Simulering af et KiCad -kredsløb: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Tegning og design af kredsløb er en gammel proces, lige så gammel som de første elektroniske komponenter. Det var let dengang. Der var et begrænset antal komponenter og derfor et begrænset antal konfigurationer, med andre ord: kredsløb var enklere. Nu i den såkaldte informationsalder er der et utal af Masser af forskellige komponenter, og hver elektronisk komponent har over et dusin modeller, og hver model er fremstillet af en håndfuld virksomheder. Det er overflødigt at sige, at hver model og hver virksomhedsspecifik komponent adskiller sig fra hinanden. De kan have deres fordomme, fejl med forskellige tolerancer, forskellige max- og min -driftsbetingelser og kan naturligvis ændre lidt på, hvordan kredsløbet reagerer og fungerer. Til toppen af det hele er kredsløb i dag meget komplekse; bestående af op til snesevis af komponenter, der interagerer sammen for at udføre forskellige opgaver baseret på input.

Som du har gættet korrekt, ville det være et mareridt at forsøge at analysere disse kredsløb ved beregning eller i hånden. Desuden vil nogle tolerancer og nuancer gå tabt eller ændres, da de er produktspecifikke. Det er her simulering kommer ind. At udnytte kraften i moderne teknologi og med banebrydende hastigheder er en kredsløbsanalyse, der ville have taget hold af mennesker, der arbejder i timevis, nu lige så enkelt som at indstille

Forbrugsvarer

-Kicad version 5.0 eller nyere

-Internetforbindelse til download af biblioteker

Trin 1: Hvordan sker det magiske?

Lad os forordse dette ved at sige, at KiCad ikke håndterer simuleringer. KiCad er blot et UI (brugergrænseflade). En lignende analogi ville være, at KiCad bare er en mellemmand mellem dig og simuleringsprogrammet, som kan være en af flere software kaldet "SPICE".

SPICE er en forkortelse af "Simuleringsprogram med vægt på integreret kredsløb". I KiCads tilfælde kommer KiCad 5.0 og senere færdigpakket med et SPICE-program kaldet ngspice. Ngspice har sine finesser, hikke og begrænsninger, men vil være den software, vi vil fokusere på. Ngspice bruger "komponenter" til at modellere kredsløbets adfærd. Dette betyder, at vi bortset fra at tegne kredsløbsskemaerne også skal kommentere og "tildele" modeller til individuelle komponenter. For at løse problemet med flere modeller af de samme komponenter besluttede ngspice at lade hvert firma lave “krydderimodeller”, der replikerer egenskaberne og nuancerne for deres virkelige modstykker og derefter pakker disse modeller som biblioteker, der kan downloades, så der tegnes et kredsløb ville være lige så enkelt som at downloade de nødvendige biblioteker og tildele model til vores komponenter. Men det er alt snak, lad os gøre vores hånd beskidt og se, hvordan dette rent faktisk fungerer.

Trin 2: Valg af kredsløb og modellering af passive komponenter

Vi valgte et simpelt kredsløb, der giver os mulighed for at demonstrere, hvordan vi kan levere vores egne SPICE -værdier til komponenter, og hvordan vi kan bruge komponenter, som leverandører angav

Først og fremmest, som vi kan se fra figuren; der er 8 komponenter til dette kredsløb. • 2 modstand

• 1 9v batteri

• 1 LDR

• 1 BC 547 npn transistor

• 1 LED

• 1 reostat •

1 grund

Modelleringsmodstande af alle typer Ngspice "tildeler modeller" til modstande, med andre ord: den genkender dem. Så vi behøver ikke at ændre dem eller pille ved biblioteker for at lave dem. Vi bemærker også, at der er en reostat og en LDR. I ngspice kan de begge modelleres som konstante modstande, at vi vil ændre deres værdier efter behov. Med andre ord, hvis vi har brug for at "øge lyset" eller øge reostatens belastning, bliver vi nødt til at stoppe simuleringen, ændre belastningen og derefter køre den igen.

Trin 3: Modellering af spændingskilder og grunde

Ngspice genkender ikke "standard" spændingskilder; dem, der bruges af KiCad. Det giver et bibliotek specifikt til spændingskilder og grunde

For at få adgang til biblioteket skal vi først vælge fanen "Vælg symbol" og søge efter "krydderi"

*Som det ses i (figur 1), har vi biblioteket "pspice" og det "simulation_spice". For spændingskilder vil vi rulle ned til biblioteket simulation_spice og vælge en DC -spændingskilde

Bagefter skal vi indstille dens værdier, som simulatoren skal forstå, i dette kredsløb ønsker vi en 9v dc kilde. Vi klikker "E" på spændingskilden, og følgende menu åbnes, vist i (figur 2). Vi vælger et referencenavn til spændingskilden, f.eks. VoltageMain, og klikker derefter på "Rediger krydderimodel." Som vist ovenfor

Så vælger vi en værdi på dc 9v, og det handler om det. Som vist i (figur 3)

Jorden

Til jorden søger vi igen efter "krydderi", og det første resultat er 0V -referencepotentialet som vist i. (Figur 4). I modsætning til normal skematik har krydderisoftware brug for jorden, da den beregner sine spændinger baseret på 0v -referencen.

Trin 4: Modellering af transistoren

Som vi kan se fra kredsløbsbilledet, er den anvendte transistor en meget specifik model, "BC547". Som en generel sag findes næsten alle fremstillede komponenter på deres respektive producenters websted. Under deres værktøjs- eller supportfane vil der være "simuleringsmodeller" med modelnummeret og en relativ krydderimodel. I vores tilfælde søgte jeg efter “bc547” online og fandt ud af, at det blev fremstillet af et firma kaldet “On semiconductors”. Jeg søgte efter deres websted “https://www.onsemi.com/” og fandt modellen ved at gøre som følger:

• Jeg åbnede deres fane “Værktøjer og support”, under jeg fandt en fane med designressourcer. (figur 1)
• Under designressourcerne, de bad om typen af dokument, valgte jeg "Simuleringsmodeller" (figur 2)
• Jeg søgte efter delen ved navn: “BC547”. Vi vil have biblioteket, så vi vælger “BC547 Lib Model” og downloadede det. (figur 3)
• Efter at have downloadet den, lagde jeg lib -filen i mit projektmappe. Nu vises mit projektmappe i det originale KiCad -vindue, jeg åbnede, som det ses i (figur 4). Jeg klikkede mig til den mappe, indsatte biblioteksfilen som vist og vendte tilbage for at finde den vist sammen med mit projekts filer
• Efter alt det der er sagt og gjort, lad os tegne transistorsymbolet. Jeg klikkede ved hjælp af menuen "stedssymbol" og søgte bare efter navnet. Du finder ud af, at næsten alle komponenter findes i symbolmenuen som i (figur 5).
• Nu er det tilbage at tildele modellen til symbolet. Vi klikker “E” som altid på symbolet, og klikker på “Rediger krydderimodel”.

• Som vi kan se, er de eneste tilgængelige faner model, passiv og kilde. Da transistorer hverken er kilde eller passive, vælger vi modellen og vælger at plug-in et bibliotek, der skal udfyldes. Menuen åbner først for projektets bibliotek, som vi heldigvis allerede har lagt biblioteket i det. Vi klikker på lib -filen.

  • Store!! Nu har ngspice identificeret transistoren som "BC547" og er næsten klar til drift. Der er en lille detalje, der skal sorteres først. Vi skal aktivere alternativ nodesekvens og skrive "3 2 1". Grunden til at vi er nødt til at gøre dette trin er, at ngspice navngiver de 3 transistorterminaler på en måde modsat hvordan KiCad viser dem. Så det kan have 3 tildelt opsamleren, mens KiCad viser 3 som udsender. For at undgå forvirring omkonfigurerer vi Spices navneorden, som vist i (figur 7)
  • Anddddd det er det! Denne proces er næsten identisk for allvendor-forbrugsmodeller. Når du har viklet dit hoved omkring denne selvstudiedel, kan du bruge enhver form for elektronisk model og komponent med kun lidt research.

Trin 5: Modellering af lysdioder

Lysdioder er lidt vanskeligere i det faktum, at modellering af dem kræver en vis viden om deres parametre og kurvetilpasning. Så for at modellere dem slog jeg bare op "LED ngspice". Jeg fandt flere mennesker, der lagde deres "LED -modeller" ud, og jeg besluttede at gå med denne " *Typ 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)?”

Vi vælger "LED" fra symbolmenuen og indsætter denne kode i det tomme rum under bibliotekerne i "Rediger krydderimodel". Vi vil også tænde for den alternative nodesekvens og skrive "2 1", som vist i figur 1

Efter at have tilføjet nogle sidste detaljer, som modstande og tilslutning af ledningerne, er vi klar til at begynde at simulere

Trin 6: Simulering

Simulering er kompleks, så i denne vejledning forklarer vi det grundlæggende, og hvordan du kan komme i gang

• Først åbner vi simulatoren fra værktøjsfanen i det øverste bånd (figur 1)
• Derefter går vi til fanen simulering i det øverste bånd og klikker på indstillinger, derfra kan vi angive, hvilken slags simulering vi vil køre, og dens parametre. (figur 2)

Vi ønsker at køre en forbigående simulering. Der er også DC- og AC -sweep til rådighed som simuleringsmuligheder. DC -sweep øger værdien af DC -strømmen og rapporterer ændringerne i cirklerne, mens AC overvåger frekvensresponsen.

• Imidlertid simulerer forbigående analyse et kredsløb i realtid. Det har 3 parametre, hvoraf vi skal bruge to. Tidstrin er, hvor ofte vil simulatoren registrere resultater, og den sidste tid er efter, hvor mange sekunder optagelsen stopper. Vi indtaster 1 millisekund og 5 millisekunder og derefter ok, og derefter kører vi simuleringen (figur 3)
• Som du kan se, viste det i det nederste tekstdisplay os spændings- og strømværdierne på tværs af forskellige komponenter. Vi kunne også tegne disse værdier ved at bruge knappen "tilføj signaler" og derefter vælge spændingen eller strømmen for en bestemt komponent. Vi kan også undersøge, når vi har startet simuleringen. Ved sondering kan vi overvåge spænding og strømkurver i en bestemt komponent direkte ved at klikke på den. (figur 4)

Trin 7: Indpakning

Da dette kredsløb skulle være lavet med en LDR og en modstand, kan vi ændre begge disse komponenters modstand og derefter genstarte kredsløbet for at bestemme de modstandsværdier, vi gerne vil have for denne lysstyrede LED ved hjælp af en common-emitter npn transistor som et switch -kredsløb.