Simulazione di un circuito KiCad: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Disegnare e progettare circuiti è un processo antico, vecchio quanto i primi componenti elettronici. Era facile allora. C'era un numero limitato di componenti e quindi un numero limitato di configurazioni, in altre parole: i circuiti erano più semplici. Ora, nella cosiddetta era dell'informazione, c'è una miriade - MOLTO - di componenti diversi, e ogni componente elettronico ha più di una dozzina di modelli e ogni modello è prodotto da una manciata di aziende. Inutile dire che ogni modello e ogni componente specifico dell'azienda differiscono l'uno dall'altro. Possono avere i loro pregiudizi, errori con tolleranze diverse, condizioni operative massime e minime diverse e, naturalmente, possono cambiare leggermente il modo in cui il circuito risponde e funziona. Per finire, i circuiti al giorno d'oggi sono molto complessi; composto da un massimo di dozzine di componenti che interagiscono tra loro per svolgere compiti diversi in base all'input.

Come hai correttamente intuito, sarebbe un incubo provare ad analizzare questi circuiti con il calcolo oa mano. Inoltre, alcune tolleranze e sfumature andrebbero perse o alterate in quanto specifiche del prodotto. È qui che entra in gioco la simulazione. Sfruttando la potenza della tecnologia moderna e con velocità all'avanguardia, un'analisi del circuito che avrebbe richiesto team di persone che lavorano per ore è ora semplice come impostare il

Forniture

-Kicad versione 5.0 o successiva

-Connessione Internet per scaricare le librerie

Passaggio 1: come avviene la magia?

Premettiamo questo dicendo che KiCad non gestisce le simulazioni. KiCad è semplicemente un'interfaccia utente (interfaccia utente). Un'analogia comparabile sarebbe che KiCad è solo un intermediario tra te e il programma di simulazione, che potrebbe essere uno dei molteplici software chiamati "SPICE".

SPICE è l'abbreviazione di "Programma di simulazione con enfasi sui circuiti integrati". Nel caso di KiCad, KiCad 5.0 e versioni successive viene fornito preconfezionato con un programma SPICE chiamato ngspice. Ngspice ha le sue stranezze, singhiozzi e limiti, ma sarà il software su cui ci concentreremo. Ngspice utilizza "Componenti" per modellare il comportamento del circuito. Ciò significa che oltre a disegnare gli schemi circuitali dobbiamo anche annotare e "assegnare" i modelli ai singoli componenti. Per risolvere il problema di più modelli degli stessi componenti, ngspice ha deciso di lasciare che ogni azienda realizzasse "modelli di spezie" che replicassero le proprietà e le sfumature delle loro controparti reali, e quindi impacchettassero questi modelli come librerie scaricabili, in modo da disegnare un circuito sarebbe semplice come scaricare le librerie richieste e assegnare il modello ai nostri componenti. Ma sono solo chiacchiere, sporchiamoci le mani e vediamo come funziona davvero.

Passaggio 2: scelta di un circuito e modellazione dei componenti passivi

Abbiamo scelto un circuito semplice che ci consente di dimostrare come possiamo fornire i nostri valori SPICE ai componenti e come possiamo utilizzare i componenti elencati dai fornitori

Prima di tutto, come possiamo vedere dalla figura; ci sono 8 componenti in questo circuito.• 2 resistori

• 1 batteria da 9v

• 1 LDR

• 1 transistor BC 547 npn

• 1 LED

• 1 reostato •

1 terra

Resistenze di modellazione di tutti i tipi Ngspice “assegna modelli” alle resistenze, in altre parole: le riconosce. Quindi non abbiamo bisogno di modificarli o armeggiare con le librerie per realizzarli. Notiamo anche che c'è un reostato e un LDR. In ngspice, possono essere entrambi modellati come resistori costanti di cui modificheremo i loro valori quando necessario. In altre parole, se dobbiamo “aumentare la luce” o aumentare il carico del reostato, dovremo fermare la simulazione, modificare il carico, e poi rieseguirla.

Passaggio 3: modellazione di sorgenti e basi di tensione

Ngspice non riconosce le sorgenti di tensione "standard"; quelli usati da KiCad. Fornisce una libreria specifica per le sorgenti di tensione e le masse

Per accedere alla libreria, per prima cosa, dobbiamo selezionare la scheda "Scegli simbolo" e cercare "spezie"

*Come visto in (figura 1), abbiamo la libreria “pspice” e quella “simulation_spice”. Per le sorgenti di tensione, vogliamo scorrere verso il basso fino alla libreria simulazione_spice e scegliere una sorgente di tensione CC

Successivamente, dobbiamo impostare i suoi valori affinché il simulatore capisca, in questo circuito vogliamo una sorgente da 9v dc. Facciamo clic su "E" sulla sorgente di tensione e si apre il seguente menu, mostrato in (figura 2). Scegliamo un nome di riferimento per la sorgente di tensione, ad esempio VoltageMain, quindi facciamo clic su "Modifica modello Spice". Come mostrato sopra

Quindi scegliamo un valore di dc 9v, e questo è tutto. Come mostrato in (figura 3)

Il terreno

Per la terra, cerchiamo di nuovo "spezia" e il primo risultato è il potenziale di riferimento 0V come mostrato in. (figura 4). A differenza dei normali schemi, il software spice ha bisogno della terra poiché calcola le sue tensioni in base al riferimento 0v.

Passaggio 4: modellazione del transistor

Come possiamo vedere dalla foto del circuito, il transistor utilizzato è un modello molto specifico, il “BC547”. In generale, quasi tutti i componenti prodotti si trovano sul sito Web del rispettivo produttore. Sotto il loro strumento o scheda di supporto, ci saranno "modelli di simulazione" con il numero di modello e un relativo modello di spezie. Nel nostro caso ho cercato online "bc547" e ho scoperto che era prodotto da una società chiamata "On semiconductors". Ho cercato il loro sito Web "https://www.onsemi.com/" e ho trovato il modello facendo come segue:

• Ho aperto la loro scheda "Strumenti e supporto", sotto I, ho trovato una scheda delle risorse di progettazione. (Figura 1)
• Sotto le risorse di progettazione hanno chiesto il tipo di documento, ho scelto "Modelli di simulazione" (figura 2)
• Ho cercato la parte per nome: "BC547". Vogliamo la libreria, quindi scegliamo "BC547 Lib Model" e la scarichiamo. (figura 3)
• Dopo averlo scaricato, ho inserito il file lib nella directory del mio progetto. Ora la mia directory del progetto è mostrata nella finestra originale di KiCad che ho aperto, come mostrato in (figura 4). Ho fatto clic su quella directory, ho incollato il file della libreria come mostrato e sono tornato per trovarlo mostrato accanto ai file del mio progetto
• Dopo tutto ciò che è stato detto e fatto, disegniamo il simbolo del transistor. Ho fatto clic utilizzando il menu "Simbolo del luogo" e ho cercato solo il nome. Si scopre che quasi tutti i componenti esistono nel menu dei simboli come in (figura 5).
• Ora non resta che assegnare il modello al simbolo. Clicchiamo "E" come sempre sul simbolo e clicchiamo su "Modifica modello spezie".

• Come possiamo vedere, le uniche schede disponibili sono model, passive e source. Poiché i transistor non sono né sorgenti né passivi, scegliamo il modello e scegliamo di collegare una libreria da riempire. Il menu si apre prima alla directory del progetto, in cui fortunatamente abbiamo già inserito la libreria. Facciamo clic sul file lib.

  • Grande!! Ora ngspice ha identificato il transistor come "BC547" ed è quasi pronto per funzionare. C'è un piccolo dettaglio da sistemare per primo. Dobbiamo abilitare la sequenza di nodi alternativa e digitare "3 2 1". Il motivo per cui dobbiamo eseguire questo passaggio è che ngspice nomina i 3 terminali del transistor in modo opposto a come li mostra KiCad. Quindi, potrebbe avere 3 assegnato al collettore mentre KiCad mostra 3 come emettitore. Per evitare confusione, riconfiguriamo l'ordine dei nomi di Spice, come mostrato in (figura 7)
  • Anddddd è così! Questo processo è quasi identico per tutti i modelli di forniture di fornitori. Una volta che hai capito questa parte del tutorial, puoi utilizzare qualsiasi tipo di modello e componente elettronico con solo una piccola ricerca.

Passaggio 5: modellazione dei LED

I LED sono un po' più complicati nel fatto che la loro modellazione richiede una certa conoscenza dei loro parametri e dell'adattamento della curva. Quindi, per modellarli ho semplicemente cercato "LED ngspice". Ho trovato più persone che pubblicavano i loro "modelli LED" e ho deciso di scegliere questo " *Typ RED GaAs LED: Vf=1.7V Vr=4V If=40mA trr=3uS. MODELLO LED1 D (IS=93.2P RS=42M N=3.73 BV=4 IBV=10U + CJO=2.97P VJ=.75 M=.333 TT=4.32U)?”

Sceglieremo "LED" dal menu dei simboli e incolleremo questo codice nello spazio vuoto sotto le librerie in "Modifica modello spezie". Passeremo anche alla sequenza di nodi alternativa e scriveremo "2 1 ", come mostrato nella figura 1

Dopo aver aggiunto gli ultimi ritocchi, come le resistenze e aver collegato i fili, siamo pronti per iniziare a simulare

Passaggio 6: simulazione

La simulazione è complessa, quindi in questo tutorial spiegheremo le basi e come iniziare

• Innanzitutto, apriamo il simulatore dalla scheda strumenti nella barra multifunzione superiore (figura 1)
• Quindi andiamo alla scheda Simulazione nella barra multifunzione superiore e facciamo clic su Impostazioni, da lì possiamo specificare che tipo di simulazione vogliamo eseguire e i suoi parametri. (figura 2)

Vogliamo eseguire una simulazione transitoria. C'è anche la scansione DC e AC disponibile come opzioni di simulazione. La scansione DC incrementa il valore della corrente DC e riporta i cambiamenti nei cerchi mentre AC monitora la risposta in frequenza.

• Tuttavia, l'analisi transitoria simula un circuito in tempo reale. Ha 3 parametri, di cui useremo due. Il passo temporale è la frequenza con cui il simulatore registrerà i risultati e il tempo finale è dopo quanti secondi si interromperà la registrazione. Inseriamo 1 millisecondo e 5 millisecondi e poi ok, quindi eseguiamo la simulazione (figura 3)
• Come puoi vedere, nel display di testo inferiore ci ha mostrato i valori di tensione e corrente su vari componenti. Potremmo anche rappresentare graficamente questi valori utilizzando il pulsante “aggiungi segnali” e poi scegliendo la tensione o la corrente di un determinato componente. Possiamo anche sondare dopo aver avviato la simulazione. Il sondaggio ci consente di monitorare le curve di tensione e corrente in un determinato componente direttamente facendo clic su di esso. (figura 4)

Passaggio 7: concludere

Poiché si supponeva che questo circuito fosse realizzato con un LDR e un resistore, possiamo alterare la resistenza di entrambi questi componenti e quindi eseguire nuovamente il circuito per determinare i valori di resistenza che vorremmo per questo LED controllato dalla luce utilizzando un transistor npn a emettitore comune come circuito di commutazione.