Schaltungssimulation

      Schaltungssimulation

      Moin, gerade hab ich gesehen das es derzeit möglich ist eine Software Kostenlos zu Laden Namens Micro-Cap 12. Die soll angeblich besser sein bzw Umfangreicher als LT Spice. Wer also viel Simuliert, kann hier evtl. eine gute Kostenlose Software bekommen.
      Ich weiß nicht wo ich hier im Forum den Link dazu einstellen kann.
      Vielleicht hat da jemand nen Tipp für mich?

      Hier mal der Link.. spectrum-soft.com/download/download.shtm

      Falls hier unerwünscht, einfach Löschen....

      Viele Grüße,
      Markus
      Hallo Markus,

      gute Nachricht, Danke!

      Offenbar hat der Entwickler sich zur Ruhe gesetzt und deshalb nun Freeware. Netter Zug.

      Wenn nur nicht das Umgewöhnen so anstrengend wäre. Jetzt bin ich glücklich mit LTSPice (für meine bescheidenen Ansprüche) und beherrsche auch das bei weitem noch nicht in voller Breite. So viele (teils versteckte) Optionen! Es geht mir bei neuer Software wie bei meinem neuen Digital-Oszilloskop. Menüs, Untermenüs und da nochmals Untermenüs - die Bedienung dauert ewig, wenn man nur gelegentlich damit schafft und das Ding einem nicht ins Blut gegangen ist, da ich es mir nicht merken kann, wo denn nochmal die Funktion "x" versteckt war. Beim alten analogen gab es zwar viele Knöpfe aber da war auf Anhieb klar, wofür und wie - das ging dort mit einem Handgriff.

      Gruß
      Reinhard
      Hallo zusammen,

      die letzten Tage hatte ich aus persönlichen Umständen Zeit, mir die Software genauer anzusehen. Sie bietet tatsächlich weit über LT-Spice hinausgehende Funktionen und erledigt manche Geschichte wesentlich bequemer. Ein paar Dinge aus persönlicher Sicht:

      Sehr umfangreiche integrierte Model-Bibo.
      Bequemer Parametersweep
      Simulation von magnetischen Größen
      Einfache Anzeige, Erklärung und Parametersweep von Model-Werten, z.B. Beta eines Transistors
      Ausgabe von Bauteilkennlinien während der Auswahl im Schaltplaneditor.
      Simulation per Knopfdruck, ohne hinterlegten Befehlstext im Schaltplan.
      Sofortige Anzeige der Auswirkung von Bauteiländerungen ohne Neustart der Simulation.
      Einfache Stabilitätsanalyse mit Ausgabe von Phasenreserve, Gainreserve
      Anzeige von Knotenspannungen und Pinströmen per Knopfdruck.
      Anzeige des Bauteilzustandes: On, Off, Linearbereich, Hot, Sättigung.
      ...
      Die Schaltplaneingabe empfinde ich, angeleitet durch die integrierten Schnellanleitung, mittlerweile als bequemer im Vergleich zu LTSpice. Aber man muss sich schon etwas umgewöhnen.

      Viele Grüße,
      Christian
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      2 + 2 = 5 (für extrem große Werte von 2)

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      Hallo zusammen,

      erstes größeres Simulationsobjekt war die germaniumbestückte Endstufe des vermutlich ersten volltransistorierten Stereoreceivers der DDR, des Transstereo 2401. Der ging übrigens über Bruns auch in den Westen. ;-). Die Schaltung war bis auf ein erweitertes UKW-Band nicht verändert, aber die Potis erhielten Aluknöpfe statt Kunststoff.



      Der originale Schaltplan von Sonneberg zeigt die Anordnung der Elemente sehr unübersichtlich. Erst das Umzeichnen bei der Eingabe in Micro Cap brachte die Struktur zutage:
      Eingangsstufe in Emitterschaltung, original bestückt mit einem GC121d, danach folgt eine Phasenumkehrstufe mit GD160B, die die beiden Ausgangstransistoren ansteuert, im Original GD170B. Die Schaltung ist für einpolige Spannungsversorgung ausgelegt, also gibt es einen Auskoppelkondensator. Eine weitere Besonderheit, von Reinhard schon bemerkt, ist die Bootstrap-Schaltung des Lastwiderstandes. R5 (der Lautsprecher) muss angeschlossen sein, damit Strom über die Phasenumkehrstufe - und damit auch über die Endstufentransistoren fließen kann. Gleichzeitig geht von da eine Rückkopplung an den Eingang zur Verbesserung des Frequenzganges bei hohen Frequenzen. Die Rückkopplung über alles läuft über einen 4,7 nF-Kondensator parallel zu einem 2,7k Widerstand an den Kollektor der Eingangsstufe. Der Fußzweig geht an dessen Emitter mit einem 330-Ohm-Widerstand und einem 10 µF-Kondensator in Reihe. Diese Kombination bestimmt maßgeblich den Frequenzgang im Tieftonbereich.
      Der Ruhestrom lässt sich nicht einstellen. Poti R11 dient maßgeblich der Symmetrierung des Ausgangssignals. Die Stabilisierung des Ruhestromes erfolgt über R19, einem Thermistor.
      Alles in allem eine recht eigenwillige Konstruktion, bei der wohl die Verfügbarkeit der Transistoren im Vordergrund stand. Die Realisierung des AB-Betriebes mit einer Phasenumkehrstufe ermöglicht, Transistoren komplett mit nur einer Polarität einzusetzen. Die Folge ist, dass die Ausgangsstufe eine Halbwelle in Kollektorschaltung, die andere in Emitterschaltung verstärkt. Verstärkung, Eingangs- und Ausgangswiderstand unterscheiden sich dabei jeweils deutlich. Für den Consumerbereich gab es damals nichts anderes als PNP-Germanium-Transistoren. Selbst Treibertransistoren als NPN für eine Quasikomplementärstufe waren wohl noch nicht verfügbar.

      Für die Simulation habe ich das Ge-Modell AC127 aus der LT-Spice-Bibliothek genutzt. MicroCap hat keine Ge-Modelle drin. Die Integration ist spielend einfach: Kopieren der Zeile in LT-Spice, Einfügen im Schaltplanbereich oder in der Model-Seite des Schaltplanes von Micro-Cap. Dort werden übrigens auch Modelle lokal gespeichert, wenn man einen Parameter schnell mal fix ändert.




      Ein Schmankerl des Programmes ist die komfortable Auswahl der Bauelemente mit vielen Informationen im Auswahlfenster. So ist es möglich, alle Parameter des Modelles bei der Auswahl einzusehen. Auch die Ausgabe von wichtigen Kennlinien ist direkt dort möglich. Für Bipolartransistoren stehen die Ausgangskennlinien, die Sättingungsspannung vs. Ic, Beta vs. F und die Gleichstromverstärkung vs. Ic zur Verfügung. Lezteres sieht man unten im Beispielbild.




      Und was taugt der Verstärker nun? HiFi-Klänge kommen da nicht raus. Im Datenblatt steht drin, dass der Verstärker bei 1 kHz und Nennausgangsleistung ca. 1 % Klirr besitzt. Das Verhalten bei höheren Frequenzen wird nicht erwähnt. Schon der Vergleich der Kurven Eingang vs. Ausgang bei 5 kHz zeigt: Hier kommen starke Verzerrungen zustande:




      Aber es geht ja nicht vornehmlich um den Verstärker, sondern eher um die Fähigkeiten von Micro-Cap. Als letztes Schmankerl möchte ich hier jetzt erwähnen, dass eine THD-Analyse über ein festgelegtes Frequenz- und Leistungsfeld per Knopfdruck möglich ist:



      Hier gibt es ein paar Widersprüche, aber es wird deutlich, der Verstärker verzerrt stark bei höheren Frequenzen.


      Beispiele für eine Frequenzgang-Analyse und eine Stabilitätsanalyse (sehr schön gelöst) zeige ich später noch.

      Ich habe in der Simulation mal Si-Transistoren eingesetzt, um zu schauen, ob der Klirr besser wird. Das ist nicht der Fall. Man bekommt die Schaltung zwar wieder zum Laufen, aber nur mit grundlegenden Änderungen am Konzept (höhere Schleifenverstärkung, weg von der Phasenumkehrstufe, weg vom Bootstapping...), ist es möglich, eine deutliche Verbesserung der Qualität zu erzielen. Da ist es einfacher, gleich eine komplett neue Endstufenschaltung aufzubauen.
      Diese Form der Endstufe mit Phasenumkehrstufe wurde relativ lange genutzt. Man findet sie auch, etwas verändert, in der REMA Andante 730/830-Familie, die bis 1982 gebaut wurde. Erst mit dem Übergang zu den Andanten 744/844 wurden quasikomplementäre Endstufen, komplett siliziumbestückt, eingesetzt. Den verbesserten Frequenzgang und verringerten Klirr hörte man deutlich.

      Viele Grüße,
      Christian
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      Fortsetzung: Frequenzgang und Stabilität in Micro-Cap

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      Hallo zusammen,

      für die beiden Analysen habe ich eine andere Verstärkerschaltung ausgewählt, da speziell die Stabilitätsanalyse des Germaniumverstärkers ziemlich langweilig ausgefallen ist. Dessen interne Schleifenverstärkung ist so gering, dass sich die Stabilitätsanalyse nicht so recht lohnt. Zunächst die neue Schaltung:



      Ich habe sie hier gefunden,
      elektronikinstitut.de/6nfe27.html
      und etwas abgewandelt, um auf 10 Watt Ausgangsleistung zu kommen.

      Es ist eine noch recht einfache kleine Endstufe, die auf ca. 10 Watt Ausgangsleistung mit asymmetrischer Versorgungsspannung kommt. Die Eingangsstufe besteht aus einer Emitterschaltung, Stufe Zwei ebenfalls, allerdings mit einer Konstantstromquelle aus Q3 und Q4 als Arbeitswiderstand. Danach folgt die Ausgangsstufe mit komplementären Darlingtons. Nix Besonderes also, aber mit vernünftiger Qualität. Diese Schaltung wäre durchaus geeignet, die Ge-Schaltung des Transstereo abzulösen.
      Auf zwei Dinge möchte ich noch aufmerksam machen. Einmal sind in diesem Screenshot die Knotenspannungen eingeblendet. Nach einem Analyserun, egal on Transienten- oder AC, lässt sich das per Knopfdruck einblenden. Mit den Stromwerten pro Pfad geht das genauso fix, es wird nur schnell unübersichtlich. Beide Funktionen finde ich sehr praktisch.
      Das andere Feature ist das kleine Kreuz in der Rückkopplung mit der Bezeichnung "Probe3". Das ist letztendlich eine AC-Spannungsquelle. Sie steht als separates Bauteil in der Standard-Bibliothek zur Verfügung und wird für die Stabilitätsanalyse benötigt.

      Die Analyse der harmonischen Verzerrungen deutet wirklich auf brauchbare Qualität hin. Die Verzerrungen bleiben unter 0,5% für alle relevanten Frequenzen und Leistungen. Ich habe diesbezüglich noch nicht einmal groß optimiert.




      Bei Aufruf der AC-Analyse öffnet sich folgendes Fenster, das weitgehend selbsterklärend ist. Hier werden die Ausgangsamplitude in dB und die Phase des Ausgangssignals in Bezug auf das Quellensignal von V1 dargestellt.



      Die Beschriftung des Buttons "Stepping" ist fettgedruckt. Das zeigt, dass irgend eine Stepfunktion aktiv ist. Ich habe den Millerkondensator von Q2 zum Steppen ausgewählt.



      Er wird nach meiner Einstellung mittels einer Liste von Werten von 1p bis 100p geändert. Möglich sind natürlich auch lineare oder logarithmische automatische Stepschritte. Auch das gleichzeitige Steppen mehrerer Werte oder Modelparameter ist sehr einfach möglich. Zusätzlich kann man dann auswählen, ob man jede mögliche Kombination ausgegeben haben möchte, oder nur die Schritte der Steps jeweils kombiniert. Das Ganze ist also etwas flexibler als LT-Spice und läuft ohne eine Spice-Anweisung im Zeichnungsfeld.

      Startet man die Analyse mit diesen Einstellungen, erscheint folgende Grafik:




      Bei LT-Spice schmerzlich vermisst: Fährt man mit dem Mauszeiger eine Kurve an, erscheint der zugehörige Stepping-Parameter. Die korrekte Zuordnung ist also sehr einfach nachzuvollziehen.
      Die Achsenbeschriftungen werden korrekt gerundet, und das Progamm gibt sinnvolle Teilschritte aus. Oft interessieren aber nur bestimmte Bereiche. Da hat man die Wahl: Ein Fensterzoom ist ebenso möglich wie die manuelle Eingabe der dargestellten Grenzen. Ergebnis des Letzteren:




      Der Verstärker arbeitet also von 20 Hz bis 20 kHz mit Abweichungen von weniger als 3 dB. Mit 33 pF als Millerkapazität gibt es bei 20 kHz noch keinen nennenswerten Verstärkungsabfall.


      Nun zur Stabilitätsanalyse. Das Prinzip lautet verkürzt ja so: Die innere Schleifenverstärkung muss unter 1 (0 dB) gefallen sein, bevor die Phasendrehung 180° erreicht. Dann schwingt der Verstärker nicht. In der Praxis ist stets noch etwas Reserve notwendig, damit auch gedämpfte Schwingungen sicher vermieden werden. Die Messung, egal ob in LT-Spice oder hier, bedingt, dass eine AC-Quelle in die Rückkopplungsschleife eingefügt wird und die eigentliche Signalquelle keine Amplitude liefert. Die Signalquelle muss man selbst platzieren, um den Rest kümmert sich Micro-Cap. Bei LT-Spice ist etwas mehr Handarbeit notwendig.

      Für die Stabilitätsanalyse wird das Signal vor und nach dem Trennpunkt in der Schleife (die eingefügte Signalquelle) ins Verhältnis gesetzt.
      Das Verhältnis der Signalstärke auf der dem Ausgang zugewandten Seite zu der dem Rückkopplungsnetz zugewandten Seite entspricht der inneren Schleifenverstärkung, d.h. das, was der Verstärker als "Reserve" zur Verfügung hat, um Nichtlinearitäten der Verstärkungselemente auszuwetzen.
      In Verbindung mit dem Phasengang lässt sich aus diesen Daten dann auch sofort ablesen, ob das Gebilde die Schwingbedingungen erfüllt oder nicht.



      So sieht das Ergebnis aus, abrufbar über das Menü Analysis --> Stability -->Run
      Die blaue Amplitudenkurve schneidet die 0-dB-Linie bei ca. 110 kHz. An dieser Stelle liegt die Phasenverschiebung bei - 88°, also weit weg von -180°. Die Analyse spuckt auch direkt Phasenreserve aus, sie beträgt 92,3°. Werte bis 60° sind sehr gut, Hifiverstärker haben oft weniger, da sie eine wesentlich höhere innere Schleifenverstärkung aufweisen. 30° Reserve sind so eine Art Minimum. Darunter wächst die Gefahr, dass Ringing, gedämpfte Schwingungen, auftreten. Hier ist also alles in Ordnung.
      Auch die Verstärkungsreserve ist aufgeführt, d.h. wieviel dB ist das System schon im Minus, wenn die Phasendrehung -180° erreicht. Aus dieser Angabe könnte man z. B. ableiten, wie stark man die innere Schleifenverstärkung noch anheben könnte, ohne dass das System instabil wird. In der Praxis wird sich durch eine solche Schaltungsanpassung, z. B. eine weitere Spannungsverstärkungsstufe, aber auch der Phasenverlauf wieder ändern.

      Die Darstellung: oben die Amplitude, unten die Phase, beide über der Frequenz, heißt in der Fachwelt Bode-Plot. Den Experten hier erzähle ich da sicher nichts Neues. Aber für den einen oder anderen Autodidakten ist die Information vielleicht hilfreich.
      de.wikipedia.org/wiki/Bode-Diagramm

      Micro-Cap gibt auch die Nyquist-Ortskurve aus. Diese fachgerecht zu kommentieren, reicht mein Wissen über Regelungstechnik jedoch nicht aus. Falls jemand einspringen möchte: Meinerseits gerne.


      Nyquist-Plot mit den vom Programm gewählten Zoomgrenzen


      ...gezoomt für die Phasenreserve


      ...noch weiter gezoomt für die Verstärkungsreserve


      Viele Grüße,
      Christian
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      Hallo Christian,

      was Du hier zeigst, ist eine grosse Empfehlung für Micro-Cap. Für jeden, der in solche Simulationen einsteigen will, wäre danach meine Empfehlung, nicht auf Spice (kostenpflichtig), LTSpice (kostenfrei) zu setzen, sondern gleich mit Micro-Cap (kostenfrei) zu starten! Nicht jeder kann so leicht von einem gewohnten Programm auf ein anderes "umschalten", wie Du das hier vorführst. Ich habe z.B. bereits bei den Programmen der bekannten Firma WinzigWeich Schwierigkeiten gehabt, mich an die jeweils neue Version umzugewöhnen.

      Gruß
      Reinhard
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