2019年4月1日月曜日

LTspice XVII on macで真空管のシミュレーション


LTspice XVIIで真空管を使った増幅回路のシミュレーション

世の中は便利なもので，LTspice XVII (2017)という回路シミュレータが公開されていて，無料で全ての機能が使用できます．回路に使える部品数は無限だそうです．

ただ，LTspiceに真空管のシンボルは三極管，四極管，五極管と含まれているのですが，各型番の真空管のデータがないため．そのままでは真空管を含む回路の挙動をシミュレーションできません．

ただ，世の中にはすごい人がいるもので，中村歩(Ayumi)氏がSpice用の真空管のデータを公開しています(Ver. 3.20 2016年3月7日で240種類)．

http://ayumi.cava.jp/audio/index.html

また，トランジスタ技術2017年5月号には，付録DVD-ROMにシンボルを選択するだけでLTspiceで利用できるようにした真空管モデルが278種類収録されています．

今回は，「LTspice入門　真空管モデルをライブラリに組込む」を元に，EL34Tをぶひんとして登録し，自己バイアス増幅回路を作成してみました．

LTspice XVII Mac版のインストール

LTspice XVIIはWindows版とMac版が以下のWebからダウンロードできます(Last Update: 2019/3/13)．

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

macOSの場合，LTspice.dmgがダウンロードされるので，これをダブルクリックし，マウントされたイメージ内でLTspice.appをApplicationsにdrag&dropすればインストールは完了します．

真空管データの登録

「LTspice入門　真空管モデルをライブラリに組込む」にしたがって，EL34Tを登録してみます．「Ayumi's Lab.: オーディオ」の「SPICE用真空管モデル(240種) Ver. 3.20 (2016/3/7)」からLinux用のデータをダウンロードしました．

zipファイルを解凍して，出てきた*.incファイルを，ホームディレクトリの下のLibrary/Application Support/LTspice/lib/sub/というディレクトリの中にAyumiというディレクトリを入れて，この中にコピーします(MacのFinderではホームディレクトリの中のLibraryは見えないので，ホームディレクトリが表示されている時に，メニューの「移動」→「フォルダへ移動」を選択して「Library」と入力し「移動」ボタンをクリックするとLibraryディレクトリの中へ移動できます．後は中身のディレクトリに順次，移動できます)．

実は，これらのファイルはLTspiceでは使用できないファイルなので，ファイル内の全ての^を**に置換します(指数関数の演算子です)．テキストエディタの一発置換機能を使ってください．これで，各真空管のデータが準備できました．

次に，真空管EL34Tのシンボルファイルを作成します．EL34Tは五極管であるEL34を三極管接続したモデルです．ディレクトリLibrary/Application Support/LTspice/lib/sym/の中にAyumiというディレクトリを作成し，ファイルLibrary/Application Support/LTspice/lib/sym/Misc/tetrode.asyを，Library/Application Support/LTspice/lib/sym/Ayumi/EL34T.asyという名前でコピーします．

このディレクトリへのアクセスは面倒なので，ターミナル上で
cd
ln -s 'Library/Application Support/LTspice' .
を実行し，ホームディレクトリにLTspiceというディレクトリが見えるようにしておくと，この後の処理が便利です．

ファイルの中身はhttp://mobius-el.cocolog-nifty.com/blog/2018/01/ltspice-03c0.htmlのようにGUI上で書き換え可能ですが，書き換える場所は少しなので，ここではテキストエディタで変更します．

SYMATTR Value Triode
SYMATTR Prefix X
SYMATTR Description This symbol is for use with a subcircuit macromodel that you supply.

上記の部分の下記のように書き換えます．

SYMATTR Value EL34T
SYMATTR Prefix X
SYMATTR Description High Performance Audio Power Pentode
SYMATTR ModelFile \\Users\arimura\LTspice\lib\sub\Ayumi\EL34T.inc

この例のように，ファイルの存在する場所をModelFileに書きます．\\Users\の次の部分はユーザー名なので，それぞれ確認してください．

2019/4/28訂正：lib/subからの相対パスで良いようです．

SYMATTR Value EL34T
SYMATTR Prefix X
SYMATTR Description High Performance Audio Power Pentode
SYMATTR ModelFile Ayumi\EL34T.inc

なお，これらのファイルを書き換えた後は，LTspiceを再起動する必要があるようです．

回路図の作成

 LTspiceをダブルクリックすると，以下のようなダイアログが開きます．

「Start a new, blank Schematic」をクリックすると，とんでもなくシンプルなウィンドウが開きます．

右ボタンでメニューが出てきて，全てここから操作可能です．

「画面上で右クリック」→「Draft」→「Component」(ショートカットキー：F2)で部品が選べます．

[Misc]の中に入っているtriode，tetrode，pentodeがそれぞれ三極管，四極管，五極管です．先ほど作成したEL34Tも[Ayumi]の中にあると思います．部品をクリックで選択してOKボタンをクリックすると，マウスカーソルに部品がくっついた形になるので，クリックするたびに画面に部品が配置できます．ESCキーを押すと，このモードを終了します．


現在のモードを終了するには，常にESCキーを押すことを覚えてください．例えば，部品を削除する場合は，「画面上でマウスを右クリック」→「Edit」→「Delete」(ショートカットキー：F5)の操作でマウスカーソルがハサミになって削除モードになります．必要な部品を左クリックすると，その部品が削除されます．ESCキーを押すと削除モードを終了します．

resで抵抗が，capでコンデンサーが，voltageで電源が選択できます．信号源は[Misc]の中にsignalがありますので，これを使うと，あらかじめ1kHz，1Vppの正弦波が出力されるような設定になっています．なお，回路図の中での0Vの位置を決めるためにGNDをどこかに設定する必要がありますが，これは「画面上でマウスを右クリック」→「Draft」→「Net Name」(ショートカットキー：F4)の操作で以下のようなダイアログが表示されますので，以下のようにGNDを選択して，画面上にGNDの三角マークを置いてください．

配線は「画面上でマウスを右クリック」→「Draft」→「Wires」(ショートカット：F3)を使います．クリックしたとき部品の端子をクリックせず，空白をクリックすると，折れ線を描くことができます．また，shiftキーを押しながらマウスカーソルを動かすと45度斜めの線を配線として描くことができます．

部品は全て縦向きに描かれていますので，これを90度単位で回転させるには，「画面上でマウスを右クリック」→「Edit」→「Move」(ショートカット：F7)で移動モードにした後，ctrl-R(controlキーを押しながらr)を入力してください．ちなみに，左右反転はctrl-Eです．

以下のように回路図を作成してください．

このとき，「画面上でマウスを右クリック」→「View」→「Grid Dots」を選択して画面に方眼ドットを表示しておくと，縦横の位置が合わせやすいと思います．

さて，回路の形はできましたが，抵抗や電源電圧，コンデンサーの容量などの値が入っていません．これは，部品を右クリックすることで値を入力できます．以下のように値を設定してください．

コンデンサーでよく使われるμ(マイクロ，ギリシャ文字の小文字のミュー)は，uで入力できます．電源，抵抗，コンデンサーについて，それぞれ以下のように値を設定してください．
図．電源の値の設定(DC200V)

図．抵抗の値の設定(470kΩの場合)

図．コンデンサーの容量の設定(0.1μFの場合)

以上で回路の作成は終了です．


シミュレーション

ウィンドウの右上にある，人が走っているボタンがシミュレーションボタンです．マウスで左クリックしてみてください．以下のようにエラーメッセージが表示されてしまいます．
図．シミュレーションを実行してみるができない

そこでまず，シミュレーションのためのコマンドを書き込みます．左下に表示されている「.tran 10m」という文字列です．

この「.tran 10m」という文字列は，10msecだけ時間変化を見るためのコマンドです．「画面上でマウスを右クリック」→「Draft」→「SPICE Directive」(ショートカット：S)で以下のように書き，画面の空白部分に配置します．

この状態で再度，シミュレーションボタンをクリックしてください．次のようなウィンドウが新たに表示されます．グラフは何も描かれていません．

ここでは入力信号と出力信号の電圧，カソードで作られる自己バイアスの電圧を表示したいと思います．回路図のウィンドウにフォーカスを合わせてマウスカーソルを動かすと，カーソルが鉛筆の形になったり変な(バトミントンの羽のようなクランプメーターらしい？)形になったりします．まず，入力信号を表示します．

次に出力信号の波形を表示します．入力の2Vppが12Vppに増幅されていることがわかります．

さらにカソードバイアス電圧を表示してみます．入力信号に合わせてカソードバイアス電圧が上下していることが分かります．

次に，よくあるように，カソードバイアス抵抗に，並列に10μFのコンデンサーを追加して，交流信号はこちらをバイパスさせてみましょう．極性付きコンデンサーはpolcapです．回路図は以下の通りになります．

このときの入出力，カソードバイアスの電圧は以下のようになります．同じ入力信号に対して出力が16Vppに増加していることが分かります．また，コンデンサーによってカソードバイアス電圧も安定していることが分かります．

 グラフウィンドウの背景色

デフォルトではグラフの背景色が黒なので，これを白にしておきます．グラフウィンドウの一番右のボタン（とんかちマーク）をクリックするとダイアログが開きます．

一番上の「Configure Colors」をクリックして，「Selected Item:」で「Background」を選択し，Red:，Green:，Blue:の値を全て0から255に変更してください．

「OK」ボタンをクリックすると，グラフウィンドウの背景が白に変わります．

「LTspice XVIIで真空管のシミュレーション(2)」へ続く．

参考文献:
  • トランジスタ技術, 2017年5月号, CQ出版.
  • LTspice XVII公式和訳マニュアル, トランジスタ技術2017年9月号特別付録, 2017年9月号, CQ出版.
参考Web:
投稿者 時刻:
ラベル: , , , , , , ,

0 件のコメント:

コメントを投稿

登録: コメントの投稿 (Atom)