Články / Návody a teória

Obvodový simulátor LTspice IV - Minitutoriál

---

Úvod
Obvodová simulácia je elegantná záležitosť, s ktorou môžete ušetriť hodne cínu, súčiastok a času. Že nemáte program a ani neviete, ako sa s takým simulátorom pracuje? Zbytočné výhovorky, poďme na vec!

Na stránke http://www.linear.com/designtools/software/#Spice uvidíte tabuľku s nadpisom LTSPICE IV a v nej odkaz „Download LTspice IV“. Po kliknutí sa rozhodnite, či sa na stránke registrovať alebo nie. V používaní programu sa vaše rozhodnutie nijako neprejaví. Výsledkom stiahnutia je súbor „LTspiceIV.exe“ kdesi na vašom disku. Ten spustíte a o chvíľu je inštalácia hotová, dokonca je možné, že je program aj spustený a jeho okno čaká na vaše prvé kroky.

Po spustení programu vidíte okno, v ňom hlavné menu, lištu tlačidiel a dole stavový riadok. Lišta tlačidiel je teraz to hlavné, kde treba začať. Asi treba hneď zmieniť, že kliknutie na tlačidlo môže mať tri rôzne efekty:

• vykoná sa akcia;
• zmení sa funkcia kurzoru a akcia sa vykoná až na orámovanom objekte. Orámovaním myslím výber objektu stlačením ľavého tlačidla myši a ťahaním po myslenej uhlopriečke obdĺžniku, ktorým obklopíme objekt či objekty;
• otvorí sa dialógové okno a v ňom vyhľadáme alebo zadáme potrebné parametre.

Na nasledujúcom obrázku sú uvedené funkcie všetkých tlačidiel na lište. Kvôli vlastnému pohodliu som tieto tlačidlá očísloval a v ďalšom texte sa ich budem dovolávať podľa tých čísiel. A tiež v záujme stručnosti som zaviedol niektoré vlastné textové skratky:
• PK = kliknutie pravým tlačidlom myši, Pravý Klik
• ĽK = kliknutie ľavým tlačidlom myši, Ľavý Klik
• Ľ2K = dvojnásobné kliknutie ľavým tlačidlom myši, Ľavý 2-násobný Klik




Simulácia má dve hlavné fázy. Najprv musíte mať schému obvodu, ktorého funkciu chcete simulovať, s určením hodnôt všetkých prvkov. Na vloženie schémy do programu existuje niekoľko možností, tá najjednoduchšia a tu aj použitá je nakresliť schému priamo v simulátore.

Ak je schéma pripravená, záleží na vašom želaní, aké závislosti v nakreslenom obvode vás zaujímajú. Najčastejšie to bude závislosť napätí a prúdov na čase, ako keby sledovanie osciloskopom; alebo závislosť zmeny napätí a prúdov na frekvencii, ktoré vám nahradí použitie preladiteľného generátoru a meračov úrovne či fáze. A nemusia to byť len závislosti „nameraných“ veličín, ale aj výsledkov nejakých výpočtov, ako napr. okamžitý výkon, impedancia, ..... , atď.

Predpokladám, že program máte spustený a v okne sivú plochu (ak nie, ĽK na (15)). Teraz ĽK na tlačidlo (01), plocha obelie a automaticky sa vytvorí súbor Draft1.asc. Sme teda pripravení na prvú fázu.

Kreslenie schémy
Predmetom záujmu často býva kvalita filtrácie sieťového zdroja s usmerňovačom, použime teda toto zapojenie ako prvý príklad. Záťaž predpokladáme konštantnú. Hodnoty sú zvolené len pre demonštráciu, nesúvisia s žiadnym konkrétnym zariadením.

Majme sieťový transformátor so sekundárnym vinutím 30V pri 150 VA. Aj keď aj transformátor možno simulovať, pre začiatok nebudeme veci komplikovať a použijeme nezávislý zdroj napätia s takým vnútorným napätím a vnútorným odporom, aké by asi mal ten transformátor. Nech by teda jeho nominálne napätie 30 V pri záťaži bolo 85% napätia naprázdno, z čoho vyjde jeho vnútorné napätie 35,3 V. Nominálny výstupný prúd transformátora by bol 150/35,3 = 4,25 A a jeho vnútorný odpor teda (35,3-30)/4,25 = 1,25 Ω. Magnetizačný prúd sme zanedbali, on sa na výkonových parametroch moc neprejaví aj vďaka jeho fázovému posunu o 90° k zaťažovaciemu prúdu.

Pokladanie súčiastok
Kde teraz nájdeme zdroj napätia? ĽK na (29) a otvorí sa okno výberu z knižníc. V hranatých zátvorkách sú priečinky osobitných skupín, a za nimi zoznam „obyčajných“ položiek. Posuňte sa na koniec zoznamu, tam nájdite položku „voltage“, teda zdroj napätia, a ĽK na „OK“.



Na ploche schémy sa teraz kurzor zmenil na siluetu napäťového zdroja a myšou môžeme hľadať miesto, kam ho vložiť. Navrhujem ľavý okraj okna, ĽK uloží prvý zdroj a bolo by možné pokračovať s ďalším. Ďalší nechceme, tak PK zakončíme túto akciu. Symboly polarity zdroja nech vás nemýlia, zdroj dokáže dávať aj striedavé napätie.

Prichádza čas na diódy, ktoré vytvoria Greatzov môstik. Tu je menej roboty, pre výber diódy máme tlačidlo (28). Kliknite naň, namiesto kurzoru máte siluetu diódy a ak sa vám nepáči orientácia, môžete podísť až k tlačidlu (34) a kliknutím diódu pootočiť o 90°; to isté a menej prácne dokáže klávesová skratka Ctrl-R. Položte diódu ĽK a pomocou PK akciu ukončíte. Budeme potrebovať ešte tri také diódy, ale nechajme to na neskôr.

Navrhujem trochu oddychu, pohrajte sa s tlačidlami (07), (09), (10), (30) na zmenu zväčšenia a posúvanie objektov, a aj s tlačidlami (16) na zmazanie prvku a (32), (33) na návrat pred alebo za vykonané zmeny. Mimochodom, pomocou Ctrl-G si môžete zapnúť/vypnúť bodkovaný raster na ploche, ako sa vám páči.

Povedzme, že vaše okno vyzerá teraz podobne ako moje:



Mnohí výrobcovia súčiastok poskytujú pre svoje výrobky aj simulačné modely, čo sú vlastne textové súbory, obsahujúce hodnoty prvkov v náhradnej schéme danej súčiastky. Pokiaľ nezadáme typ diódy, simulátor použije určité štandardné parametre, vždy je však lepšie zvoliť konkrétny typ. A najlepšie ten, ktorý použijeme neskôr pri realizácii. Ja som sa rozhodol pre Schottkyho diódu 60V/3A Motorola MBRS360. Urobte to ako ja:

• kurzor presuňte na diódu D1, až sa zmení z + na ruku s ukazovákom, a PK;
• v okne vlastností diódy D1 stlačte [Pick New Diode] = zvoliť inú diódu;
• v okne výberu diód vyhľadajte riadok s MBRS360, kliknite naň;
• tlačidlom OK ukončíte výber.

Tu je to názorne:



Znak D pri dióde sa zmenil na typové označenie. Keďže potrebujeme ďalšie tri takéto diódy, trikrát vykonáme kopírovanie tej D1, ušetríme si robotu s opakovaným prideľovaním typového znaku. Teda: tlačidlo (17), orámovať D1, podísť na nové miesto, uložiť, a máte D2. Znovu orámovať D1 alebo D2 a uložiť D3, a ešte raz pre D4. PK ukončí akciu kopírovania. Teraz pomocou (30) posuňte diódy a ich označenia do vhodných pozícií, podobne ako ja na nasledujúcom obrázku:



Na rad prišli filtračný elektrolyt a zaťažovací odpor. K obidvom by sme sa mohli dostať cez tlačidlá (25) a (26), ja ale uprednostňujem európsku podobu týchto symbolov. Tá sa dá nájsť cez tlačidlo (29), na to okno si spomínate, vyberali sme tam zdroj napätia. Teraz ale choďte na priečinok „Misc“, Ľ2K, a v zozname vyberte „EuropeanPolcap“ a stlačte OK. Položte elyt na plochu a ukončite akciu – teda najprv ĽK, potom PK. To isté zopakujte pre „EuropeanResistor“.

Súčiastky pre zapojenie máme na ploche všetky, chýba jediný symbol. Pre simuláciu treba vždy zadať referenčný potenciál, voči ktorému budú vypočítavané jednotlivé napätia. Ak vám to pripomína spoj nazývaný zem alebo kostra, je to presne ono. Pre tento symbol máme na lište tlačidlo (23), som presvedčený, že už sami zvládnete výber a uloženie tohto symbolu na plochu. Tá moja teraz vyzerá takto:



Pokladanie spojov
Poďme teraz pozapájať súčiastky. Cez tlačidlo (22) získame „zámerný kríž“ cez celú obrazovku, s ním beháme krížom-krážom a klikáme. Zameriame prvý vývod súčiastky (malý štvorček), ĽK, pokiaľ sa bude spoj pravouhlo lomiť, zameriame miesto zlomu a ĽK, až nakoniec zameriame koncový vývod spoja a ĽK. Prejdeme na ďalší spoj a postupujeme rovnako, koncovým bodom spoja môže byť aj prepojenie na iný spoj. Je samozrejmé, že tlačidlá (16), (30 – 33) fungujú aj pre spoje alebo úseky spojov, je teda dovolené mýliť sa a opravovať. Onedlho teda budete mať celý obvod zapojený asi takto:



Ako ťaháte jednotlivé spoje, program si ich čísluje od n001 ďalej („n“ ako net, n000 je zem). Keď neskôr pozeráte napríklad priebeh napätia, pomenovanie tej krivky bude trebárs V[n001], čo nie je práve názorné. Máme tu však možnosť premenovať si spoje na čosi veľavravnejšie, napríklad AC1, AC2, DC+. Urobme to tak. Stlačte tlačidlo (24) a hneď máte pred sebou okno pre vpísanie názvu. Napíšte AC1 a stlačte OK. Kurzor teraz vlečie rámik s bodkou pri základni. Choďte s tou bodkou na spoj + zo zdroja V1, ĽK uloží označenie a PK ukončí akciu. Zopakujte pre AC2 na –V1 a DC+ na spoj C1 a R1, ten kladný. Okno má teraz asi takýto vzhľad:



Zadávanie číselných hodnôt
Už ostáva len zadať hodnoty použitých súčiastok. Pritom však treba dodržiavať určité pravidlá, aby zadané čísla boli interpretované podľa našich predstáv. Tie najdôležitejšie sú:

* Desatinná bodka sa používa ako oddeľovač desatinnej časti čísla. Zabudnite na desatinnú čiarku!

* Hodnoty veličín sú vždy v základných jednotkách: farad, henry, ohm, hertz, volt, sekunda, ampér, ......

* Pre zápis násobkov alebo dielov tých základných jednotiek máme viacero možností:

Skratky štandardných predpôn:	Vedecká notácia:	Desatinné číslo:
T alebo t (terra)	1e12	1 000 000 000 000
G “ g (giga)	1e9	1 000 000 000
MEG “ meg (mega)	1e6	1 000 000
K “ k (kilo)	1e3	1 000
M “ m (mili)	1e-3	0.001
U “ u (mikro)	1e-6	0.000 001
N “ n (nano)	1e-9	0.000 000 001
P “ p (piko)	1e-12	0.000 000 000 001
F “ f (femto)	1e-15	0.000 000 000 000 001

* Dôležité sú nasledovné fakty:
• skratky násobkov možno písať malými alebo veľkými písmenami
• „M“ vždy označuje mili, odpor 5 megaohmov bude teda 5meg alebo 5MEG!
• Desatinnú bodku v hodnote možno nahradiť skratkou, 4u7 = 4.7 mikro
• Bezprostredne za číslom hodnoty (bez medzery!) alebo skratkou násobku budú ignorované písmená, ktoré nepatria vyhradeným skratkám. To môžeme využiť na zápis jednotky, napríklad: 27ohm; 33kohm; 35V; 2.7kA; 20ms; 10megohm; 5megaohm; 22uF; 4.7mF; 4m7F; ale pozor! 0.1F pri kapacite nie je desatina faradu, ale desatina femtofaradu!!!
• Kombinácia vedeckej notácie so skratkou násobiteľa sa vyhodnotí, 1.2e4m = 12, ale kto už by si chcel takto komplikovať život?

Teraz už viete všetko potrebné pre zápis hodnôt k parametrom súčiastok. Na to je vhodný okamih, keď prechádzate kurzorom ponad súčiastku a ten sa zmení na symbol ukazováka. Prejdite teda ponad zdroj napätia a s ukazovákom spravte PK. Otvorí sa okno parametrov pre jednosmerný zdroj, my ale chceme striedavý a teda pokračujeme tlačidlom [Advanced], a v ďalšom okne nezávislého napäťového zdroja zadáme hodnoty podľa obrázku:



Pri šípke 3 sme zvolili sínusový priebeh, potom 4 – amplitúdu napätia, 5 – sieťovú frekvenciu a 6 – vnútorný odpor zdroja. Za zmienku snáď stojí ta amplitúda. Na začiatku sme si určili efektívnu hodnotu vnútorného napätia na 35,3 V. Pre simuláciu však nemá efektívna hodnota veľký zmysel, veď je to len myslená jednosmerná úroveň, na jej priebehu nie je nič zaujímavé. Ale vieme, že amplitúda harmonického priebehu je 1,414x násobkom efektívnej hodnoty, odtiaľ teda tých 49,9 V.

Vloženie hodnôt kapacity a odporu je ešte o čosi jednoduchšie, ak s kurzorom „ukazovák“ nad C1 (a potom nad R1) spravíte PK:



A ešte výsledná kompletná schéma, po posunutí textov mimo spoje:



Spustenie simulácie
Teraz je pred nami tá zaujímavejšia časť práce. Zapneme napájanie a pozrieme sa napäťovými a prúdovými sondami, čo sa v obvode deje. A nech sa deje čo sa deje, nič nemôže zhorieť! Ale čisto pre istotu, tlačidlom (03) radšej uložte výsledok doterajšej práce.

Nabehnite teda na tlačidlo (05) a spravte ĽK. V práve otvorenom okne treba spresniť príkaz pre simuláciu. Záložka „Transient“ slúži pre stanovenie podmienok časovej (osciloskopickej) analýzy najmä pre nelineárne obvody, a to nám práve vyhovuje.



Simulácia sa vždy začne v čase 0 a našou povinnosťou je len oznámiť, ako dlho má prebiehať, čiže čas ukončenia. V našom obvode napájanom frekvenciou 50 Hz trvá jedna perióda 20 ms, nechajme si teda zobraziť prvých päť periód a nastavme tento čas na 0.1s. Inak nemusíme urobiť nič. Pokiaľ by niekto chcel skúmať trebárs posledných 100 ms na konci desiatej sekundy, nastavil by dobu trvania (Stop Time) na 10 s a začiatok zberu dát (Time to Start Saving Data) na 9.9 s. Tretí parameter, maximálny prírastok času, ten je pozostatok minulosti a program sa ním neriadi, ten sa nevypĺňa.

Ak ste vykonali kroky 1 a 2 z obrázku, simulácia prebehla, v schéme sa objavil zaznamenaný príkaz „.tran 0.1s“ a otvorilo sa okno pre priebehy, o aké budete mať záujem. Pobehajte trochu ponad schému kurzorom. Na mieste spoja sa kurzor premení na symbol meracieho hrotu a ak vykonáte ĽK, zobrazí sa priebeh napätia na tomto spoji. V miestach nad súčiastkou sa kurzor zmení do podoby kliešťového ampérmetru, a ĽK vyvolá priebeh prúdu touto súčiastkou, alebo jej konkrétnym vývodom, pokiaľ ich je viac ako dva. Mimochodom, ak dva razy po sebe zvolíte ten istý priebeh, ostane v grafe len ten a ostatné sa zmažú. Ja som nateraz zvolil napätie na spoji DC+, prúd zdrojom V1 a prúd záťažou R1, a výsledok sa dostavil:



Práca s grafmi
Roztiahnite si grafy do celého okna a dobre si poobzerajte, čo predstavujú jednotlivé krivky a ktorá stupnica pre tú ktorú krivku platí. Pre opätovné zobrazenie všetkých okien sú tu tlačidlá (13) a (14), vyskúšajte ich.

Ak by sme do grafu pridávali ďalšie priebehy, mohol by vyzerať dosť chaoticky s toľkými krivkami. Môžeme sa tomu vyhnúť tak, že z okna grafov oddelíme novú časť na úkor pôvodného grafu, ktorý sa musí vtesnať do menšej výšky. Stačí spraviť PK na ploche grafu, a v zobrazenom menu ĽK na položku „Add Plot Plane“ – pridať plochu grafu. Postup vidíte aj na obrázku:



Keď už máme tú novú čistú plochu, poďme tam zakresliť priebeh napätia zdroja V1. Je tu ale malý problém, zdroj nemá žiadnu svorku spojenú so zemou, je nutné zobraziť priebeh na obidvoch koncoch? Isteže nie, napätie je predsa rozdiel potenciálov, jeden z tých potenciálov (voči zemi) je na AC1 a druhý na AC2. Urobíme teda výpočet a do grafu zakreslíme ten rozdiel. Kurzorom v čistej ploche spravte PK a v rovnakom menu ako pred chvíľou ĽK na položku „Add Trace“ – pridať stopu. V otvorenom dialógu máme zoznam všetkých signálov a spodný riadok na zápis výpočtu. Veľa písania ale netreba. Pomocou ĽK na V[ac1] prenesiete toto meno do spodného riadku, potom tam preneste kurzor a po ĽK pripíšte znamienko rozdielu „-„ a nakoniec kliknite na V[ac2] a vzorec je zapísaný. Po stlačení OK vidíte výsledok:



Keď je to také ľahké, prečo neskúsiť priebeh okamžitého výkonu na dióde D2? Vzorec je predsa jasný, (V[ac1]-V[dc+])*I[d2], a postup presne rovnaký ako pred chvíľou. A výsledok je zaujímavý. A do tretice prúd diódou I[D2] nepotrebuje výpočet, len ĽK v zozname signálov:



Ďaleko užitočnejšie by bolo vedieť, aký je stredný stratový výkon takej diódy. Ani to nie je problém, iba musíme priebeh roztiahnuť tak, aby sa do grafu zmestila práve jedna perióda, povedzme tá posledná. Vyvoláme opäť menu pomocou PK v hornom grafe, a teraz ĽK na položku „Manual Limits“ – manuálne hranice, a uvidíme dialóg:



Tam upravíme ľavý okraj 0s na 80ms, a OK. V grafe máme presne jednu periódu od 80 ms do 100 ms. A teraz kurzorom na titulok toho priebehu (z kurzora bude ukazovák), pridržať Ctrl a spraviť ĽK. Vyskočí na nás tabuľka s výsledkom, stredný výkon „Average“ je 1,0249 W. Tento údaj nás môže zaujímať kvôli dimenzovaniu chladiča pre diódu. Aj ďalšie dva priebehy možno vyhodnotiť, jeden po druhom.

Urobme niečo podobné v spodnej skupine priebehov, len zmeňme ľavý okraj na 90 ms, ostane nám len posledná polperióda (inak by stredná hodnota prúdu zdroja vyšla nulová). Pomocou Ctrl+ĽK na titulkoch kriviek ľahko zistíme ich vyhodnotenia. To, že na nasledujúcom obrázku sú všetky naraz, je len malý trik:



Stredné jednosmerné napätie na výstupe: 36,115 V
Stredná hodnota odoberaného prúdu I(V1): 3,008 A
Stredná hodnota prúdu diódou I(D2): 1,505 A
Efektívna hodnota odoberaného prúdu I(v1): 4,803 A
Stredná hodnota dodávaného prúdu I(R1): 3,010 A
Efektívna hodnota dodávaného prúdu I(R1): 3,011 A


A energetickú bilanciu si zrátame sami:

Strata na vnútornom odpore zdroja: 1,25 * 4,8033^2 = 28,84 W
Strata na usmerňovacích diódach: 4 * 1,025 = 4,10 W
Výkon dodaný do záťaže: 12 * 3,011^2 = 108,79 W
Účinnosť zdroja: 100 * 108,79 / (28,84 + 4,10 + 108,79) = 76,8 %

Azda nejaký bonbónik na koniec? Fouriérovu transformáciu? Nič jednoduchšie. Pozrime sa napríkľad, aké frekvenčné spektrum obsahuje prúd odoberaný zo striedavého zdroja. Ak máte stále aktívne okno s grafmi, spravte ĽK na položku hlavnej ponuky „View“, a v roletovom menu ĽK na položku „FFT“. Otvorí sa dialógové okno, do ktorého zadáte parametre transformácie. Najprv ĽK na prúd I[V1], potom vlastnú voľbu časového rozsahu, počiatočný čas opäť na začiatok poslednej periódy, a OK. Frekvenčné spektrum máte ako na dlani.



Už ste si možno všimli podľa záložiek, že program vytvára súbory pre schémy s príponou asc, pre grafy s príponou raw a pre frekvenčnú transformáciu s príponou fft. Pokiaľ nezvolíte vlastné meno súboru pre schému, táto a všetky súvisiace súbory dostanú meno Draft, inak to bude vami zvolený názov. Vrelo odporúčam používať vlastné a radšej podrobné názvy.

Počas práce s grafmi môžete odskočiť do okna schémy, zmeniť nejakú hodnotu a kliknúť znovu (05), simulácia sa hneď zobrazí s krivkami, ktoré ste si predtým zadefinovali. A keď sa náhodou v grafoch kedykoľvek niečo pobabre, napríklad pri zmenách veľkosti zobrazenia, tlačidlo Run (05) prekreslí znovu grafy v počiatočnej pozícii. Tiež môžete odoberať alebo pridávať súčiastky na schéme, kedykoľvek sa vám zachce. A takisto ani parametre simulácie nie sú nedotknuteľné – PK na príkaz .tran ..... na schéme vám otvorí editovacie okno simulačného príkazu, v ňom volíte nové parametre. Potom OK a tlačidlo (05) – a sú tu grafy podľa nových parametrov.

Záver
Hlavným cieľom tohto tutoriálu je pomôcť vám na úplnom začiatku nabrať odvahu k používaniu obvodovej simulácie. To, čo tu dosiaľ bolo povedané, patrí k úplným základom, ale už máte na čom stavať a pokračovať sami. Odporúčam pozrieť si prezentáciu http://www.scribd.com/doc/28908040/SWCAD Charlesa A. Schulera, môže byť inšpiráciou k ďalším pokusom. A na stránke Linear Technologies máte k dispozícii kompletné manuály. Hoci mám na pláne pokračovanie minitutoriálu, na vašom mieste by som sa na to celkom nespoliehal! :)

Tak sa mi vidí, že na jeden víkend toho máte v tejto časti akurát dosť. Prajem vám príjemnú zábavu!

Október 2010
Pre svetelektro.com: pin