Univerzitet u Nišu
Elektronski fakultet
PREDMETI
Laboratorijski praktikum –
Elektronske komponente
i
Elektronske komponente
Uputstvo za korišćenje
programa LTspiceXVII
Danijel Danković
Miloš Marjanović
Zoran Prijić
Mart 2020. godine
1. Uvod
Pre praktične realizacije laboratorijskih vežbi potrebno je
teorijski proveriti njihovu funkcionalnost. To podrazumeva da se
računskim putem odrede naponi u karakterističnim tačkama nekog
električnog kola, struje kroz određene grane, snage koje se
disipiraju na pojedinim komponentama, pojačanje nekog stepena,
frekvencije signala, prenosna karakteristika kola itd. Za
jednostavna električna kola, poznavajući parametre elektronskih
komponenata od kojih su ta kola sastavljena i korišćenjem
elementarne matematike, provera funkcionalnosti se vrši za vrlo
kratko vreme. Međutim, sa usložnjavanjem strukture električnih
kola, broj nepoznatih veličina koje treba izračunati se drastično
povećava, pa je za proveru funkcionalnosti potrebno uložiti
značajno vreme, koje je vrlo često duže od nekog razumljivog
vremena. Pošto su električna kola koja se realizuju sve složenija,
a ako se pri tome ima u vidu i činjenica da se koriste komponente
sa nelinearnim zavisnostima nekih veličina, kao i to da se koriste
složena integrisana kola, onda je sasvim jasno zašto je u ovakvim
situacijama neophodno oslanjanje na simulatore električnih kola.
Postoji veliki broj softverskih paketa koji su razvijeni za
simulaciju električnih kola, a najveći broj njih je baziran na
SPICE-u[footnoteRef:1], programu koji opisuje analogna i digitalna
električna kola koristeći modifikovanu metodu potencijala čvorova.
Većina softverskih paketa sadrži biblioteke elektronskih
komponenata sa realnim parametrima što je bitno zato što se
rezultati simulacija približno poklapaju sa rezultatima dobijenim
praktičnom realizacijom. Kompletno poklapanje rezultata nikada nije
moguće, a uzrok tome je: nemogućnost izjednačavanja svih parametara
realnih komponenata i komponenata u simulatoru; simulacijom nisu
obuhvaćeni svi efekti koji postoje u praktičnim realizacijama (na
primer smetnje); pretpostavke koje čini softver u simulaciji i
numerička ograničenja. Sa druge strane, značajne pogodnosti ovih
softverskih paketa su: omogućavaju da se komponentama u
simulatorima menjaju parametri i prilagođavaju svakoj pojedinačnoj
komponenti koja se koristi; mogu da se zadaju početni uslovi rada;
omogućeno je simuliranje rada kola pri različitim temperaturama;
omogućena analiza kola u frekventnom domenu itd. Takođe, postoji i
mogućnost kreiranja novih komponenata i njihovog ugrađivanja u
simulator, što je vrlo bitno zato što se u bibliotekama simulatora
nikada ne nalaze sve komponente. [1: SPICE (od izraza Simulation
Program with Integrated Circuit Emphasis). ]
LTspice[footnoteRef:2] je jedan od najčešće korišćenih programa
koji omogućava crtanje električnih šema, simulaciju rada kola i
prikaz rezultata simulacije. Program je jednostavan za korišćenje,
korisnički orijentisan, omogućava izmenu električnih šema i brzo
eksperimentisanje i pogodan je za odrađivanje uobičajenih tipova
analize kola: [2: Program LTspice razvijen je od strane kompanije
Linear Technology koja je 2017. godine postala sastavni deo
kompanije Analog Devices.
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html#.]
· analiza radne tačke kola (na engleskom Operating Point),
· analiza kola za DC režim (režim jednosmernog signala, na
engleskom Direct Current),
· analiza kola u vremenskom domenu (na engleskom Transient),
· analiza kola u frekventnom domenu (analiza malih signala, na
engleskom AC Analysis).
2. Primer analize radne tačke kola
Kao primer na Slici 1 prikazana je električna šema elementarnog
kola (naponski razdelnik sa tri otpornika) i rezultati analize
njegove radne tačke. Korišćenjem ove analize vrlo jednostavno se
određuju naponi u čvorovima (u odnosu na liniju referentnog
potencijala, masu) i struje koje protiču kroz pojedine komponente u
kolu.
Slika 1. Električna šema elementarnog kola i rezultati analize
radne tačke.
3. Instalacija LTspice programa
Instalacija LTspice programa je vrlo jednostavna i odvija se
kroz nekoliko uobičajenih koraka za instalaciju svakog programa. Na
adresi
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
je omogućen download najnovije verzije LTspiceXVII (41.9 MB), kao
što je ilustrovano na Slici 2.
Slika 2. Download programa LTspiceXVII.
4. Radno okruženje
Nakon pokretanja programa otvara se radna površina kao što je
ilustrovano na Slici 3.
Slika 3. Radna površina programa LTspiceXVII.
Izborom meni opcije File/New Schematic (Slika 4.a) ili direktno
iz trake sa alatima (Slika 4.b) otvara se radna površina za crtanje
električne šeme.
a) b)
Slika 4. Otvaranje radne površine LTspiceXVII za crtanje
električne šeme iz: a) meni opcije File/New Schematic; b) iz trake
sa alatima.
Nakon otvaranja radne površine pristupa se crtanju električne
šeme. Komponente se mogu uneti izborom meni opcije Edit i izborom
komponente iz padajuće liste (Slika 5.a), ili direktno iz trake sa
alatima (Slika 5.b).
a)
b)
Slika 5. Izbor komponente iz: a) meni opcije Edit; b) trake sa
alatima.
U oba slučaja direktno se mogu selektovati samo najčešće
korišćene komponente: otpornici, kondenzatori, kalemovi i diode. Do
svih ostalih komponenata dolazi se preko ikone Component (Slika
6).
a) b)
Slika 6. a) Ikona za pristup komponentama; b) komponente
dostupne u bibliotekama LTspiceXVII (kao primer izabrana je
dioda).
Kako bi nacrtali električnu šemu prikazanu na Slici 1 potrebno
je za početak nacrtati otpornike R1, R2 i R3. Postavljanje
otpornika na radnu površinu vrši se kroz nekoliko koraka:
pritisnemo levi klik miša na ikonu otpornika, zatim pozicioniramo
kursor na mesto gde želimo da postavimo otpornik R1, i na kraju
pritisnemo levi klik miša kako bi postavili otpornik na radnu
površinu. Nakon toga pozicioniramo kursor na poziciju otpornika R2,
pritisnemo levi klik miša, pa na poziciju otpornika R3 i pritisnemo
levi klik miša (ilustrovano na Slici 7.a). Kada smo postavili
željeni broj otpornika pritisnemo desni klik miša ili ESC na
tastaturi nakon čega se kursor vraća u početni oblik (znak +). Na
Slici 7.a prikazane su oznake otpornika R1, R2 i R3, ali ne i
njihove vrednosti. U nameri da postavimo parametre otpornika
pomeramo kursos (znak +) do otpornika dok ne promeni izgled u
“šaku”, nakon čega pritisnemo desni taster miša. Postoje dva načina
da unesemo vrednost otpornika (i ostalih parametara): unosom
vrednosti u polje Resistance [Ω] (Slika 7.b); klikom na dugme
Select Resistor i izborom odgovarajućeg otpornika iz liste (Slika
7.c). Na Slici 8 prikazan je spisak prefiksa koji se koriste u
programu LTspiceXVII.
a) b) c) d)
Slika 7. a) Postavljanje otpornika na radnu površinu; b) unos
parametara otpornika; c) izbor otpornika iz ponuđene liste; d)
otpornici sa unetim vrednostima otpornosti.
K = k = kilo = 103
M = m = milli = 10-3
MEG = meg = 106
U = u = micro = 10-6
G = g = giga = 109
N = n = nano = 10-9
T = t = terra = 1012
P = p = pico = 10-12
Slika 8. Spisak prefiksa koji se koriste u programu
LTspiceXVII[footnoteRef:3]. [3: Obratiti pažnju na mega i
mili.]
Ako želimo da izvršimo rotiranje otpornika (u ovom slučaju to
nije bilo neophodno) potrebno je da pre postavljanja na radnu
površinu pritisnemo Ctrl+R. Ako je neka komponenta već postavljena
na radnu površinu potrebno je da iz trake sa alatima selektujemo
“šaku” Move ili “šaku” Drag (Slika 9), pritisnemo komponentu koju
hoćemo da zarotiramo, zatim pritisnemo Ctrl+R, izaberemo željenu
poziciju gde hoćemo da postavimo komponentu i levi klik miša.
a) b)
Slika 9. Selektovanje komponente “šakom”: a) Move; b) Drag.
Crtanje komponenata u električnoj šemi delilmično je pokazano
kroz primer otpornika, a važno je napomenuti da se isti princip
primenjuje kod svih komponenata. Baterija V1 se nalazi u
Edit/Component/Misc/battery. Nakon postavljanja svih komponenata
vrši se njihovo povezivanje u kolo. Korišćenjem alatke Draw Wire
koju biramo iz padajućeg menija Edit ili iz trake sa alatima (Slika
10) vrši se povezivanje komponenti u kolo. Poznato je da LTspice
prilikom analize kola koristi metodu potencijala čvorova, pa je
samim tim masa, odnosno linija koja predstavlja referentni
potencijal, neophodna. Izbor mase je iz menija Edit ili iz trake sa
alatima (Slika 11), Place GND.
a) b)
Slika 10. Draw Wire iz: a) meni opcije Edit; b) trake sa
alatima.
a) b)
Slika 11. Izbor mase iz: a) meni opcije Edit; b) trake sa
alatima.
Poželjno je označiti tačke u električnoj šemi u kojima se mere
jednosmerni naponi ili talasni oblici signala. Izbor test tačke,
Label Net, vrši se iz padajućeg menija Edit ili iz trake sa alatima
(Slika 12). Nakon dodeljivanja imena testnoj tački moguće je
podesiti njen tip (ulazna, izlazna, bidirekciona), kao što je
ilustrovano na Slici 13. Nakon postavljanja testnih tačaka završeno
je crtanje kompletne električne šeme i pristupa se simuliciji kola.
Kao što je na početku napomenuto postoje različiti tipovi analize
kola, a u ovom slučaju koristi se analiza radne tačke kola (na
engleskom Operating Point).
a) b)
Slika 12. Label Net iz: a) meni opcije Edit; b) trake sa
alatima.
Slika 13. Postavljanje testne tačke Label Net.
5. Simulacija električnog kola
Pokretanje simulacije kola vrši se jednostavnim klikom na
ikonicu “trkača” Run iz trake sa alatima, kao što je ilustrovano na
Slici 14.a. Otvara se prozor kao što je ilustrovano na Slici 14.b,
gde iz ponuđenih tipova analize kola biramo DC op pnt, pritisnemo
OK, na samoj radnoj površini se pojavljuje direktiva za ovaj tip
simulacije (.op) i otvara se novi prozor sa rezultatima simulacije.
Električna šema i rezultati simulacije prikazani su na Slici
15.
a) b)
Slika 14. a) Pokretanje simulacije korišćenjem “trkača” Run iz
trake sa alatima; b) izbor DC op pnt tipa simulacije
Slika 15. Električna šema i rezultati simulacije.
6. Analiza kola u vremenskom domenu (na engleskom
Transient),
Kako bi pokazali analizu kola u vremenskom domenu krećemo od
električne šeme elementarnog kola (naponski razdelnik sa tri
otpornika) koja je prikazana na Slici 1. Umesto baterije V1
postavićemo naponski izvor V2 (koji može da da naizmenični signal).
Naponski izvor V2 se nalazi u Edit/Component/voltage, pritisnemo
OK, pozicioniramo ga na određeno mesto (Slika 16), pritisnemo levi
klik miša kako bi ga postavili na radnu površinu, a zatim desni
klik miša ili ESC na tastaturi nakon čega se kursor vraća u početni
oblik. Potrebno je ukloniti bateriju V1. Uklanjenjanje komponenata
s radne površine vrši se “makazama”, alatka Delete iz meni opcije
Edit (Slika 17.a), ili direktno iz trake sa alatima alatka Cut
(Slika 17.b).
Slika 16. Postavljanje naponskog izvora V2 na radnu
površinu.
a) b)
Slika 17. Uklanjanje komponente “makaza” iz: a) meni opcije
Edit; b) trake sa alatima.
Selektujemo alat za brisanje, kursor se menja u makeze,
postavimo makaze iznad baterije V1, pritisnemo levi klik miša kako
bi izvršili brisanje, a zatim desni klik miša ili ESC na tastaturi
nakon čega se kursor vraća u početni oblik. Na mesto baterije V1
potrebno je postaviti naponski izvor V2. Iz trake sa alatima
selektujemo “šaku” Move ili “šaku” Drag, levim klikom miša
pritisnemo naponski izvor V2, izaberemo željenu poziciju gde hoćemo
da ga, pritisnemo levi taster miša, a zatim desni klik miša ili ESC
na tastaturi nakon čega se kursor vraća u početni oblik. Treba
napomenuti da se funkcije alata Move i Drag razlikuju. Alatkom Move
pomeramo samo selektovanu komponentu, a alatkom Drag pomeramo
selektovanu komponentu, ali ona ostaje vezana za linije (Slika
18).
a) b)
Slika 18. Korišćenje alatke za pomeranje komponenti: a) Move; b)
Drag.
U nameri da postavimo parametre naponskog izvora pomeramo kursos
(znak +) do naponskog izvora dok ne promeni izgled u “šaku”, nakon
čega pritisnemo desni taster miša. Otvara se prozor kao na Slici
19.a, a klikom na Advanced otvara se prozor kao na Slici 19.b. U
tom prozoru selektujemo oblik signala (SINE) i podešavamo njegove
parametre (DC offset, Amplitude i Freq). Treba napomenuti da uz
brojnu vrednost nije neophodno unositi jedinice. Naponski izvor je
podešen sa sledećim parametrima: VA = 5 V,
Voffset = 0 V, f = 50 Hz (T =
20 ms). Imajući u vidu da se signali menjaju u vremenu
potrebno je uraditi analizu kola u vremenskom domenu. Kako je kolo
na Slici 1 bilo podešeno za anlizu radne tačke kola (na engleskom
Operating Point), potrebno je promeniti tip analize kola u
vremenski domen (na engleskom Transient). Promena tipa analize kola
vrši se iz padajućeg menija Simulate i izborom Edit Simulation Cmd
iz padajuće liste (Slika 20). Perioda signala je 20 ms, i u
nameri da vidimo signal tokom 5 perioda podešavamo vreme trajanja
simulacije na 100 ms (Stop time), levim klikom miša pritisnemo
OK, pojaviće se tekst oblika “ .tran 100ms ” koji
pozicioniramo na željeno mesto i levim klikom miša postavljamo na
radnu površinu. Možemo primetiti da je prethodna direktiva za DC op
pnt tip simulacije (.op) postala komentar (;op), odnosno umesto
tačke ispred op pojavila se tačka-zarez. Nakon pokretanja
simulacije, pritiskom na ikonicu “trkača” Run, otvoriće se novi
prozor kao što je ilustrovano na Slici 21. Na Slici 21 se može
primetiti da je otvoren prozor za prikaz rezultata simulacije ali
da nijedan rezultat nije prikazan. Merenja napona u
karakterističnim tačkama električnog kola ili struja kroz pojedine
grane vrši se korišćenjem “naponskih” ili “strujnih” sondi, kao što
je ilustrovano na Slici 21 (merenje napona tačke VOUT1 i merenje
struje kroz otpornik R3). Nakon pokretanje simulacije pomeranjem
kursora iznad određenih tačaka ili komponenata automatski se
postavljaju “naponske” ili “strujne” sonde, a aktiviraju se levim
klikom miša. Rezultati su prikazani na Slici 23.
a)
b)
Slika 19. Podešavanje naponskog izvora: a) jednosmerni signal;
b) signal različitog oblika.
a) b)
Slika 20. Promena tipa analize kola: a) otvaranje prozora; b)
podešavanje parametara analize kola u vremenskom domenu.
Slika 21. Prikaz prozora za simulaciju kola u vremenskom
domenu.
a) b)
Slika 22. Merenje: a) napona; b) struje.
Slika 23. Rezultati simulacije (napomena: plava linija se nalazi
ispod crvene).
Nakon svakog klika levim tasterom miša (“naponska” ili “strujna”
sonda) u prozor sa rezultatima simulacije dodaju se novi rezultati
(nova zavisnost nekog napona ili neke u struje). U slučaju da je
nanešen rezultat koji nam nije neophodan brisanje je omogućeno
“makazama”. Takođe, levim dvoklikom miša neke “naponske” ili
“strujne” sonde omogućeno je brisanje svih prethodnih rezultata iz
prozora, a automatski se postavlja samo rezultat mesta poslednjeg
dvoklika.
Na Slici 23 sa y-ose levo mogu se očitati vrednosti napona, a sa
y-ose desno mogu se očitati vrednosti struje u određenom trenutku.
Za precizno očitavanje vrednosti napona i struja poželjno je
koristiti kursore. U prozoru gde su prikazani rezultati simulacije
kursor miša (znak +) pomeramo do natpisa V(vout1) dok ne promeni
izgled u “šaku”, nakon čega pritisnemo levi taster miša. Pojaviće
se horizontalna i vertikalna isprekidana linija, kao i novi prozor
sa vrednostima gde se te dve linije seku (Slika 24). Postavljanjem
kursora miša (znak +) iznad isprekidanih linija pojaviće se broj 1,
u tom trenutku levim klikom miša hvatamo isprekidanu liniju,
pomeramo je na željenu poziciju i očitavamo vrednosti iz
prozora.
Slika 24. Očitavanje vrednosti koriščenjem kursora.
Kursore možemo aktivirati i postavljanjem kursora miša (znak +)
iznad natpisa V(vout1) dok ne promeni izgled u “šaku”, nakon čega
pritisnemo desni taster miša. Aktiviraće se prozor kao na Slici
25.a, a na ovaj način moguće je aktivirati i dva kursora
istovremeno, čime se omogućava detaljnija analiza rezultata (Slika
25.b).
a)
b)
Slika 25. a) Aktiviranje dva kursora istovremeno; b) rezultati
simulacije.
7. Zaključak
Ovo uputstvo namenjeno je studentima kako bi lakše rešavali
električna kola. Prikazani su svi koraci od crtanja električne šeme
pa do prikaza rezultata simulacije. Broj opcija koje omogućava
LTspiceXVII je veliki, a u ovom uputstvu prikazan je samo malo broj
opcija neophodan za analizu dva konkretna električna kola.
9
