sonic
05.08.2004, 15:22
Schaltungssimulation mit SwitcherCAD III
LTSpice/SwitcherCad III Tutorial – Teil 1
Was ist LTSpice/SwitcherCAD?
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-1.gif
Jetzt fehlt natürlich noch die Spannungsquelle und (ganz wichtig) die GND-Symbole. Bei jeder Spicesimulation muss min. 1 GND-Symbol angeschlossen werden.
Zum Einfügen der Spannungsquelle klickt man auf das „Components“-Symbol http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-components.gifund wählt das Bauteil „Voltage“ aus. Zum setzen der GND-Symbole klickt man auf http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-gnd.gif.
Die genannten Bauteile werden in der Schaltung platziert. Danach sollte der Schaltplan ungefähr so aussehen.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-2.gif
Mit den „Move“ bzw. „Drag“ Werkzeugen können die Bauteile verschoben werden. In einem der beiden Modi lassen sich die Bauteile auch drehen und spiegeln indem man auf eines dieser Symbole klickt http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-rotate-mirror.gif
Nachdem nun die Bauteile platziert sind müssen sie noch „verkabelt“ werden, das geschieht in dem man das „Wire“-Symbol http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-wire.gif anklickt und die Anschlusspunkte (markiert durch kleine Rechtecke) der Bauteile entsprechend miteinander verbindet.
Die fertige Schaltung sollte dann ungefähr so aussehen.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-3.gif
Das war es jetzt auch schon fast. Was aber noch fehlt sind die Werte der verschiedenen Bauteile. Diese lassen sich einfach eingeben indem man mit der rechten Maustaste auf das Bauteil klickt, für welches man den Wert eingeben will. Für die Widerstände erscheint folgendes Menü:
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-Resistor.gif
Der Einfachheit halber habe ich für beide Widerstände 100k Ohm eingegeben.
Das Menü der Spannungsquelle sieht folgendermaßen aus
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-Voltage.gif
Ich habe 12V für die Spannung gewählt und einen Innenwiderstand von 0.01 Ohm eingegeben. Die Werte erscheinen direkt nach der Eingabe bei dem Entsprechenden Symbol.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-4.gif
Damit ist die Eingabe des Schaltplans abgeschlossen und die Schaltung kann simuliert werden.
Simulation der eingegebenen Schaltung
Die Simulation der Schaltung ist eigentlich ganz einfach.
Zuerst klickt man auf das Symbol „Run“ http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-run.gif . Danach erscheint das Menü in dem angeben kann welche Art von Simulation man durchführen möchte.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-simulation.gif
Hier wählen wir zuerst den Simulationsmodus „Transient“ und geben in dessen Parametern eine Stop Time von 1s, und eine Start Time von 0 ein.
Das bedeutet das der Verlauf der Spannungen und Ströme vom Einschalten an über einen Zeitraum von 1s simuliert werden. Danach bestätigen wir mit „OK“.
Im Anschluss erscheint folgendes Fenster
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-Waveform.gif
Hier kann man auswählen welches Diagramm zuerst dargestellt werden soll. Der Einfachheit halber wählen wir hier „V(n001)“ aus.
Zur Erklärung: Spice teilt den Schaltplan in Knoten auf (Nodes) V(n001) ist dann die Spannung am Knoten 001, I(R1) ist der Strom durch den Widerstand R1, usw.
Nach dem Bestätigen mit „OK“ läuft die Simulation und das erste Diagramm wird dargestellt.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-5.gif
Dargestellt wird die Spannung am Knoten V(n001), der Versorgungsspannung an V1 (12V).
Jetzt kommt der spannende Teil der Simulation, das hinzufügen von weiteren Plots. Wenn man mit der Maus in den unten noch sichtbaren Schaltplan fährt, ändert sich der Mauszeiger, entweder in eine Prüfspitze oder eine Strommesszange wenn man über Leitungen bzw. Bauteile fährt.
Wir wollen jetzt die Spannung an R2 in das Diagramm einfügen, dazu fahren wir in der Schaltung mit der Maus auf die Leitung, welche R1 und R2 verbindet. Wenn sich der Mauszeiger in die Prüfspitze verwandelt hat, klickt man darauf und der Plot der Spannung wird in das Diagramm eingefügt.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-6.gif
Als nächstes interessiert uns der Strom der durch die Widerstände fließt. Dazu geht man genauso vor wie bei den Spannung. Der Unterschied ist nur, daß man nicht auf die Leitung fährt sondern auf das Bauteil, und der Mauszeiger sich in eine Strommesszange verwandelt.
Da der Strom in einem Stromkreis (Masche) immer gleich ist, ist es in diesem Fall egal ob man den Strom durch R1 oder R2 wählt. Danach erscheint ein weitere Linie im oben dargestellten Diagramm.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-7.gif
Interessant ist das eine weitere Skala im Diagramm dazu gekommen ist. Nämlich auf der rechten Seite die Skala für die Stromstärke. Das geschieht automatisch.
Jetzt haben wir alle Diagramme für Spannung und Stromstärke. Aber damit geben wir uns nicht zufrieden. Uns interessiert besonders die Verlustleistung des Spannungsteilers, also wie viel Watt unsere Schaltung und die einzelnen Widerstände verbrauchen.
Die Leistung berechnet sich zu P = U * I, also Leistung = Spannung * Strom.
Zuerst erstellen wir der Übersicht wegen ein neues Diagramm.
Dazu klickt man im Simulationsfenster mit der rechten Maustaste, und dann auf „add Plot Plane“. Danach erhält man ein neues Diagramm im Simulationsfenster. Das „alte“ bleibt dabei erhalten.
Zuerst lassen wir uns den gesamten Leistungsverbrauch der Schaltung aufzeichnen. Diese berechnet sich zu Versorgungsspannung * Gesamtstromstärke, in unserem Fall also V(n001) * I(R1).
Um uns diese Kurve plotten zu lassen klicken wir mit rechts auf das neue noch leere Diagramm, und dann auf „add Trace“. Folgendes Fenster erscheint:
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-8.gif
Ich habe die Zeile auf die es ankommt hervorgehoben. In diese Zeile kann man nämlich eine mathematische Beziehung zwischen den oben wählbaren Strömen/Knoten eingeben.
Für die Gesamtleistung der Schaltung, gibt man die oben genannte Formel ( V(n001 * I(R1) ) ein. Nach einem Klick auf Ok wird die Gesamtleistung der Schaltung im vorher leeren Diagramm eingetragen. Die Skala des Diagramms wird automatisch auf Watt eingestellt.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-9.gif
Diagramme sind leider nicht absolut genau abzulesen, deswegen gibt es die Möglichkeit den Namen des entsprechenden Diagramms anzuklicken (oberhalb des Plots). Dadurch erscheint ein Fenster mit diversen Angaben zum Plott, unter anderem erfährt man dort, dass die gesamte Leistungsaufnahme der Schaltung 720uW beträgt.
Genauso verfährt man wenn man die Leistungsaufnahme eines Widerstandes plotten will. Allerdings ist die Formel der Verlustleistung eines Widerstands P = Spannungsabfall * Stromstärke. Die einzutragende Formel ist also (für R1)
(Versorgungsspannung – Spannung zwischen R1 und R2) * Strom durch R1.
Mit den Worten von LTSpice wäre das dann (V(n001)-V(n002)) * I(R1).
Gibt man das genauso wie beim ersten Plot ein, erhält man folgendes Bild
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-10.gif
Durch anklicken der Plottbezeichnung (oben) erfährt man, dass ein Widerstand eine Verlustleistung von 360uW verbraucht.
Die Verlustleistung der beiden Widerstände ist natürlich gleich, da sie beide gleich groß sind. Ich habe das mit Absicht so gemacht, jetzt ist es nämlich eure Aufgabe mit den Werten der Widerstände und der Spannungsquelle zu spielen um ein Gefühl für das Programm zu bekommen ;-)
Dazu braucht man nicht noch mal alles neu eingeben sondern kann im unteren Fenster der Schaltung einfach wieder mit rechts auf ein Bauteil klicken und die entsprechenden Werte verändern. Um die Änderung auch in den Diagrammen sichtbar zu machen muss man einfach noch einmal auf http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-run.gif klicken und die neuen Werte werden berechnet und sofort dargestellt.
Weitere Hinweise
Die Diagramme und Einstellungen dafür lassen sich leider nicht speichern (keine Ahnung warum, vielleicht hab ich es einfach noch nicht gefunden), aber man kann die Werte in eine Textdatei speichern lassen (z.B. für Excel) oder als WMF-Datei exportieren.
Zum Exportieren in eine Textdatei klickt man auf „File -> Export“ und gibt dort an, welche Plots wo und wie gespeichert werden sollen.
Der WMF-Export funktioniert über „Tools -> Write Plot to .wmf File“
Andere Bauteile werden in gleicher Art und Weise in die Schaltung eingebaut. Das Verfahren ist das gleiche. Um Wechselspannungen zu simulieren klickt man in den Einstellungen der Spannungsquelle (Voltage) auf „Advanced“. So kommt man in ein weiteres Menü in dem man die nötigen Einstellungen vornehmen kann.
Wie geht es weiter?
Ich habe vor einen 2. Teil des Tutorials zu schreiben in dem es dann um die Simulation von Schaltungen mit Wechselspannung geht. Ich bin noch auf der Suche nach einer geeigneten einfachen Schaltung, die, auch für Anfänger, leicht verständlich ist, aber auch genug Möglichkeiten für interessante Plots bietet. Für Hinweise bin ich immer dankbar ;-)
Bis zum 2. Teil,
Sonic
LTSpice/SwitcherCad III Tutorial – Teil 1
Was ist LTSpice/SwitcherCAD?
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-1.gif
Jetzt fehlt natürlich noch die Spannungsquelle und (ganz wichtig) die GND-Symbole. Bei jeder Spicesimulation muss min. 1 GND-Symbol angeschlossen werden.
Zum Einfügen der Spannungsquelle klickt man auf das „Components“-Symbol http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-components.gifund wählt das Bauteil „Voltage“ aus. Zum setzen der GND-Symbole klickt man auf http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-gnd.gif.
Die genannten Bauteile werden in der Schaltung platziert. Danach sollte der Schaltplan ungefähr so aussehen.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-2.gif
Mit den „Move“ bzw. „Drag“ Werkzeugen können die Bauteile verschoben werden. In einem der beiden Modi lassen sich die Bauteile auch drehen und spiegeln indem man auf eines dieser Symbole klickt http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-rotate-mirror.gif
Nachdem nun die Bauteile platziert sind müssen sie noch „verkabelt“ werden, das geschieht in dem man das „Wire“-Symbol http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-wire.gif anklickt und die Anschlusspunkte (markiert durch kleine Rechtecke) der Bauteile entsprechend miteinander verbindet.
Die fertige Schaltung sollte dann ungefähr so aussehen.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-3.gif
Das war es jetzt auch schon fast. Was aber noch fehlt sind die Werte der verschiedenen Bauteile. Diese lassen sich einfach eingeben indem man mit der rechten Maustaste auf das Bauteil klickt, für welches man den Wert eingeben will. Für die Widerstände erscheint folgendes Menü:
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-Resistor.gif
Der Einfachheit halber habe ich für beide Widerstände 100k Ohm eingegeben.
Das Menü der Spannungsquelle sieht folgendermaßen aus
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-Voltage.gif
Ich habe 12V für die Spannung gewählt und einen Innenwiderstand von 0.01 Ohm eingegeben. Die Werte erscheinen direkt nach der Eingabe bei dem Entsprechenden Symbol.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-4.gif
Damit ist die Eingabe des Schaltplans abgeschlossen und die Schaltung kann simuliert werden.
Simulation der eingegebenen Schaltung
Die Simulation der Schaltung ist eigentlich ganz einfach.
Zuerst klickt man auf das Symbol „Run“ http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-run.gif . Danach erscheint das Menü in dem angeben kann welche Art von Simulation man durchführen möchte.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-simulation.gif
Hier wählen wir zuerst den Simulationsmodus „Transient“ und geben in dessen Parametern eine Stop Time von 1s, und eine Start Time von 0 ein.
Das bedeutet das der Verlauf der Spannungen und Ströme vom Einschalten an über einen Zeitraum von 1s simuliert werden. Danach bestätigen wir mit „OK“.
Im Anschluss erscheint folgendes Fenster
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/Menue-Waveform.gif
Hier kann man auswählen welches Diagramm zuerst dargestellt werden soll. Der Einfachheit halber wählen wir hier „V(n001)“ aus.
Zur Erklärung: Spice teilt den Schaltplan in Knoten auf (Nodes) V(n001) ist dann die Spannung am Knoten 001, I(R1) ist der Strom durch den Widerstand R1, usw.
Nach dem Bestätigen mit „OK“ läuft die Simulation und das erste Diagramm wird dargestellt.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-5.gif
Dargestellt wird die Spannung am Knoten V(n001), der Versorgungsspannung an V1 (12V).
Jetzt kommt der spannende Teil der Simulation, das hinzufügen von weiteren Plots. Wenn man mit der Maus in den unten noch sichtbaren Schaltplan fährt, ändert sich der Mauszeiger, entweder in eine Prüfspitze oder eine Strommesszange wenn man über Leitungen bzw. Bauteile fährt.
Wir wollen jetzt die Spannung an R2 in das Diagramm einfügen, dazu fahren wir in der Schaltung mit der Maus auf die Leitung, welche R1 und R2 verbindet. Wenn sich der Mauszeiger in die Prüfspitze verwandelt hat, klickt man darauf und der Plot der Spannung wird in das Diagramm eingefügt.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-6.gif
Als nächstes interessiert uns der Strom der durch die Widerstände fließt. Dazu geht man genauso vor wie bei den Spannung. Der Unterschied ist nur, daß man nicht auf die Leitung fährt sondern auf das Bauteil, und der Mauszeiger sich in eine Strommesszange verwandelt.
Da der Strom in einem Stromkreis (Masche) immer gleich ist, ist es in diesem Fall egal ob man den Strom durch R1 oder R2 wählt. Danach erscheint ein weitere Linie im oben dargestellten Diagramm.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-7.gif
Interessant ist das eine weitere Skala im Diagramm dazu gekommen ist. Nämlich auf der rechten Seite die Skala für die Stromstärke. Das geschieht automatisch.
Jetzt haben wir alle Diagramme für Spannung und Stromstärke. Aber damit geben wir uns nicht zufrieden. Uns interessiert besonders die Verlustleistung des Spannungsteilers, also wie viel Watt unsere Schaltung und die einzelnen Widerstände verbrauchen.
Die Leistung berechnet sich zu P = U * I, also Leistung = Spannung * Strom.
Zuerst erstellen wir der Übersicht wegen ein neues Diagramm.
Dazu klickt man im Simulationsfenster mit der rechten Maustaste, und dann auf „add Plot Plane“. Danach erhält man ein neues Diagramm im Simulationsfenster. Das „alte“ bleibt dabei erhalten.
Zuerst lassen wir uns den gesamten Leistungsverbrauch der Schaltung aufzeichnen. Diese berechnet sich zu Versorgungsspannung * Gesamtstromstärke, in unserem Fall also V(n001) * I(R1).
Um uns diese Kurve plotten zu lassen klicken wir mit rechts auf das neue noch leere Diagramm, und dann auf „add Trace“. Folgendes Fenster erscheint:
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-8.gif
Ich habe die Zeile auf die es ankommt hervorgehoben. In diese Zeile kann man nämlich eine mathematische Beziehung zwischen den oben wählbaren Strömen/Knoten eingeben.
Für die Gesamtleistung der Schaltung, gibt man die oben genannte Formel ( V(n001 * I(R1) ) ein. Nach einem Klick auf Ok wird die Gesamtleistung der Schaltung im vorher leeren Diagramm eingetragen. Die Skala des Diagramms wird automatisch auf Watt eingestellt.
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-9.gif
Diagramme sind leider nicht absolut genau abzulesen, deswegen gibt es die Möglichkeit den Namen des entsprechenden Diagramms anzuklicken (oberhalb des Plots). Dadurch erscheint ein Fenster mit diversen Angaben zum Plott, unter anderem erfährt man dort, dass die gesamte Leistungsaufnahme der Schaltung 720uW beträgt.
Genauso verfährt man wenn man die Leistungsaufnahme eines Widerstandes plotten will. Allerdings ist die Formel der Verlustleistung eines Widerstands P = Spannungsabfall * Stromstärke. Die einzutragende Formel ist also (für R1)
(Versorgungsspannung – Spannung zwischen R1 und R2) * Strom durch R1.
Mit den Worten von LTSpice wäre das dann (V(n001)-V(n002)) * I(R1).
Gibt man das genauso wie beim ersten Plot ein, erhält man folgendes Bild
http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/ST-10.gif
Durch anklicken der Plottbezeichnung (oben) erfährt man, dass ein Widerstand eine Verlustleistung von 360uW verbraucht.
Die Verlustleistung der beiden Widerstände ist natürlich gleich, da sie beide gleich groß sind. Ich habe das mit Absicht so gemacht, jetzt ist es nämlich eure Aufgabe mit den Werten der Widerstände und der Spannungsquelle zu spielen um ein Gefühl für das Programm zu bekommen ;-)
Dazu braucht man nicht noch mal alles neu eingeben sondern kann im unteren Fenster der Schaltung einfach wieder mit rechts auf ein Bauteil klicken und die entsprechenden Werte verändern. Um die Änderung auch in den Diagrammen sichtbar zu machen muss man einfach noch einmal auf http://www.thenetalive.de/elektronik/SWCadTutBilder/icon-run.gif klicken und die neuen Werte werden berechnet und sofort dargestellt.
Weitere Hinweise
Die Diagramme und Einstellungen dafür lassen sich leider nicht speichern (keine Ahnung warum, vielleicht hab ich es einfach noch nicht gefunden), aber man kann die Werte in eine Textdatei speichern lassen (z.B. für Excel) oder als WMF-Datei exportieren.
Zum Exportieren in eine Textdatei klickt man auf „File -> Export“ und gibt dort an, welche Plots wo und wie gespeichert werden sollen.
Der WMF-Export funktioniert über „Tools -> Write Plot to .wmf File“
Andere Bauteile werden in gleicher Art und Weise in die Schaltung eingebaut. Das Verfahren ist das gleiche. Um Wechselspannungen zu simulieren klickt man in den Einstellungen der Spannungsquelle (Voltage) auf „Advanced“. So kommt man in ein weiteres Menü in dem man die nötigen Einstellungen vornehmen kann.
Wie geht es weiter?
Ich habe vor einen 2. Teil des Tutorials zu schreiben in dem es dann um die Simulation von Schaltungen mit Wechselspannung geht. Ich bin noch auf der Suche nach einer geeigneten einfachen Schaltung, die, auch für Anfänger, leicht verständlich ist, aber auch genug Möglichkeiten für interessante Plots bietet. Für Hinweise bin ich immer dankbar ;-)
Bis zum 2. Teil,
Sonic