Řešíme elektronické obvody aneb kniha o jejich analýze

Kniha byla napsána zejména pro ty z vás, kteří ovládají Ohmův zákon a Kirchhoffovy zákony, mají základní vědomosti o elektrických součástkách a jejich aplikacích, často zkoumají děje v nejrůznějších analogových obvodech, nebojí se analyzovat problémy s tužkou a papírem ani experimentovat s počítačem, a mají dostatek vnitřní motivace k tomu stát se skutečně znalými uživateli současných komerčních simulačních programů, aniž by byli nuceni studovat stohy obtížně čtivých a většinou cizojazyčných manuálů. Pokud však některému z uvedených atributů nevyhovujete, nemusí to být na závadu, jak zjistíte letmým pohledem na obsah s názvy jednotlivých kapitol. Kniha je sestavena ze tří částí - v prvních dvou se píše o metodách "ruční" analýzy a počítačové analýzy, třetí část je přílohová. Pro ty z vás, kteří se chtějí skutečně dobře naučit analyzovat elektronické obvody, doporučuji čtení od začátku. To znamená nejprve se učit řešit jednodušší obvody "ručně", na základě snahy o pochopení jejich fungování, a teprve pak se věnovat studiu "automatizované" analýzy na počítači. V této druhé fázi je vhodné stáhnout si ze sekce download (viz níže) instalační soubory programů SNAP a MicroCap spolu s elektronickými výukovými příklady. Současné simulační programy vesměs pracují na základě modifikované metody uzlových napětí. Proto je této metodě věnováno hodně prostoru v úvodních kapitolách o metodách "ruční" analýzy, hned po heuristických metodách, kterých využívají zejména ti z nás, kteří rádi řeší problémy "po svém" tvůrčím využíváním základních zákonů a principů elektrotechniky. Jsou popsány do podrobností postupy rychlé analýzy obvodů s klasickými i moderními obvodovými prvky (různé typy operačních zesilovačů včetně transimpedančních a transkonduktančních, proudové konvejory atd). Metody jsou jednoduchou formou a na množství příkladů objasňovány jak v maticovém tvaru, tak i ve formě tzv. grafů signálových toků. Jejich mistrným zvládnutím lze dosáhnout pozoruhodných efektů, například okamžitým napsáním výsledku analýzy přímo ze schématu obvodu, tj. bez jakýchkoliv mezivýpočtů. Některé uvedené postupy rychlé analýzy dosud nebyly jinde publikovány Kapitolou 4 vstoupíte do světa počítačové analýzy a simulace obvodů. Zde se na zhruba 200 stranách seznámíte s abecedou, jejíž zvládnutí vám otevře cestu k efektivní práci s jakýmkoliv současným simulačním programem z rodiny "SPICE". Jestliže se Vám podaří tuto kapitolu dočíst do konce a čtení budete prokládat pokusy na svém počítači, ověřovat popisované experimenty na demonstračních souborech a přemýšlet o výsledcích, které vám budou poskytovat programy SNAP a MicroCap, pak učiníte mnoho pro to, aby vaše "cesta na vrchol" byla co nejpoctivější. Nejen proto, že platí rovnice: MicroCap = SPICE + "něco navíc". Do problematiky počítačové simulace budete zasvěcováni postupně, přes relativně jednodušší programy založené na symbolických algoritmech (SNAP) až po "numerické" simulátory (MicroCap). Program SNAP jsme vytvořili právě pro studenty, kteří potřebují rychle zvládnout první krůčky v počítačové simulaci obvodů. K zvládání výše zmíněné "abecedy" by vám měla hodně napomoci netradičně pojatá kapitola 4.5, v níž jsou koncentrovány tři na sebe navazující lekce počítačové simulace v programu SNAP. Navazující kapitoly o "numerických" simulačních programech je sice možno studovat nezávisle na předchozích částech, efektivnější je ovšem nejprve projít předchozími "základy". Uvedený "skok" je možné doporučit snad jen zkušenějším uživatelům některého z komerčních simulátorů. Naučíte se "pohybovat" v profesionálním schématickém editoru, seznámíte se základními pojmy a pravidly, jak pracovat s modely součástek, s knihovnami, jak správně používat příkazy typu .MODEL a .DEFINE atd. Naučíte se pracovat s nejrůznějšími typy analýz, v různých analyzačních módech a režimech. V závislosti na vašich potřebách můžete zvládnout tuto problematiku do hloubky, která vám bude vyhovovat, neboť kromě základních typů analýz, které mají v podstatě stejný charakter v různých simulačních programech, jsou zde popisovány do podrobností i další užitečné praktiky (například různé "interaktivní" analýzy, citlivostní analýza, animace apod.). Budete mít možnost na konkrétních příkladech pochopit postupy, které jsou sice v "nabídkách" různých simulačních programů, avšak pro jejich běžné uživatele, kteří nemají čas studovat rozsáhlé manuály, jsou většinou "obestřeny tajemstvím". Tyto "koncentrované zkušenosti" by mohly knihu učinit zajímavou i pro již pokročilejší uživatele některého z profesionálních simulačních programů. Jak číst tuto knihu, aby vám přinesla co největší užitek? Individuálně, v závislosti na tom, "jak daleko jste od vrcholu", s vědomím, že "cesta není přímočará". Studujte podle obsahu části, které vás zajímají. Text obsahuje řadu křížových odkazů jak na předchozí kapitoly, tak i na přílohovou část. Z ní můžete čerpat jak některé základní teoretické poznatky, které nebylo vhodné vkládat přímo do odborných kapitol, tak vám mohou posloužit jako stručné přehledové "manuály", zejména co se týče konkrétních způsobů práce s modely součástek. Historie vydání 1. vydání - 2004 - ISBN 80-7300-125-X 1. vydání - 2011 - ISBN 978-80-7300-335-7 (elektronická kniha ve formátu PDF) Stručný obsah Analýza elektrických obvodů Metody analýzy lineárních obvodů Metody analýzy nelineárních obvodů Počítačová analýza a simulace Místo závěru Download podrobný obsah - ve formátu PDF ukázka knihy - ve formátu PDF update - zatím žádný není SNAP Stažení instalačního programu (nová verze z 6.5.2004, oproti popisu v knize obsahuje rozšířené knihovny součástek) Stažení českých verzí souborů examples.xls, examples.pdf (přehled příkladů obsažených v instalaci) SNAP.hlp (nápověda SNAPu, tímto souborem je možno nahradit originální stejnojmenný soubor s anglickou nápovědou). Popis aktuální verze knihovny součástek Domovská stránka SNAPu MicroCap Evaluační verze MicroCapu 7 Nejnovější evaluační verze MicroCapu Dodatkové soubory s příklady (po instalaci MicroCapu si je můžete přikopírovat např. do adresáře DATA) Domovská stránka MicroCapu Recenze lektorů a reakce čtenářů nezávislá recenze v časopise Slaboproudý obzor 3-4/2006 Odkazy Další knihy autora se zobrazí kliknutím na jeho jméno. Keywords obsah knihy Analýza elektrických obvodů, Modelování, analýza, simulace, Metody analýzy heuristické a algoritmické, Metody analýzy podle charakteru modelu, Nejčastější cíle a postupy analýzy, Metody analýzy lineárních obvodů, Přehled heuristických a algoritmických metod, Heuristické metody, Algoritmické metody, Příklady na heuristické postupy, Řešení stejnosměrných poměrů v pasivních odporových obvodech, Výpočty napětí a proudů u obvodů v harmonickém ustáleném stavu, Řešení střídavých poměrů v linearizovaných obvodech, Řešení přechodných dějů v jednoduchých setrvačných obvodech, Analýza odporových obvodů s operačními zesilovači VFA, Analýza setrvačných obvodů s operačními zesilovači VFA, Analýza obvodů se zesilovači OTA, Analýza obvodů s proudovými konvejory (CCII) a s proudovými operačními zesilovači (CFA), Maticové algoritmické metody se zaměřením na MMUN, Klasická metoda uzlových napětí (MUN), Podstata metody, Ilustrativní příklad, Pravidla pro sestavování rovnic, Vodivostní matice se skládá z matic dílčích prvků, Maticový linearizovaný model tranzistoru a MUN, Souvislost maticového popisu se zjednodušeným modelováním tranzistoru, Příklady na analýzu linearizovaných obvodů s tranzistory, Analýza obvodů se zesilovači OTA, Způsob výpočtu obvodových funkcí z admitanční matice, Modifikovaná metoda uzlových napětí (MMUN), Metoda razítek, Metoda zakázaného řádku, Metoda U/I, Podrobněji o analýze obvodů s proudovými konvejory CCII, Analýza obvodů s magnetickými vazbami, Závěrečná shrnutí a doporučení, Grafové algoritmické metody se zaměřením na M-C grafy, Klasické M-C grafy s vlastními neorientovanými smyčkami, Sestavení M-C grafu, Vyhodnocení M-C grafu zobecněným Masonovým pravidlem, Úplný a zkrácený M-C graf, Ilustrativní příklady, Modifikované M-C grafy pro obvody s OZ a dalšími aktivními prvky, Modifikace na principu metody razítek, M-C grafy modifikované na principu metody zakázaného řádku, M-C grafy modifikované na principu metody U/I, Shrnutí a doporučení, Maticové nebo grafové metody?, Metody analýzy nelineárních obvodů, Přehled metod, Příklady řešení jednoduchých obvodů, Zjednodušování stejnosměrných charakteristik, Metoda zatěžovací přímky (křivky), Numerické řešení nelineárních rovnic, "Ruční" řešení, Algoritmický postup při počítačové simulaci, Analýza po částech lineárních odporových obvodů s operačními zesilovači, Přibližná analýza obvodů s diodami a tranzistory, Shrnutí a doporučení, Počítačová analýza a simulace, Úvod, Symbolické, semisymbolické a numerické výsledky analýzy lineárních obvodů, Symbolické, semisymbolické a numerické algoritmy analýzy lineárních obvodů, Struktura simulačního programu, založeného na symbolických algoritmech (SNAP), Základy práce s programy pro (nejen symbolickou) analýzu obvodů, Úvod, První praktické kroky k počítačové simulaci v programu SNAP, LEKCE - Rychlé seznámení se základními možnostmi programu; soubor DEMRCCIR, LEKCE - Rezonanční obvod RLC jako pásmová propust, soubor DEMRLCCIR, LEKCE - Operační zesilovač zapojený jako sledovač napětí - jednopólový model, soubor DEMOPACIR, Tvorba vlastního zadání, Můj první obvod ve SNAPu, Obvod se součástkami, které jsou popsány několika parametry, Obvod s několika součástkami stejného typu, Vazby mezi parametry různých součástek, Princip tvorby modelů prvků SNAPu na základě modifikované metody uzlových napětí, Shrnutí a zobecnění, Struktura simulačního programu, založeného na numerických algoritmech (MicroCap), Základy práce s programy pro numerickou analýzu obvodů, Úvod, První praktické kroky v programu MicroCap , LEKCE - Toulky schematickým editorem, LEKCE - Analýza "Transient", LEKCE - Analýza "DC", LEKCE - Analýza "AC", Tvorba vlastního zadání, Můj první obvod v MicroCapu, Práce s modely SPICE, Začleňování modelů prvků do vstupních souborů, Práce s příkazem DEFINE a s "Formula Textem", Analýza pomocí numerického simulátoru, Typy analýz, analyzační módy a režimy, Co je dobré vědět před zahájením vlastní analýzy, Zápis napětí a proudů, Význam symbolů V a I v různých typech analýz, Zápis odvozených veličin pomocí vzorců, Co mají všechny základní analýzy společné, Analýza "Transient" neboli časová analýza, Cíle analýzy, "Inteligentní osciloskop", Stavové proměnné počáteční podmínky pro časovou analýzu, Jak postupuje simulátor při časové analýze, Menu "Transient Analysis Limits", Typická nastavení časové analýzy při řešení různých typů obvodů, Konkrétní příklady časové analýzy, Využívání příkazů IC a NODESET, Fourierova analýza, Analýza "AC" neboli kmitočtová analýza, Cíle analýzy, "Inteligentní obvodový analyzátor", Jak postupuje simulátor při kmitočtové analýze, Atributy součástek při kmitočtové analýze, Menu "Frequency Analysis Limits", Zásady pro práci s proměnnými u analýzy "AC", Konkrétní příklady kmitočtové analýzy, Šumová analýza, Inverzní Fourierova transformace, Analýza "DC" neboli stejnosměrná analýza, Cíle analýzy, "Inteligentní charakterograf", Jak postupuje simulátor při stejnosměrné analýze, Atributy součástek při stejnosměrné analýze, Menu "DC Analysis Limits", Příklady stejnosměrné analýzy, Rozšiřující typy analýz, Dynamická stejnosměrná analýza ("Dynamic DC"), Přenosová funkce ("Transfer Function"), Citlivostní analýza ("Sensitivity"), Analyzační režimy, Krokování ("Stepping"), Teplotní analýza, Vyhodnocovací analýza ("Performance Analysis"), Statistická analýza ("Monte Carlo"), Optimalizace ("Optimization"), Veřejné a privátní knihovny modelů a jejich úloha v analyzačních režimech, Další speciální funkce simulátoru, Možnosti detailního sledování proměnných a trasování během analýzy, Další užitečné funkce, Problémy při počítačové simulaci a jak se s nimi vypořádat, Vybrané problémy při simulaci a jejich příčiny, Problémy s konvergencí vnitřních algoritmů a cesty k jejich řešení, "Global Settings" (globální nastavení simulátoru), Možné přístupy k řešení problémů s konvergencí, Příklad analýzy tranzistorového bistabilního klopného obvodu, Příklad analýzy obvodu s nesnadno zjistitelným pracovním bodem, Místo závěru, Přílohy , Elektrické obvody a jevy v nich, Klasifikace elektrických obvodů, Stavy a jevy v obvodech, Stavy a děje podrobněji, Malosignálové linearizované modely nelineárních obvodů, Vybrané charakteristiky obvodů, Přehled nástrojů pro popis jevů v lineárních obvodech, Charakteristika používaných metod popisu, Operátorový popis obvodů, Metoda operátorových schémat, Metoda Laplaceovy transformace a přenosové funkce, Co všechno se dá určit z operátorové přenosové funkce, Vybrané principy a postupy využívané k analýze obvodů, Zákon, princip, metoda, Princip superpozice a metoda superpozice, Princip ekvivalence a jeho konkrétní varianty a aplikace, Princip ekvivalence, Princip kompenzace (substituce), Princip náhradního zdroje (Théveninův - Nortonův teorém), Metoda ekvivalence napěťových a proudových zdrojů, Transfigurace hvězda - trojúhelník, Přepočty dvojbranových parametrů tranzistoru, Přehled vybraných aktivních prvků, Stručný slovník a vybrané vlastnosti Laplaceovy transformace, Vyjadřování čísel v programech SNAP a MicroCap, Prvky z knihovny programu SNAP , Seznam elektronických příkladů v instalaci programu SNAP, Vybrané prvky programu MicroCap, Napájecí a signálové zdroje, zdroje pro transformaci signálů, Generátory signálů, Obvody pro transformaci signálů, Význam atributů zdrojů v různých typech analýz, Pasivní prvky typu R, C a L, obvody s magnetickými vazbami a transformátory, Rezistory, Kapacitory, Induktory, Transformátory, Polovodičové a aktivní prvky, Diody, Tranzistory