QUCS Transient SimulationQUCS Transient Simulation

QUCS Transient Analysis - RC Time Constant, Multivibrator

무료

전자 회로 해석 프로그램인 QUCS 를 사용하여 과도 해석(Transient)을 하는 방법을 소개

합니다. 회로 시뮬레이션 해석 모드와 QUCS 기본 사용법은 지난 포스트를 참고해주세요. 

QUCS 사용 방법 관련 포스트에서는 자세한 회로 설명은 하지 않고, 기본적인 회로의 해석만 소개합니다. 회로 관련 자세한 설명은 QUCS 사용법에 대한 포스트를 마무리 후 다룰 예정이니, 관심 있으신 분은 가끔씩 블로그를 들러주세요^^


Transient Analysis : 과도 해석

Transient Analysis 는 과도 시간의 회로 특성 변화를 확인 하기 위해 수행되는 회로 해석 모드 입니다. 전원 스위치가 켜지는 순간에 일어나는 현상 및 발진회로가 처음 발진하게 되는 과정 등을 알아보기 위해 사용되는 시뮬레이션 방법입니다. 해석의 결과는 X축이 시간인 Time Domain 형태의 결과를 얻을 수 있습니다. 

📌 ※ Time Domain, Frequency Domain 등과 같은 용어는 각각 x축이 시간, 주파수인 그래프를 보기 위한 해석을 말합니다.

RC 시정수 해석

1. 회로 소개 및 설명

아래와 같이 R와 C 하나로 구성된 Low Pass Filter 와 같은 회로에서 Input 단자에 0V -> 5V 가 순간적으로 입력되는 경우 Output 의 출력을 관찰 할 예정입니다.

RC 회로RC 회로

입력에 순간적으로 5V 가 입력되면, Output 단자에는 C1 커패시터의 영향으로 서서히 0V에서 5V로 변화하게 됩니다. 0V 에서 5V 로 변하는 속도는 C1 커패시터의 충전 속도에 의존합니다. C1이 전압을 충전하는 속도는 C1의 커패시터 용량도 의존하고, R1으로 제한되는 전류의 크기에도 의존합니다. 

결론적으로 Output 단자는 5V로 포화가 될 것인데, 이 포화되는 전압의 약 63% 가 되는 시간을 시정수(Time Constant)라고 표현하며, 위와 같은 RC 회로에서 시상수 t = R x C 의 값입니다. 시정수의 5배가 되면 포화되는 시간이라도 통상적으로 말합니다.

  • 시정수 인가 전압의 63% 되는 시간  t = R x C = 1000 x 0.000001 = 1ms

  • 시정수 t x 5 의 시간은 인가 전압으로 포화되는 시간

2. QUCS 회로도 작성

위와 같은 회로도를 시뮬레이션 툴에서 사용하기 위해서 아래와 같이 회로가 작성되어야 합니다. 아래는 여러가지 방법 중의 하나이고, 다른 방법으로 전원 + 스위치를 Voltage Pulse 또는 File Component 등 다양한 방법이 있습니다.

RC Time Constant 시뮬레이션 회로RC Time Constant 시뮬레이션 회로

회로에 사용한 컴포넌트들은 아래와 같습니다.

  • Components Tap > lumped Components
    • S1 : Switch
    • R1, R2 : Resistor US
    • C1 :  Capacitor
    • GND : Ctrl + G 로 입력 가능
  • Components Tap > Source
    • V1 : DC Voltage

각 부품의 속성은 부품의 값을 클릭하여 수정하거나, 부품을 더블 클릭하여 속성을 변경 할 수 있습니다. 단순한 전원, 저항, 커패시터의 값은 쉽게 바꿀 수 있을 것이라 생각합니다. 스위치의 속성을 변경하기 위해 스위치를 더블 클릭하면 아래와 같은 그림을 보실 수 있습니다. init 은 스위치의 초기 상태를 의미하고, time 은 스위치가 반전되는 시간을 의미합니다. init 은 off 로, time 은 1ms 로 설정합시다.

QUCS Switch 설정QUCS Switch 설정

스위치 설정이 끝났으면, C1위의 네트를 더블클릭하여 네트명 Vout 을 기입해주면 회로도 작성은 마무리 됩니다.

3. 시뮬레이션 설정

Main Dock 에서 Components Tap > Simulations  에서 Transient Simulation 블록을 회로도에 추가 합니다.

회로도의 시뮬레이션 블록을 더블 클릭하고 속성 창에서 Start, Stop, Number 를 각각 0, 10ms, 1001 로 수정 후 OK 버튼을 누릅니다.

  • Start : 시뮬레이션 시작 시간
  • Stop : 시뮬레이션 종료 시간
  • Step : 얼마 간격으로 시뮬레이션을 할 것인지
  • Number : 시뮬레이션 스텝 수 

※ Step을 입력하는 경우 Number 가 자동으로 계산되고, Number 를 입력하는 경우 Step 을 자동계산합니다.

Transient Simulation 설정Transient Simulation 설정

4. 시뮬레이션 실행

시뮬레이션 설정이 마무리 되었으면 F2 키를 누르거나, 툴바의 톱니봐퀴 모양의 아이콘을 클릭하거나, 메뉴 Simulation > Simulation 을 클릭하여 시뮬레이션을 실행합니다. 

Simulation RunSimulation Run

5. 결과 확인

시뮬레이션 수행된 결과 그래프를 회로도에 삽입하기 위해 아래와 같은 순서로 진행합니다.

  • diagrams > Cartesian 을 회로도로 드래그
  • Vout.Vt 를 더블 클릭하여 Graph 에 추가 후 OK 버튼
그래프의 데이터 선 굵기 데이터 설정 등은 그래프를 더블 클릭하여 변경 할 수 있습니다. 

QUCS 결과 그래프 삽입QUCS 결과 그래프 삽입

그래프가 삽입된 이 후 그래프에 마커를 넣고 싶으면 Ctrl + B 또는 아래 툴바의 M1 버튼을 클릭 하여 그래프에 클릭을 합니다. 마커가 설정 되면 방향키 RIGHT, LEFT 를 눌러서 마커의 위치를 이동 할 수 있습니다. 

회로의 해석 최종 결과는 아래와 같습니다.

Transient Simulation 최종 결과Transient Simulation 최종 결과

위 결과와 출력 단자의 전압이 시정수 1ms 가 되는 시점에 5V 의 63%인 3.16V 가 되고, 시정수x5 가 되는 6ms 시점에 4.97V 로 입력 전압의 약 99% 에 도달 하는 것을 확인하였습니다.


마무리

이번 포스트에서는

QUCS의 Transient Simulation을 사용하여 RC회로의 시정 수 해석하는 방법을 소개

하였습니다. 끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.😊
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