Teoría de Circuitos I Departamento de Electrotecnia Facultad de Ingeniería. U.N.L.P. CURSO DE PSPICE

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1 Teoría de Circuitos I Departamento de Electrotecnia Facultad de Ingeniería. U.N.L.P. CURSO DE PSPICE Realización: Ing. Guillermo G. Gastaldi. Supervisión: Ing. Marcos P. F. Deorsola.

2 1.- Presentación: Curso de PSpice SPICE es un programa de simulación y diseño de circuitos analógicos y digitales. SPICE es el acrónimo de Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (programa de simulación con énfasis en los circuitos integrados). El mismo fue creado por el laboratorio de investigación electrónica de la Universidad de Berkeley en California y se ofreció por primera vez al público en Para los computadores personales y las estaciones de trabajo existen diversos paquetes de software que implementan SPICE. De éstos, el más popular es PSpice, creado por MicroSim Corporation. Comercialmente está disponible desde Con posterioridad OrCAD Inc. adquirió el producto siendo esta compañía la que distribuye y desarrolla las nuevas versiones de PSpice. En la actualidad la versión más nueva es la 9. Existen dos tipos de distribuciones de PSpice: una estudiantil en la que se limita la cantidad de componentes que se pueden utilizar y una profesional sin limitaciones. Mientras que la primera es gratuita y puede ser bajada desde Internet ( la segunda cuesta unos cuantos miles de dólares. En este apunte se presentan los conceptos y pasos fundamentales para poder utilizar el PSpice, como una herramienta de apoyo al curso de grado Teoría de Circuitos I. Sirve también como introducción para los cursos de PSpice que dictarán las cursadas de Teoría de Circuitos II y Dispositivos Electrónicos. En particular en la descripción se utiliza la versión 8 de PSpice (versión estudiantil) para Windows. 2.-Componentes de PSpice: El PSpice se presenta dentro de un entorno integrado compuesto por varios programas, cada uno de los cuales desempeña tareas específicas. A continuación se detallan aquellos que se usarán en este curso. - Schematics: es un editor gráfico que se utiliza para dibujar y diseñar el circuito que se desea simular. Permite al usuario incorporar los componentes (almacenados en librerías), conectarlos para formar el circuito, cambiar los parámetros característicos de dichos componentes y especificar el tipo de análisis (simulación) que se desea realizar. - PSpice A/D: es el programa encargado de simular el circuito creado por el Schematics. A partir de un archivo que describe el esquema del circuito produce un archivo de resultados que dependerá del tipo de análisis efectuado. - Probe: es un programa para visualizar los resultados de la simulación generados por PSpice A/D. Puede utilizarse para observar cualquier tensión o corriente en el circuito. Permite además realizar visualizar operaciones entre señales como por ejemplo señales de potencia. Es capaz de mostrar señales en función del tiempo y en función de la frecuencia (análisis frecuencial). - Design Manager: permite al usuario manejar los archivos relacionados con el diseño que él realiza. Este programa se abrirá cada vez que comience a ejecutarse cualquiera de los programas anteriores. 3.- Creación y análisis de circuitos: El proceso general de creación y simulación de circuitos con PSpice consiste en los siguientes pasos: 1. Creación del esquemático (dibujo) del circuito y ajuste de los parámetros de simulación (análisis), empleando el programa Schematics. 2. Simulación y análisis del circuito realizado por el programa PSpice A/D. 3. Visualización de los resultados utilizando el programa Probe o el archivo de salida de PSpice A/D. Schematics genera archivos de salida que serán utilizados por PSpice A/D como archivos de entrada para realizar el procesamiento que corresponda. Luego PSpice A/D generará otros archivos de salida que servirán como entrada al Probe. A continuación se describen dichos archivos. 3.1-Archivos creados durante el proceso de simulación: Una vez dibujado el circuito y ajustados los parámetros de análisis es necesario guardar el esquemático usando el comando Save del menú File de Schematics (o presionar CTRL+S) para poder continuar con el proceso de simulación. Suponiendo que uno le asigne al archivo el nombre schematic_name (de aquí en más se supondrá esto), entonces en schematic_name.sch estará guardada la información del esquemático (el dibujo del circuito que se ve en pantalla) creado. Cátedra Teoría de Circuitos I. 1

3 Cuando se invoca al programa PSpice A/D para comenzar con el análisis, Schematics genera dos archivos los cuales describen las partes y las conexiones en el circuito. Estos archivos son el listado de red (netlist) y el archivo de circuito (circuit file) que el PSpice A/D lee antes de realizar su tarea. En la Fig.1 se presenta una ilustración de la comunicación entre Schematics y PSpice A/D [1]. Fig.1.- Archivos creados por Schematics Archivos generados por Schematics: A continuación se describen los archivos generados por Schematics. Archivo de listado de red (Netlist File): contiene una lista de los nombres y valores de los parámetros de los componentes e información de como se conectan entre sí. El nombre de archivo que genera el Schematics es schematic_name.net. Archivo de Circuito (Circuit File): contiene los comandos que describen como realizar las simulaciones. Este archivo también referencia a otros archivos que contienen el listado de red, los modelos, los estímulos y cualquier otra información definida por el usuario que se aplique a la simulación. El nombre que genera el Schematics para este archivo es schematic_name.cir Archivos creados por el PSpice A/D: Una vez que el PSpice A/D lee los archivos de circuito, el listado de red, y las librerías de modelos, comienza la simulación. Mientras dicha simulación progresa, PSpice A/D guarda los resultados en dos archivos: el archivo de datos del Probe y el archivo de salida de PSpice A/D. Archivo de datos del Probe (Probe Data File): contiene los resultados de la simulación en un formato que el programa Probe puede leer. Esta lectura se realiza de modo automático y se muestran las formas de onda que reflejan la respuesta del circuito en los nodos, componentes o mallas que hayan sido seleccionadas desde el esquemático del circuito, utilizando marcas (markers). Se puede ajustar la simulación de modo tal que Probe muestre los resultados a medida que dicha simulación progresa o después que ésta haya concluido. Una vez que Probe ha leído este archivo y muestra en pantalla el conjunto de resultados iniciales, el usuario puede agregar más formas de ondas y realizar análisis de los datos post-simulación (cálculos de valor eficaz, operaciones aritméticas entre señales, entre otros). Archivo de salida del PSpice (Output File): es un archivo de texto ASCII que contiene: la lista de red que representa al circuito, la sintaxis de los comandos y opciones de PSpice para poder realizar los análisis correspondientes, los resultados de la simulación y mensajes de advertencias y errores por problemas encontrados durante la simulación. El contenido de este archivo queda determinado por el tipo de análisis que se han elegido, las opciones del PSpice A/D que se seleccionaron y por los símbolos de control de simulación (tales como VPRINT1 y VPLOT1) que se conectan en el circuito del esquemático. En la Fig.2 [1] se representa la conexión entre PSpice A/D y Probe a través de los archivos generados por el primero. Se observa también un vínculo entre Schematics y Probe a través de lo que se denomina marcadores de Probe (Probe markers). Los mismos son elementos del esquemáticos que señalan las tensiones o corrientes que el usuario desea ver inmediatamente, una vez culminada la simulación, en la pantalla de Probe. Cátedra Teoría de Circuitos I. 2

4 Fig.2.- Archivos creados por PSpice A/D Creación del circuito en Schematics: El programa Schematics puede ser accedido desde el icono Schematics, ubicado en MicroSim Eval8 del menú Inicio de Windows, como lo indica la Fig.3. Ejecuta Schematics Fig. 3.- Forma de acceder al programa Schematics. Otra forma de acceder a Schematics es presionando el icono correspondiente desde el programa manejador de diseño (Design Manager), como se muestra en la Fig.4. Por último al hacer doble click sobre un archivo con extensión.sch se accede directamente a Schematics, cargando el circuito guardado en dicho archivo. Una vez que se ha accedido al programa Schematics es posible cargar archivos de esquemáticos de circuitos (.sch) anteriormente creados, generar nuevos circuitos utilizando la interfase gráfica y luego guardarlos, elegir el tipo de simulación a realizar y ajustar los parámetros correspondientes e invocar al PSpice A/D para que realice dicha simulación. También es posible ajustar ciertas opciones del programa Probe de visualización de resultados. El manejo dentro de Schematics es similar a cualquier aplicación basada en la filosofía Windows. Desde el menú Archivos (File) es posible abrir, guardar y cerrar los archivos.sch, así como imprimir el esquemático Cátedra Teoría de Circuitos I. 3

5 que está en pantalla. Las acciones copiar (copy), cortar (cut) y pegar (paste) se acceden desde el menú Edit como de costumbre, así como utilizando las combinaciones de teclas CTRL+C para copiar, CTRL+X para cortar y CTRL+V para pegar. Fig. 4.- Acceso a Schematics desde Design Manager. En la Fig.5 se presenta la ventana de Schematics. En la misma se observan los menús tradicionales de las aplicaciones típicas de Windows (File, Edit, Window, Help) así como otros específicos del entorno (Navigate, View, Options, Analysis, Tools, Markers). Dentro de dichos menús existirán diferentes opciones. Aquí se verán las relacionadas con la creación del esquemático de circuitos. Botón Simulate Botón Setup Analysis Dibuja conexiones Fig.5.- Pantalla de Schematics. Cátedra Teoría de Circuitos I. 4

6 Diseño y dibujo del circuito en Schematics: Curso de PSpice El proceso de creación del esquemático de un circuito involucra tres pasos: (1) colocar los componentes del circuito, (2) conectar entre sí dichas partes según corresponda y (3) ajustar los valores de los componentes[2]. Los pasos anteriores se detallan a continuación: (1) Colocación de las partes: a.- Elegir Get New Part (CTRL+G) del menú Draw para desplegar el cuadro explorador de partes básico (Part Browser Basic). b.- Usar la barra de desplazamiento para elegir la parte buscada (o teclear el nombre de la parte; por ejemplo, R para la resistencia, en la caja PartName) c.- Hacer click en el botón Place & Close (u oprimir <Enter>), para volver a la pantalla original de Schematics. d.- Arrastrar la parte al lugar deseado de la pantalla, moviendo el mouse. e.- Fijar el componente en el lugar deseado, haciendo click en el botón izquierdo del mouse. Una vez hecho esto es posible colocar componentes adicionales del mismo tipo volviendo a desplazar el mouse al lugar deseado y volviendo a fijar con el botón izquierdo. Si no se desea agregar más componentes de este tipo se finaliza la operación con el botón derecho del mouse (o apretando <Esc>). OBSERVACIÓN: Si fuese necesario rotar alguna de las partes colocadas en el esquemático se debe seleccionar la parte en cuestión y seleccionar la opción Rotate del menú Edit (CTRL+R). Dicha rotación es de 90º. Para borrar un componente se lo debe seleccionar y luego presionar la letra del teclado DEL (SUPR). (2) Conexión de las partes: a.- Elegir Wire (o teclear <Ctrl+W>) del menú Draw, para ingresar al modo de conexión. En lugar del cursor en forma de flecha aparecerá un cursor en forma de lápiz. b.- Llevar el cursor con el mouse hasta el primer punto que desea conectar y hacer click del botón izquierdo del mouse. c.- Llevar el cursor hasta el segundo punto de conexión (observar a medida que se desplaza el cursor se va trazando una línea punteada entre el primer punto y la posición de dicho cursor), y luego pulsar el botón izquierdo del mouse para fijar la conexión. Una vez fijada la línea se hace continua. d.- Para finalizar el modo de conexionado pulsar el botón derecho del mouse (o teclear <Esc>). (3) Ajuste de los valores de las partes: En el esquemático, cada parte o elemento tiene asignado, además de su símbolo, un nombre y un valor. El nombre identifica al elemento del resto, mientras que su valor determina parámetros característicos del elemento. Así por ejemplo en la Fig. 6 se muestra una resistencia representada por un símbolo determinada cuyo nombre es R1 y su valor es 1K. Fig.6.- Resistencia en Schematics representada por símbolo, nombre y valor. Conforme las partes se ponen sobre la pantalla, se les asigna nombres automáticamente mediante números sucesivos (R1, R2, R3, etc.). Además se asignan valores predeterminados a las partes (para el caso de R el valor predeterminado es 1 kω). Es posible cambiar tanto el nombre como el valor de una parte. Existen varias formas para realizar dicho cambio. La que se menciona a continuación es la más sencilla para cambiar el nombre de una parte: a.- Para cambiar el nombre de una parte hacer doble click en el nombre mostrado en el esquemático. b.- Una vez hecho ello aparecerá el cuadro de diálogo Edit Reference Designator (Fig.7). Teclear entonces el nuevo nombre en Package Reference Designator y luego hacer click en el botón OK para aceptar el cambio. Cátedra Teoría de Circuitos I. 5

7 Fig.7.- Cuadro de dialogo Edit Reference Designator. Del mismo modo es posible cambiar el valor asignado a la parte en cuestión: a.- Hacer doble click en el valor mostrado en el esquemático para hacer aparecer el cuadro de dialogo Set Attribute Value (Fig. 8). b.- Teclear el nuevo valor según las siguientes consideraciones. El valor deberá ser un número real y puede estar acompañado por los factores de escala mostrados en la Tabla 1. Además el valor puede o no estar acompañado por la unidad en la cual se mide dicho valor. En la Tabla 2 se presentan las unidades de los valores para los elementos más utilizados en PSpice. Factor de escala Valor Nombre del prefijo T tera G 10 9 giga MEG 10 6 mega K 10 3 kilo M 10-3 mili U 10-6 micro N 10-9 nano P pico F femto Tabla 1.- Factores de escala para valores de partes Elemento Unidades Símbolo Fuentes de tensión Volt V Fuentes de corriente Ampere A Resistores Ohm ohm Capacitores Farad F Inductores Henry H Tabla2.- Unidades más utilizadas para los valores de las partes. Fig.8.- Cuadro de diálogo Set Attribute Value. Excepto para la conexión a tierra, que se asigna automáticamente en el nodo 0, a todo nodo se le da un nombre (o número), o se le asigna uno en la lista de red. Para designar un nombre a un nodo se debe hacer doble click en alguna conexión a dicho nodo para abrir el cuadro de diálogo Set Atribute Value y allí teclear el nombre. OBSERVACIÓN: para poder simular el circuito es necesario designar a un nodo de referencia conectando el elemento de tierra AGND en alguno de los nodos del circuito. Si ninguno de los nodos de posee una conexión a algún elemento de tierra el PSpice A/D emitirá un mensaje de error Tipos de partes (o elementos) a utilizar: A continuación se detalla los elementos que utilizaremos en TCI, junto con los atributos o parámetros que serán necesarios ajustar. Cátedra Teoría de Circuitos I. 6

8 Partes pasivas: Curso de PSpice Elemento Resistor: Inductor: Capacitor: Transformadores Símbolo en Schematics Designación en Schematics R L C XFRM_LINEAR Atributos modificables VALUE: determina cuanto vale la resistencia del elemento. VALUE: determina el valor de la inductancia del elemento IC: la condición inicial (corriente) del elemento VALUE: determina el valor de la capacidad IC: tensión inicial del elemento (Condición Inicial). L1_VALUE, L2VALUE: inductancias de los devanados primario y secundario. COUPLING: coeficiente de acoplamiento mutuo (debe estar entre 0 y 1) Tabla 3.- Componentes pasivos de PSpice OBSERVACIÓN: en todos los casos el valor (VALUE) del componente no puede ser cero. Coeficiente de acoplamiento: este elemento, designado en Schematics con el nombre K_LINEAR, permite definir el acoplamiento entre dos inductores cualquiera del circuito. Se debe definir el atributo COUPLING que determina el coeficiente de acoplamiento (entre 0 y 1) entre los inductores y los inductores que poseen dicho acoplamiento (designados con L1, L2, L3... L6) Partes activas independientes: Para simular un circuito con PSpice es necesario conectar uno o más elementos que representen fuentes independientes que describan las señales de entrada a las cuales el circuito debe responder [1]. Para ello el entorno proporciona varias clases de fuentes independientes, diferenciándose principalmente por el tipo de análisis para el que están definidas. Existen tanto fuentes de tensión como de corriente. A continuación se presentan los distintos tipos de fuentes independientes así como sus parámetros y los símbolos que las caracterizan: Fuentes de tensión: Nombre Símbolo Descripción VDC VAC VSIN Fuente de tensión continua Fuente de tensión alterna Fuente de tensión sinusoidal Para ser usada en análisis Transient Bias Point Detail AC Sweep DC Sweep DC Sweep AC Sweep Transient Parámetros Cátedra Teoría de Circuitos I. 7 DC DC, ACMAG, ACPHASE DC, AC, VOFF, VAMP, FREQ, TD, DF, PHASE VSRC Fuente "universal" Todos los análisis DC, AC, TRAN Tabla 4.- Fuentes independientes de PSpice Descripción de los atributos de las fuentes de tensión: DC : Valor de tensión continua AC : Módulo y fase para fuentes de alterna VOFF : Tensión de offset (continua) superpuesta a la onda sinusoidal VAMP : Amplitud de la onda de tensión sinusoidal FREQ : frecuencia de la onda [Hz] TD : Retardo en segundos DF : Factor de amortiguamiento PHASE : Fase inicial de la sinusoidal medida en grados

9 TRAN : señal que varía en el tiempo. En nuestro caso usaremos ondas senoidales SIN(VOFF, VAMP, FREQ, TD, DF, PHASE). Los atributos dentro del paréntesis tienen el significado descripto arriba. Fuentes de corriente: De manera análoga a las fuentes de tensión independientes, existen fuentes de corrientes independientes: IDC, IAC, ISIN, ISRC, las cuales se corresponden a las descriptas más arriba. Fuentes dependientes: PSpice implementa los cuatro tipos de fuentes dependientes: fuente de tensión controlada por corriente H, fuente de tensión controlada por tensión E, fuente de corriente controlada por corriente F y fuente de corriente controlada por tensión G. Todas estas fuentes posee un único atributo GAIN el cual determina la relación entre la variable dependiente y la de control (ganancia para E y F, transconductancia para G transresistencia para H). Fig.9.- Símbolos de las fuentes dependientes Tipos de análisis y ajuste de los parámetros de simulación: Como se mencionó en puntos anteriores, además de la generación del circuito es necesario ajustar los parámetros de simulación. Esto último también se realiza desde Schematics. La configuración de los análisis se realiza desde el cuadro de diálogo Analysis Setup (Fig. 10), el cual puede accederse eligiendo la opción Setup del menú Analysis o presionando el botón Setup Analysis de la venta de Schematics (ver Fig. 5). En el cuadro de diálogo Analysis Setup se presentan todos los tipos de análisis que se pueden realizar sobre el circuito generado en Schematics, a parte de otras opciones de simulación. En este apunte se describirán los siguientes análisis: Bias Point Detail DC Sweep AC Sweep Transient Para seleccionar el análisis a realizar se debe hacer click en el cuadro Enabled en el Analysis Setup del tipo de simulación que corresponda. Es posible realizar más de un análisis sobre un circuito particular, basta con seleccionar los todos los análisis que se deseen realizar. Fig.10.- Cuadro de diálogo Analysis Setup Detalle del punto de polarización (Bias Point Detail): En la jerga electrónica, es muy común llamar punto de polarización de un circuito al valor de todas las tensiones y corrientes continuas que hay sobre él. Además de dichas componentes de continua en los circuitos Cátedra Teoría de Circuitos I. 8

10 electrónicos existen, por lo general, señales distintas frecuencias. En materias subsecuentes, por ejemplo Dispositivos Electrónicos se analizará con mayor detalle estos temas. De este modo el detalle del punto de polarización determina las tensiones y corrientes continuas que hay en el circuito. El PSpice A/D siempre realiza este análisis, aún cuando no haya sido seleccionado ( ) desde el cuadro de diálogo Analysis Setup. La diferencia entre seleccionarlo o no radica en cuanta información se suministra al usuario en el archivo de salida. Cuando se selecciona el análisis se proporciona la siguiente información: una lista de todas las tensiones de nodo del circuito, las corrientes de todas las fuentes de tensión y su potencia total y una lista de todas las tensiones y corrientes del resto de los elementos del circuito. Mientras que para el caso de no haber sido seleccionado, solo se presentan las tensiones en los nodos del circuito. Los resultados del análisis del punto de polarización pueden ser obtenidos desde el archivo de salida o también directamente desde la pantalla de Schematics sobre el dibujo del circuito. En la sección siguiente se detallará las formas de visualizar los resultados Barrido de continua (DC Sweep): El barrido de continua(*) permite variar sobre un rango de valores establecido por el usuario el parámetro independiente de una fuente de tensión o una fuente de corriente y de este modo obtener la respuesta del circuito para dicho rango de variación. Este tipo de análisis es útil por ejemplo para obtener la curva de regulación de una fuente. El detalle del punto de polarización del circuito se calcula para cada valor del barrido. Aunque no se tratarán en este apunte vale la pena aclarar que también es posible variar otros parámetros del circuito (Global Parameter, Model Parameter, Temperature). Para poder realizar un barrido de continua será necesario agregar por lo menos una fuente que posea el atributo DC (tal como VDC o IDC, VSRC, ISRC). Cuando realizamos un barrido variando por ejemplo la tensión de una fuente VDC el valor que tenga el atributo DC será anulado por el rango de variación definido en la configuración del análisis. Presionando el botón DC Sweep del cuadro de diálogo Analysis Setup se accede al cuadro de configuración del barrido de continua (Fig. 11). En primer lugar debe seleccionarse el tipo de variable que se barrerá en Swept Var. Type (arriba a la izquierda del cuadro). Por ejemplo si queremos variar una fuente de corriente se deberá seleccionar Current Source, como se muestra en la Fig. 11. Luego se debe colocar el nombre asignado a dicha fuente en Name (arriba a la derecha). Una vez hecho esto se define el tipo de barrido (Sweep Type) el cual puede ser lineal (Linear), por octavas (Octave), por décadas (Decade) o elegir los valores de barrido desde una lista (Value List). Para todos los tipos de barrido se deberá definir el valor de inicio (Start Value) y el valor de finalización (End Value) del rango de variación. Por otro lado la forma en que se toma los valores intermedios de variación dependerá del tipo de barrido: si se elige Linear se define el incremento (Increment) entre valores sucesivos del rango; si se elige Octave se debe definir la cantidad de puntos por octava (Pts/Octave); si se elige Decade se debe definir la cantidad de puntos por década (Pts/Decade); por último si se elige Value List se habilitará la casilla Values donde deben determinarse los valores intermedios explicitamente. ACLARACIONES: (*) En general barrer una variable dentro de un sistema significa variar su valor dentro de rango determinado y evaluar como cambia la respuesta del sistema para cada uno de dichos valores. (**) una octava representa un cambio en una unidad de 2 a 1, es decir obtener una octava mayor que cierto valor sería duplicarlo. Por otro lado una octava menor sería la mitad de dicho valor. Del mismo modo una década representa un cambio en una unidad de 10 a 1. De este modo para obtener un valor una década mayor que cierto valor se debe multiplicar a este último por 10. Cátedra Teoría de Circuitos I. 9

11 Barrido de alterna (AC Sweep): Fig Cuadro de configuración de DC Sweep El barrido de alterna permite realizar análisis de la respuesta en frecuencia del circuito. Esto significa que para cada una de las frecuencias dentro de un rango preestablecido se calcula todas las corrientes y tensiones en el circuito. En particular si se trabaja con una única frecuencia es posible simular circuitos de alterna, obteniendo los resultados en cantidades complejas que representen los fasores correspondientes (tanto en módulo y fase como parte real e imaginaria). Para poder realizar un barrido en alterna será necesario insertar en el circuito una o más fuentes que posean el atributo AC (por ejemplo VAC, IAC, VSRC, ISRC). Para el caso de VAC e IAC se deberán ajustar los atributos ACMAG para la magnitud y ACPHASE para la fase como se mencionó en el punto 3.2.2, mientras que para el caso de VSRC e ISRC se deberá ajustar el atributo AC poniendo primero el valor de módulo y a continuación separado por un espacio el valor del ángulo (en grados). Presionando el botón AC Sweep del cuadro de diálogo Analysis Setup se accede al cuadro de configuración de este tipo de análisis (Fig. 12). En el mismo se define el tipo de barrido (AC Sweep Type) y los parámetros de barrido (Sweep Parameters). El primero, igual que en el caso de DC Sweep, modifica el modo en que se toman los puntos del rango de variación. Para el caso de Linear se especifica la cantidad de puntos totales en el rango desde la frecuencia de comienzo (Start Freq.) hasta la frecuencia de finalización (End Freq.) Desde este cuadro de configuración existe también la posibilidad de ajustar otros tipos de parámetros relacionados con el análisis de ruido (Noise Analysis). Este tema se deja para cursos posteriores a TCI. Fig 12.- Cuadro de configuración de AC Sweep Cátedra Teoría de Circuitos I. 10

12 Análisis transitorio (Transient): Curso de PSpice El análisis transitorio (Transient) permite calcular la variación en el tiempo de las tensiones y corrientes de un circuito sometido a ciertas condiciones iniciales predefinidas. La salida de la simulación puede ser observada como una tabla de tensión o corriente vs. tiempo, o como un gráfico cuya variable independiente es el tiempo, utilizando el programa Probe. Presionando el botón Transient del cuadro de diálogo Analysis Setup se accede a la configuración del análisis transitorio. El cuadro de configuración mostrado en la Fig. 13 está dividido en dos partes. La superior es la que corresponde a los parámetros del análisis transitorio y es la que se detalla a continuación, mientras que la inferior presenta los parámetros del análisis de Fourier. PSpice comienza a calcular la respuesta del circuito a partir de tiempo T = 0s y realiza dicho cálculo hasta el tiempo determinado en el parámetro Final Time (tiempo final). El parámetro Print Step (paso de impresión) determina cada cuanto debe guardar PSpice un resultado en el archivo de salida, mientras que No-Print Delay especifica a PSpice a partir de que tiempo debe guardar los resultados en el archivo de salida, es decir todos los datos del circuito que se correspondan a tiempos menores que el especificado en No-Print Delay no se almacenan en el archivo de salida. Si no se especifica nada en el parámetro No-Print Delay entonces se almacenan los datos desde el comienzo de la simulación (T=0). La respuesta en el tiempo de circuitos excitados por fuentes que varían en el tiempo (por ej. fuentes sinusoidales) o que se encuentran en régimen transitorio se obtiene resolviendo un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento general del circuito. Para poder resolver dichas ecuaciones diferenciales en un sistema de cómputo será necesario primero discretizarlas, convirtiéndolas de este modo en ecuaciones en diferencias. Las mismas se resuelven a través de métodos numéricos, para valores discretos de la variable independiente tiempo. Dichos instantes de tiempo quedan determinados por lo que se denomina paso de simulación. El mismo determina el intervalo de tiempo entre dos instantes consecutivos donde se calcula la ecuación en diferencias. Cuanto más pequeño sea el paso de simulación mejor será la resolución de la ecuación. Existen métodos de resolución numérica con paso de simulación fijo y otros con paso de simulación variable. PSpice utiliza un paso variable lo cual permite mantener una buena resolución para todo tipo de señales. Durante períodos donde las señales no varían demasiado (baja frecuencia), los pasos de tiempo se hacen más grande. Por otro lado si las señales varían rápidamente se disminuye el paso de tiempo para obtener una mejor resolución. El máximo paso de tiempo puede ser controlado especificándolo en el parámetro Step Ceiling. PSpice A/D nunca utilizará un paso de tiempo mayor que el mínimo entre el Step Ceiling y el 2% del tiempo total de simulación (determinado por Final Time) [1]. Fig Cuadro de configuración del análisis transitorio. Cátedra Teoría de Circuitos I. 11

13 3.4.-Simulación y análisis de los datos con PSpice A/D: Curso de PSpice Una vez creado el circuito y ajustado los parámetros de simulación desde Schematics se puede comenzar con la simulación utilizando PSpice A/D. Para ello existen 3 alternativas para iniciar el proceso de análisis del PSpice A/D: Seleccionar la opción Simulate del menú Analysis, presionar la tecla F11, o bien presionar el botón Simulate en la ventana de Schematics mostrado en la Fig.5. PSpice A/D abre una ventana donde presenta la evolución de la simulación (Fig. 14). En la misma puede observarse toda la información relacionada con el análisis que se esta realizando en ese momento. En función del tipo de análisis realizado se presentan en pantalla la evolución de ciertos parámetros de simulación. En la parte superior del área cliente de la ventana se muestra el archivo de esquemático correspondiente al circuito que se está simulando. Una línea más abajo PSpice especifica que tipos de elementos tiene el circuito y la memoria utilizada para realizar la simulación. En el medio de la ventana se presenta un título que determina que tipo de análisis se está llevando a cabo y su situación actual (simulando, terminado, pausa, etc.). En la parte inferior de la ventana se muestran parámetros específicos de la simulación. Por ejemplo en la Fig. 14 se observa que PSpice A/D ha realizado un análisis transitorio y se muestra el paso de simulación (Time Step) el tiempo de simulación actual (Time) y el tiempo de finalización (END) que coincide con el parámetro de simulación Final Time. Obsérvese que Time y End son iguales ya que el análisis ha finalizado Visualización de resultados: Fig Ventana de PSpice A/D Los resultados de la simulación pueden ser visualizados de diferentes formas dentro del entorno de PSpice. Mediante el programa Probe es posible ver formas de onda en el tiempo de las señales del circuito así como variaciones de las señales en función de la frecuencia. Por otra parte, para algunos tipos de análisis los datos de simulación se pueden presentar en el archivo de salida o incluso en la pantalla de Schematics sobre el dibujo del circuito. Tal es el caso de los resultados del análisis del punto de polarización. Desde Probe es posible manipular interactivamente las señales generadas por la simulación del circuito. Dicho programa no solo permite mostrar las formas de onda de tensiones y corrientes simples sino también las forma de ondas de expresiones aritméticas complejas entre dichas tensiones y corrientes. De este modo es posible, por ejemplo, obtener curvas de potencia (tensión x corriente) en función del tiempo. A continuación se analizan las formas de visualizar los resultados antes nombradas Visualización de los resultados en el esquemático y en la pantalla de PSpice A/D: Para poder visualizar los resultados en la pantalla de Schematics será necesario agregar al esquemático del circuito pseudocomponentes llamados viewpoints (puntos de visualización). En la Tabla 5 se detallan los pseudocomponentes viewpoints: IPROBE, VIEWPOINT y WATCH1. Los dos primeros muestran los datos de salida en la pantalla del Schematics, mientras que el último lo hace desde la ventana de PSpice A/D. Cátedra Teoría de Circuitos I. 12

14 Pseudocomponente Símbolo Descripción IPROBE VIEWPOINT WATCH1 permite mostrar en la ventana del Schematics la corriente continua que circula a través de él. permite mostrar en la ventana de Schematics la tensión de continua respecto al nodo de referencia. permite mostrar hasta tres variables de salida en la ventana del PSpice A/D incluyendo el barrido de continua, el de alterna y el análisis transitorio. Tabla 5.- Pseudocomponentes del tipo viewpoint Uso del programa de visualización Probe: El manejo de Probe es muy sencillo y solo basta conocer unos pocos comandos para poder visualizar los datos de manera adecuada. En particular se detalla a continuación los comandos para añadir y suprimir señales del gráfico, hacer zoom en determinadas regiones de la gráfica y mostrar señales complejas que involucren operaciones de las señales elementales de tensión y corriente. Como se observa en la Fig. 15 el programa Probe posee su propia ventana con un menú, un área cliente donde se muestran gráfica de las señales y una barra de tareas donde hay botones que invocan a diferentes comandos de Probe cuando son presionados. Si está activada la opción Automatically run Probe after simulation del cuadro de diálogo Probe Setup Options (menú Analysis de Schematics) Probe se iniciará automáticamente una vez culminada la simulación. Manualmente es posible arrancar Probe desde el menú Analysis de Schematics opción Run Probe o presionando la tecla F12. - Agregar señales en el gráfico: Fig.15.- Ventana de Probe. Existen varias formas para agregar señales en un gráfico de Probe. La más sencilla es a través de las llamadas marcas (Markers) de Schematics. Las mismas pueden ser colocadas antes o después de la simulación. Cátedra Teoría de Circuitos I. 13

15 Las marcas presentan la forma de un círculo acompañado por una flecha que apunta al lugar del circuito donde está la señal que el usuario quiere que Probe grafique. Si por ejemplo se desea que Probe grafique la señal de tensión de un nodo particular bastará con agregar una marca de tensión (Voltage Marker) sobre dicho nodo. En la Fig. 16 se muestra el esquemático de un circuito que tiene una marca de tensión y una marca de corriente. Para seleccionar una marca de tensión o corriente se puede utilizar los botones de la barra de tarea (Fig. 16) o bien eligiendo las opciones Mark Voltage/Level (CTRL+M) o Mark Current into pin respectivamente desde el menú Markers de Schematics. Una vez seleccionada, el procedimiento para agregar una marca es igual al realizado para colocar un elemento de circuito en el esquemático. Además de las marcas de tensión y de corriente existen otras que permiten graficar ciertas características de las señales como el módulo, la fase, la magnitud en db, etc. Estas marcas se pueden seleccionar desde la opción Mark Avanced... del menú Markers de Schematics. Habilita visualización de corriente de polarización Fig.16.- Marcas de tensión y corriente Otra de las formas de agregar señales a una gráfica de Probe es a través de la opción Add Trace... (o presionando la tecla INS) del menú Trace de Probe. En este caso aparecerá un cuadro de diálogo, como el que se presenta en la Fig 17, que muestra todas las tensiones y corrientes que se pueden graficar del lado izquierdo y todas las operaciones que se pueden realizar sobre dichas señales a la derecha. Abajo se encuentra un recuadro que indica la expresión que se graficará. Tanto PSpice A/D como Probe utilizan una notación particular para referirse a las variables de salida de la simulación. La notación de variable básica que utiliza PSpice es la siguiente [1]: <salida>[sufijo AC](<nombre> [,nombre]) donde: <salida> es el tipo de cantidad de salida: V para la tensión e I para la corriente. [Sufijo AC] especifica en que forma debe ser presentada la salida de un análisis de alterna (AC Sweep): M para magnitud y P para fase. <nombre> especifican el nombre la terminal de un elemento de circuito para el caso de una [,nombre] tensión o el nombre del elemento del circuito dado en el esquemático para el caso de una corriente. Para el caso de referenciar una terminal se lo hace poniendo el nombre del elemento seguido de dos puntos (:) y luego la terminal nombre_elemento: terminal OBSERVACIÓN: Los campos que se presentan entre signos de mayor y menor <> son obligatorios mientras que los que se encierran entre corchetes [] son opcionales. Ejemplos: V(R1:1) corresponde a la tensión de la terminal 1 de la resistencia R1. I(R1) corresponde a la corriente que fluye por el elemento R1. VM(L3:2) corresponde al módulo de la tensión de la terminal 2 del inductor L3 Cátedra Teoría de Circuitos I. 14

16 Para el caso de la tensiones existe otro tipo de notación que también utiliza Probe llamada Alias Name: V<nombre_pin>[Sufijo AC](<dispositivo>) La principal diferencia en este caso es como se referencia la terminal del dispositivo. Aquí <nombre_pin> es el nombre del terminal mientras que <dispositivo> es el nombre asignado al elemento en Schematics. De este modo el alias para el ejemplo V(R1:1) será V1(R1). - Eliminación de señales del gráfico: Fig.17.- Cuadro de diálogo Add Traces Para eliminar una señal del gráfico se debe primero seleccionarla y luego presionar la tecla DEL (Supr). La selección de la señal se realiza haciendo un click en el nombre de las señal debajo del gráfico. Obsérvese que el nombre de la señal seleccionada cambia de color gris a rojo. - Visualización de una parte específica de la onda :zoom Con Probe es posible visualizar solo ciertas partes de las formas de onda, lo cual puede ser muy útil a la hora de analizar transitorios por ejemplo. Una forma de ver con mayor detalle una región del gráfico es usando el botón Zoom in de la barra de tareas de Probe (CTRL+I). Al presionar Zoom in el cursor del ratón cambia por una cruz que cuando se posiciona sobre un área del gráfico y se presiona el botón izquierdo amplía dicha región. El botón Zoom out de la barra de tareas deshace la ampliación. El botón Zoom Fit muestra las formas de onda completas (desde el tiempo inicial al final, como se muestran originalmente) en el gráfico. Por último Zoom área (CTRL+A) permite definir con el ratón el tamaño del área del gráfico que se desea ampliar. La otra forma de ver partes específicas del gráfico es ajustando el rango de visualización de los ejes del gráfico. Para acceder a esta opción se debe hacer doble click sobre el eje en cuestión. De este modo se abrirá un cuadro de diálogo (Fig. 18) Axis Settings que entre otras opciones presentará una llamada Data Range. La misma se deberá ajustar como User Defined para habilitar las cajas que están más abajo donde se debe colocar el rango de visualización deseado. Cátedra Teoría de Circuitos I. 15

17 Fig.18.- Cuadro de diálogo Axis Settings Visualización de resultados en el archivo de salida: Para obtener datos de la simulación en el archivo de salida será necesario agregar en el esquemático del circuito pseudocomponentes llamados Printpoints (puntos de impresión). Estos componentes generan tablas tabuladas o gráficos realizados con caracteres en el archivo de salida. En la Tabla 6 se detallan estos componentes. Pseudocomponente Símbolo Descripción IPLOT grafica la forma de onda de la corriente que fluye a través de este elemento utilizando asteriscos a la vez que se tabula el resultado. IPRINT VPLOT1 VPLOT2 VPRINT1 Imprime la corriente que fluye a través de él. grafica la tensión del nodo al cual está conectado respecto al nodo de referencia. Grafica la forma de onda de la diferencia de tensión entre los nodos a los que está conectado usando asteriscos a la vez que tabula el resultado. imprime la tensión respecto a tierra del punto al cual está conectado VPRINT2 imprime la tensión entre los puntos entre los cuales está conectado Tabla 6.- Pseudocomponentes del tipo Printpoint Los PrintPoints permiten mostrar los resultados para el análisis transitorio, el barrido en continua y el barrido en alterna. Para seleccionar el que corresponda se debe poner un 1 o una Y en el atributo que corresponda (DC, AC o TRAN). Por otro lado es posible definir que característica de la señal se desea visualizar poniendo un 1 o Y en: MAG para ver el módulo, PHASE para la fase, REAL para la parte real, IMAG para la parte imaginaria, DB para ver el resultado en decibeles. 4.- Ejemplos de aplicación: En esta sección se presenta una serie de ejemplos, algunos extraídos de los Trabajos de Aplicación de Teoría de Circuitos I, del uso de PSpice para simular circuitos eléctricos. Ejemplo 1: Detalle del punto de polarización Análisis de circuitos en continua. En este primer ejemplo se trata de resolver la Propuesta Nº5 del Trabajo de Aplicación 1 utilizando Spice. En la misma se pide hallar todas las corrientes que circulan por el circuito. En la Fig. 19 se muestra el esquemático de dicho circuito. Se observa que se utiliza el pseudocomponente IPROBE para poder visualizar Cátedra Teoría de Circuitos I. 16

18 las corrientes por cada una de las ramas del circuito. Como es un circuito de corriente continua el análisis apropiado a realizar será el de detalle del punto de polarización. De este modo se selecciona Bias Point Detail en el cuadro de diálogo Analysis Setup. Después de guardar el archivo se lo simula (F11) y se obtienen los resultados en la pantalla de Schematics. Fig.19.- Esquema del circuito del ejemplo 1 Si analizamos el archivo de salida de PSpice A/D veremos que allí también se presentan los resultados buscados. El archivo de salida se puede visualizar seleccionando la opción Examine Output del menú Analysis de Schematics (recordar que el archivo de salida lo genera PSpice A/D una vez realizada la simulación y su nombre viene dado por schematic_name.out). Ejemplo 2: Detalle del Punto de polarización uso de fuente dependiente de corriente. El circuito de la Fig. 20 se corresponde con el de la Propuesta 7 del Trabajo de Aplicación Nº1. En el mismo se pide determinar el valor de la corriente que circula por R2, R3 y la I 3. Para ello se realiza un análisis del detalle del punto de polarización. Luego guardar el esquemático y de simular es posible ver los resultados en la pantalla de Schematics presionando el botón Enable Bias Current Display (botón con una I mayúscula ver Fig.16, pág. 14) de la barra de tareas. I 3 Fig.20.- Esquemático del circuito del ejemplo 2. ACLARACIÓN: la flecha y el símbolo I 3 fueron agregados en este apunte y no corresponden a ningún elemento de PSpice. Ejemplo 3: Barrido de alterna Análisis de circuitos de corriente alterna en estado estable. Para ilustrar el uso de Spice para la resolución de circuitos de alterna en estado estable sinusoidal se propone analizar la Propuesta 6 del Trabajo de Aplicación Nº2. En la Fig.21 se presenta el esquemático del circuito, donde puede observarse que en primer lugar es necesario calcular el valor de las inductancias y capacitancias a partir de los datos originales de reactancias inductivas y capacitivas (se supone frecuencia de las fuentes igual a 50Hz - ver Trabajo de Aplicación), ya que en Spice inductores y capacitores se representan por dichos parámetros. Además al dibujo original se le ha agregado el pseudocomponente VPRINT2 (ver descripción en Tabla 6 pág. 16) para realizar la visualización del resultado. Los parámetros de VPRINT2 se Cátedra Teoría de Circuitos I. 17

19 ajustan del siguiente modo: AC=1, MAG=1, PHASE=1. Por lo tanto se imprimirá en el archivo de salida el módulo y la fase de la tensión entre los nodos a los cual está conectado VPRINT2. Realizando un análisis del tipo barrido en alterna para una única frecuencia es posible determinar el valor de todas las tensiones y corrientes del circuito, vistas estas como fasores. De este modo se selecciona AC Sweep del cuadro de diálogo Analysis Setup. En los parámetros de barrido (Sweep Parameters) se debe elegir la cantidad de puntos totales (Total Pts.) igual a 1, la frecuencia de comienzo (Start Freq.) y de finalización igual a 50 Hz como se observa en la Fig. 21. Fig.21.- Esquemático del circuito y cuadro de configuración del AC Sweep del ejemplo Referencias Bibliográficas: [1] MicroSim PSpice A/D & Basics+. User's Guide. Version 8.0, MicroSim Corporation,1997. [2] C.K. Alexander y M.N.O. Sadiku, Fundamentos de Circuitos Eléctricos, Mexico: MCGraw-Hill, 2001 [3] J.W. Nilsson y S.A. Riedel, Introducción a PSpice, USA: Addison-Wesley Iberoamericana, Cátedra Teoría de Circuitos I. 18