基于PSpice的機載10S延時電路仿真教學研究

杜海龍， 段照斌，李靜昭

(中國民航大學 工程技術訓練中心，天津300300)

0 引言

機載10S延時繼電器實驗是我校工程技術訓練中心開發的綜合型項目[1]，學生通過電路的焊接、調試、測試、排故等環節，建立內場維修的基本理念，掌握機載電路的維修方法，為以后從事相關維修工作奠定實踐基礎[2][3]。在電路測試排故環節采用學生之間互設故障及教師總結常見故障相結合的方式進行[4]，然而在新冠肺炎疫情期間，學生的實驗受到了很大的影響。PSpice軟件是一種通用的仿真工具，可以進行模擬電路、數字電路以及模數電路的混合仿真[5][6][7][8]，本文用PSpice軟件建立了10S延時電路的仿真模型，采用整體電路分析與元件特性分析相結合的方法，分析影響延時時間的因素，有效的改善了教學現狀，取得了良好的實踐教學效果。

1 10S延時電路

10S延時電路由一個比較器、一個三極管、三個二極管及若干電阻、電容組成，其電路原理圖如圖1所示[9]，主要作用是控制繼電器的吸合和斷開，實現對飛機起落架系統空地信號的切換[1]。

圖1 10S延時電路原理圖

此電路工作在28V直流電壓下，X1接28V正極、X2接28V負極，在CR1(20V穩壓二極管)作用下，通過R2和R4的分壓，使得U1-6引腳的電壓約為9.5V，當28V電壓加到C1端時，電容C1充電，U1-5引腳電壓在R6上接近28V，此時U1-7引腳輸出高電平，驅動Q1使得繼電器K1吸合；當C1斷開28V電源時，電容C1緩慢的通過R6進行放電，當U1-5引腳電壓低于U1-6引腳(9.5V)時，U1-7引腳輸出低電平，Q1截止，繼電器K1斷開，延時時間在10S左右。

經過以上分析可知，當28V電壓從C1端斷開時，繼電器K1并沒有立即斷開，而是通過比較器比較正負端輸入的電壓值，過一段時間繼電器K1才斷開，這個時間就是延時時間，也就是說延時時間的長短既取決于比較器負端的基準值，又取決于比較器正端的電容C1放電的快慢，理想的C1通過R6的放電公式為：

(1)

式中U為電容兩端的瞬時電壓值，U0為電容充滿電的電壓值，t為放電時間，R為電阻值，C為電容值。

公式(1)兩邊取對數得：

(2)

公式(2)整理得：

(3)

此處U0就是比較器負端的電壓，其值為：

(4)

式中U1為穩壓管CR1兩端的電壓。

將R=R6，C=C1，及公式(4)代入公式(3)得：

(5)

將R6=1×106Ω，C1=10×10-6F，U0=28V，U1=20V，R2=40.2×103Ω，R4=36×103Ω，代入公式(5)得：

t≈10.86 s

(6)

2 10S延時電路的PSpice仿真

圖1中的繼電器是個雙刀雙擲開關，本文僅對10S延時電路的特性展開研究，不仿真繼電器的電弧等內部參數，因此將其用電阻替代不影響整體電路的特性，萬用表測量繼電器控制端的電阻是700歐姆，CR3在電路中的作用是防止電容C1從CR3支路放電，原型號為1N5061，實習項目中由于這個二極管價格比較昂貴，因此采用1N4148來替代，其他元件的型號可通過10S延時繼電器的CMM手冊查到，在僅對繼電器和CR3進行等效后用Cadence軟件建立的PSpice仿真模型如圖2所示。

圖2中橫放的元件，比如R1、D3、R3，其左邊是1引腳，右邊是2引腳；豎放的元件，比如D1、R4、R5、R7等，上面是1引腳，下面是2引腳。

圖2 10S延時電路PSpice仿真電路圖

2.1 10S延時電路的時域分析

時域分析即瞬態分析，在圖1中給X1和C1加入信號激勵分析電路工作狀態，X1端電壓接28V直流，C1輸入端接入脈沖，脈沖的最高電壓28V，最低電壓0V，脈沖出現在1S后，脈沖持續時間1S，之后就恢復0V。

在圖2中D3的正端(1引腳)，C1的正端(1引腳)，R7的下端(2引腳，也就是Q1的C極)放置電壓探頭，仿真的波形如圖3所示。

圖3 10S延時電路時域仿真圖

從圖3中可得出整體電路的延時時間為

t1=11.179-2.0825=9.0965

(7)

和公式(6)計算出來的時間相差1S多，差距較大，下面通過節點的靜態分析探尋原因。

2.2 各個節點靜態分析

在V1=28V，V2=0V的條件下，此時圖2中比較器LM193的IN+IN-，Q1處于飽和狀態。在以上兩種條件下，進行靜態仿真分析獲得的各個節點電壓，電流及元件功耗如圖4所示。

圖4中，實線框表示電壓、電流，虛線框表示功率。從圖4可以看出，當V2從0V變到28V時，LM193 IN-支路上各節點參數(電壓、電流)幾乎沒有變化，而IN+支路上變化較大，這和理論分析一致。因此我們重點研究IN+支路，以分析延時時間變短的原因。

經過前面的理論分析，IN+支路上是電容C1通過電阻R6放電獲得延時時間的，因此理論上電容C1放電路徑有四條，C1通過R1放電，C1通過IN+放電，C1通過CR2放電，C1通過CR3放電，結合圖4(a)可以看出，LM193IN+上有電流流出(忽略)，D2(CR2)上面有超過7.3nA的電流流過，D3(CR3)上流過的電流小于2.5nA，因此C1主要通過R6進行放電，并且在其他兩條放電支路中，D2(CR2)占據的分量最大。

(a)V1=28V，V2=0V靜態分析圖

(b)V1=28V，V2=28V靜態分析圖圖4 節點靜態分析圖

將D2(CR2)進行斷路后，輸入激勵和2.1節一致，重新進行時域分析所得的仿真波形如圖5所示。

圖5 斷開D2后10S延時電路時域仿真圖

從圖5中可得出整體電路的延時時間為

t2=12.750-2.0492=10.7008

(8)

這和公式(6)計算出來的時間相差不多，驗證了理論分析結果。

2.3 示波器探頭分析

一般的示波器探頭有兩檔——×1和×10，其中×1典型輸入阻抗為1MΩ，×10典型輸入阻抗為10MΩ。在實際電路中，當用示波器接到電容C1端觀察放電曲線時，由于示波器探頭存在輸入阻抗，電容C1也會通過示波器探頭進行放電，因此采用雙通道示波器在電容C1測量延時時間，測出來的結果比實際結果短。

當用示波器探頭×1檔測量時，相當于在R6上并聯了一個1MΩ的電阻，此時并聯后的電阻是500KΩ，變為原來的一半。將R6=500KΩ代入公式(5)中得，電路延時時間為

t3≈5.43s

(9)

當用示波器探頭×10當測量時，相當于在R6上并聯了一個10MΩ的電阻，此時并聯后的電阻約是0.909MΩ。將R6=0.909MΩ代入公式(5)中得，電路延時時間為t4≈9.87s

(10)

2.4 電容C1充電特性分析

在圖4(b)條件的基礎上，設置瞬態掃描時間為100ms，得到電容C1隨時間的充電曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，電容充電是先快后慢的過程，大約經過40ms后，電容C1兩端電壓達到26.9V，接近滿電壓(27.5V)的97.8%，90ms后電容充滿。

圖6 電容C1充電仿真圖

2.5 比較器LM193特性分析

在圖4(a)條件的基礎上，設置V2電壓從0V開始上升到28V，步進為0.1V，得到LM193 OUT(輸出端)電壓隨IN+(正輸入)電壓的關系曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，當輸入端IN+電壓在9.454V--9.759V之間時，雖然此時IN+>IN-(9.454V)，但是OUT并沒有輸出高電平；輸入端IN+電壓在9.759V--9.841V之間時，輸出端OUT存在突變過程；輸入端IN+電壓大于9.841V時，輸出端OUT輸出穩定的高電平。

圖7 LM193 輸出端特性仿真圖

3 結語

通過PSpice仿真分析，可知①在實際電路中，為了準確測量延時時間，雙通道示波器的一個通道應接在D3(CR3)正極，另一個通道接到Q1的集電極。②CR2(D2)接入電路中可造成延時時間縮短；③為了獲得較為準確的電容C1放電曲線，應選用×10的探頭進行測量；④LM193比較器正輸入端在高于9.841V時才穩定輸出高電平，也就是說正輸入端要比負輸入端高0.387V。

本文使用PSpice對機載10S延時電路進行仿真，增強了新冠肺炎疫情期間實驗實習課程教學效果，加深了學生對于機載10S延時電路的理解，應用PSpice進行電路仿真對于教學、研究和電子類課程設計都是十分必要的。