Simulasi Komputer Rangkaian Listrik

Komputer dapat menjadi alat yang ampuh jika digunakan dengan benar, terutama dalam bidang sains dan teknik. Ada perangkat lunak untuk simulasi sirkuit listrik oleh komputer, dan program ini dapat sangat berguna dalam membantu perancang sirkuit menguji ide sebelum benar-benar membangun sirkuit nyata, menghemat banyak waktu dan uang.

Program yang sama ini dapat menjadi bantuan yang luar biasa bagi siswa pemula elektronik, memungkinkan eksplorasi ide dengan cepat dan mudah tanpa memerlukan perakitan sirkuit nyata. Tentu saja, tidak ada pengganti untuk benar-benar membangun dan menguji sirkuit nyata, tetapi simulasi komputer tentu membantu dalam proses pembelajaran dengan memungkinkan siswa bereksperimen dengan perubahan dan melihat efeknya pada sirkuit.

Sepanjang buku ini, saya akan sering memasukkan cetakan komputer dari simulasi sirkuit untuk menggambarkan konsep-konsep penting. Dengan mengamati hasil simulasi komputer, siswa dapat memperoleh pemahaman intuitif tentang perilaku rangkaian tanpa intimidasi analisis matematis abstrak.

Simulasi Sirkuit dengan SPICE

Untuk mensimulasikan sirkuit di komputer, saya menggunakan program tertentu yang disebut SPICE, yang bekerja dengan menggambarkan sirkuit ke komputer melalui daftar teks. Intinya, daftar ini adalah semacam program komputer itu sendiri, dan harus mematuhi aturan sintaksis bahasa SPICE.

Komputer kemudian digunakan untuk memproses, atau "menjalankan," program SPICE, yang menafsirkan daftar teks yang menjelaskan rangkaian dan mengeluarkan hasil analisis matematisnya yang terperinci, juga dalam bentuk teks. Banyak detail penggunaan SPICE dijelaskan dalam volume 5 ("Referensi") dari seri buku ini bagi mereka yang menginginkan informasi lebih lanjut. Di sini, saya hanya akan memperkenalkan konsep dasar dan kemudian menerapkan SPICE pada analisis rangkaian sederhana yang telah kita baca ini.

Pertama, kita perlu menginstal SPICE di komputer kita. Sebagai program gratis, biasanya tersedia di internet untuk diunduh, dan dalam format yang sesuai untuk banyak sistem operasi yang berbeda. Dalam buku ini, saya menggunakan salah satu versi SPICE sebelumnya:versi 2G6, untuk kemudahan penggunaan.

Selanjutnya, kita membutuhkan rangkaian untuk dianalisis SPICE. Mari kita coba salah satu sirkuit yang diilustrasikan sebelumnya dalam bab ini. Berikut adalah diagram skematiknya:

Rangkaian sederhana ini terdiri dari baterai dan resistor yang dihubungkan secara langsung. Kita tahu tegangan baterai (10 volt) dan hambatan resistor (5 ), tetapi tidak ada yang lain tentang rangkaian. Jika kita menggambarkan rangkaian ini ke SPICE, ia harus dapat memberi tahu kita (paling tidak), berapa banyak arus yang kita miliki di rangkaian dengan menggunakan Hukum Ohm (I=E/R).

SPICE adalah Program Berbasis Teks

SPICE tidak dapat secara langsung memahami diagram skematik atau bentuk deskripsi grafis lainnya. SPICE adalah program komputer berbasis teks, dan menuntut agar sirkuit dijelaskan dalam hal komponen penyusunnya dan titik koneksi. Setiap titik koneksi unik dalam sirkuit dijelaskan untuk SPICE dengan nomor "simpul". Titik-titik yang secara elektrik sama satu sama lain dalam rangkaian yang akan disimulasikan ditunjuk seperti itu dengan berbagi nomor yang sama.

Mungkin bermanfaat untuk menganggap angka-angka ini sebagai angka "kawat" daripada angka "simpul", mengikuti definisi yang diberikan di bagian sebelumnya. Beginilah cara komputer mengetahui apa yang terhubung ke apa:dengan berbagi nomor kabel, atau simpul, bersama. Dalam rangkaian contoh kami, kami hanya memiliki dua "simpul", kabel atas dan kabel bawah. SPICE menuntut ada simpul 0 di suatu tempat di sirkuit, jadi kami akan memberi label pada kabel kami 0 dan 1:

Dalam ilustrasi di atas, saya telah menunjukkan beberapa label "1" dan "0" di sekitar masing-masing kabel untuk menekankan konsep titik umum yang berbagi nomor simpul umum, tetapi tetap saja ini adalah gambar grafik, bukan deskripsi teks. SPICE harus memiliki nilai komponen dan nomor simpul yang diberikan padanya dalam bentuk teks sebelum analisis apa pun dapat dilanjutkan.

Menggunakan Editor Teks untuk Membuat File SPICE<

Membuat file teks di komputer melibatkan penggunaan program yang disebut editor teks . Mirip dengan pengolah kata, editor teks memungkinkan Anda mengetik teks dan merekam apa yang telah Anda ketik dalam bentuk file yang disimpan di hard disk komputer. Editor teks tidak memiliki kemampuan pemformatan seperti pengolah kata (tidak ada miring , tebal , atau karakter yang digarisbawahi), dan ini adalah hal yang baik, karena program seperti SPICE tidak akan tahu apa yang harus dilakukan dengan informasi tambahan ini. Jika kita ingin membuat file teks biasa, tanpa rekaman apa pun kecuali karakter keyboard yang kita pilih, editor teks adalah alat yang digunakan.

Jika menggunakan sistem operasi Microsoft seperti DOS atau Windows, beberapa editor teks sudah tersedia dengan sistem. Di DOS, ada Edit . yang lama program pengeditan teks, yang dapat dipanggil dengan mengetik edit pada prompt perintah. Di Windows (3.x/95/98/NT/Me/2k/XP), Notepad editor teks adalah pilihan stok Anda.

Banyak program pengeditan teks lain yang tersedia, dan beberapa bahkan gratis. Saya kebetulan menggunakan editor teks gratis bernama Vim , dan jalankan di bawah sistem operasi Windows 95 dan Linux. Tidak masalah editor mana yang Anda gunakan, jadi jangan khawatir jika tangkapan layar di bagian ini tidak terlihat seperti milik Anda; informasi penting di sini adalah apa yang Anda ketik , bukan editor mana Anda kebetulan menggunakan.

Untuk menjelaskan rangkaian dua komponen sederhana ini ke SPICE, saya akan mulai dengan menjalankan program editor teks saya dan mengetikkan baris “judul” untuk rangkaian tersebut:

Kita dapat menggambarkan baterai ke komputer dengan mengetikkan baris teks yang dimulai dengan huruf "v" (untuk "Sumber tegangan"), mengidentifikasi kabel mana yang terhubung ke setiap terminal baterai (nomor simpul), dan tegangan baterai , seperti ini:

Baris teks ini memberi tahu SPICE bahwa kami memiliki sumber tegangan yang terhubung antara node 1 dan 0, arus searah (DC), 10 volt. Itu saja yang perlu diketahui komputer tentang baterai. Sekarang kita beralih ke resistor:SPICE mengharuskan resistor dideskripsikan dengan huruf "r", nomor dua node (titik koneksi), dan resistansi dalam ohm. Karena ini adalah simulasi komputer, tidak perlu menentukan peringkat daya untuk resistor. Itu satu hal yang baik tentang komponen "virtual":mereka tidak dapat dirusak oleh tegangan atau arus yang berlebihan!

Sekarang, SPICE akan tahu ada resistor yang terhubung antara node 1 dan 0 dengan nilai 5 . Baris teks yang sangat singkat ini memberi tahu komputer bahwa kita memiliki resistor (”r”) yang terhubung antara dua simpul yang sama dengan baterai (1 dan 0), dengan nilai resistansi 5 .

Jika kita menambahkan pernyataan .end ke kumpulan perintah SPICE ini untuk menunjukkan akhir dari deskripsi rangkaian, kita akan memiliki semua informasi yang dibutuhkan SPICE, dikumpulkan dalam satu file dan siap untuk diproses. Deskripsi sirkuit ini, terdiri dari baris teks dalam file komputer, secara teknis dikenal sebagai netlist , atau dek :

Memindahkan File Editor Teks ke SPICE

Setelah kita selesai mengetik semua perintah SPICE yang diperlukan, kita perlu "menyimpan" mereka ke file di hard disk komputer sehingga SPICE memiliki sesuatu untuk dirujuk saat dipanggil. Karena ini adalah netlist SPICE pertama saya, saya akan menyimpannya dengan nama file “circuit1.cir” (nama sebenarnya adalah sembarang).

Anda dapat memilih untuk menamai netlist SPICE pertama Anda dengan sesuatu yang sama sekali berbeda, selama Anda tidak melanggar aturan nama file apa pun untuk sistem operasi Anda, seperti menggunakan tidak lebih dari 8+3 karakter (delapan karakter dalam nama, dan tiga karakter dalam ekstensi:12345678.123) di DOS.

Untuk memanggil SPICE (perintahkan untuk memproses isi file netlist circuit1.cir), kita harus keluar dari editor teks dan mengakses prompt perintah ("DOS prompt" untuk pengguna Microsoft) di mana kita dapat memasukkan perintah teks untuk sistem operasi komputer untuk dipatuhi.

Cara "primitif" untuk menjalankan program ini mungkin tampak kuno bagi pengguna komputer yang terbiasa dengan lingkungan grafis "tunjuk dan klik", tetapi ini adalah cara yang sangat kuat dan fleksibel dalam melakukan sesuatu.

Ingat, apa yang Anda lakukan di sini dengan menggunakan SPICE adalah bentuk sederhana dari pemrograman komputer, dan semakin nyaman Anda memberikan perintah bentuk teks komputer untuk diikuti—bukan hanya mengklik gambar ikon menggunakan mouse—semakin banyak penguasaan yang akan Anda miliki atas komputer Anda.

Setelah berada di prompt perintah, ketik perintah ini, diikuti dengan penekanan tombol [Enter] (contoh ini menggunakan nama file circuit1.cir; jika Anda telah memilih nama file yang berbeda untuk file netlist Anda, gantilah):

bumbu  

 Berikut adalah tampilannya di komputer saya (menjalankan sistem operasi Linux), tepat sebelum saya menekan tombol [Enter]:
 

 
 

 
 

 
 

 Segera setelah Anda menekan tombol [Enter] untuk mengeluarkan perintah ini, teks dari output SPICE akan bergulir di layar komputer. Berikut adalah tangkapan layar yang menunjukkan keluaran SPICE di komputer saya (saya telah memperpanjang jendela "terminal" untuk menampilkan teks lengkap kepada Anda. Dengan terminal ukuran normal, teks dengan mudah melebihi satu halaman):
 

 
 

 
 

 
 

 SPICE dimulai dengan pengulangan netlist, lengkap dengan baris judul dan pernyataan .end. Sekitar setengah jalan simulasi ini menampilkan tegangan di semua node dengan referensi ke node 0. Dalam contoh ini, kami hanya memiliki satu node selain node 0, sehingga menampilkan tegangan di sana:10.0000 volt.
 

 Kemudian menampilkan arus melalui setiap sumber tegangan. Karena kami hanya memiliki satu sumber tegangan di seluruh rangkaian, itu hanya menampilkan arus yang melalui itu. Dalam hal ini, sumber arus adalah 2 amp. Karena kekhasan dalam cara SPICE menganalisis arus, nilai 2 amp dikeluarkan sebagai negatif (-) 2 amp.
 

 Baris terakhir teks dalam laporan analisis komputer adalah "disipasi daya total", yang dalam hal ini dinyatakan sebagai "2.00E+01" watt:2,00 x 101, atau 20 watt. SPICE mengeluarkan sebagian besar angka dalam notasi ilmiah daripada notasi normal (titik tetap).
 

 Meskipun ini mungkin tampak lebih membingungkan pada awalnya, sebenarnya tidak terlalu membingungkan jika melibatkan jumlah yang sangat besar atau sangat kecil. Detail notasi ilmiah akan dibahas dalam bab selanjutnya dari buku ini.
 

 Salah satu keuntungan menggunakan program berbasis teks "primitif" seperti SPICE adalah bahwa file teks yang ditangani sangat kecil dibandingkan dengan format file lain, terutama format grafis yang digunakan dalam perangkat lunak simulasi sirkuit lainnya.
 

 Juga, fakta bahwa output SPICE adalah teks biasa berarti Anda dapat mengarahkan output SPICE ke file teks lain yang dapat dimanipulasi lebih lanjut. Untuk melakukan ini, kami mengeluarkan kembali perintah ke sistem operasi komputer untuk memanggil SPICE, kali ini mengarahkan output ke file yang saya sebut "output.txt":
 

 
 

 
 

 
 

 SPICE akan berjalan "diam-diam" kali ini, tanpa aliran output teks ke layar komputer seperti sebelumnya. File baru, output1.txt, akan dibuat, yang dapat Anda buka dan ubah menggunakan editor teks atau pengolah kata. Untuk ilustrasi ini, saya akan menggunakan editor teks yang sama (Vim ) untuk membuka file ini:
 

 
 

 
 

 
 

 Sekarang, saya dapat dengan bebas mengedit file ini, menghapus teks asing (seperti "spanduk" yang menunjukkan tanggal dan waktu), hanya menyisakan teks yang saya rasa relevan dengan analisis sirkuit saya:
 

 
 

 
 

 
 

 Setelah diedit dan disimpan kembali dengan nama file yang sama (output.txt dalam contoh ini), teks dapat ditempelkan ke semua jenis dokumen, "teks biasa" menjadi format file universal untuk hampir semua sistem komputer. Saya bahkan dapat memasukkannya langsung ke dalam teks buku ini—bukan sebagai gambar grafis “tangkapan layar”—seperti ini:
 
sirkuit pertama saya v 1 0 dc 10 r 1 0 5 .akhir tegangan simpul ( 1) 10.0000 arus sumber tegangan nama saat ini v -2.000E+00 total disipasi daya 2.00E + 01 watt 
 

 Kebetulan, ini adalah format yang lebih disukai untuk keluaran teks dari simulasi SPICE dalam seri buku ini:sebagai teks asli, bukan sebagai gambar tangkapan layar grafis.
 
Mengubah Nilai di SPICE
 

 Untuk mengubah nilai komponen dalam simulasi, kita perlu membuka file netlist (circuit1.cir) dan membuat modifikasi yang diperlukan dalam deskripsi teks sirkuit, kemudian menyimpan perubahan tersebut ke nama file yang sama, dan memanggil kembali SPICE di prompt perintah.
 

 Proses penyuntingan dan pemrosesan file teks ini merupakan proses yang akrab bagi setiap pemrogram komputer. Salah satu alasan saya suka mengajar SPICE adalah karena SPICE mempersiapkan pelajar untuk berpikir dan bekerja seperti pemrogram komputer, yang bagus karena pemrograman komputer adalah bidang penting dari pekerjaan elektronik tingkat lanjut.
 

 Sebelumnya kita telah menjelajahi konsekuensi dari mengubah salah satu dari tiga variabel dalam rangkaian listrik (tegangan, arus, atau hambatan) menggunakan Hukum Ohm untuk memprediksi secara matematis apa yang akan terjadi. Sekarang mari kita coba hal yang sama menggunakan SPICE untuk menghitungnya.
 

 Jika kita melipatgandakan tegangan dalam rangkaian contoh terakhir kita dari 10 menjadi 30 volt dan menjaga resistansi rangkaian tidak berubah, kita akan mengharapkan arus menjadi tiga kali lipat juga. Mari kita coba, beri nama ulang file netlist kita agar tidak menimpa file pertama.
 

 Dengan cara ini, kita akan memiliki keduanya versi simulasi sirkuit yang disimpan di hard drive komputer kita untuk digunakan di masa mendatang. Daftar teks berikut adalah keluaran SPICE untuk netlist yang dimodifikasi ini, diformat sebagai teks biasa dan bukan sebagai gambar grafis layar komputer saya:
 
sirkuit contoh kedua v 1 0 dc 30 r 1 0 5 .akhir tegangan simpul (1) 30.0000 arus sumber tegangan nama saat ini v -6.000E+00 total disipasi daya 1,80E + 02 watt 
 

 Seperti yang kami harapkan, arus menjadi tiga kali lipat dengan peningkatan tegangan. Arus yang dulunya 2 amp, sekarang sudah naik menjadi 6 amp (-6.000 x 100). Perhatikan juga bagaimana disipasi daya total dalam rangkaian telah meningkat. Dulunya 20 watt, tapi sekarang 180 watt (1,8 x 102).
 

 Mengingat bahwa daya terkait dengan kuadrat tegangan (Hukum Joule:P=E2/R), ini masuk akal. Jika kita melipatgandakan tegangan rangkaian, daya akan meningkat dengan faktor sembilan (32 =9). Sembilan kali 20 memang 180, jadi output SPICE memang berkorelasi dengan apa yang kita ketahui tentang daya di sirkuit listrik.
 
Membuat Komentar di SPICE
 

 Jika kita ingin melihat bagaimana rangkaian sederhana ini akan merespon pada rentang tegangan baterai yang luas, kita dapat menggunakan beberapa opsi lanjutan dalam SPICE. Di sini, saya akan menggunakan opsi analisis “.dc” untuk memvariasikan tegangan baterai dari 0 hingga 100 volt dalam peningkatan 5 volt, mencetak tegangan dan arus rangkaian di setiap langkah.
 

 Baris di netlist SPICE yang diawali dengan simbol bintang (”*”) adalah komentar . Artinya, mereka tidak memberi tahu komputer untuk melakukan apa pun yang berkaitan dengan analisis sirkuit, tetapi hanya berfungsi sebagai catatan bagi manusia mana pun yang membaca teks netlist.
 
sirkuit contoh ketiga v 1 0 r 1 0 5 *pernyataan ".dc" memberitahu bumbu untuk menyapu pasokan "v" *tegangan dari 0 hingga 100 volt dalam langkah 5 volt. .dc v 0 100 5 .cetak dc v(1) i(v) .akhir 
 
 
 
Perintah Cetak dan Plot
 

 Perintah .print dalam netlist SPICE ini menginstruksikan SPICE untuk mencetak kolom angka yang sesuai dengan setiap langkah dalam analisis:
 v i(v) 0,000E+00 0,000E+00 5.000E+00 -1.000E+00 1.000E+01 -2.000E+00 1.500E+01 -3.000E+00 2.000E+01 -4.000E+00 2.500E+01 -5.000E+00 3.000E+01 -6.000E+00 3.500E+01 -7.000E+00 4.000E+01 -8.000E+00 4.500E+01 -9.000E+00 5.000E+01 -1.000E+01 5.500E+01 -1.100E+01 6.000E+01 -1.200E+01 6.500E+01 -1.300E+01 7.000E+01 -1.400E+01 7.500E+01 -1.500E+01 8.000E+01 -1.600E+01 8.500E+01 -1.700E+01 9.000E+01 -1.800E+01 9.500E+01 -1.900E+01 1.000E+02 -2.000E+01 

Jika saya mengedit ulang file netlist, mengubah perintah .print menjadi perintah .plot, SPICE akan menampilkan grafik kasar yang terdiri dari karakter teks:

Legenda:+ =v#cabang -------------------------------------------------- ----------------------- sapuan v#branch-2.00e+01 -1.00e+01 0.00e+00 ----------|------------------------|--- ----------| 0,000e+00 0,000e+00 . . + 5.000e+00 -1.000e+00 . . + . 1.000e+01 -2.000e+00 . . + . 1.500e+01 -3.000e+00 . . + . 2.000e+01 -4.000e+00 . . + . 2.500e+01 -5.000e+00 . . + . 3.000e+01 -6.000e+00 . . + . 3.500e+01 -7.000e+00 . . + . 4.000e+01 -8.000e+00 . . + . 4.500e+01 -9.000e+00 . . + . 5.000e+01 -1.000e+01 . + . 5.500e+01 -1.100e+01 . + . . 6.000e+01 -1.200e+01 . + . . 6.500e+01 -1.300e+01 . + . . 7.000e+01 -1.400e+01 . + . . 7.500e+01 -1.500e+01 . + . . 8.000e+01 -1.600e+01 . + . . 8.500e+01 -1.700e+01 . + . . 9.000e+01 -1.800e+01 . + . . 9.500e+01 -1.900e+01 . + . . 1.000e+02 -2.000e+01 + . . ----------|------------------------|--- ----------| sapuan v#branch-2.00e+01 -1.00e+01 0.00e+00 

Dalam kedua format output, kolom angka sebelah kiri mewakili tegangan baterai pada setiap interval, karena meningkat dari 0 volt menjadi 100 volt, 5 volt setiap kali. Angka-angka di kolom sebelah kanan menunjukkan arus rangkaian untuk masing-masing tegangan tersebut. Perhatikan baik-baik angka-angka tersebut dan Anda akan melihat hubungan proporsional antara setiap pasangan:

Hukum Ohm (I=E/R) berlaku untuk setiap kasus, setiap nilai arus menjadi 1/5 dari nilai tegangan masing-masing, karena resistansi rangkaian tepat 5 . Sekali lagi, angka negatif untuk arus dalam analisis SPICE ini lebih merupakan kekhasan daripada yang lainnya. Perhatikan saja nilai absolut dari setiap angka kecuali ditentukan lain.

Program Komputer untuk Menafsirkan dan Mengonversi Data SPICE

Bahkan ada beberapa program komputer yang mampu menginterpretasikan dan mengubah keluaran data non-grafis oleh SPICE menjadi plot grafis. Salah satu program ini disebut Nutmeg , dan hasilnya terlihat seperti ini:

Perhatikan bagaimana Pala memplot tegangan resistor v(1) (tegangan antara simpul 1 dan titik referensi tersirat dari simpul 0) sebagai garis dengan kemiringan positif (dari kiri bawah ke kanan atas). Apakah Anda pernah mahir menggunakan SPICE atau tidak, tidak relevan dengan penerapannya dalam buku ini.

Yang penting adalah Anda mengembangkan pemahaman tentang arti angka-angka dalam laporan yang dihasilkan SPICE. Dalam contoh yang akan datang, saya akan melakukan yang terbaik untuk membubuhi keterangan hasil numerik SPICE untuk menghilangkan kebingungan, dan membuka kekuatan alat luar biasa ini untuk membantu Anda memahami perilaku sirkuit listrik.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Dasar Listrik
• Lembar Kerja DC Dasar
• Lembar Kerja Analisis Jaringan Dasar
• Lembar Kerja AC Dasar
• Lembar Kerja Semikonduktor Dasar
• Lembar Kerja Sirkuit Analog Dasar
• Lembar Kerja Sirkuit Digital Dasar