В света на симулациите

-

Предпоставките

Много дълго време, години наред, аз съм се въздържал да работя с програми за симулиране на електрически и електронни схеми. Смятал съм, че те ще попречат на творческото ми мислене. Предпочитал съм сам, със силата на своето въображение, интуиция и практически усет, натрупан чрез реални експерименти и практика, да си представям действието на схемите. Често съм се шегувал, че "моят мозък е моят симулатор" :-)
Опасенията са ми били, че симулаторите са тежки и тромави, често грешат, и се иска много опит, за да ги накараме правилно да представят действието на схемите. Така, мислех си аз, никога не може да сме сигурни в това, което те показват.
Като цяло съм смятал, че симулациите са предназначени за хора с формално, логическо мислене, които са по-скоро математици, отколкото техници. Не знам дали само при мен е било така или по принцип е така, но все съм бил заобиколен от такива хора - умни, знаещи... но неразбиращи. За тях схемите са даденост, нещо съществуващо, сякаш дадено ни от Господа, което само трябва да бъде анализирано чрез сложни математически изрази и препредадено на студентите (наблюденията са ми от институцията, където съм учил и след това работил). Моите колеги използваха симулациите най-вече за да придадат (псевдо)научен вид на публикациите си, а не толкова за да разкрият тайните на схемите.

Как изследвах схемите

Аз обаче съм техник и изобретател по рождение, и учител по призвание (виж моята творческа биография). Представям си действието на електрическите и електронни схеми по-скоро с въображението си, отколкото с разума си, като визуализирам невидимите електрически величини (напрежение, ток и съпротивление) върху мисления  вътрешен "екран" на моето въображение. За мен електронните елементи (диоди, транзистори и операционни усилватели) са като живи същества. За да ги разбера, аз мислено се поставям на тяхно място и си представям как действат. Когато имам нужда да проверя дали е така, както съм си го представял, правя прости реални експерименти с "хитри" уредчета и опитни постановки в лабораторията. Така беше до миналата година...

Промяната

... но настъпи промяна... Вече нямах лаборатория, в която да правя реални експерименти, а не можех да си позволя да си направя "домашна лаборатория", каквато на времето имах като любител. Просто сега вече беше невъзможно да  купувам уреди и всевъзможни елементи, да притичвам до магазина, ако правя експеримент и в момента искам да променя нещо. А и целта ми не е да правя устройства, които да запазвам и използвам... а да експериментирам със схемите, за да ги разбера и разкажа в уеб.

CircuitLab

В началото на тази година, някак си импулсивно и сякаш на шега, започнах да използвам симулатора CircuitLab... и бях очарован - първо от графичния му редактор, а след това и от симулатора. Отново имах "лаборатория" - наистина не съвсем истинска, реална, а "симулационна"... но все пак лаборатория... 

Главното предимство на тази замяна на реалното със симулираното е, че експериментите стават много лесно. Елементите са едри, опростени, лесно и интуитивно се местят, въртят, скачват един с друг. Схемите са изчистени от подробности, редя ги като кубчета "Лего" и се радвам като малко дете. Нямам нужда от много конкретни и разнообразни елементи; трябват ми "концептуални" елементи, на които да мога да променям свойствата. Например, трябва ми диод с определено прагово напрежение; - правя го с "идеален диод" от библиотеката на CircuitLab, на който задавам напрежението в панела "параметри". Това всъщност не е просто диод, а един стабилизатор на напрежение.

Моите схеми са концептуални и затова симулаторът много добре пасва на тях. Това са "идеални" експерименти; те не завършват с правене на платка и устройство. Целта тук не е да използвам устройството, а да разбера идеята и да я обясня на другите. Аз съм работил малко с някои програми като CADSTAR, които позволяват да се стигне до платка. Най-сложната платка, която съм правил с него, беше контролер за въвеждане и извеждане на аналогови сигнали за PC. Неприятното за мен в тези програми са претрупаните с детайли "производствени" схеми. И въобще да си призная, много съм мразил правенето на платки. Това не ми е доставяло удоволствие, с изключение на учническите ми години, когато правех прости платки с печатен монтаж по примитивен начин (рисувах ги с асфалтов лак и ги разяждах с железен трихлорид). По-късно в университета имаше хора около мен, колеги, на които това (а не разкриването на схемните идеи) им доставаше върховно удоволствие. Обяснявам си го с това, че аз не съм конструктор, не съм човек, който създава устройства с идеята да спечели от тях. За мен са ценни идеите, философията. Аз се занимавам с "идеални" неща и поради това този симулатор така добре ми пасна.

До сега много използвах старите си ресурси с пищни цветни илюстрации, начертани на ръка, като пращах линкове към тях. Но постепенно започнах да се отказвам от тях, колкото и добри да са те. Сега го правя с редактора на CircuitLab, като визуализирам токовете пестеливо с малки, ненатрапващи се стрелки. Напреженията засега не съм измислил как да визуализирам (може би ще бъде със стълбчета в  червен цвят).

Едно от големите предимства на този начин на работа е, че получавам подкрепа, потвърждение от CircuitLab за правотата на идеите си и читателите няма как да не ми вярват. Трудно се оспорват цифровите и графични резултати, получени след симулациите.

С това средство мога много добре да си подреждам схемите. Най-хубавото е, че мога да правя постъпкови "сценарии". Стават много лесно, "отзад напред" - започвам с последната, най-сложна схема, и постепенно премахвам елементите от нея; така стигам до първата, най-проста схема. Сега най-голямо удоволствие изпитвам, когато седна да правя поредния такъв сценарий, да сглобявам схеми и да експериментирам. Отдавна, да не кажа никога, не съм го изпитвал това. При реалните схеми става трудно и желанието ти угасва постепенно.

Мисля си, че симулаторът всъщност го прави по същия изкуствен начин, по който и аз правя еквивалентните електрически схеми (управлявани от човек) на електронните елементи, като ги заменя с уравнения. Но случва се, че понякога и аз както и други хора, забравям за това и почвам да си мисля, че това е реална схема. Но аз имам опит и това ми позволява дълго време да работя, без да "пипам" нещо материално. Така всъщност експлоатирам моите практически психомоторни модели, които имам натрупани от живота, за да мога да продължа сега със симулационни модели. Ето, това е много съществена разлика между мен и "новаците" без практически опит, които само симулират и не са правили реална схема преди това. Общоизвестно е, че е невъзможно само със симулации до усвояваш схемите. Правилният път е първо реално и след това симулационно... както е и в живота... Например, как един писател пише книга? Той не прави реални ситуации, а използва своя житейски опит, за да ги вижда в съзнанието си и да ги пресъздава написани.

CircuitLab трикове

Понеже съм си "изобретател по душа", веднага почнах да измислям разни хитри трикове, които със симулатора стават много по-лесно, отколкото в реалността. 

"Натъкмяване" на стойности

Настройването на стойности чрез "обратна връзка", тоест гледайки индикатор, е мое хрумване, което веднага почнах да осъществявам. Така няма нужда да изчислявам, а просто "натаманявам" стойността. Или, както често обичам да казвам, "CircuitLab ме освободи от игото на уравненията".

Умишлено влошени измервателни уреди

Нормално един "идеален" амперметър има нулево съпротивление, а "идеалният" волтметър - безкрайно голямо. Един много хитър трик обаче е умишлено да им зададем някакво съпротивление. По този начин не само виждаме влиянието на вътрешното им съпротивление върху измерванията, но и можем да ги използваме и като резистори. Така опростяваме схемите.

Линкове към CircuitLab истории

Ето линкове към най-силните ми CircuitLab истории в StackExchange Electrical Engineering, в които може да се види как на практика съм реализирал тези идеи:

How does a transistor inverter work? е първата ми CircuitLab история, изложена в четири последователни стъпки (кадъра). Няма снимки от симулациите (то и темата не изисква).
How does this rectifier work, since the op-amp input is 0 V? е първата ми пълноценна CircuitLab история, оформена в пет "кадъра". Освен със схеми,  съм я илюстрирал богато с времедиаграми от симулациите.
Why do we need R1 in a non-inverting op-amp? е пищна история, в която за първи път съм приложил рамкиране на схемите (за уеднаквяване на мащаба).
Puzzled with parallel forward biased diodes with common anode and different cathode voltages е  дълга история, в която разкривам философията на изходните стъпала.
Non-inverting op-amp е много дълга и богато илюстрирана история, в която разкривам философията на неинвертиращия и инвертиращ усилвател.
Help me calculate voltage drops through this circuit е CircuitLab история, в която разкривам идеите, заложени в едно транзисторно усилвателно стъпало "общ емитер" по три начина - чрез разбиране, построяване и "изобретяване".
I have to find the relationship between Vout and Vin е история, посветена на повторителя, неинвертиращия усилвател и диференциалният усилвател, направени чрез операционен усилвател.
Maximum voltage range for input in emitter follower е още една невероятна история, посветена на изходните стъпала на електронните усилватели.
Voltage divider equation tunnel diode - Art of Electronics разкрива мистичния феномен на диференциалното отрицателно съпротивление националните диоди.
Powering a negative resistance converter with an Arduino power pin разкрива идеята на мистичния "преобразувател на отрицателно съпротивление".
How does negative feedback stabilize the output of an op-amp? е уникална история посветена на инвертиращи усилвател, в която аз изобретявам нов инструмент за наблюдаване на напрежението вътре в резисторите.
How does an inverting op-amp feed back 0 V when Vout is not 0? е още една уникална история, в която разкривам философията на операционните усилватели с отрицателна обратна връзка, като използвам изобретения "инструмент".
Usage of input voltages in ideal opamp е още една история, посветена на философията на операционните усилватели с отрицателна обратна връзка.
How does this op-amp config work as a voltage follower? е подробна история, посветена специално на повторителя на напрежение.
How does one set the Q-point for a JFET cascode amplifier, and what are the correct "Idss" requirements for cascoded JFETs? е една невероятна история, посветена на мистичните каскодни схеми.
Resistors values for class AB amplifier е огромна история, посветена на противотактните крайни стъпала в усилвателите.
Single-supply non-inverting op-amp for summing DC voltages at unity gain е много подробна история, посветена на двата вида суматори - неинвертиращ и инвертиращ.
TTL NAND gate analysis е по-различна история от досегашните, защото тя е посветена на най-елементарната логическа схема NAND.
Why is the voltage drop across the collector emitter junction of common emitter configuration the output voltage instead of that of load resistance? е една невероятна история за елементарното транзисторно усилвателно стъпало, която посветих на jonk.
Series RLC - how does resonance amplify?е история за това как резонансът "усилва".
If multiple sources are parallel with the diode, why does the one with a higher voltage turn on? е посветена на диодните превключващи схеми.
Comparator with hysteresis; what resistors go where? - много обширна история за схемите с отрицателно съпротивление INIC.
Class AB crossover distortion diode fix е обширна история с много илюстрации, посветена на диодните схеми за преднапрежение в противотактните стъпала.
Clipper circuit in OpAmp разглежда много подробно, стъпка по стъпка, диодните ограничители.
Inverting op-amp problem разглежда подробно нетрадиционен усилвател с използване на синфазно входно напрежение.
Understanding biasing typologies of a class AB amplifier е посветена на входните вериги за преднапрежение на противотактните крайни стъпала на усилвателите.
What is the basic idea behind the so-called "diamond buffer"? е въпрос за даден от мен и съпроводен с мой отговор.
"Source", "sink" or both? е още един въпрос, зададен от мен и съпроводен с мой отговор.
Do voltage multiplier circuits and transformerless power supplies have functional similarity? е една невероятна история за безтрансформаторните умножители на напрежение.
Diode connected BJT instead of a diode е едно продължение на стар мой отговор, в което съм добавил CircuitLab  симулации.
How can I control PNP and NPN transistors together from one pin? е една изобретателска история, посветена на така наречения "диамантен буфер".
Diode-connected BJT vs base-emitter BJT diode vs diode е една от най-силните ми истории посветена на така наречения "активен диод" и "токовото огледало".
Equivalence between diode and transistor е още една много силна история, посветена на "активния диод".
Calculating resistance of a load ме е вдъхновила да покажа как можем да разбираме диодите и другите нелинейни елементи.
How does a current mirror work? е една невероятна история посветена специално на "токовото огледало".
How to toggle relay with single push-button е отново изобретателска история, в която успях да направя невъзможното - да командвам алтернативно едно реле посредством бутон (електромеханичен Т тригер).
Do I need a pulldown resistor with a voltage follower? е интересна история, в която разкривам особеностите на емитерния повторител.
Use LEDs to indicate voltage е още една изобретателска история, в която показвам как може да се направи светодиодна стълбица, захранвана от входното напрежение.
Tie an input of an AND gate to its output е история, разкриваща философията на най-елементарния RS тригер.
What's the point of Vcc and Vee closed loop in op amp inverter reveals the truth about the so-called "coupling" and "decoupling" ("bypass") capacitors.
Output voltage level of TTL gate considers the output part of TTL logic gates by building the stage.
What is the role of the capacitor in clamper circuit? shows the connection between seemengly different diode circuits -  a clamper and half-wave rectifier.
Does changing the collector resistance of a common base amplifier have any effect on the current? is a comprehensive CircuitLab story about the common-base amplifier stage where I have built the circuit step-by-step.
Why does a common base amplifier give a non inverting output? presents the common-emitter and common base amplifier stage in an unconventional way - through the Wheatstone bridge circuit.
How does current affect voltage? is a story about the ubiquitous potentiometer.
Small circuit explanation is about a simple passive circuit containing resistors, capacitors and diodes.
Circuit analysis of op amp non-inverting integrator reveals the idea behind an exotic circuit solution of a non-inverting integrator.
Transistor functionality confusion creates a functional notion about the "transistor in a simple way through equivalent electrical devices. I have done it in six steps by building a conceptual transistor amplifier.
Transistor switching is a CircuitLab story about the transistor modes of operation
Flyback diode for a relay in a car explains how the flyback diode reduces the back emf voltage of a coil.
Control two LEDs with only one PIC output is a little invention of mine which is a minimalistic LED indicator circuit.
Is there a circuit to detect if a line is high-impedance? is another invention of mine which is a minimalistic LED indicator circuit.

Comments

Post a Comment