Contoh model SPICE dari diode untuk LTspice

[intense_panel shadow=”8″ border=”1px solid #cfc0c0″]

Post berikut ini adalah contoh dari salah satu model diode dengan format standar SPICE yang dapat dipergunakan di LTspice. Baberapa alternatif cara penggunaan model diode telah dibahas di post sebelumnya. Pemahaman terhadap kedua post ini penting karena bukan hanya akan dipakai untuk keperluan simulasi dengan diode saja. Skill ini akan dipakai juga untuk simulasi dengan komponen lain seperti SCR, TRIAC, BJT, MOSFET dan IGBT.

[/intense_panel] [intense_panel shadow=”11″ border=”2px solid #DFCFCF”]

Sekilas tentang SPICE saya kutip dari tulisan saya yang lalu:

LTspice [7] adalah aplikasi EDA sumber tertutup (closed course) [3], yang bebas pakai berbasis aplikasi SPICE3 [8]. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) merupakan simulator rangkaian yang dikembangkan di University of California, Berkeley. Program komputer SPICE kemudian dilepas sebagai public domain pada Mei 1972 [9]. SPICE versi 2G6 dilepas ke publik pada April 1983 sedangkan SPICE versi 3F5, dilepas ke publik pada 1993 [10].

Sejak dilepas pertama kali ke publik, SPICE telah menjadi standar industri untuk melakukan simulasi dan memeriksa operasi rangkaian sampai pada tingkat transistor sebelum rancangan memasuki tahap implementasi sebagai IC (integrated circuit). Masing-masing perusahaan produsen komponen elektronika mengembangkan versi turunan SPICE mereka sendiri, misalnya Analog Devices, Linear Technology (LTC) dan Texas Instruments [9]. Tidak hanya dipergunakan pada industri, SPICE juga umum dipergunakan di dunia pendidikan (perguruan tinggi) karena kemampuannya dan karena penggunaannya bersifat gratis tanpa biaya lisensi.

Banyak aplikasi EDA yang merupakan turunan langsung dan pengembangan dari SPICE. Program turunan yang bersifat komersial (beberapa dilengkapi dengan versi uji coba) antara lain; ISPICE, HSPICE, PSpice, Multisim, Proteus, TINA dan Altium Designer Mixed-Signal Circuit Simulator. Turunan SPICE yang bebas pakai tanpa pembatasan (gratis) juga umum dipergunakan, seperti XSPICE, Cider, NGspice dan LTspice.

Sebagai simulator rangkaian analog yang paling umum dipergunakan di dunia [11], SPICE masih sulit untuk tergantikan [12]. Bahkan setelah lebih dari 40 tahun, SPICE (dan turunannya) masih bertahan sebagai aplikasi EDA yang umum dipergunakan sampai hari ini [9].

Sejarah LTspice dimulai pada tahun 1991 saat program SwitcherCAD yang beroperasi pada OS DOS mulai disediakan oleh LTC (Linear Technology Corporation). Program LTspice IV sebagai kelanjutan dari SwitcherCAD kemudian dirilis pada tahun 2008 oleh LTC dan juga tersedia untuk publik. LTspice dilaporkan telah diunduh lebih dari 3 juta kopi dan telah menjadi standar de facto untuk program berbasis/turunanSPICE [10].

Perusahaan LTC lebih dikenal sebagai produsen komponen elektronika yang unggul untuk bidang catu daya tersaklar (switching power supply). Oleh karena itu LTspice dioptimalkan untuk memiliki kemampuan yang sangat baik untuk melakukan simulasi SMPS (switch mode power supply). Program LTspice yang disediakan untuk diunduh bebas adalah program yang sama yang dipergunakan oleh para perancang IC di LTC [13]. Dengan penggunaan dan pengembangan yang intensif seperti ini LTspice dikenal sebagai program SPICE yang mampu melakukan simulasi switching regulator (pengendali tersaklar) lebih cepat dari simulator SPICE lainnya.

Program LTspice tidak hanya mampu untuk mensimulasikan (model) komponen produksi LTC saja. Dengan LTspice, pengguna bisa mempergunakan model komponen (dengan standar) SPICE dari berbagai sumber dan produsen. Hal ini sangat memudahkan pengguna karena cukup banyak model komponen dari berbagai perusahaan telah tersedia di berbagai situs di Internet.

LTspice telah dipergunakan sebagai alat bantu pengajaran di banyak perguruan tinggi, antara lain dilaporkan pada [14]-[17]. LTspice juga telah dipergunakan sebagai alat bantu penelitian untuk tingkat master (tesis) sebagimana dilaporkan pada [3],[18],[19], maupun untuk tingkat doktoral (disertasi) [20]. Dalam beberapa dokumen paten ditemukan bahwa LTspice telah dipergunakan untuk melakukan simulasi dan validasi rancangan [21],[22].

S. Pradana, A. Susanto, and Widyawan, “Pemanfaatan LTspice dan DesignSpark PCB untuk Simulasi Rangkaian dan Perancangan PCB,” in Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik, Inna Garuda Hotel, Yogyakarta, 2013, pp. 130–135 [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.3054.2247. [Accessed: 10-Oct-2016] [/intense_panel] [su_panel border=”2px solid #FFCC33″ radius=”7″]

Salah satu cara termudah untuk memperoleh model diode adalah dengan mencarinya di situs-situs produsen diode. Biasanya pabrikan akan mengeluarkan model komponen yang diproduksinya untuk beberapa simulator. Di antara software yang merupakan standar adalah format SPICE yang juga dipergunakan oleh LTspice.

Gambar 1. http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/1N4007.REV0.LIB

Pada Gambar 1, ditampilkan contoh bagaimana model untuk diode 1N4007 yang disediakan oleh Onsemi. Model tersebut dipilih dari model-model yang tersedia (Gambar 2).

Gambar 2. Pemilihan model pada Onsemi.

Model ini juga sudah saya simpan di Pastebin: https://pastebin.com/pnqqbfvG. Ada cukup banyak orang/organisasi yang menyimpan dan membagi model komponen SPICE seperti ini di Internet.

**************************************
*      Model Generated by MODPEX     *
*Copyright(c) Symmetry Design Systems*
*         All Rights Reserved        *
*    UNPUBLISHED LICENSED SOFTWARE   *
*   Contains Proprietary Information *
*      Which is The Property of      *
*     SYMMETRY OR ITS LICENSORS      *
*Commercial Use or Resale Restricted *
*   by Symmetry License Agreement    *
**************************************
* Model generated on May 30, 03
* MODEL FORMAT: PSpice
.MODEL D1n4007 d
+IS=7.02767e-09 RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.05743
+XTI=5 BV=1000 IBV=5e-08 CJO=1e-11
+VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-07
+KF=0 AF=1

Cara penggunaan model SPICE ini telah dicontohkan di https://sunupradana.info/pe/2016/10/04/model-diode-di-ltspice/.

[/su_panel]

[su_panel border=”2px solid #663399″ radius=”7″]

Selain Onsemi, Vishay adalah salah satu produsen komponen elektronik untuk blok/perangkat daya.

Gambar 3. Model SPICE pada situs Vishay.

http://www.vishay.com/docs/88000/1n4007.txt

**********************************
* Model created by               *
*   Uni.Dipl.-Ing. Arpad Buermen *
*   arpad.burmen@ieee.org        *
* Copyright:                     *
*   Thomatronik GmbH, Germany    *
*   info@thomatronik.de          *
**********************************
* February 2001
*   SPICE3
.model d1n4007 d is = 1.09774E-008 n = 1.78309 rs = 0.0414388
+ eg = 1.11 xti = 3
+ cjo = 2.8173E-011 vj = 0.50772 m = 0.318974 fc = 0.5
+ tt = 9.85376E-006 bv = 1100 ibv = 0.1 af = 1 kf = 0

http://www.vishay.com/docs/89789/1n4007.txt

**********************************
* Copyright:                     *
*   Thomatronik GmbH, Germany    *
*   info@thomatronik.de          *
**********************************
*   SPICE3
.model d1n4007 d is = 1.43733E-008 n = 1.80829 rs = 0.0414712
+ eg = 1.11 xti = 3 tnom = 27
+ cjo = 2.8119E-011 vj = 0.700053 m = 0.346714 fc = 0.5
+ tt = 4.10886E-006 bv = 1100 ibv = 10 af = 1 kf = 0

[/su_panel]

[su_panel border=”2px solid #FFE365″ radius=”7″]

Gambar 4. Simulasi dengan file pustaka di luar direktori LTspice.

Isi dari file diode_819_ku.sub.

.model 1N5819elda D(Is=31.7u Rs=.051 N=1.373 Cjo=110p M=.35 Eg=.69 Xti=2 Iave=1 Vpk=40 mfg=OnSemi type=Schottky)

[/su_panel]

[su_panel border=”2px solid #FF0000″ radius=”7″]

Pada bagian ini model diode yang diperoleh, misalkan saja begitu, ditambahkan ke pustaka LTspice. Hal ini mempermudah jika model komponen akan sering dipergunakan untuk banyak simulasi yang berbeda. Model akan selalu tersedia di dalam sistem komputer.

.model RF04UA2D D(Is=4.0404E-12 N=1.1718 Rs=.13276 Ikf=15.291E-3 Eg=1.0100 Cjo=10.245E-12 M=.49346 Vj=.85916 Isr=140.45E-12 Nr=3 Bv=200 tt=24.8n Tikf=0.01 Iave=0.2 Vpk=200 mfg=Rohm type=FastRecovery)

Gambar 5. Lokasi pustaka dari LTspice.

Gambar 6. Penambahan model diode ke dalam file pustaka standard.dio

Gambar 7. Simulasi dengan model yang sudah ditambahkan ke dalam file pustaka.

[/su_panel]

Contoh penggunaan Maxima

[intense_panel shadow=”10″ border=”1px solid #696161″]

Jenis software (perangakat lunak) komputasi dapat digolongkan ke dalam beberapa bagian. Dua bagian yang menjadi perhatian untuk pembahasan kali ini adalah numerical analysis software dan computer algebra systems. Mesikipun sebagian software dapat melakukan keduanya (dua jenis pekerjaan matematis). Contoh dari numerical analysis software adalah MATLAB, Scilab dan GNU/Octave. Sedangkan Maxima termasuk ke dalam computer algebra systems.

[/intense_panel]

Aplikasi Maxima (atau yang memiliki GUI, wxMaxima) adalah perangkat lunak matematika yang gratis. Sebelum Wolfram Alpha yang bisa dipergunakan gratis secara online, Maxima adalah alternatif terbaik untuk melakukan perhitungan simbolik. Keunggulan lain adalah bahwa Maxima dapat dipakai secara online ataupun offline.

[su_panel border=”2px solid #77C4FF” shadow=”1px 2px 2px #77C4FF” radius=”10″]

Gambar 1 wxMaxima.

Gambar 2.

Gambar 3.

Gambar 4.

Gambar 5.

[/su_panel]

[su_panel border=”2px solid #EC8AFF” shadow=”1px 2px 2px #AF66BD” radius=”10″]

Gambar 6. Contoh perhitungan.

Gambar 7.

Gambar 8.

Gambar 9. http://maxima.cesga.es

[/su_panel]

Gambar 10. Hasil dari perhitungan Wolfram Alpha sebagai pembanding.

Update:

Dari pembagi tegangan ke tahanan dalam [LTspice]

[intense_panel shadow=”11″ title_color=”#0fd19d” border=”1px solid #696161″]

Penggunaan LTspice untuk melakukan simulasi pembagi tegangan dan simulasi tahanan dalam.

[/intense_panel]

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3.

Gambar 4.

Gambar 5.

Gambar 6.

Gambar 7.

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

Gambar 16.

Gambar 17.

Gambar 18.

Gambar 19.

Gambar 20.

Gambar 21.

Gambar 22.

Belajar mempergunakan komponen sakelar di LTspice

Salah satu cara mempelajari sesuatu dengan efektif dan efisien adalah dengan mencoba dan mempelajari contoh yang sederhana. Cara ini bisa dianggap fail safe, pelajar diharapkan tidak perlu gagal dengan tidak perlu di awal proses belajar. Cara ini secara sederhana bisa dikatakan sebagai meniru yang contoh yang berhasil. Meskipun ada bagian-bagian dari proses belajar yang justru para pelajar diharapkan gagal terlebih dahulu sehingga bisa mengapresiasi proses yang akan dilangsungkan.

Untuk LTspice di sistem Microsoft Windows maupun GNU/Linux (seperti Fedora, Debian, Ubuntu, Mint) terdapat beberapa contoh di folder (direktori) yang bisa menjadi awal belajar. Misalnya yang terlihat pada Gambar 1, direktori contoh untuk edukasi (bukan simulasi produk Linear Technology).

Gambar 1.

Untuk mempelajari penggunaan komponen switch pada LTspice, ada baiknya memulai dari contoh simulasi di file Vswitch.asc seperti pada Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3.

Gambar 4. Penamaan switch.

Penamaan sakelar (switch) bisa diubah-ubah seperti terlihat di Gambar 4. Namun sebaiknya penamaan menggunakan sesuatu yang bermakna dan mudah mengingatkan kembali mengenai peran sakelar atau kerja sistem.

Gambar 5. Pengaturan switch.

Nilai dari pulsa tegangan yang mengendalikan sakelar dapat diatur sesuai keperluan seperti terlihat pada Gambar 5.

Gambar 6. SPICE directive untuk switch.

Dengan menggunakan shortcut ‘S’ pengguna dapat mengakses SPICE directive. Bisa juga dengan menekan ‘T’ lalu memilih radio button SPICE directive, seperti pada Gambar 6. Bisa juga melakukan hoover dengan mouse tepat di atas tulisan .model SW01 (yang merupakan SPICE directive) seperti yang tertulis pada Gambar 6, lalu melakukan klik-kanan. Bisa diperhatikan kesesuaian antara penamaan switch (contohnya SW01) pada komponen dengan penulisannya pada SPICE directive. Jika berbeda maka akan menghasilkan kesalahan.

Selebihnya silakan dicoba-coba sendiri.

Mengumpamakan diode sebagai sakelar

Salah satu prinsip belajar dalam Elektronika Daya adalah memulai dari yang sederhana. Ini tidak berarti sekadar mencari hal-hal yang mudah saja. Melainkan agar hal-hal yang memang sebenarnya dapat dipahami menurut takaran umum, tidak gagal dipahami hanya karena terkesan kompleks sekalipun sesungguhnya kompleksitas itu tidak diperlukan.

Kondisi belajar yang ingin dicapai adalah kondisi yang menurut ilmuwan Mihaly Csikszentmihalyi disebut sebagai flow .{{1}} Karena itu penting untuk mengusahakan agar sebisanya hal-hal yang perlu dipelajari dibagi-bagi ke dalam satuan pelajaran yang memungkinkan pelajar untuk mampu memahaminya dan mencapai kondisi flow dalam prosesnya.{{2}} Itu sebabnya sekalipun dalam elektronika daya satu bagian seringkali berkaitan erat dengan bagian lainnya, diusahakan agar pelajar dapat memahaminya seperti sedang menyusun bagian-bagian dari sebuah puzzle. Keasyikan dalam menyusun puzzle diharapkan akan mempermudah pencapaian kondisi flow.

Mengenai penyederhanaan, Albert Einstein dianggap pernah memberi peringatan:

Everything Should Be Made as Simple as Possible, But Not Simpler.

Oleh karena itu, mengikuti pola yang sama selalu akan dicoba dalam perkuliahan elda (elektronika daya/power electronics) untuk menyederhanakan upaya pemahaman sampai batas yang diperkirakan tidak lagi tepat untuk lebih disederhanakan lebih lanjut.{{3}} Ini tentu saja tidak berarti mengurangi atau menghilangkan perlunya mahasiswa untuk rajin belajar (termasuk rajin membaca).

Untuk mahasiswa yang baru memulai belajar mengenai penggunaan diode dalam elektronika atau yang sudah mulai lupa dapat melihat pada post sebelumnya tentang sakelar sebagai elemen dasar dalam perkuliahan elektronika daya. Hanya saja cukup dilihat sepintas karena di dalamnya juga memuat tentang model sakelar bagi SCR dan TRIAC yang akan dibahas di bagian mendekati akhir elektronika daya 1. Berikut adalah tautan ke post tersebut [link].

Pada Gambar 1 bisa dilihat contoh sederhana yang memposisikan sakelar sebagai pengganti diode. Anggap saja untuk sementara komponen sakelar ini adalah diode. Mirip dengan post sebelumnya, hanya saja di sini aktivasinya diatur sedemikian rupa sehingga hanya akan mengalirkan arus listrik konvensional pada saat tertentu (lebih tepatnya saat bagian positif dari siklus tegangan sumber.

Gambar 1. Analogi diode sebagai sakelar.

Gambar 2. Tegangan masukan (biru) dan tegangan keluaran (merah).

Pada Gambar 2 dapat dilihat hasil dari simulasi pada Gambar 1. Tegangan kendali sakelar Switch01 (tegControl) hanya diaktifkan selama 10 mS pertama dari siklus 20 mS tegangan masukan (tegIn). Sehingga akan meniru unjuk kerja diode PN (seperti 1n4001).

Simulasi ini bermanfaat untuk memahami unjuk kerja dasar dari diode secara sederhana dan komponen penyakelar elektronik lainnya seperti SCR, TRIAC, BJT, MOSFET dan IGBT. Selanjutnya juga dapat membantu mengidentifikasi kondisi tidak ideal dari diode (dan karenanya model diode yang memang dibuat untuk menyerupai masing-masing diode itu).

Gambar 3. Aktif selama 7 mS.

Berbeda dengan Gambar 1, pada Gambar 3 simulasi dilakukan dengan mengaktifkan Switch01 selama 7mS dari 20 mS untuk tiap siklus tegangan masukan. Tegangan masukan (tegIn) diatur memiliki frekuensi sebesar 50 Hz yang artinya sebanding dengan periode sebesar 20 mS. Simulasi ini tentu saja tidak sama dengan hasil simulasi kerja diode yang menyerupai Gambar 2.

Gambar 4. Aktif selama 14 mS.

Berbeda dengan unjuk kerja diode sebagai sakelar pada Gambar 2, Gambar 4 menunjukkan apa yang terjadi jika sakelar tidak hanya diaktifkan selama bagian tegangan positif dari siklus tegangan masukan (10 mS dari 20 mS), melainkan dihidupkan selama 14 mS.

Gambar 5. Aktif selama 10 mS dengan penundaan aktivasi selama 2 mS.

Pada simulasi di Gambar 5, sakelar memang diaktifkan selama 10 mS sama dengan simulasi pada Gambar 1. Tetapi terdapat perbedaan, ada waktu tunda selama 2 mS sebelum sakelar aktif. Diode tidak secara normal bekerja seperti ini, karenanya hasil simulasi berbeda dengan Gambar 2.

Gambar 6. Simulasi ketidakidealan komponen diode.

Simulasi dengan sakelar ini dapat pula dipakai untuk lebih lanjut mempelajari tentang karakteristik komponen diode yang tidak ideal (yang sebenarnya tersedia di pasaran). Pada Gambar 6, frekuensi sumber tegangan adalah sebesar 50 kHz. Pada frekuensi masukan yang tinggi diode PN akan menunjukkan gejala serupa pada Gambar 6, dan tidak akan persis lagi menyerupai keluaran seperti pada Gambar 2. Fenomena ini dinamakan turn-off characteristics dari diode.

Gambar 7. Turn-Off Characteristics of Power Diode. [sumber: https://goo.gl/ROR8BT]

Gambar 8. Simulasi menggunakan TINA-TI

Simulasi penyakelaran seperti ini dapat dilakukan tidak hanya dengan simulator LTspice tetapi juga dengan simulator lain seperti TINA. Versi yang secara legal gratis dan mencukupi untuk keperluan ini adalah TINA versi khusus untuk produk dari Texas Instruments (TINA-TI). Dapat dilihat bahwa dalam belajar kita tidak perlu selalu harus membajak atau menggunakan software bajakan. Beberapa (sebenarnya cukup banyak) hal yang bisa juga dikerjakan bahkan dengan produk yang dari sisi pengguna secara legal gratis.

[[1]]

“… Dan tanpa memandang budaya, tanpa memandang tingkat pendidikan atau apa pun, ada tujuh kondisi yang tampatknya ada ketika seseorang dalam keadaan flow. Bahwa ada fokus yang sekali waktu menjadi intens, menggiring ke perasaan ekstasi, perasaan akan kejelasan, Anda tahu persis apa yang Anda mau lakukan dari satu momen ke momen yang lain, Anda mendapat umpan balik langsung. Anda tahu bahwa apa yang Anda lakukan mungkin untuk dilakukan, walaupun sulit, dan perasaan akan waktu menghilang, Anda melupakan diri Anda sendiri, Anda merasa menjadi suatu bagian dari sesuatu yang lebih besar. Dan ketika kondisi-kondisi tersebut muncul, apa yang Anda lakukan menjadi bermakna untuk dilakukan karena hal itu sendiri.” ~https://www.ted.com/talks/mihaly_csikszentmihalyi_on_flow/transcript?language=id

[[1]] [[2]]

“Kondisi Flow juga didefinisikan sebagai keadaan di mana tantangan dan keterampilan mempunyai keseimbangan.” ~goo.gl/FGULiC

[[2]] [[3]]

“In other words, the best theory (in science or philosophy) is the simplest one that still explains observations.” ~https://goo.gl/cbSlXN

[[3]]

Sumber bacaan: