Howto Kleine Einführung zum Rechnen und Messen mit LTspice für Anfänger

RudiS

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Hallo alle,

ich dachte, ich stell' hier mal wieder etwas rein, vielleicht hilft es dem einen oder anderen, etwas mehr Ordnung und Übersicht in die eigenen Schaltpläne hineinzubringen. Dabei habe ich vor allem an diejenigen gedacht, die gerade erst anfangen, LTspice zu benutzen.

Dazu habe ich bewusst eine ganz einfache Transistor-Schaltung ausgewählt: die Abhängigkeit des Kollektorstroms Ic von der Basis-Emitter-Spannung Vbe demonstrieren.

Parallel dazu gibt es einige Berechnungen, die den Zusammenhang mathematisch belegen.
Ausserdem habe ich einen Screenshot beigefügt, aus dem man ersieht, wie man die einzelnen Fenster übersichtlich anordnen kann, aber das nur als Beispiel, jeder nach seinem Gusto.
Die include-Datei zur Schaltung ist ausführlich kommentiert, zusätzliche Erläuterungen findet man in der beigefügten PDF-Datei. Alle Dateien befinden sich in dem ZIP-Archiv!

Viele Grüsse,

Rudi
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KlaRa

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Hallo Rudi,
ich bin nicht gerade ein LTspice Anfänger, aber Dein kleines Beispiel hat es in sich.

Includedateien hatte ich bislang noch nicht so verwendet. Das man dort auch Parameter und meas - Statements unterbringen kann ist aber eigentlich naheliegend.

Trotz Deiner Erklärungen zum einfachen NPN - Modell fehlt mir da noch etwas Wichtiges. Mir fehlt das Basismodell zum NPN. Dort wird ja zum Beispiel die PIN-Belegung definiert und mehr. Und irgendwo in diesem Modell sind auch die Variablen Is und hfe vorhanden, die dann mit NPN (Is={Is} BF={hfe}) überschrieben werden.
mfg Klaus
 

RudiS

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Hallo Klaus,

Zunächst mal danke, dass du dir die Mühe gemacht hast, mein kleines How-to anzuschauen.
Im folgenden werde ich versuchen, die von dir angesprochenen Problempunkte etwas näher zu erläutern.
Allerdings kann ich hier nicht in wenigen Sätzen die zum Verständnis des Transistors erforderliche Halbleiterphysik darlegen, dazu gibt es Fachbücher und auch genügend Internetseiten, die das tun.

Um den Transistor (hier: BJT) in einem Computer rechnerisch zu simulieren, braucht man ein Modell, das die physikalischen Eigenschaften des Transistors abbildet. Das in SPICE-Simulatoren meist verwendete Modell ist das von Gummel-Poon. Es besteht aus Strömen, einigen Widerständen und einigen parasitären Kondensatoren. Wie diese Elemente in Beziehung stehen, dazu gibt es einige spezifische Gleichungen. Einige den Transistor kennzeichnenden Parameter kann man messen wie z.B. den Kollektorstrom Ic oder die Basis-Emitter-Spannung Vbe, andere kann man mittels Gleichungen berechnen.

Eine von vielen Leuten benutzte Referenz ist die Pspice-Referenz "pspcref.pdf", eine Google-Suche führt schnell zum Ziel. Hier sind beim BJT die Parameter und auch die verwendeten Formeln aufgeführt.
Eine dieser Gleichungen ist die sogenannte Shockley-Gleichung für den Diodenstrom, in etwas vereinfachter Form
Id = Is * exp(Vd / n*Vt)
Is:Sättigungsstrom Vd:Spannung über der Diode Vt:Temperaturspannung

Diese Gleichung gibt es in ähnlicher Form auch für den Transistor:
Ic = Is * exp(Vbe / Vt)

Man erkennt von dieser Formel, dass der Kollektorstrom von drei Grössen (Parametern) abhängt:
- von dem Sättigungsstrom Is
- von der Basis-Emitter-Spannung Vbe und
- von der Temperaturspannung Vt
Ausserdem ist der Kollektorstrom von zweien dieser Grössen nicht linear abhängig, sondern exponentiell.

Welche Parameter LTspice beim BJT verwendet, dazu findest du Näheres in der LTspice Hilfe unter
-- LTspice(R) / Circuit Elements / Q Bipolar Transistor

Hier ist mit der Syntax auch die PIN-Belegung angegeben:
Qxxx Collector Base Emitter

Da ich aber im Schaltplan das von LTspice bereitgestellte NPN-Transistor-Symbol verwende, ist durch das Smbol schon grafisch die PIN-Belegung eindeutig festgelegt, da gibt es wohl kein Vertun! Wenn du aber im Schaltplan View - SPICE Netlist anwählst, dann siehst du, dass dort bei Q1 die Anschlüsse in der Reihenfolge C - B - E aufgeführt sind, besonders gut zu erkennen, wenn die Anschlüsse mit einem Label versehen sind (Label net).

Unterhalb der Erläuterung zum BJT in der Hilfe findest du eine Tabelle der zum Gummel-Poon-Modell gehörigen Parameter. Ganz rechts in der Tabelle gibt es die Rubrik "Default". Es ist nämlich so, dass keinesfalls die Modellangaben zu allen möglichen Transistoren immer komplett sind, manchmal fehlt bei dem Modell dieser Parameter, dann beim nächsten Modell wieder ein ganz anderer.
In solch einem Fall - eines fehlenden, nicht angegebenen Parameters - nimmt LTspice den internen Default-Wert. Ganz einfach, nicht?

Je mehr Parameter ein Modell enthält, desto genauer ist im Grunde das Modell auf diesen speziellen Transistor "BC560C" zugeschnitten. Für eine Prinzipschaltung, z.B. eines einstufigen NF-Verstärkers, braucht es kein ausgeklügelt mit Messdaten versehenes Modell. Um den Kollektorstrom zu berechnen, braucht LTspice den Wert Is und für die Verstärkung den Wert beta, BF oder auch hFE genannt. Es genügt also, wenn ich ein Modell mit eben diesen beiden Werten, IS und BF, schaffe! Basis-Emitter-Spannung kann man berechnen. Und wenn ein nicht angegebener Parameter notwendig sein sollte, kann LTspice auf die Default-Werte zurückgreifen.
Bei dem Einfügen des NPN-Symbols im Schaltplan siehst du die Kennung "Q1 NPN". Die Schaltung funktioniert, ohne dass du auf das Transistor-Symbol klickst und "Pick New Transistor" wählst, weil in diesem Fall *alle* Parameter eben diese Default-Werte sind.
Angenommen, du hast aus deinem Bestand einige BC560 auf beta ausgemessen mit den Werten 140, 275 und 435 und willst jetzt wissen, wie sich die Schaltung mit deinen gemessenen Transistoren verhält. Es wäre sehr umständlich, wenn du jedesmal im Modell den Parameter BF ändern müsstest.
Das macht man dann so:

.model mein_BC560 ako:BC560 BF={hFE} ;alias für BC560 ako = a kind of ...
.step param hFE list 140 275 435

Die geschweiften Klammern geben LTspice zu verstehen, das dieser Ausdruck durch eine Zahl ersetzt werden muss, das geschieht dann beim Ausführen der .step-Anweisung.

Ich hoffe, damit alle Zweifel ausgeräumt zu haben, und wünsche dir gutes Gelingen beim Simulieren!

der Rudi
 
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RudiS

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da muss es natürlich heissen: ... anwählst, dann siehst du ... ;-)

spicer schrieb:
Hab's für Dich korrigiert.
Das kannst Du übrigens bis zu einer Woche später auch selber noch.
Als Thread-Ersteller (das siehst an der Feder bei Deinem Avatar) kannst sogar den Eröffnungs-Post immer ändern :cheer2:
 
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KlaRa

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Hallo Rudi,
Danke für Deine interessanten Erläuterungen. Ich arbeite mit LTspice schon über 15 Jahre und habe auch schon aufwändige Simulationen durchgeführt. Gelegentlich habe ich auch im mikrocontroller.net - Forum um Rat gefragt. Helmut Sennewald war da immer außergewöhnlich gut und sehr bescheiden. Er hat ja auch diesem Forum geholfen.
Deine Ausführungen haben mich an Helmut erinnert.
mfg Klaus
 

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