Wie die meisten Menschen habe auch ich schon früh gelernt, dass Veränderungen zum Leben dazugehören. Das macht den Wandel natürlich zu einem unvermeidlichen Phänomen. Es ist jedoch gerade dieser ständige Wandel, der die Kreativität und den Fortschritt in unserem täglichen Leben fördert.
Wie ich bereits angedeutet habe, umfasst der Wandel alles um uns herum, so auch den Bereich der Elektronik. Und je nach den Umständen und dem Inhalt der Veränderung kann sie gut oder schlecht sein. Im Bereich der Elektronik ist der Wandel zudem häufig eine Voraussetzung für die Gesamtfunktionalität eines Geräts.
Auch ist der Wandel selbst, wie Sie sicher wissen, im Wesentlichen ein Zustand des Übergangs. Außerdem gibt es, wie bei den meisten Dingen, denen wir in der Elektronik begegnen, mindestens zwei Zustände. Bei einem Schalter zum Beispiel ist er entweder aus oder an. Es gibt jedoch zwei Klassifizierungen von Zuständen, die für die Analyse und das Verständnis der Systemeigenschaften sowie der Gesamtfunktionalität von großer Bedeutung sind. Diese beiden Zustände sind der stationäre und der instationäre Zustand.
Was ist die Definition eines stationären Zustands?
Um einen stationären Zustand für ein System zu definieren, muss man feststellen, dass alles, was das Verhalten des Systems beeinflusst, konstant oder zeitlich unveränderlich ist. In Bezug auf die Zeitkontinuität bedeutet dies, dass für diese Eigenschaften (p) des Systems die partielle Ableitung nach der Zeit gleich Null ist.
Die folgende Gleichung stellt diese Beziehung dar: ∂p / ∂t = 0
Anmerkung: In der Mathematik ist eine partielle Ableitung einer Funktion mit mehreren Variablen die Ableitung für eine dieser Variablen, während die anderen konstant bleiben. Dies steht jedoch in direktem Gegensatz zu einer totalen Ableitung, bei der alle Variablen variieren dürfen.
Auch im Bereich der Elektronik ist ein stationärer Zustand der Zustand des Gleichgewichts in einem Netzwerk oder Schaltkreis, der eintritt, wenn die Auswirkungen der Transienten nicht mehr lebensfähig sind. Außerdem wird ein stationärer Zustand erreicht, wenn die anfänglichen Schwingungen oder Turbulenzen verschwunden sind. Wenn sich ein System in einem stabilen Zustand befindet, wird es als stabil angesehen.
Gesamt gesehen ist die Bestimmung des stationären Zustands von entscheidender Bedeutung, da viele Spezifikationen für die Entwicklung elektronischer Geräte in Bezug auf die Eigenschaften des stationären Zustands eines Systems vorgelegt werden. Darüber hinaus ist die Analyse des stationären Zustands eine unschätzbare Komponente im Designprozess.
Das Verständnis des stationären Zustands eines Systems ist für einen Designer unerlässlich.
Was ist die Definition eines Übergangszustands?
Im Allgemeinen hat fast jeder Prozess oder jedes System sowohl einen stationären als auch einen vorübergehenden Zustand. Ein stationärer Zustand stellt sich nach einer bestimmten Zeit im System ein. Ein transienter Zustand ist jedoch im Wesentlichen die Zeit zwischen dem Beginn des Ereignisses und dem stationären Zustand.
Eine Definition besagt also, dass ein transienter Zustand vorliegt, wenn sich eine oder mehrere Prozessvariablen ändern, aber bevor das System einen stationären Zustand erreicht. Außerdem ist die Einschwingzeit die Zeit, die ein Schaltkreis benötigt, um von einem stationären Zustand in den nächsten zu wechseln.
Wenn Sie beispielsweise einen Schalter in einem Schaltkreis mit einer Induktivität oder einem Kondensator aktivieren, nutzt das Bauteil die daraus resultierende Strom- oder Spannungsänderung, so dass das System eine beträchtliche Zeit benötigt, um einen neuen stationären Zustand zu erreichen. Darüber hinaus kann man eine Transiente definieren, indem man sagt, dass, wenn eine Größe in Ruhe ist und eine zeitliche Änderung stattfindet, wodurch sich der aktuelle Zustand ändert, eine Transiente aufgetreten ist.
Die Bedeutung der Stabilitätsanalyse im stationären Zustand
Ich habe kurz die Bedeutung der Bestimmung des stationären Zustands erwähnt. Ein weiterer Beweis für die Bedeutung der Bestimmung des stationären Zustands ergibt sich, wenn wir die Konstruktionsspezifikationen untersuchen. Wie Sie sicher wissen, vermitteln die Konstrukteure die Konstruktionsspezifikationen in Form dieser Merkmale. Darüber hinaus ermöglicht die Analyse der stationären Eigenschaften eines Systems ein umfassendes Verständnis der Leistung und Funktion eines Geräts.
Darüber hinaus gibt es mehrere Analysemethoden, die zur Bestimmung des stationären und des instationären Zustands eines Systems oder Prozesses verwendet werden. Eine dieser Methoden ist die Sinus-Steady-State-Analyse. Dabei handelt es sich um eine Analysemethode für Wechselstromkreise, bei der die gleichen Techniken wie bei der Lösung von Gleichstromkreisen verwendet werden. Auch die Fähigkeit eines Stromversorgungssystems oder einer elektrischen Maschine, seinen ursprünglichen oder vorherigen Zustand wieder einzunehmen, wird als Steady-State-Stabilität bezeichnet.
Die Stabilität eines Systems beschreibt die Fähigkeit eines Systems, nach einer Störung in seinen stabilen Zustand zurückzukehren. Im Allgemeinen wird die Stabilität eines Stromversorgungssystems in drei Kategorien eingeteilt: Transienter Zustand, dynamische Stabilität und stationärer Zustand.
Auch Studien zur Stabilität im stationären Zustand beschränken sich in der Regel auf allmähliche oder kleine Änderungen des Betriebszustands eines Systems. Dabei konzentriert man sich jedoch hauptsächlich darauf, die Busspannungen näher an ihre Mindestwerte heranzuführen. Außerdem wird darauf geachtet, dass die Phasenwinkel zwischen den beiden Bussen nicht zu groß sind, und es wird geprüft, ob die Übertragungsleitungen und die Stromversorgungsanlagen überlastet sind.
Transiente und dynamische Stabilitätsanalyse
In Bezug auf die Analyse umfasst die transiente Stabilität die Bewertung eines Stromsystems nach einer signifikanten Unterbrechung oder Störung. Zum Beispiel ändert sich der Lastwinkel (bei Generatoren) nach einer erheblichen Störung im Synchrongenerator durch die plötzliche Beschleunigung der Rotorwelle. Daher besteht das Hauptziel einer Untersuchung der transienten Stabilität darin, festzustellen, ob der Lastwinkel nach der Behebung der Störung zu einem konstanten Wert zurückkehrt.
Auch die dynamische Stabilität oder Kleinsignalstabilität ist die Analyse der Fähigkeit eines Stromversorgungssystems, unter kontinuierlichen kleinen Störungen stabil zu bleiben. Diese kleinen Störungen entstehen durch unregelmäßige Schwankungen der Erzeugungsmengen und der Lasten. Bei Verbundnetzen können diese willkürlichen Schwankungen zu katastrophalen Ausfällen führen.
Schließlich erreicht ein mechanisches System, wenn man eine periodische Kraft anwendet, in der Regel einen stabilen Zustand, nachdem es einige Einschwingvorgänge durchlaufen hat. Außerdem tritt dies meist bei schwingenden Systemen auf, zum Beispiel bei einem Uhrenpendel. Dies kann jedoch in jedem halbwegs stabilen oder stabilen dynamischen System auftreten. Außerdem hängt die Dauer des Einschwingvorgangs von den Anfangsbedingungen des Systems ab.
Berechnungsmethoden für den stationären Zustand
Gesamt gibt es zwei Methoden zur Berechnung des stationären Zustands. Zum einen kann man Algorithmen im Zeitbereich verwenden und zum anderen kann man Algorithmen im Frequenzbereich oder die Methode der harmonischen Balance verwenden. Darüber hinaus ist die Frequenzbereichsmethode die bessere Wahl für Mikrowellenschaltungen, die mit sinusförmigen Signalen angeregt werden, wie z. B. Leistungsverstärker und Mischer.
Auch die Zeitbereichsmethode wird in zwei Unterteilungen unterteilt, die Schießmethoden (iterative Methoden) und die Zeitbereichsempfindlichkeiten (Ein-Schritt-Methoden).
Außerdem erfordern die Zeitbereichsempfindlichkeiten Ableitungen zur Berechnung des stationären Zustands. Wenn diese jedoch nicht ohne weiteres zugänglich sind, verwendet man die Schießmethoden.
Das Design elektronischer Hardware kann, wie wir alle wissen, eine Herausforderung sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bestimmung des stationären und des instationären Zustands wichtige Teile des Designprozesses sind. Die Untersuchung dieser beiden Zustände führt zu einem besseren Verständnis der Schaltungsfunktionalität und des charakteristischen Betriebsverhaltens. Insgesamt ist die Analyse des eingeschwungenen und des eingeschwungenen Zustands eine unschätzbare Komponente des Entwurfsprozesses.
Die von Cadence angebotene Suite von Entwurfs- und Analysewerkzeugen kann Sie mit allem ausstatten, was jeder Designer oder Analysator für die Funktionalität des eingeschwungenen und des eingeschwungenen Zustands in Entwürfen benötigt. Die Arbeit am Verhalten Ihrer Schaltungen sollte auf einer soliden Basis aufbauen, und Allegro PCB Designer ist zweifellos eine gute Wahl für Layout und Produktion.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Cadence die Lösung für Sie hat, sprechen Sie mit uns und unserem Expertenteam.
Über den Autor
Cadence PCB solutions ist ein komplettes Front-to-Back-Design-Tool für eine schnelle und effiziente Produktentwicklung. Cadence ermöglicht es den Anwendern, die Designzyklen bis zur Übergabe an die Fertigung durch den modernen Industriestandard IPC-2581 genau zu verkürzen.
Folgen Sie auf Linkedin Besuchen Sie die Website Weitere Inhalte von Cadence PCB Solutions