Contoh model SPICE dari diode untuk LTspice

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.

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]

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.

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

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

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

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

Isi dari file diode_819_ku.sub.

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.

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.

 

 

Latihan mengawali belajar LTspice

Di post sebelumnya sudah cukup lengkap saya cantumkan sumber-sumber belajar untuk dapat mulai mempergunakan software simulator rangkaian elektronik LTspice. Sekedar untuk menambah bahan pemeriksaan apa yang perlu dan sudah dipelajari sebagai awalan.

Di dalam post ini, saya bagi ke dalam dua bagian. Bagian yang pertama berisi outline agar mahasiswa yang belajar bisa lebih mudah untuk melihat gambaran besar sistematika belajar dalam post ini. Di bagian kedua, outline saya lengkapi dengan ilustrasi gambar.

  • Membaca sumber awal mengenai LTspice di situs elda.sunupradana.info.
  • Mengenal toolbar, menu dan shortcut
    • Edit >> Component
      • Latih juga menggunakan shortcut F2
    • Latih mencari dan memilih sumber tegangan >> “voltage”
    • Latih penggunaan “move” dan “drag”
      • Menu >> Edit >> Move (atau Drag)
      • Latih menggunakan lambang tangan di toolbar
      • Latih menggunakan F7 dan F8
    • Latih memilih dan menempatkan komponen Resistor
      • Menggunakan menu
      • Menggunakan F2
      • Menggunakan shortcut, menekan kunci >> R
    • Berlatih menggunakan “wire”
      • Melalui menu edit
      • Melalui toolbar
      • Melalui shortcut F3
    • Latih penggunaan GND
      • Melalui menu edit
      • Melalui toolbar
      • Melalui shortcut G
    • Mencoba RUN untuk pertama kali
      • Melalui toolbar
      • Melalaui “right-click” (klik kanan)
    • Mencoba mode simulasi “operating point”
    • Berlatih pemberian nama lain dari node
      • Gunakan menu >> Edit >> “Label Net”
      • Melalui icon di toolbar
      • Menggunakan shortcut F4
    • Mencoba mode simulasi “transient”
      • Melakukan “Edit Simulation Command”
    • Berlatih posisi jendela vertikal
      • Windows >> “Tile Vertically”
    • Berlatih menggunakan delete
      • Lewat menu >> Edit >> Delete
      • Menggunakan shortcut F5
    • Latih copy & paste
  • Ganti sumber tegangan dari DC menjadi AC
  • Berlatih menggunakan “color preferences”
    • Coba ganti warna “background”
      • Gunakan kombinasi RGB
        • Putih (White), semua RGB 255
        • Gunakan sarana bantu untuk menemukan code warna dalam hexa
          • MS Paint [?]
          • Photoshop
          • KColorChooser
          • http://www.color-hex.com/
  • Berlatih menggunakan diode
    • Gunakan menu >> Edit >> Diode
    • Gunakan shortcut D
  • Berlatih menggunakan “Add Plot Pane”
  • Berlatih menggunakan transformer

 

  • Membaca sumber awal mengenai LTspice di situs elda.sunupradana.info.

  • Mengenal toolbar, menu dan shortcut
    • Edit >> Component
      • Latih juga menggunakan shortcut F2
    • Latih mencari dan memilih sumber tegangan >> “voltage”

      Gambar 1

       

    • Latih penggunaan “move” dan “drag”

      • Menu >> Edit >> Move (atau Drag)
      • Latih menggunakan lambang tangan di toolbar

        Gambar 2

      • Latih menggunakan F7 dan F8
    • Latih memilih dan menempatkan komponen Resistor

      Gambar 3

      Gambar 4. Gunakan Ctrl+R untuk rotate (memutar komponen)

      • Menggunakan menu
      • Menggunakan F2
      • Menggunakan shortcut, menekan kunci >> R

    • Berlatih menggunakan “wire”

      Gambar 5.

      • Melalui menu edit
      • Melalui toolbar
      • Melalui shortcut F3

    • Latih penggunaan GND

      Gambar 6.

      • Melalui menu edit
      • Melalui toolbar
      • Melalui shortcut G

    • Mencoba RUN untuk pertama kali

      Gambar 7. Lengkapi nilai komponen sebelum simulasi.

      • Melalui toolbar
      • Melalui “right-click” (klik kanan)

        Gambar 8.

         

    • Mencoba mode simulasi “operating point”

      Gambar 9.

      Gambar 10.

      Gambar 11.

       

    • Berlatih pemberian nama lain dari node

      Gambar 12.

      Gambar 13.

      • Gunakan menu >> Edit >> “Label Net”
      • Melalui icon di toolbar

        Gambar 14.


      • Menggunakan shortcut F4

        Gambar 15.

        Gambar 16.

        Gambar 17. Pastikan label diletakkan di node.

        Gambar 18.

        Gambar 19.

         

    • Mencoba mode simulasi “transient”
      • Melakukan “Edit Simulation Command”

        Gambar 20.

        Gambar 21.

        Gambar 22.

        Gambar 23.

         

    • Berlatih posisi jendela vertikal
      • Windows >> “Tile Vertically”

        Gambar 24.

        Gambar 25.

         

    • Berlatih menggunakan delete
      • Lewat menu >> Edit >> Delete
      • Menggunakan shortcut F5

    • Latih copy & paste

      Gambar 26.


    • Ganti sumber tegangan dari DC menjadi AC

      Gambar 26.

      Gambar 27.

      Gambar 28.

       

    • Berlatih menggunakan “color preferences”

      Gambar 29.

      • Coba ganti warna “background”

        • Gunakan kombinasi RGB
          • Putih (White), semua RGB 255
          • Gunakan sarana bantu untuk menemukan code warna dalam hexa
            • MS Paint [?]
            • Photoshop
            • KColorChooser

              Gambar 30.

            • http://www.color-hex.com/

              Gambar 31.

               

    • Berlatih menggunakan diode

      Gambar 32.

      • Gunakan menu >> Edit >> Diode
      • Gunakan shortcut D

    • Berlatih menggunakan “Add Plot Pane”

      Gambar 33.

      Gambar 34.

       

    • Berlatih menggunakan transformer

 

LTspice untuk kuliah elektronika daya

Salah satu sarana bantu belajar elektronika daya (power electronics) adalah perangkat lunak LTspice. Seperti yang terkandung dalam namanya LTspice adalah perangkat lunak yang berbasis pada SPICE. Turunan dari SPICE cukup banyak semisal Multisim dan Proteus, yang merupakan perangkat lunak berbayar (komersial). Untuk yang gratis, ada beberapa yang cukup dikenal misalnya Ngspice dan LTspice. Sekalipun gratis, LTspice bukanlah simulator yang jelek atau “murahan”. LTspice dikembangkan oleh perusahaan pembuat komponen elektronika, Linear Technology. Karena bisnis utama perusahaan ini adalah perangkat keras, maka perangkat lunak yang mereka keluarkan dapat dipergunakan secara bebas alias gratis.

Ada beberapa sumber belajar bagi mahasiswa elektro untuk memulai mempergunakan LTspice. Beberapa di antaranya saya cantumkan di bawah ini.

Tutorial berupa video:


Sumber bacaan dokumen:


Untuk melakukan pengunduhan langsung bagi sistem GNU/Linux (dengan Wine) maupun Windows XP >> http://ltspice.linear-tech.com/software/LTspiceIV.exe

Untuk proses perkuliahan elda pergunakan LTspiceXVII [update:2020].

Untuk Windwos 7,8,10 >> http://ltspice.linear-tech.com/software/LTspiceXVII.exe

 

Perusahaan Linear Technology telah dibeli Analog Devices, karena itu tempat file mungkin saja suatu waktu akan berubah. Anda bisa mempergunakan mesin pencari seperti Google atau Bing untuk menemukannya kembali.

 

Bahan pengantar kuliah tentang buck converter

Sebelum melihat lebih jauh dan melatih simulasi rangkaian untuk buck converter, sebaiknya terlebih dahulu melihat kembali post tentang simulasi untuk linear step-down. Dari post tersebut dapat diperoleh gambaran kemungkinan mengapa para pendahulu memikiran alternatif lain dari regulator linier yaitu regulator non-linier seperti buck converter.

Kemudian dilanjutkan dengan melihat kembali artikel mengenai penyakelaran pada sistem DC. Hal ini berguna untuk melihat rekonstruksi rangkaian evolusi dari sakelar ideal, BJT dan MOSFET. Dalam artikel itu bisa dilihat contoh dasar low-side swithing dengan NPN maupun N-MOSFET, dan high-side switching dengan PNP maupun P-MOSFET.

Setelah itu, dapat dilanjutkan dengan meninjau kembali sejenak tentang prinsip dasar bagaimana mempergunakan MOSFET sebagai sakelar elektronik. Di sana dapat dilihat kembali bagaimana cara MOSFET dioperasikan antara dua keadaan yaitu cut-off dan triode (ohmic).

 

MENURUNKAN TEGANGAN DENGAN BJT

Sebelum masuk ke penurun tegangan yang mempergunakan rangkaian tidak linier (on-off) kita akan melihat kembali rangkaian penurun tegangan linier, kali ini dengan mempergunakan BJT NPN.

Gambar 1.

Gambar 2.

Dapat dilihat bahwa dengan mempergunakan BJT pada rentang operasi linier, kita dapat menurunkan tegangan dari level catu daya ke level yang kita perlukan pada beban. Efisiensi untuk sistem ini berada pada kisaran 55,9 %. Transistor NPN mengeluarkan daya kira-kira sebesar 1,9 Watt berupa panas.

 

SIMULASI BUCK CONVERTER DENGAN LTSPICE

Gambar 3.

wp-1459193542287.jpegGambar 4.

Perhitungan untuk mencari nilai average dan RMS dapat mengacu dan mengikuti contoh pada halaman di situs pada link ini.

Gambar 5. Topologi dasar buck converter (sumber: SLVA477B)

 

Gambar 6. Topologi dengan komponen dan pengendali MOSFET yang lebih realistis
(sumber: SLVA057)

Gambar 7. Simulasi rangkaian tanpa induktor dan diode

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

 

CONTOH KONFIGURASI RANGKAIAN BUCK CONVERTER

 

Gambar 16. (Sumber: microcontrollerslab.com)

Gambar 17. (Sumber: AVR Tiny Buck Converter)

 

Gambar 18. (Sumber: KD1JV on boost and buck converters implemented with an ATtiny13V)

 

Gambar 19.

 

Gambar 20. (Sumber: Arduino-based Switching Voltage Regulators)


SUMBER BELAJAR UTAMA:

  1. Buck Converter Design Example
  2. Basic Calculation of a Buck Converter’s Power Stage, SLVA477B
  3. Buck Converter Basics

SUMBER PEMBANDING:

  1. Buck Converter Design
  2. Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies, SLVA057

KOMPONEN:

  1. Buck DC/DC Converters

Simulasi IGBT sebagai sakelar

Post kali ini adalah kelanjutan dari tulisan sebelumnya yang membahas mengenai simulasi penggunaan MOSFET sebagai sakelar dengan bantuan simulator turunan SPICE. Karena itu bagi yang belum mambaca bagian tersebut disarankan untuk membaca bagian itu terlebih dahulu. Terutama mengenai tujuan dan filosofi dasar perbandingan sederhana antar software simulator.

Keterangan lebih rincin mengenai Insulated Gate Bipolar Transistor Loading (IGBT) dapat dilihat di beberapa sumber bebas akses yang tersedia, misalnya di situs ini dan di sini. Singkatnya pada prinsipnya dapat dibayangkan secara sederhana bahwa IGBT adalah perpaduan antara MOSFET dengan BJT. Mosfet dipergunakan untuk mengendalikan operasi komponen melalui tingkat tegangan pada kaki gate (bukan base). Sedangkan BJT dipakai sebagai pelaksana pengendalian arus.

insulated gate bipolar transistor

sumber: http://www.electronics-tutorials.ws/power/insulated-gate-bipolar-transistor.html

 

I. PROTEUS


Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3.

 

Gambar 4.

 


Gambar 5.

 

Gambar 6.

 

II. LTSPICE

 

Gambar 7.

 

Gambar 8.

 

Gambar 9.

 

Gambar 10.

 

Gambar 11.

 

Gambar 12.

 

Gambar 13.

 

Gambar 14.

 

Gambar 15.

 

Gambar 16.

 

Gambar 17.

 

Gambar 18.

Pada Gambar 18, dengan melakukan zooming terhadap tampilan kurva karakteristik maka kita bisa melihat dengan lebih detail sehingga kita bisa melakukan skenario what-if dengan nilai tegangan masukan pada gate yang berbeda-beda. Misalnya pada Gambar 18, diperlukan tegangan pada V2 setidaknya sekitar 10 V sehingga nilai VGE tidak berbeda jauh. Jika tegangan pada  VGE jauh di bawah 10 V maka nilai besar arus listrik yang dapat lewat tidak akan dapat mendekati nilai maksimumnya dan nilai jatuh tegangan pada CE akan semakin besar yang mengakibatkan keborosan penggunaan energi pada komponen penyakelar.

III. TINA-TI

 

Gambar 19.

 

Gambar 20.

 

Gambar 21.

Gambar 22.

Gambar 22 menunjukkan bahwa berkaitan dengan disipasi daya (pengeluaran energi per satuan waktu), saat kritis untuk penyakelaran ada pada saat crossing. Yaitu saat persimpangan arus dan tegangan pada komponen semikonduktor penyakelar seperti IGBT. Saat itulah nilai power tertinggi terjadi, yang menghasilkan panas pada komponen.