LTspice®IV / שימוש במקורות מתח כעומס וכצורות אות שונות

מהי LTspice®IV?
LTspice®IV הינה תוכנת סימולציית SPICE חינמית בעלת ביצועים גבוהים הכוללת Schematic Capture ו-Waveform Viewer שתוכננה לזרז תהליכי תכנון של מעגלים אלקטרוניים. LTspice®IV מספקת שיפורים ומודלים ל-SPICE המפחיתים באופן משמעותי את זמני הסימולציה בהשוואה לסימולטורי SPICE אחרים ובכך מאפשרת הצגת תוצאות גלים בדקות לעומת שעות בהשוואה לסימולטורים אחרים. תוכנת ה-LTspice®IV הינה סימולטור ה-SPICE הפופולארי בעולם והיא הבחירה של רוב המרצים באוניברסיטאות ללימוד אלקטרוניקה. תוכנה זו משמשת גם את מתכנני הרכיבים בחברת ליניאר טכנולוגיות. במאמר זה אסקור אפשרויות מתקדמות בשימוש במקורות מתח ובנוסף, קיצורים הקיימים בתוכנה המביאים לנוחות וקלות שימוש.

1. האם אפשר להוסיף מודלי SPICE של יצרנים אחרים?
אני חושב שזו השאלה שאני נתקל בה בשכיחות הגבוהה ביותר ולכן חשבתי שכדאי להתייחס לכך. התשובה היא שזה בהחלט אפשרי. ב-LTspice ניתן ליצור סמלים חדשים ולשייך אותם למודלים של יצרנים אחרים. את תהליך ייצור הסמל ושיוך המודל ניתן לבצע באופן ידני, אבל למי יש זמן לזה? בכמה צעדים פשוטים אפשר ליצור באופן אוטומטי סמל למודל של צד שלישי כך שישוייך אוטומטית למודל המתאים. מודלים ב-SPICE נחלקים לשני סוגים: subckt. ו-model., מודלים מסוג model. הינם לרכיבי SPICE כגון טרנזיסטורים ודיודות בעוד שמודלים subckt. הינם לרכיבים מוכללים הכוללים מרכיבי SPICE מורכבים יותר. על מנת לייבא מודל לתוך התוכנה מסוג subckt., עברו וייבאו את קובץ המודל לתוך התוכנה. לאחר מכן יש לעמוד עם העכבר על השורה הכוללת את השם של ה-SubCircuit וללחוץ קליק ימני ו-Create Symbol.
נוצר סמל בצורה אוטומטית שאותו אפשר לערוך במידת הצורך. כעת רק נותר לשמור את הרכיב. לעיתים יש צורך בהרשאות אדמיניסטרטיביות לייצר את הרכיב, כלומר יש להריץ את התוכנה כ-Run as Administrator לצורך הייצור האוטומטי. לאחר שהסמל נוצר, ניתן להוסיף את הסמל החדש לסכימה. הסמל יימצא בתיקיית AutoGenerated והתוכנה יודעת כעת להשתמש במודל. את המודל אפשר לשמור בכל מקום במחשב. כאשר רוצים לשלוח סכימה שכוללת רכיבים שנוצרו במחשב מסוים ושאינם מסופקים עם תוכנת ה-LTspice, יש לשלוח את המודלים ביחד עם קובץ הסכימה ע”מ שהמקבל יוכל לראות את כל הסכימה וכמו כן יוכל לבצע סימולציות. מכיוון שסכימת המעגל ב-LTspice אינה מוגבלת בגודל, ניתן להוסיף את טקסט המודל לסכימה בתור Spice Directive ולשלוח את קובץ סכימת המעגל (asc.) עם טקסט המודל על הסכימה, כך לא צריך לשלוח קבצים מצורפים נוספים לקובץ הסכימה והמקבל יוכל לבצע סימולציה של הסכימה בהצלחה.

2. שימוש במקור מתח כעומס משתנה
בדיקת יציבות בספקי מתח מתבצעת על ידי שינוי זרם העומס בצורה בין שני ערכים ובדיקה כיצד מתח המוצא משתנה כתוצאה מכך. ב- LTspice נהוג לייצר עומס משתנה לספקי מתח על ידי שימוש במתג מבוקר מתח וזאת בכדי לשנות את זרם העומס בין שני ערכי זרם שונים. בתמונה 3 ניתן לראות יישום של מתג מבוקר מתח ובכך שינוי של שני זרמי עומס. כאשר אות ה-PWRGD עולה מעל 0.5V, המתג נסגר כתוצאה מכך העומס משתנה מערך בן 120 אוהם ל-60 אוהם ומשנה את זרם העומס מ-100 מיליאמפר ל-200 מיליאמפר.
מכיוון שתוכנת ה-LTspice הינה תוכנה מתמטית ישנה אפשרות לנצל את העובדה שניתן לייצר משוואות מתמטיות על מנת למדל התנהגות של עומס כלשהו מעבר לשתי רמות. בתמונה 4 אפשר לראות כיצד ניתן לעשות זאת, מקור המתח V2 הינו מקור מתח המשתנה בצורה אקספוננציאלית. על ידי שימוש במקש F4 אפשר להוסיף שם ל-NET הספק V2, במקרה זה הוא נקרא VAR. ערכו של נגד R2 הינו ערכו המתמטי של המתח ב-VAR. מכך הערך של נגד 2 משתנה בצורה אקספוננציאלית. זו רק דוגמה אחת, בשימוש ב-V2 בתור ספק (Piece Wise Linear) אפשר לספק ערכים שונים לפי זמנים שונים, ליצור עומס סינוס, גל ריבועי וכדומה. שימוש במקור מתח זה בתור עומס מאד שימושי בסימולציית ספקי מתח כאשר רוצים לשנות את העומס בכל צורה שהיא או לספק לחלק אחר במעגל צורה של מתח משתנה.

3. שימוש ב-מקורות מתח התנהגותיים
(Behavioral Voltage Sources)
מקור מתח התנהגותי מייצר מתח בתלות של מספר פרמטרים במעגל וניתן להשתמש בו בשביל להציג את היכולות המתמטיות המתקדמות ב-LTspice. בתמונה 5 ישנה דוגמה בה נרצה לדעת מה ההספק המתפתח על נגד R1. בשימוש במקור מתח התנהגותי אפשר לכפול את המתח המתפתח על הנגדV בזרם המתפתח בנגדI והמקור מתח ההתנהגותי יספק את התשובה לכך. במקרה זה המקור V1 הוא אות סינוס בעל אמפליטודה בת 1 וולט המתפתח על נגד 1 קילו אוהם לכן ההספק שיראה המקור ההתנהגותי B1 יהיה גל סינוס בעל מראה סינוסי בערך 1 מיליוואט. היחידות שיוצגו ב-Waveform Viewer יהיו בוולט.

כפי שצוין אפשר להשתמש בפונקציות שונות בשימוש במקורות מתח התנהגותיים ואת רשימת הפונקציות המלאה ניתן לראות על ידי לחיצה על מקש העזרה F1 והקלדה של המילה behavioral בחיפוש. בתמונה 6 ובתמונה 7 ניתן לראות כיצד נעשה שימוש ליצירת גל סינוס מתרסן בזמן. הביטוי מייצר גל סינוס בעל מתח שיא לשיא בן 2 וולט כפול בתדר 1KHz והמילה Time היא זמן הסימולציה. החלק גורם למודולציה של המתח או לגרום לסינוס לדעוך בצורה אקספוננציאלית ככל שזמן הסימולציה מתקדם.  4. קיצורים ושימושים נוספים תוכנת ה-LTspice קלה מאד לשימוש, כמעט לכל רכיב של ליניאר קיים מעגל דוגמה מובנה בתוך התוכנה, דבר המאפשר למתכננים לראות בקלות דוגמה כיצד הרכיב מתנהג. בכדי להגיע למעגלי הדוגמה אפשר להוסיף רכיב לסכימה, ללחוץ קליק ימני כל הרכיב ולבחור ב-Open This Macro Model Test Fixture. סכימות מוכנות חוסכות זמן למתכנן שכעת צריך רק לשנות ערכים בהתאם לרצונו ולבדוק את פעולת הרכיב. ישנן סכימות מורכבות מאד ולצייר אותן ייקח זמן, ה-Test Fixture יכולות לעזור לחסוך זמן זה.