Uji penggunaan Micro-Cap 12 dan SIMplex/SIMPLIS dengan rangkaian SEPIC

[ [ images & links ] ]

Untuk artikel kali ini saya hendak menyampaikan sekilas tentang dua simulator rangkaian dan sistem yang juga bisa dimanfaatkan untuk pelajaran elektronika daya (power electronics). Tentu saja keduanya juga bisa dipakai untuk simulasi rangkaian elektronika lainnya atau bahkan pemodelan sederhana dengan rangkaian listrik di sistem tenaga.

Untuk artikel ini sengaja saya menggunakan topologi SEPIC sebagai contoh karena baru saja dibahas panjang dan lebar di beberapa artikel sebelumnya. Untuk mengakses artikel-artikel tersebut silakan buka  Sumber belajar  di bagian akhir artikel ini dengan cara melakukan klik pada tulisannya. Karena itu di artikel ini saya tidak akan berpanjang lebar lagi mengenai SEPIC. Begitu pula belum akan memberikan tutorial mengenai penggunaan keduanya. Bahasan yang lebih panjang semoga bisa dilakukan di lain kesempatan.

Micro-Cap 12

Simulator Micro-Cap adalah simulator yang general untuk rangkaian listrik dan komponen/sistem elektronika. Seperti juga LTspice, simulator ini cukup baik untuk melakukan simulasi rangkaian tersakelar. Karena itu dapat dipergunakan untuk bidang power electronics terutama dc-dc converter.

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Gambar 1. Simulasi rangkaian SEPIC dengan Micro-Cap 12.

Gambar 2. Hasil simulasi transient V(out) SEPIC dengan Micro-Cap 12. 

Hasil di Gambar 2 dapat dibandingkan dengan hasil simulasi untuk parameter yang sama dengan hasil sebelumnya di LTspice dan PSIM. Berikutnya, hasil di Gambar 3 adalah untuk pengukuran riak/ripple dengan simulasi. 

Gambar 3.  Penggunaan kursor di Scope Micro-Cap 12.

Gambar 4. Penggunaan Tag Mode di hasil simulasi mode transient di Micro-Cap 12.

Gambar 5. Fasilitas Periodic Steady State.

Simulator Micro-Cap 12 memiliki fasilitas PSS (Gambar 5), yang bisa dipergunakan untuk memperoleh gambaran keadaan stabil/tunak dengan lebih cepat. Ini terutama sekali bermanfaat untuk sistem SMPS (switch mode power supply). Hasil simulasi pengaturan di Gambar 5 bisa dilihat di Gambar 6 di bawah ini.

Gambar 6. Hasil simulasi dengan menggunakan fasilitas PSS.  

Gambar 7.  Tiga pilihan cara untuk melakukan simulasi mutual inductance / coupled inductors / transformer.

Gambar 8. Hasil dari simulasi rangkaian dengan induktansi.

Gambar 8 merupakan hasil simulasi dari sistem di Gambar 7 yang merupakan contoh rangkaian yang sudah disediakan oleh perusahaan pembuat Micro-Cap. Pertama, bisa dilihat ada tiga cara untuk menempatkan komponen mutual inductance / coupled inductors / transformer di Micro-Cap 12. Kedua, bisa dilihat polaritas gelombang keluaran terhadap gelombang masukan. Bandingkan polaritas V(TOUT) terhadap V(INPUT) di Gambar 9 dengan yang di Gambar 8. 

Gambar 9. Pembalikan polaritas tegangan keluaran.

Pembalikan polaritas tegangan dilakukan dengan memberi tanda negatif pada nilai K (coupling coefficient). Ini salah satu contoh praktik mengenai pentingnya kita untuk mau membaca sumber panduan yang dikeluarkan oleh produsen.

Gambar 10. Simulasi dengan hubungan induktor kopel di Micro-Cap.

Gambar 10 merupakan rangkaian simulasi yang sebenarnya sama dengan sebelumnya. Hanya saja ditambahi komponen mutual inductance, yang dipakai sebagai penanda untuk menghubungkan L1 dan L2 sebagai coupled inductors. Perlu diingat, sesuai di gambar rangkaian, nilai masing-masing induktor sengaja tidak diturunkan hingga separuhnya. Hal ini dilakukan untuk sebisa mungkin menjaga agar semua parameter/faktor lain tetap sama, yang berubah hanyalah adalah hubungan kopel dengan koefisien sebesar 0.9 pada kedua induktor. Hasil simulasinya bisa dilihat di Gambar 11, bisa diperhatikan bahwa kadang-kadang memang bagaimanapun kita perlu waktu simulasi yang lebih lama. Rentang waktu yang lebih panjang ini terutama untuk mencapai kondisi steady state atau setidaknya mendekati kondisi itu. Bisa coba dibandingkan sendiri bagaimana jika mempergunakan PSS.  

Gambar 11. Simulasi transient untuk SEPIC dengan coupled inductors.

Tampilan yang terlihat di Gambar 12 adalah hasil pembesaran dari Gambar 11, dengan rentang waktu yang diperpendek. Anda bisa bandingkan hasilnya dengan simulasi sebelumnya yang menggunakan simulator LTspice.

Gambar 12. Tampilan zoom-in simulasi rangkaian SEPIC dengan coupled inductors.

SIMetrix/SIMPLIS

Simulator yang kedua yang hendak saya utarakan ini sebenarnya terdiri dari dua simulator yang terpisah. Kedua perusahaan pembuatnya bekerja sama dan memasarkan dua simulator itu ke dalam satu paket. Paket (bundle) simulator ini juga telah dipakai oleh beberapa perusahaan produsen komponen elektronika untuk melayani kebutuhan dasar simulasi dari para penggunanya. Tentu saja yang diberikan adalah serupa versi demo yang memiliki keterbatasan dalam jumlah node maupun fasilitas/fitur simulasi. Sungguhpun begitu, bundle simulator ini sudah memadai untuk mempelajari bagian-bagian dari ilmu elektronika daya. 

Simulator SIMetrix pada dasarnya serupa dengan simulator keluarga SPICE lainnya, meski tentu karena proses pengembangan di masing-masing perusahaan, produk akhirnya tidak akan persis sama.

What is Simetrix?

SIMetrix is a mixed-signal circuit simulator designed for ease and speed of use.

The core algorithms employed by the SIMetrix analog simulator are based on the SPICE program developed by the CAD/IC group at the department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley. The digital event driven simulator is derived from XSPICE developed by the Computer Science and Information Technology Laboratory, Georgia Tech. Research Institute, Georgia Institute of Technology.

Although originally derived from these programs only a tiny fraction of the overall application code can be traced to them. Nearly all of the simulator code is either new or has been rewritten in order to provide new analysis features and to resolve convergence problems.SIMetrix Technologies

Sedangkan simulator SIMPLIS adalah simulator yang mengambil pendekatan berbeda dari keluarga SPICE untuk melakukan simulasi rangkaian. Di simulasi rangkaian oleh SIMPLIS detail komponen non-linier akan diabaikan oleh simulator. Beberapa komponen perlu diterjemahkan oleh simulator ke format yang dapat dengan lebih cepat dikerjakan oleh SIMPLIS. Sekalipun tidak mendetail, namun untuk banyak keperluan sistem penyakelaran daya simulator jenis ini justru lebih banyak berguna.

Di bidang Power Electronics sejak dulu masalah simulasi adalah masalah yang pelik, tidak semua simulator berbasis SPICE punya kemampuan yang setara untuk dapat cepat menyelesaikan simulasi dengan cepat dan tepat. Bahkan, alasan inilah yang menyebabkan simulator LTspice yang gratis namun berpenampilan antar-muka yang tidak menarik itu tetap menjadi andalan banyak desainer sistem elektronika daya. Simulator SIMPLIS mengambil pendekatan yang berbeda dengan LTspice.

What is SIMPLIS?

SIMPLIS is a circuit simulator designed for rapid modelling of switching power systems. An acronym for “SIMulation for Piecewise LInear System”, it is supplied with our SIMetrix/SIMPLIS product range.

SIMPLIS is a component level simulator like SPICE but is typically 10 to 50 times faster when simulating switching circuits. It achieves its speed by modelling devices using a series of straight-line segments rather than solving non-linear equations as SPICE does. By modelling devices in this way, SIMPLIS can characterise a complete system as a cyclical sequence of linear circuit topologies. This is an accurate representation of a typical switching power system where the semiconductor devices function as switches. However, a linear system can be solved very much more rapidly than the non-linear systems that SPICE handles. The end result is accurate, but extremely fast simulations, allowing the modelling of complex topologies that would not be viable with SPICE.

SIMPLIS has three analysis modes: Transient, Periodic Operating Point and AC. Transient analysis is similar to the SPICE equivalent but is typically 10-50 times faster. Periodic Operating Point is a unique analysis mode that finds the steady-state operating waveforms of switching systems. AC analysis finds the frequency response of a switching system without needing to use averaged models. This is especially useful for what-if studies on new circuit topologies or control schemes where the small-signal averaged model has not yet been derived.

Because non-linear devices are defined using a sequence of straight line segments, models for such devices are quite different from SPICE models. There are of course many SPICE models available and so in order to retain compatibility with these, SIMetrix/SIMPLIS has the ability to convert models for some types of device into SIMPLIS format. This conversion is performed when the device is placed on the schematic. Devices currently supported are MOSFETs, BJTs and diodes. In the case of MOSFETs and Zener diodes, the conversion is achieved by performing a sequence of simulations using the SIMetrix-SPICE simulator. This method is independent of the method of implementation of the device.

SIMPLIS Technologies

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Gambar 1. Simulasi rangkaian SEPIC dengan SIMetrix.

Gambar 2. Hasil simulasi dengan SIMetrix, pengaruh penyakelaran pada tegangan keluaran.

Gambar 3. Perubahan polaritas tegangan dua induktor dibandingkan kondisi tegangan keluaran,

Gambar 4. Perubahan polaritas arus di dua kapasitor dibandingkan kondisi tegangan keluaran.

 

Gambar 5. Simulasi rangkaian SEPIC dengan simulator SIMPLIS

Rangkaian SEPIC yang dipergunakan pada simulasi di Gambar 5 adalah rangkaian yang dasarnya sama dengan yang dipergunakan pada simulasi dengan simulator SIMetrix. Perbedaannya adalah penggunaan bahwa sumber tegangan, MOSFET, dan diode Schottky harus diterjemahkan ke dalam bentuk yang dipahami oleh SIMPLIS. Cara ekstraksi/pengisian parameter komponen telah disediakan oleh SIMPLIS, seperti di Gambar 6. Komponen MOSFET yang tadinya adalah IRL530NS diganti menjadi IRF530NS di simlasi SIMPLIS ini. Adapun penggantian tipe diode sebenarnya tidak diperlukan, hanya saja setelah percobaan awal saya ingin sekaligus secara ringkas menunjukkan penggunaan diode baru dengan kemampuan yang lebih besar. 

Gambar 6. Fasilitas ekstraksi parameter otomatis / pengisian parameter komponen secara manual.

Gambar 7. Kutipan datasheet diode Schottky 10bq040.

Gambar 8. Kutipan datasheet  diode Schottky 50wq06fn.

Gambar 9. Hasil simulasi risiko arus puncak sesaat melilntasi diode D1.

 

Gambar 10. Penggunaan fasilitas Mutual Inductor di SIMetrix. 

Gambar 10 menunjukkan penggunaan fasilitas  Mutual Inductor yang terdapat di MPLAB MINDI SIMetrix. Di gambar yang sama terlihat bahwa untuk simulasi ini D1 telah menggunakan 50wq06fn yang memiliki kemampuan lebih besar.

Gambar 11. Hasil percobaan dengan Mutual Inductor di SIMetrix, riak arus sebesar ∆ 82.03 mA.

Gambar 12. Penggunaan fasilitas Mutual Inductance di SIMPLIS

Gambar 13. Hasil simulasi dengan Mutual Inductance di SIMPLIS

Hasil simulasi rangkaian dengan menggunakan SIMPLIS di Gambar 12 dapat dilihat di Gambar 13 dengan hasil yang tidak jauh berbeda dengan hasil simulasi SIMetrix. Hasil ini juga bisa dibandingkan dengan simulasi menggunakan Micro-Cap, LTspice, dan PSIM.

 

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆ 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *