Tutorial del simulador LTSPICE El énfasis de este tutorial está en mostrar cómo hacer la edición de esquemáticos y cómo simularlos mediante LTSpice. Para ello se proporciona una serie de ejemplos que muestran cómo crear el diagrama esquemático de un circuito, cómo correr diferentes tipos de análisis y cómo obtener los resultados de esos análisis. Vale la pena mencionar que este tutorial estará dividido en numerosas partes, así que comencemos explicando un poco más acerca del programa de simulación. Qué es LTSpice? SPICE es un poderoso simulador de circuitos analógicos y de modo-mixto que fue desarrollado a mediados de los años 70 en la Universidad de California en Berkeley. Este simulador fue desarrollado con fondos públicos, por lo que se le considera un programa abierto o de dominio público. Debido a que la Universidad de California no ofrece versiones comerciales o servicios de asesoría sobre SPICE, numerosas firmas han desarrollado versiones comerciales para satisfacer las necesidades de los usuarios industriales. Con el paso de los años, también han sido desarrolladas numerosas versiones libres o gratuitas basadas en el simulador SPICE. LTSpice es un nuevo programa basado en SPICE que fue desarrollado para modelar sistemas de reguladores conmutados a nivel de tarjeta. Este programa consiste (1) de un editor de esquemáticos que permite al usuario crear y editar diagramas de circuitos, (2) de un simulador SPICE de alto desempeño y (3) de un visualizador de formas de onda para desplegar las señales simuladas. Las razones por las que proponemos el uso de LTSpice son: 1. Se trata de un programa gratuito otorgado por la empresa Linear Technology Corporation. Usted puede ir al sitio y descargar el programa sin ningún costo. 2. El programa no tiene limitaciones ni en su funcionalidad ni en el tamaño de los circuitos que se pueden simular. Además, el LTSpice viene precargado con una extensa librería de componentes y modelos de circuitos integrados, pudiéndose además expandir las librerías incorporando nuevos símbolos y modelos de otros fabricantes. En este momento vale la pena mencionar que tanto la función de Ayuda como el manual de uso de LTSpice presentan información bastante extensa así como una buena documentación del programa. Qué tipo de simulaciones puede hacer LTSpice? LTSpice puede realizar sobre un mismo circuito varios tipos de análisis, algunos básicos y otros avanzados, los análisis básicos son: Análisis de punto de polarización: calcula los voltajes de nodo de corriente directa del circuito. Barrido en corriente directa: permite obtener curvas de transferencia de corriente directa de un circuito. Análisis transitorio: calcula los voltajes y corrientes del circuito en función del tiempo. Barrido en corriente alterna: análisis lineal que calcula la salida del circuito en función de la frecuencia. 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 1/11
Además, LTSpice permite realizar los siguientes análisis avanzados: Análisis paramétrico: permite el uso de diferentes valores de un componente en la misma simulación. Análisis de Fourier: proporciona el espectro en frecuencia de las señales. Análisis Monte-Carlo: realiza un análisis estadístico en las variables de salida del circuito. Análisis de ruido: calcula la contribución de ruido de los componentes de un circuito. Todos los análisis mencionados se pueden realizar a diferentes temperaturas, siendo la temperatura de simulación por defecto 27 grados C. Qué componentes puedo utilizar en mis simulaciones con LTSpice? LTSpice permite simular circuitos que contengan los siguientes componentes: Fuentes de voltaje y corriente (dependientes e independientes). Elementos pasivos: resistores, condensadores e inductores. Inductores mutuos. Amplificadores operacionales. Interruptores controlados por voltaje. Diodos. Transistores bipolares y de efecto de campo. Pasos para la simulación de circuitos Antes de poder simular un circuito con LTSpice, primero se deben describir los componentes que lo conforman y la manera en que están interconectados. Esta descripción se puede introducir utilizando la interface de captura esquemática. LTSpice permite crear los diagramas esquemáticos de los circuitos y especificar el tipo de simulación que se va a realizar. La figura 1-1 resume los diferentes pasos involucrados en la simulación de un circuito con LTSpice. Figura 1-1. 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 2/11
Ya estamos listos para entrar en materia! Introducción a la edición de esquemáticos A manera de inicio, vamos a desarrollar un ejemplo sencillo para ilustrar cómo editar diagramas esquemáticos utilizando LTSpice. Comenzaremos dibujando el simple divisor de voltaje de la figura. Como puede verse en la figura, todos los circuitos dibujados en LTSpice están constituidos de componentes, conexiones, referencias, valores y etiquetas de nodo. Un componente es un elemento del circuito. Cada componente tiene asociado un nombre y se almacena en una librería. Por ejemplo, el resistor utiliza la letra R como nombre y se almacena en la librería principal de LTSpice llamada SYM. Las conexiones tán formadas por alambres ideales (resistencia cero). Las referencias son nombres exclusivos de cada componente instanciado. Las referencias son diferentes para cada instancia del mismo componente. Por ejemplo, en el circuito de la figura R1 y R2 son las referencias de cada uno de los resistores. Los valores proporcionan la magnitud de cada instancia del componente. Creación de un nuevo esquemático Para crear un nuevo diagrama en LTSpice, siga el procedimiento que se proporciona a continuación. 1. Inicie abriendo el programa. Seleccione el programa LTSPICE IV en el menú inicio de Windows. La siguiente figura muestra la ventana inicial del programa. 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 3/11
Observe en la figura que los botones de la barra de herramientas están ubicados en la parte superior de la ventana, y que los únicos botones activos hasta el momento son los de manipulación de archivos. Esto cambia tan pronto cree un nuevo esquemático. 2. Para crear un nuevo esquemático, seleccione el menú File >> New Schematic. Cuando lo haga, se activará la barra de herramientas que está debajo de los menús y aparecerá una página de edición de esquemáticos. 3. Es más fácil dibujar un circuito si la rejilla de dibujo está activa. Para activarla, haga clic en el menú View y luego seleccione Show Grid. Bueno, esto es todo por ahora, en la próxima entrada continuaremos con las instrucciones para dibujar el diagrama. Dibujo del diagrama esquemático Para dibujar un esquemático, primero se tienen que insertar y colocar en la hoja del esquemático todos los diferentes componentes del circuito. Luego, se completa el circuito formando todas las conexiones deseadas entre componentes. También es una buena idea añadir etiquetas a los nodos que son de especial interés, ya que las etiquetas se utilizan como identificadores en el momento de visualizar los resultados de la simulación. Colocación de los componentes 1. Haga clic en la ventana del esquemático. Observe que la barra de herramientas se ha activado en la parte superior de la pantalla. La barra de herramientas se distribuye como se muestra a continuación: 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 4/11
2. El primer componente que se incluirá en el esquemático es la batería. Para añadirla, presione el botón Colocar Componentes de la barra de herramientas. Al hacerlo, se abrirá la ventana de selección de componentes que se muestra: Ubique y seleccione (haciendo doble-clic) la biblioteca MISC. Luego, recorra la lista de componentes y seleccione el componente BATTERY. También puede acceder a los componentes de manera rápida si introduce su nombre en el campo de selección rápida mostrado en la figura. 3. Pulse OK para crear una instancia del componente VDC. Arrastre el componente hasta la ubicación deseada y haga clic con el botón izquierdo para colocarlo. Puede rotar el componente antes de colocarlo presionando la combinación CTRL+R. También puede rotar de manera simétrica (función de espejo) el componente presionando la combinación CTRL+E. Si desea añadir instancias adicionales del mismo componente, bastaría con arrastrar de nuevo el cursor y hacer clic izquierdo el número de veces deseado. A cada instancia adicional se le asignará una referencia de forma automática como V2, V3, etc. Presione la tecla ESC para terminar de colocar el componente. 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 5/11
4. Para colocar componentes pasivos, puede hacer clic en los íconos de Resistor, Capacitor o Inductor de la barra de herramientas. En cada caso, el componente aparece adjunto al cursor cuando mueve el ratón. Coloque los resistores sobre el esquemático, como se muestra en la siguiente figura. Cuando se colocan componentes, la probabilidad de situarlos en sus ubicaciones finales en el primer intento es pequeña. Para cambiar de ubicación un componente, referencia o valor asociado, debe primero presionar el botón Mover de la barra de herramientas. Luego haga clic sobre el elemento deseado para seleccionarlo y mueva el elemento hasta la nueva ubicación deseada. Si ha cometido un error en la colocación de un componente, puede eliminarlo. Para ello, presione la tecla Supr y luego haga clic izquierdo sobre el elemento. 5. El siguiente paso consiste en colocar la tierra del circuito. Haga clic en el botón Colocar Tierra de la barra de herramientas. Arrastre el símbolo de tierra a la altura del terminal inferior de la batería, haga clic izquierdo para colocarlo. Para terminar, presione ESC. Cableado de componentes 6. El siguiente paso consiste en completar el cableado del circuito. Para alambrar los componentes debe usar la herramienta de cableado, cuyo ícono en la barra de herramientas tiene la forma de un lápiz. Haga clic en dicho botón para activar el cursor en forma de cruz. El cableado se realiza haciendo clic en los pines flotantes de los componentes (marcados con un cuadro) y luego trazando los hilos para conectar las diferentes partes. El modo de cableado se termina tecleando ESC. El circuito completamente alambrado se muestra en la figura: 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 6/11
Asignación de nombres a los nodos 7. Resulta aconsejable asignar etiquetas o nombres a las interconexiones o nodos del circuito, para poder identificarlos en la salida de la simulación. Para asignar una etiqueta a una interconexión, haga clic en el botón Etiqueta de Nodo de la barra de herramientas, para acceder a un cuadro de diálogo. Introduzca un nombre como In, haga clic en OK, arrestre el cuadro hasta la ubicación del nodo que desee nombrar, haga clic para anclarlo y presione ESC para terminar. Coloque las etiquetas In y Out a los nodos como se muestra en la siguiente figura. Asignación de nombres y valores a los componentes 8. Para cambiar el valor de un componente, haga clic derecho sobre el atributo específico para abrir el siguiente cuadro de diálogo: 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 7/11
Introduzca el valor correcto en el campo, seleccione el formato de presentación que desee y haga clic en OK. Si lo desea, puede cambiar la ubicación de los atributos seleccionándolos con la herramienta Mover. Cambie el valor de ambos resistores a 1k y el de la batería a 10V. Note que los valores de los componentes se pueden especificar utilizando los siguientes factores de escala: T o Tera (1E12) G o Giga (1E9) Meg o Mega (1E6) k o Kilo (1E3) m o mili (1E-3) u o micro (1E-6) n o nano (1E-9) P o pico (1E-12) f o femto (1E-15) También es importante que note que, en la especificación de los valores de los componentes, LTSpice acepta tanto letras mayúsculas como minúsculas, sin hacer distinción entre mayúsculas y minúsculas. Perfecto! En esta entrada hemos cubierto los pasos básicos para la edición de esquemáticos con LTSpice. En la siguiente ocasión veremos como simular el circuito y visualizar la salida. Simulación del circuito y visualización de la salida Como se mencionó en la introducción, LTSpice permite hacer diferentes tipos de análisis sobre un mismo circuito. Como se puede observar, nuestro primer circuito es un circuito de corriente directa (CD): 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 8/11
Para analizar circuitos de CD, utilizamos el tipo de análisis denominado punto de operación de CD (DC Op. Point). A continuación explicaremos cómo configurar y realizar un análisis de punto de polarización sobre un circuito. Definición de un comando de simulación 1. Para definir el tipo de análisis, seleccione el menú Simulate >> Edit Simulation Cmd. Con ello accederá al cuadro de diálogo mostrado en la siguiente figura. 2. En las pestañas de la parte superior, seleccione el tipo de análisis que desee, en este caso, seleccione la pestaña DC op pnt. En el caso de un análisis de punto de operación, la configuración 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 9/11
de la simulación es muy sencilla y no necesita nada más que hacer clic en OK. 3. Se adjuntará al cursor un cuadro como cuando colocó el nombre a un nodo. Haga clic en cualquier espacio del diagrama donde el comando no le estorbe (vea la siguiente figura): Análisis y presentación de resultados 4. Finalmente, estamos preparados para llevar a cabo la simulación del circuito. Para ello, seleccione el menú Simulate >> Run. El circuito se analizará y se generará la siguiente ventana de salida: Como podrá ver, en dicha ventana de salida se le informa si la simulación se completó correctamente. En la ventana puede visualizar también los voltajes de cada nodo respecto a tierra, 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 10/11
así como la corriente de cada componente. Si lo desea, puede copiar el texto de la ventana para copiarlo en cualquier otra aplicación de edición de texto. Felicitaciones! Ha aprendido a utilizar LTSpice para: (1) crear el esquemático de un circuito, (2) configurar el tipo de simulación y (3) simular el circuito. También aprendió a visualizar la salida del análisis punto de operación. En los próximos tutoriales profundizaremos sobre este tipo de análisis y aprenderemos a realizar otros análisis diferentes. 5to 1ra Ciclo lectivo 2011 11/11