QUCS DC Simulation Parameter SweepQUCS DC Simulation Parameter Sweep

QUCS DC Sweep - Voltage Regulator with Zener Diode

QUCS DC Simulation 과 Parametric Sweep 을 사용하여 DC Analysis 해석을 하는 방법

을 소개합니다. QUCS 사용 방법 관련 포스트는 자세한 회로 설명은 생략하고, QUCS 시뮬레이션 하는 방법을 중심으로 다룹니다. 회로 설명 및 설계 방법은 QUCS 사용법에 대한 시리즈를 마무리 후 작성할 예정입니다.

제어다이오드 정전압 회로

아래 회로는 제어다이오드를 사용한 정전압 회로 입니다. Input 단자의 입력 전압이 ZD1의 제너다이오드의 제너 전압보다 큰 경우, Output 단자의 전압은 제너다이오드 ZD1의 제너 전압 입니다. 

제너다이오드 정전압 회로제너다이오드 정전압 회로

DC Simulation

DC SImulation 을 하면 위의 회로에서 아래의 사항을 알 수 있습니다.

📌 Output 단자의 출력 전압 분석

📌 ZD1 에 인가되는 전류 분석

회로도 작성

위의 제너다이오드 회로에서 각 노드의 전압과 ZD1 에 인가되는 전류를 해석하는 시뮬레이션을 하기 위해 아래와 같이 회로도를 작성합니다. 저항과 제너다이오드의 제너 전압은 임의로 생성 하였습니다. 

제너 다이오드 정전압 회로도 작성제너 다이오드 정전압 회로도 작성

회로에 사용한 컴포넌트는

위 회로에서 사용한 컴포넌트의 위치는 아래와 같습니다.
  • Componants Tap > Lumped Components
    • R1, R2 : Resistor US
  • Componants Tap > Source
    • V1 : DC Voltage
  • Libraries Tap > Z-Diodes 
    • D1 : IN750

QUCS 에는 이상적인 제너다이오드는 없어, 라이브러리 탭의 1N750 을 사용하였습니다. 1N750 제너다이오드는 4.7Vz (0.5W) 입니다. 

네트명 및 프로브 설정

추후 시뮬레이션 결과를 쉽게 보기 위해 네트명과 전류 프로브를 추가합니다. 네트명은 해당 네트를 더블클릭하거나, Toolbar 에서 Wire Label 아이콘을 클릭하여 삽입 할 수 있습니다. 전류 프로브는 Components Tap > Probes > Current Probe 를 선택하여 아래 회로와 같이 위치를 시켜줍니다. 프로브의 이름은 편하신대로 수정 하실 수 있습니다.  

QUCS 프로브 설정QUCS 프로브 설정

시뮬레이션 설정 및 실행

정상상태의 전압과 전류를 파악하기 위해 DC Simulation 블록을 아래와 같이 회로도에 배치하고, F2키를 눌러 시뮬레이션을 실행합니다.

DC SImulation 블록 배치DC SImulation 블록 배치

결과 보기

시뮬레이션이 끝났으면 F8 키를 누르거나 상단 메뉴의 Simulation > Calculate DC Bias 를 클릭하여 각 노드의 전압 및 전류 프로브의 전류를 확인합니다.

DC SImulation 시뮬레이션 결과(왼) R1 = 10Ω (오) R1 = 200Ω

왼쪽 그림은 R1이 10Ω 인 회로에서 시뮬레이션 결과입니다. R1 10Ω 을 사용한 경우 제너 다이오드의 제너전압은 4.7Vz 이지만 Output 단자에 그 값을 훨씬 상외하는 7.2V가 확인되었습니다. 역시 무료 프로그램이라서 오차가 있는 건가? 라고 생각했지만, 아니었습니다.!! 그 원인은 R1의 저항 값이 작아 제너다이오드에 흐르는 전류가 허용 범위를 증가하였기 때문입니다. 1N750 의 경우 최대 75mA 로 인가되도록 설계되어야 합니다. 이런 경우 우측 회로처럼 R1의 값을 증가시켜 회로의 Maximum 전류를 제한하여 정상적으로 회로를 동작하도록 수정이 가능합니다. 


DC Sweep 해석

위와 같은 회로에서 V1 전압을 0 ~ 10V 또는 0 ~ 20V 까지 가변 하면서 출력 전압이 어떻게 변하는지 알고 싶을 때 사용 하는 해석 방법이 DC Sweep 입니다. QUCS 툴은 DC Sweep 이 따로 없고, DC Simulation 과 Parametric Sweep 을 같이 사용하여 DC Sweep 해석이 가능합니다. 여기서는 DC Sweep 을 위한 Parameter Sweep 방법만 소개하겠습니다.

회로도 수정

DC Simulation 과 Parameter Sweep 을 사용하여 DC Sweep 해석을 하기 위해 아래와 같이 회로를 변경합니다. V1의 전압 값을 전압 상수가 아닌 Vin 이란 변수로 입력합니다.

DC Sweep 을 위한 회로도 수정DC Sweep 을 위한 회로도 수정

시뮬레이션 설정

Components Tap > Simulations 에서 Parameter Sweep 블록을 회로도에 추가하여 아래 그림과 같이 속성을 변경 합니다. Parameter 는 한글로 '변수' 입니다. b=2a * 1 의 함수가 있는 경우 이 식의 결과는 보통 x축이 'a'(변수) y축이 'b'인 그래프로 나타냅니다. 시뮬레이션 설정도 마찬가지 입니다. 아래는 Parameter Sweep 블록의 속성 설명입니다.

  • Simulation : 어떤 시뮬레이션에 변수를 줄 것인지 선택 (그래프의 Y축 선택)
  • Sweep Parameter : 변수를 선택 (그래프의 X축 선택)
  • Type : 선형, 지수형, 리스트 등 선택 가능
  • Start : 최소값
  • Stop : 최대값
  • Step : 변수의 크기를 얼마 간격으로 계산을 수행 할 것인지
  • Number : 변수의 스텝 수

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

Parameter Sweep 블록 추가 및 설정Parameter Sweep 블록 추가 및 설정

시뮬레이션 설정이 완료되면 F2 를 눌려 시뮬레이션을 실행합니다.

결과 보기

시뮬레이션이 완료되면 diagram 에서 Cartesian 을 회로도에 추가 후 출력할 그래프에 Vout 과 Izd.I 를 추가합니다. 아래 그림에서 Thinkness 설정과 Properties 의 x-Axis Label 설정은 취향에 따라 설정하셔도 되고, 안 하셔도 됩니다.

그래프 속성 설정그래프 속성 설정

최종 결과최종 결과


마무리

이번 포스트에서는

QUCS 에서 제너다이오드를 사용한 정전압 회로를 DC Sweep 으로 해석하는 방법

에 대해 소개하였습니다. 

끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.😊


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