基于PSpice的机载10S延时电路仿真教学研究

杜海龙， 段照斌，李静昭

(中国民航大学 工程技术训练中心，天津300300)

0 引言

机载10S延时继电器实验是我校工程技术训练中心开发的综合型项目[1]，学生通过电路的焊接、调试、测试、排故等环节，建立内场维修的基本理念，掌握机载电路的维修方法，为以后从事相关维修工作奠定实践基础[2][3]。在电路测试排故环节采用学生之间互设故障及教师总结常见故障相结合的方式进行[4]，然而在新冠肺炎疫情期间，学生的实验受到了很大的影响。PSpice软件是一种通用的仿真工具，可以进行模拟电路、数字电路以及模数电路的混合仿真[5][6][7][8]，本文用PSpice软件建立了10S延时电路的仿真模型，采用整体电路分析与元件特性分析相结合的方法，分析影响延时时间的因素，有效的改善了教学现状，取得了良好的实践教学效果。

1 10S延时电路

10S延时电路由一个比较器、一个三极管、三个二极管及若干电阻、电容组成，其电路原理图如图1所示[9]，主要作用是控制继电器的吸合和断开，实现对飞机起落架系统空地信号的切换[1]。

图1 10S延时电路原理图

此电路工作在28V直流电压下，X1接28V正极、X2接28V负极，在CR1(20V稳压二极管)作用下，通过R2和R4的分压，使得U1-6引脚的电压约为9.5V，当28V电压加到C1端时，电容C1充电，U1-5引脚电压在R6上接近28V，此时U1-7引脚输出高电平，驱动Q1使得继电器K1吸合；当C1断开28V电源时，电容C1缓慢的通过R6进行放电，当U1-5引脚电压低于U1-6引脚(9.5V)时，U1-7引脚输出低电平，Q1截止，继电器K1断开，延时时间在10S左右。

经过以上分析可知，当28V电压从C1端断开时，继电器K1并没有立即断开，而是通过比较器比较正负端输入的电压值，过一段时间继电器K1才断开，这个时间就是延时时间，也就是说延时时间的长短既取决于比较器负端的基准值，又取决于比较器正端的电容C1放电的快慢，理想的C1通过R6的放电公式为：

(1)

式中U为电容两端的瞬时电压值，U0为电容充满电的电压值，t为放电时间，R为电阻值，C为电容值。

公式(1)两边取对数得：

(2)

公式(2)整理得：

(3)

此处U0就是比较器负端的电压，其值为：

(4)

式中U1为稳压管CR1两端的电压。

将R=R6，C=C1，及公式(4)代入公式(3)得：

(5)

将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延时电路的PSpice仿真

图1中的继电器是个双刀双掷开关，本文仅对10S延时电路的特性展开研究，不仿真继电器的电弧等内部参数，因此将其用电阻替代不影响整体电路的特性，万用表测量继电器控制端的电阻是700欧姆，CR3在电路中的作用是防止电容C1从CR3支路放电，原型号为1N5061，实习项目中由于这个二极管价格比较昂贵，因此采用1N4148来替代，其他元件的型号可通过10S延时继电器的CMM手册查到，在仅对继电器和CR3进行等效后用Cadence软件建立的PSpice仿真模型如图2所示。

图2中横放的元件，比如R1、D3、R3，其左边是1引脚，右边是2引脚；竖放的元件，比如D1、R4、R5、R7等，上面是1引脚，下面是2引脚。

图2 10S延时电路PSpice仿真电路图

2.1 10S延时电路的时域分析

时域分析即瞬态分析，在图1中给X1和C1加入信号激励分析电路工作状态，X1端电压接28V直流，C1输入端接入脉冲，脉冲的最高电压28V，最低电压0V，脉冲出现在1S后，脉冲持续时间1S，之后就恢复0V。

在图2中D3的正端(1引脚)，C1的正端(1引脚)，R7的下端(2引脚，也就是Q1的C极)放置电压探头，仿真的波形如图3所示。

图3 10S延时电路时域仿真图

从图3中可得出整体电路的延时时间为

t1=11.179-2.0825=9.0965

(7)

和公式(6)计算出来的时间相差1S多，差距较大，下面通过节点的静态分析探寻原因。

2.2 各个节点静态分析

在V1=28V，V2=0V的条件下，此时图2中比较器LM193的IN+IN-，Q1处于饱和状态。在以上两种条件下，进行静态仿真分析获得的各个节点电压，电流及元件功耗如图4所示。

图4中，实线框表示电压、电流，虚线框表示功率。从图4可以看出，当V2从0V变到28V时，LM193 IN-支路上各节点参数(电压、电流)几乎没有变化，而IN+支路上变化较大，这和理论分析一致。因此我们重点研究IN+支路，以分析延时时间变短的原因。

经过前面的理论分析，IN+支路上是电容C1通过电阻R6放电获得延时时间的，因此理论上电容C1放电路径有四条，C1通过R1放电，C1通过IN+放电，C1通过CR2放电，C1通过CR3放电，结合图4(a)可以看出，LM193IN+上有电流流出(忽略)，D2(CR2)上面有超过7.3nA的电流流过，D3(CR3)上流过的电流小于2.5nA，因此C1主要通过R6进行放电，并且在其他两条放电支路中，D2(CR2)占据的分量最大。

(a)V1=28V，V2=0V静态分析图

(b)V1=28V，V2=28V静态分析图图4 节点静态分析图

将D2(CR2)进行断路后，输入激励和2.1节一致，重新进行时域分析所得的仿真波形如图5所示。

图5 断开D2后10S延时电路时域仿真图

从图5中可得出整体电路的延时时间为

t2=12.750-2.0492=10.7008

(8)

这和公式(6)计算出来的时间相差不多，验证了理论分析结果。

2.3 示波器探头分析

一般的示波器探头有两档——×1和×10，其中×1典型输入阻抗为1MΩ，×10典型输入阻抗为10MΩ。在实际电路中，当用示波器接到电容C1端观察放电曲线时，由于示波器探头存在输入阻抗，电容C1也会通过示波器探头进行放电，因此采用双通道示波器在电容C1测量延时时间，测出来的结果比实际结果短。

当用示波器探头×1档测量时，相当于在R6上并联了一个1MΩ的电阻，此时并联后的电阻是500KΩ，变为原来的一半。将R6=500KΩ代入公式(5)中得，电路延时时间为

t3≈5.43s

(9)

当用示波器探头×10当测量时，相当于在R6上并联了一个10MΩ的电阻，此时并联后的电阻约是0.909MΩ。将R6=0.909MΩ代入公式(5)中得，电路延时时间为t4≈9.87s

(10)

2.4 电容C1充电特性分析

在图4(b)条件的基础上，设置瞬态扫描时间为100ms，得到电容C1随时间的充电曲线如图6所示。从图6中可以看出，电容充电是先快后慢的过程，大约经过40ms后，电容C1两端电压达到26.9V，接近满电压(27.5V)的97.8%，90ms后电容充满。

图6 电容C1充电仿真图

2.5 比较器LM193特性分析

在图4(a)条件的基础上，设置V2电压从0V开始上升到28V，步进为0.1V，得到LM193 OUT(输出端)电压随IN+(正输入)电压的关系曲线如图7所示。从图7中可以看出，当输入端IN+电压在9.454V--9.759V之间时，虽然此时IN+>IN-(9.454V)，但是OUT并没有输出高电平；输入端IN+电压在9.759V--9.841V之间时，输出端OUT存在突变过程；输入端IN+电压大于9.841V时，输出端OUT输出稳定的高电平。

图7 LM193 输出端特性仿真图

3 结语

通过PSpice仿真分析，可知①在实际电路中，为了准确测量延时时间，双通道示波器的一个通道应接在D3(CR3)正极，另一个通道接到Q1的集电极。②CR2(D2)接入电路中可造成延时时间缩短；③为了获得较为准确的电容C1放电曲线，应选用×10的探头进行测量；④LM193比较器正输入端在高于9.841V时才稳定输出高电平，也就是说正输入端要比负输入端高0.387V。

本文使用PSpice对机载10S延时电路进行仿真，增强了新冠肺炎疫情期间实验实习课程教学效果，加深了学生对于机载10S延时电路的理解，应用PSpice进行电路仿真对于教学、研究和电子类课程设计都是十分必要的。