Mensimulasikan Sirkuit KiCad: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Menggambar dan merancang sirkuit adalah proses lama, setua komponen elektronik pertama. Itu mudah saat itu. Ada sejumlah komponen yang terbatas dan oleh karena itu jumlah konfigurasi yang terbatas, dengan kata lain: sirkuit lebih sederhana. Sekarang, di era informasi yang disebut, ada banyak sekali komponen yang berbeda, dan setiap komponen elektronik memiliki lebih dari selusin model dan setiap model diproduksi oleh segelintir perusahaan. Tak perlu dikatakan, setiap model dan setiap komponen khusus perusahaan berbeda satu sama lain. Mereka mungkin memiliki bias, kesalahan dengan toleransi yang berbeda, kondisi operasi maks, dan min yang berbeda dan tentu saja dapat sedikit mengubah cara rangkaian merespons dan bekerja. Untuk melengkapi semua ini, sirkuit saat ini sangat kompleks; terdiri dari hingga puluhan komponen yang berinteraksi bersama untuk melakukan tugas yang berbeda berdasarkan input.

Seperti yang telah Anda tebak dengan benar, akan menjadi mimpi buruk untuk mencoba menganalisis sirkuit ini dengan perhitungan atau dengan tangan. Selain itu, beberapa toleransi dan nuansa akan hilang atau diubah karena spesifik produk. Di sinilah simulasi masuk. Memanfaatkan kekuatan teknologi modern dan dengan kecepatan mutakhir, analisis sirkuit yang akan membawa tim orang yang bekerja berjam-jam sekarang semudah mengatur

Perlengkapan

-Kicad versi 5.0 atau lebih baru

-Koneksi internet untuk mengunduh perpustakaan

Langkah 1: Bagaimana Keajaiban Terjadi?

Mari kita awali dengan mengatakan bahwa KiCad tidak menangani simulasi. KiCad hanyalah sebuah UI (User-interface). Analogi yang sebanding adalah bahwa KiCad hanyalah perantara antara Anda dan program simulasi, yang dapat berupa salah satu dari beberapa perangkat lunak yang disebut “SPICE”.

SPICE adalah kependekan dari "Program Simulasi dengan Penekanan Sirkuit Terpadu". Dalam kasus KiCad, KiCad 5.0 dan yang lebih baru telah dikemas sebelumnya dengan program SPICE yang disebut ngspice. Ngspice memiliki keanehan, hambatan, dan keterbatasannya, tetapi akan menjadi perangkat lunak yang akan kami fokuskan. Ngspice menggunakan "Komponen" untuk memodelkan perilaku sirkuit. Ini berarti bahwa selain menggambar skema rangkaian, kita juga harus membuat anotasi dan "menetapkan" model ke masing-masing komponen. Untuk memecahkan masalah beberapa model dari komponen yang sama, ngspice memutuskan untuk membiarkan setiap perusahaan membuat "model rempah-rempah" yang mereplikasi sifat dan nuansa dari rekan-rekan kehidupan nyata mereka, dan kemudian mengemas model ini sebagai perpustakaan yang dapat diunduh, sehingga menggambar sirkuit akan sesederhana mengunduh pustaka yang diperlukan dan menetapkan model ke komponen kami. Tapi itu semua bicara, mari kita mengotori tangan kita dan melihat bagaimana ini benar-benar bekerja.

Langkah 2: Memilih Sirkuit dan Memodelkan Komponen Pasif

Kami memilih sirkuit sederhana yang memungkinkan kami untuk mendemonstrasikan bagaimana kami dapat memberikan nilai SPICE kami sendiri ke komponen dan bagaimana kami dapat menggunakan komponen yang terdaftar oleh vendor

Pertama, seperti yang bisa kita lihat dari gambar; ada 8 komponen pada rangkaian ini.• 2 resistor

• 1 baterai 9v

• 1 LDR

• 1 BC 547 npn transistor

• 1 LED

• 1 reostat •

1 tanah

Pemodelan Resistor dari semua jenis Ngspice "menetapkan model" ke resistansi, dengan kata lain: ia mengenalinya. Jadi kita tidak perlu memodifikasinya, atau mengotak-atik library untuk membuatnya. Kami juga memperhatikan bahwa ada rheostat dan LDR. Di ngspice, keduanya dapat dimodelkan sebagai resistor konstan yang akan kita ubah nilainya sesuai kebutuhan. Dengan kata lain, jika kita perlu "menambah cahaya" atau menambah beban rheostat, kita harus menghentikan simulasi, memodifikasi beban, dan kemudian menjalankannya kembali.

Langkah 3: Pemodelan Sumber Tegangan & Grounds

Ngspice tidak mengenali sumber tegangan "standar"; yang digunakan oleh KiCad. Ini menyediakan perpustakaan khusus untuk sumber tegangan dan ground

Untuk mengakses perpustakaan, pertama, kita harus memilih tab "Pilih simbol", dan cari "bumbu"

*Seperti yang terlihat pada (gambar 1), kami memiliki perpustakaan "pspice" dan "simulation_spice". Untuk sumber tegangan, kami ingin menggulir ke bawah ke perpustakaan simulation_spice dan memilih sumber tegangan dc

Setelah itu, kita harus mengatur nilainya agar simulator mengerti, di sirkuit ini kita menginginkan sumber 9v dc. Kami mengklik "E" pada sumber tegangan dan menu berikut terbuka, ditunjukkan pada (gambar 2). Kami memilih nama referensi untuk sumber tegangan, VoltageMain misalnya, dan kemudian kami klik "Edit Spice Model." Seperti yang ditunjukkan di atas

Kemudian kami memilih nilai dc 9v, dan itu saja. Seperti yang ditunjukkan pada (gambar 3)

Tanah

Untuk tanah, kami mencari "bumbu" lagi dan hasil pertama adalah potensial referensi 0V seperti yang ditunjukkan pada. (gambar 4). Tidak seperti skema normal, perangkat lunak rempah-rempah membutuhkan tanah karena menghitung tegangan berdasarkan referensi 0v.

Langkah 4: Pemodelan Transistor

Seperti yang dapat kita lihat dari gambar rangkaian, transistor yang digunakan adalah model yang sangat spesifik, "BC547". Sebagai kasus umum, hampir semua komponen yang diproduksi akan ditemukan di situs web produsen masing-masing. Di bawah tab alat atau dukungan mereka, akan ada "model simulasi" yang menampilkan nomor model dan model bumbu relatif. Dalam kasus kami, saya mencari "bc547" online dan menemukan bahwa itu diproduksi oleh perusahaan bernama "On semikonduktor". Saya mencari situs web mereka “https://www.onsemi.com/” dan menemukan modelnya dengan melakukan hal berikut:

• Saya membuka tab "Alat dan dukungan" mereka, di bawah saya, menemukan tab sumber daya desain. (Gambar 1)
• Di bawah sumber daya desain mereka meminta jenis dokumen, saya memilih "Model Simulasi" (gambar 2)
• Saya mencari bagian dengan nama: "BC547". Kami menginginkan perpustakaan, jadi kami memilih "BC547 Lib Model" dan mengunduhnya. (gambar 3)
• Setelah mengunduhnya, saya meletakkan file lib di direktori proyek saya. Sekarang direktori proyek saya ditampilkan di jendela KiCad asli yang saya buka, seperti yang terlihat pada (gambar 4). Saya mengklik jalan saya ke direktori itu, menempelkan file perpustakaan seperti yang ditunjukkan dan kembali untuk menemukannya ditampilkan di samping file proyek saya
• Setelah semua yang telah dikatakan dan dilakukan, mari kita menggambar simbol transistor. Saya mengklik menggunakan menu "simbol tempat", dan hanya mencari namanya. Anda menemukan bahwa hampir semua komponen ada di menu simbol seperti pada (gambar 5).
• Sekarang, yang tersisa adalah menetapkan model ke simbol. Kami mengklik "E" seperti biasa pada simbol, dan klik "Edit model rempah-rempah".

• Seperti yang kita lihat, satu-satunya tab yang tersedia adalah model, passive, dan source. Karena transistor bukan sumber atau pasif, kami memilih model dan memilih untuk mengisi pustaka. Menu pertama-tama terbuka ke direktori proyek, yang kami beruntung telah memasukkan perpustakaan ke dalamnya. Kami mengklik file lib.

  • Besar!! Sekarang ngspice telah mengidentifikasi transistor sebagai "BC547" dan hampir siap untuk beroperasi. Ada satu detail kecil yang harus disortir terlebih dahulu. Kita harus mengaktifkan urutan node alternatif dan ketik "3 2 1". Alasan mengapa kita harus melakukan langkah ini adalah karena ngspice menamai 3 terminal transistor dengan cara yang berlawanan dengan yang ditunjukkan KiCad. Jadi, mungkin ada 3 yang ditugaskan ke kolektor sementara KiCad menunjukkan 3 sebagai emitor. Untuk menghindari kebingungan, kami mengkonfigurasi ulang urutan penamaan Spice, seperti yang ditunjukkan pada (gambar 7)
  • Anddddd itu dia! Proses ini hampir identik untuk semua model pemasok-pemasok. Setelah Anda memahami bagian tutorial ini, Anda dapat menggunakan semua jenis model dan komponen elektronik hanya dengan sedikit riset.

Langkah 5: Pemodelan LED

LED sedikit lebih rumit dalam kenyataan bahwa pemodelan mereka memerlukan beberapa pengetahuan tentang parameter dan pemasangan kurva. Jadi, untuk memodelkannya, saya hanya mencari "LED ngspice". Saya menemukan banyak orang memposting "model LED" mereka dan saya memutuskan untuk menggunakan " *Ketik RED GaAs LED: Vf=1.7V Vr=4V If=40mA trr=3uS. MODEL LED1 D (IS=93.2P RS=42M N=3.73 BV=4 IBV=10U + CJO=2.97P VJ=.75 M=.333 TT=4.32U)?”

Kami akan memilih "LED" dari menu simbol dan menempelkan kode ini ke ruang kosong di bawah perpustakaan di "Edit model bumbu". Kami juga akan mengaktifkan urutan node alternatif dan menulis "2 1", seperti yang ditunjukkan pada gambar 1

Setelah menambahkan beberapa sentuhan akhir, seperti resistor dan menghubungkan kabel, kami siap untuk memulai simulasi

Langkah 6: Simulasi

Simulasi itu rumit, jadi dalam tutorial ini kami akan menjelaskan dasar-dasarnya dan bagaimana Anda bisa memulai

• Pertama, kita buka simulator dari tab tools di pita atas (gambar 1)
• Kemudian kita pergi ke tab simulasi di pita atas dan klik pengaturan, dari sana kita dapat menentukan jenis simulasi yang ingin kita jalankan, dan parameternya. (Gambar 2)

Kami ingin menjalankan simulasi sementara. Ada juga sapuan DC dan AC yang tersedia sebagai opsi simulasi. Sapuan DC menambah nilai arus Dc dan melaporkan perubahan dalam lingkaran sementara AC memantau respons frekuensi.

• Namun, analisis transien mensimulasikan rangkaian secara real-time. Ini memiliki 3 parameter, di mana kita akan menggunakan dua. Langkah waktu adalah seberapa sering simulator akan merekam hasil, dan waktu terakhir adalah setelah berapa detik perekaman akan berhenti. Kita input 1 milidetik dan 5 milidetik lalu ok, lalu kita jalankan simulasinya (gambar 3)
• Seperti yang Anda lihat, pada tampilan teks yang lebih rendah itu menunjukkan kepada kita nilai tegangan dan arus di berbagai komponen. Kami juga dapat membuat grafik nilai-nilai ini dengan menggunakan tombol "tambah sinyal" dan kemudian memilih tegangan atau arus dari komponen tertentu. Kami juga dapat menyelidiki setelah kami memulai simulasi. Probing memungkinkan kita untuk memantau kurva tegangan dan arus pada komponen tertentu secara langsung dengan mengkliknya. (gambar 4)

Langkah 7: Mengakhiri

Karena rangkaian ini seharusnya dibuat dengan LDR dan resistor, kita dapat mengubah resistansi kedua komponen ini dan kemudian menjalankan kembali rangkaian untuk menentukan nilai resistansi yang kita inginkan untuk LED yang dikendalikan cahaya ini menggunakan transistor npn emitor bersama. sebagai rangkaian saklar.