Symulacja obwodu KiCad: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Rysowanie i projektowanie obwodów to stary proces, tak stary jak pierwsze elementy elektroniczne. Wtedy było łatwo. Istniała ograniczona liczba komponentów, a zatem ograniczona liczba konfiguracji, innymi słowy: obwody były prostsze. Obecnie, w tak zwanej epoce informacyjnej, istnieje mnóstwo – WIELE – różnych elementów, a każdy element elektroniczny ma kilkanaście modeli, a każdy model jest produkowany przez garstkę firm. Nie trzeba dodawać, że każdy model i każdy element charakterystyczny dla firmy różnią się od siebie. Mogą mieć swoje błędy systematyczne, błędy o różnych tolerancjach, różne maksymalne i minimalne warunki pracy i oczywiście mogą nieznacznie zmienić sposób, w jaki obwód odpowiada i działa. Co więcej, obwody w dzisiejszych czasach są bardzo złożone; składający się z kilkudziesięciu komponentów, które współdziałają ze sobą, aby wykonywać różne zadania na podstawie danych wejściowych.

Jak słusznie zgadłeś, koszmarem byłoby próbować analizować te obwody za pomocą obliczeń lub ręcznie. Ponadto niektóre tolerancje i niuanse zostałyby utracone lub zmienione, ponieważ są one specyficzne dla produktu. W tym miejscu wkracza symulacja. Wykorzystując moc nowoczesnej technologii i przy przełomowych prędkościach, analiza obwodów, która wymagałaby zespołów ludzi pracujących godzinami, jest teraz tak prosta, jak ustawienie

Kieszonkowe dzieci

-Kicad w wersji 5.0 lub nowszej

-Połączenie internetowe do pobierania bibliotek

Krok 1: Jak dzieje się magia?

Poprzedźmy to stwierdzeniem, że KiCad nie obsługuje symulacji. KiCad to jedynie interfejs użytkownika (interfejs użytkownika). Porównywalną analogią byłoby to, że KiCad jest tylko pośrednikiem między tobą a programem symulacyjnym, który może być jednym z wielu programów o nazwie „SPICE”.

SPICE to skrót od „Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis”. W przypadku KiCad, KiCad 5.0 i nowsze są dostarczane z pakietem SPICE o nazwie ngspice. Ngspice ma swoje dziwactwa, czkawki i ograniczenia, ale będzie to oprogramowanie, na którym się skupimy. Ngspice używa „Komponentów” do modelowania zachowania obwodu. Oznacza to, że oprócz rysowania schematów obwodów musimy również opisywać i „przypisywać” modele do poszczególnych elementów. Aby rozwiązać problem wielu modeli tych samych komponentów, firma ngspice zdecydowała się pozwolić każdej firmie stworzyć „modele przypraw”, które odwzorowują właściwości i niuanse ich rzeczywistych odpowiedników, a następnie spakować te modele jako biblioteki do pobrania, aby rysować obwód byłoby tak proste, jak pobranie wymaganych bibliotek i przypisanie modelu do naszych komponentów. Ale to wszystko gadka, ubrudźmy sobie ręce i zobaczmy, jak to naprawdę działa.

Krok 2: Wybór obwodu i modelowanie elementów pasywnych

Wybraliśmy prosty obwód, który pozwala nam zademonstrować, w jaki sposób możemy dostarczyć własne wartości SPICE do komponentów i jak możemy wykorzystać komponenty wymienione przez dostawców

Po pierwsze, jak widać na rysunku; w tym obwodzie jest 8 elementów. • 2 rezystory

• 1 bateria 9V

• 1 LDR

• 1 tranzystor npn BC 547

• 1 dioda LED

• 1 reostat •

1 ziemia

Modelowanie Rezystory wszystkich typów Ngspice „przypisuje modele” do oporów, innymi słowy: rozpoznaje je. Więc nie musimy ich modyfikować ani majstrować przy bibliotekach, aby je stworzyć. Zauważamy również, że jest reostat i LDR. W ngspice oba mogą być modelowane jako stałe rezystory, których wartości będziemy modyfikować zgodnie z potrzebami. Innymi słowy, jeśli potrzebujemy „zwiększyć światło” lub zwiększyć obciążenie reostatu, będziemy musieli zatrzymać symulację, zmodyfikować obciążenie, a następnie uruchomić ją ponownie.

Krok 3: Modelowanie źródeł napięcia i uziemienia

Ngspice nie rozpoznaje „standardowych” źródeł napięcia; te używane przez program KiCad. Zapewnia bibliotekę specjalnie dla źródeł napięcia i uziemienia

Aby uzyskać dostęp do biblioteki, najpierw musimy wybrać zakładkę „Wybierz symbol” i wyszukać „przyprawa”

*Jak widać na rysunku (rysunek 1), mamy bibliotekę „pspice” i „simulation_spice”. W przypadku źródeł napięciowych chcemy przewinąć w dół do biblioteki Simulation_spice i wybrać źródło napięcia stałego

Następnie musimy ustawić jego wartości, aby symulator zrozumiał, w tym obwodzie chcemy źródła 9 V prądu stałego. Klikamy „E” na źródle napięcia i otwiera się następujące menu, pokazane na (rysunek 2). Wybieramy nazwę odniesienia dla źródła napięcia, na przykład VoltageMain, a następnie klikamy „Edit Spice Model”. Jak pokazane powyżej

Następnie wybieramy wartość dc 9v i to wszystko. Jak pokazano na (rysunek 3)

Ziemia

W przypadku ziemi ponownie szukamy słowa „spice”, a pierwszym wynikiem jest potencjał odniesienia 0 V, jak pokazano na (rysunek 4). W przeciwieństwie do normalnych schematów, oprogramowanie Spice potrzebuje uziemienia, ponieważ oblicza jego napięcia na podstawie odniesienia 0V.

Krok 4: Modelowanie tranzystora

Jak widać na rysunku obwodu, zastosowany tranzystor to bardzo specyficzny model „BC547”. W ogólnym przypadku prawie wszystkie wyprodukowane komponenty można znaleźć na stronach internetowych odpowiednich producentów. Pod ich zakładką narzędzi lub wsparcia znajdą się „modele symulacyjne” zawierające numer modelu i model względnej przyprawy. W naszym przypadku wyszukałem „bc547” w Internecie i stwierdziłem, że został wyprodukowany przez firmę o nazwie „On semiconductors”. Szukałem ich strony internetowej „https://www.onsemi.com/” i znalazłem model, wykonując następujące czynności:

• Otworzyłem ich zakładkę „Narzędzia i wsparcie”, poniżej znalazłem zakładkę zasobów projektowych. (rysunek 1)
• Poniżej zasobów projektowych, w których poprosili o rodzaj dokumentu, wybrałem „Modele symulacyjne” (rysunek 2)
• Szukałem części po nazwie: „BC547”. Chcemy biblioteki, więc wybieramy „BC547 Lib Model” i pobieramy ją. (rysunek 3)
• Po pobraniu umieszczam plik lib w katalogu mojego projektu. Teraz katalog mojego projektu jest pokazany w oryginalnym oknie programu KiCad, które otworzyłem, jak widać na (rysunek 4). Kliknąłem do tego katalogu, wkleiłem plik biblioteki, jak pokazano, i wróciłem, aby znaleźć go obok plików mojego projektu
• Po tym wszystkim, co zostało powiedziane i zrobione, narysujmy symbol tranzystora. Kliknąłem za pomocą menu „symbol miejsca” i po prostu wyszukałem nazwę. Przekonasz się, że prawie wszystkie komponenty istnieją w menu symboli, jak na (rysunek 5).
• Teraz pozostaje tylko przypisanie modelu do symbolu. Klikamy „E” jak zawsze na symbol i klikamy „Edytuj model przyprawy”.

• Jak widać, jedyne dostępne zakładki to model, pasywny i źródłowy. Ponieważ tranzystory nie są ani źródłowe, ani pasywne, wybieramy model i podłączamy bibliotekę do wypełnienia. Menu otwiera się najpierw do katalogu projektu, w którym na szczęście umieściliśmy już w nim bibliotekę. Klikamy na plik lib.

  • Świetny!! Teraz ngspice zidentyfikował tranzystor jako „BC547” i jest prawie gotowy do pracy. Najpierw należy posortować jeden drobny szczegół. Musimy włączyć alternatywną kolejność węzłów i wpisać „3 2 1”. Powodem, dla którego musimy wykonać ten krok, jest to, że ngspice nazywa 3 terminale tranzystorowe w sposób odwrotny do tego, jak pokazuje je KiCad. Tak więc może mieć 3 przypisane do kolektora, podczas gdy KiCad pokazuje 3 jako emiter. Aby uniknąć nieporozumień, zmieniamy kolejność nazewnictwa Spice, jak pokazano na (rysunek 7)
  • I to jest to! Ten proces jest prawie identyczny dla wszystkich modeli z dostawą. Po obejrzeniu tej części samouczka możesz użyć dowolnego typu modelu elektronicznego i komponentu po odrobinie badań.

Krok 5: Modelujące diody LED

Diody LED są nieco trudniejsze, ponieważ ich modelowanie wymaga pewnej wiedzy na temat ich parametrów i dopasowania krzywej. Tak więc, aby je zamodelować, po prostu spojrzałem na „LED ngspice”. Znalazłem wiele osób publikujących swoje „modele LED” i zdecydowałem się skorzystać z tego „ *Typ RED GaAs LED: Vf = 1,7 V Vr = 4 V If = 40 mA trr = 3uS. MODEL LED1 D (IS=93,2P RS=42M N=3,73 BV=4 IBV=10U + CJO=2,97P VJ=0,75 M=0,333 TT=4,32U)?”

Wybierzemy „LED” z menu symboli i wkleimy ten kod w puste miejsce pod bibliotekami w „Edytuj model przyprawy”. Włączymy również alternatywną sekwencję węzłów i napiszemy „2 1”, jak pokazano na rysunku 1

Po dodaniu kilku ostatnich szlifów, takich jak rezystory i podłączenie przewodów, jesteśmy gotowi do rozpoczęcia symulacji

Krok 6: Symulacja

Symulacja jest złożona, dlatego w tym samouczku wyjaśnimy podstawy i od czego zacząć

• Najpierw otwieramy symulator z zakładki narzędzi na górnej wstążce (rysunek 1)
• Następnie przechodzimy do zakładki symulacji na górnej wstążce i klikamy ustawienia, skąd możemy określić jaki rodzaj symulacji chcemy uruchomić oraz jej parametry. (Rysunek 2)

Chcemy przeprowadzić symulację nieustaloną. Jako opcje symulacji dostępne są również przemiatanie DC i AC. Przemiatanie DC zwiększa wartość prądu DC i zgłasza zmiany w okręgach, podczas gdy AC monitoruje odpowiedź częstotliwościową.

• Jednak analiza stanów nieustalonych symuluje obwód w czasie rzeczywistym. Posiada 3 parametry, z których użyjemy dwóch. Krok czasowy określa, jak często symulator będzie rejestrował wyniki, a ostatni czas to po ilu sekundach nagrywanie zostanie zatrzymane. Wprowadzamy 1 milisekundę i 5 milisekund, a następnie ok, a następnie uruchamiamy symulację (rysunek 3)
• Jak widać, na dolnym wyświetlaczu tekstowym pokazywał nam wartości napięcia i prądu na różnych komponentach. Możemy również wykreślić te wartości, używając przycisku „dodaj sygnały”, a następnie wybierając napięcie lub prąd danego elementu. Możemy również sondować po rozpoczęciu symulacji. Sondowanie pozwala nam monitorować krzywe napięcia i prądu w danym elemencie bezpośrednio przez kliknięcie go. (rysunek 4)

Krok 7: Podsumowanie

Ponieważ ten obwód miał być wykonany z LDR i rezystorem, możemy zmienić rezystancję obu tych elementów, a następnie ponownie uruchomić obwód, aby określić wartości rezystancji, które chcielibyśmy dla tej diody LED sterowanej światłem za pomocą tranzystora npn ze wspólnym emiterem jako obwód przełącznika.