을 사용하여 계산한 것과 일치합니다.
그래서 우리의 수학적 분석은 컴퓨터에 의해 입증되었습니다. 이 값은 SPICE가 전압 소스를 통한 전류를 정의하는 방식 때문에 SPICE 분석에서 음수로 나타납니다.
병렬 회로의 SPICE 시뮬레이션
직렬 회로와 마찬가지로 그림 4에 표시된 병렬 회로도 컴퓨터 분석을 사용하여 분석할 수 있습니다.
먼저, 우리는 컴퓨터가 이해할 수 있는 용어로 병렬 회로를 설명해야 합니다. 위의 직렬 회로 분석에서 했던 것처럼 노드 8을 0으로 변경하는 것으로 시작해 보겠습니다.
SPICE에서 모든 전기적으로 공통된 지점은 동일한 노드 번호를 공유해야 합니다. 그림 4의 병렬 회로에서 노드 1, 2, 3, 4가 전기적으로 공통임을 알 수 있습니다. 노드 5, 6, 7, 0도 마찬가지입니다.
이를 염두에 두고, 하단 전기 노드의 이름을 0으로, 상단 전기 노드의 이름을 1로 통합해 보겠습니다. 그러면 그림 5의 새로운 회로도가 나옵니다.
이와 같은 예는 SPICE에서 노드 번호의 근거를 이해하는 것을 상당히 명확하게 해줍니다. 모든 구성 요소가 공통된 숫자 세트를 공유함으로써 컴퓨터는 모두 서로 병렬로 연결되어 있음을 알고 있습니다.
SPICE에서 분기 전류를 표시하려면 종종 각 저항기와 직렬로 제로 전압 소스를 삽입한 다음 전류 측정값을 해당 소스에 참조해야 합니다. 그러나 많은 최신 버전에서 저항기를 포함한 다른 구성 요소를 통해 분기 전류를 표시할 수 있으므로 SPICE 사용 설명서를 확인하세요.
어떤 이유에서인지, SPICE 프로그램의 원래 제작자는 전류가 전압 소스를 통해서만 계산될 수 있도록 만들었습니다. 이는 SPICE 시뮬레이션 프로그램의 다소 성가신 요구 사항입니다. 이러한 "더미" 전압 소스가 추가되면 그림 6에서 설명한 대로 해당 분기 저항에 연결하기 위해 일부 새로운 노드 번호(2, 3, 4)도 만들어야 합니다.
더미 전압원은 모두 0V로 설정되어 있으며, 0Ω 저항을 갖는 이상적인 전압원이므로 회로 동작에 영향을 미치지 않습니다.
완성된 SPICE 회로 설명 파일 또는 넷리스트는 다음과 같습니다.
병렬 회로
v1 1 0
r1 2 0 10k
r2 3 0 2k
r3 4 0 1k
vr1 1 2 디씨 0
vr2 1 3 디씨 0
vr3 1 4 디씨 0
.dc v1 9 9 1
.print dc v(2,0) v(3,0) v(4,0)
.인쇄 dc i(vr1) i(vr2) i(vr3)
.끝
컴퓨터 분석을 실행하면 다음과 같은 결과를 얻었으며, 해당 결과는 설명 라벨과 함께 인쇄물에 주석으로 표시되어 있습니다.
v1브(2)브(3)브(4)
| 9.000E+00 | 9.000E+00 | 9.000E+00 | 9.000E+00 |
| 배터리 | R 1 전압 | R 2 전압 | R 3 전압 |
전압
v1나(vr1)나(vr2)나(vr3)| 9.000E+00 | 9.000E-04 | 4.500E-03 | 9.000E-03 |
| 배터리 | R 1 전류 | R 2 전류 | R 3 전류 |
SPICE의 이러한 결과는 실제로 이전에 옴의 법칙을 사용하여 계산한 결과와 일치합니다 .
IR1=0.9 mA
IR2=4.5 mA
IR3=9.0 mA
이 저항기들은 병렬로 연결되어 있기 때문에 모두 동일한 전압(9V)이 떨어집니다.
SPICE 회로 시뮬레이터를 사용한 직렬 및 병렬 회로 시뮬레이션 검토:
- SPICE 회로의 한 노드는 숫자 0을 사용해야 합니다. 일반적으로 이는 참조 또는 접지 노드입니다.
- 모든 전기적으로 공통된 노드는 동일한 회로 노드 번호를 사용해야 합니다.
- 0 V DC 전압 소스를 직렬로 추가하여 분기 전류를 평가할 수 있습니다.