Apostila de pspice petee ufmg

PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL – ENGENHARIA ELÉTRICA (PET-EE) UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS (UFMG)

APOSTILA DE PSPICE

Realizado por: Thiago Faria Costa Orientador: Prof. Pedro Donoso

Belo Horizonte, outubro de 2007

PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL – ENGENHARIA ELÉTRICA UFMG (PETEE-UFMG)

CONTEÚDO 1 ‐ Objetivo.......................................................................................................................................... 4

2 ‐ Introdução...................................................................................................................................... 4

3 ‐ Usando o Schematics ..................................................................................................................... 4

3.1 – Menu File................................................................................................................ 5 3.2 – Menu Edit ............................................................................................................... 5 3.3 – Menu Draw............................................................................................................. 6 3.4 – Menu View ............................................................................................................. 6 3.5 - Menu Analysis ........................................................................................................... 6 3.6 – Selecionando componentes e montando o circuito ................................................... 6

3.6.1 - Componentes mais utilizados nas simulações e seus atributos ........................... 8 3.6.2 - Descrição das principais fontes de alimentação.................................................. 8 3.6.3 - Trocando nomes dos componentes e seus atributos.......................................... 10

3.7 - Marcadores ............................................................................................................... 11 3.8 – Grandezas ................................................................................................................ 11

4 ‐ Simulando..................................................................................................................................... 12

5 ‐ Configuração da Análise:.............................................................................................................. 12

5.1 - Transient................................................................................................................... 13 5.2 – AC Sweep................................................................................................................ 13 5.3 – DC Sweep................................................................................................................ 14 5.4 – Bias Point Detail...................................................................................................... 14 5.5 – Temperature............................................................................................................. 14

6 – PSPICE AD .................................................................................................................................... 15

6.1 - Adicionando Curvas................................................................................................. 16 6.2 - Deletando Curvas ..................................................................................................... 16 6.3 – Fazendo operações matemáticas com formas de onda de tensão e/ou corrente ...... 16 6.4 – Medindo o valor da curva em determinado ponto................................................... 16 6.5 – Outras funções importantes do PSPICE AD ........................................................... 16

7 – Dicas para fazer relatórios........................................................................................................... 17

7.1 – Criando figura do circuito........................................................................................ 17 7.2 – Criando figura do gráfico ........................................................................................ 18

8 – Exemplos ..................................................................................................................................... 18

8.1 - Exemplo 1- Análise Transiente ................................................................................ 18 8.2 - Exemplo 2 – Usando transformadores ..................................................................... 21 8.3 - Exemplo 3 – Utilizando a AC Sweep ...................................................................... 22

Bibliografia ........................................................................................................................................ 25

__________________________________________________________ P E T E E - U F M G - www.cpdee .u fmg.br /~pe tee

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1 - Objetivo

O objetivo da presente apostila é de capacitar o estudante de engenharia elétrica e afins, para a realização de simulações de circuitos eletrônicos utilizando o programa de simulação digital PSPICE. Este programa é muito utilizado pelos engenheiros eletricistas de forma a verificar de forma quase real o funcionamento dos circuitos projetados. Desta forma, o aprendizado deste programa poderá auxiliar os estudantes de engenharia elétrica no aprendizado de algumas disciplinas básicas do curso. O PSPICE possui vários programas de utilidade para os engenheiros, como por exemplo, o Captures CIs o qual permite a implementação de circuitos eletrônicos analógicos-digitais, layout plus e o layout plus smart os quais permitem a realização de projetos de placas de circuito impresso, entre outros. Na presente apostila será apresentada de uma forma básica, porém suficiente, para que os estudantes possam dar inicio a utilização eficiente do Pspice. 2 - Introdução Tradicionalmente, a verificação do projeto dos circuitos eletrônicos foi através da construção de protótipos, sendo que estes circuitos estavam sujeitos a vários estímulos: sinais de entrada e ruídos, variação de temperatura e variação da tensão nas fontes de alimentação. As medidas das variáveis de saída eram realizadas por instrumentos digitais ou analógicos. A realização de protótipos consome tempo e dinheiro, por outro lado, conduzem a uma boa experiência na implementação do projeto.

O programa PSPICE (Orcad) é um simulador digital de circuitos eletrônicos, que emula os comportamentos de um circuito real. Deste modo ele permite fazer todos os testes do projeto, certificando que o projeto proposto está correto e possa ser implementado. 3 - Usando o Schematics Depois de instalado, o PSPICE encontra-se no menu Iniciar Programas Orcad. Abra o programa Schematics, a tela é mostrada na Figura 1.


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Figura 1 – Tela inicial do Schematics

O schematic é o local onde será descrito o circuito a ser simulado. Isto é, um

conjunto de componentes ativos e passivos (ex. fontes de alimentação, transistores, amplificadores operacionais, diodos, resistores, indutores, capacitores, etc.) interligados, (nós e malhas). Como primeiro passo para a correta utilização do programa, segue abaixo uma breve descrição de algumas funções contidas no menu:

3.1 – Menu File

• New: Abre um schematics em branco, para realizar um novo projeto; • Open: Abre um schematic que contenha no arquivo; • Close: Fecha o schematic que está na tela; • Save as: Possibilita salvar o arquivo com outro nome.

3.2 – Menu Edit

• Undo(Ctrl+Z): Desfaz a ultima alteração (pode ser utilizado para desfazer mais de uma operação);

• Redo(Ctrl+Y): Refaz a ultima alteração desfeita; • Cut(Ctrl+X): Corta o componente ou parte do circuito que for selecionado; • Copy(Ctrl+C): Copia o componente ou parte do circuito que for selecionado;


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• Paste(Ctrl+V): Cola o componente ou parte do circuito que foi selecionado; • Atributes: Possibilita alterar os atributos do componente selecionado; • Symbol: Permite modificar o componente; • Rotate(Ctrl+R): Gira a parte selecionada em 90º; • Flip(Ctrl+F): Espelha a parte selecionada em torno de um eixo vertical, • Model: Quando selecionado um transistor, por exemplo, permite conhecer as

características do modelo do mesmo. (Veja livro de Microeletrônica – Sedra ). 3.3 – Menu Draw

• Repeat: Seleciona o último componente utilizado; • Place Part(Ctrl+P): Abre a janela dos últimos componentes utilizados; • Wire(Ctrl+W): Fios para conexão entre componentes; • Bus(Ctrl+B): Cria um barramento; • Get New Part(Ctrl+G): Abre a janela para seleção de componentes.

3.4 – Menu View

• Fit(Ctrl+N): Enquadra o espaço utilizado dentro da tela visível; • In(Ctrl+I): Aproxima o schematic; • Out(Ctrl+O): Afasta o schematic; • Área(Ctrl+A): Enquadra a área selecionada dento da tela visível.

3.5 - Menu Analysis

• Setup: Seleciona qual o tipo de simulação desejado; • Simulate(F11): Salva o arquivo e executa a simulação; • Probe Setup: Configurações do probe* (janela de exibição das formas de ondas); • Examine Netlist: Mostra o arquivo gerado contendo o código fonte do schematic; • Examine Output: Mostra o arquivo contendo os dados do circuito. Além dos

resultados de analise pela FFT, quando solicitada. * Probe é o programa para visualização das formas de onda resultantes da simulação. 3.6 – Selecionando componentes e montando o circuito Para selecionar algum componente temos três maneiras: apertando CTRL+G, indo

ao menu Draw Get New Part ou clicando no ícone , feito isto abrirá a janela mostrada na Figura 2.


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Figura 2 – Procurando e Adicionando Componente

Para procurar um componente, basta digitar o nome do componente no campo part

name ou procurá-lo diretamente na lista, clicando em cada elemento da lista. É possível observar nesta janela, o símbolo e uma breve descrição do componente.

Para procurar o amplificador 741, por exemplo, podemos digitar *741, assim todos os componentes que tiverem 741 em seu nome serão mostrados na lista de componentes, você pode observar que o nome full list que estava no canto inferior esquerdo agora mudou para partial list - *741, isto significa que apenas os componentes com 741 no nome estão nesta lista. Para recuperar a lista completa (full list) basta digitar *.

Caso você precise de algum tipo de componente, mas não sabe qual seu part name, basta digitar a classe do componente no campo description search. Por exemplo, se estiver procurando um diodo, mas não sabe qual poderá usar, digite diode (diodo em inglês) no campo description search e todos os componentes que tenham diode no seu nome ou descrição apareceram na lista. Caso queira a lista completa novamente digite * para recuperar todos os componentes da lista.

Depois de selecionar o componente clique no botão place e em seguida no local escolhido na tela do schematic para afixá-lo, você pode colocar quantos componentes quiser e em qualquer lugar quiser. Além disso, pode usar Ctrl+R(rotação) ou Ctrl+F(espelhamento vertical) para melhorar a aparência do circuito.

Com todos os componentes escolhidos na tela agora temos que conectá-los, para

isso usam-se fios (wires), basta apertar Ctrl+W ou ir a Draw Wire ou clicar no ícone . Se desejar excluir algum componente ou fio, primeiro selecione-o e em seguida aperte a tecla Delete do seu teclado.


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É necessário que todos os circuitos tenham um terra, este que pode ser obtido por qualquer um destes componentes:

• GND_ANALOG; • GND_EARTH ; • EGND.

3.6.1 - Componentes mais utilizados nas simulações e seus atributos Nome: R Descrição: Resistor Atributos:

• Value: Valor da resistência • Tolerance: Tolerância em %

Nome: C Descrição: Capacitor Atributos:

• Value: Valor da capacitância • IC: Condição inicial (tensão inicial) • Tolerance: Tolerância em %

Nome: L Descrição: Indutor Atributos:

• Value: Valor da indutância • IC: Condição inicial (corrente inicial) • Tolerance: Tolerância em %

OBS: Os componentes que possuem o sufixo break significam que são ideais, por exemplo:

• Dbreak (diodo ideal, sem queda de tensão); • Rbreak (resistor ideal); • Cbreak (capacitor ideal).

3.6.2 - Descrição das principais fontes de alimentação Fontes independentes Nome: VDC Descrição: Tensão de corrente contínua Atributos:

• DC: Tensão dc fornecida


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Nome: VSIN Descrição: Fonte de tensão senoidal Atributos:

• DC: Tensão contínua • AC: Tensão alternada • VOFF: Tensão alternada • VAMP: Amplitude da senoide (valor

de pico) • FREQ: Freqüência da senoide • TD: Tempo de atraso • DF: Fator de amortecimento • PHASE: Ângulo inicial da fase

Nome: VPULSE Descrição: Fonte de pulso de tensão Atributos:

• DC: Tensão contínua • AC: Tensão alternada • V1: Tensão mínima do pulso • V2: Tensão máxima do pulso • TD: Tempo de atraso • TR: Tempo de subida • TF: Tempo de descida • PW: Largura do pulso ativo • PER: Tempo total do pulso

Nome: VPWL Descrição: Fonte de tensão linearizada por partes Atributos:

• DC: Tensão contínua • AC: Tensão alternada • Vn: Tensão do n-ésimo ponto • Tn: Tempo do n-ésimo ponto

Nome: VEXP Descrição: Fonte de tensão exponencial Atributos:

• DC: Tensão contínua • AC: Tensão alternada • V1: Tensão mínima do pulso • V2: Tensão máxima do pulso • TD1: Tempo de atraso da primeira exponencial


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• TD2: Tempo de atraso da segunda exponencial • TC1: Constante de tempo de subida(descida) da primeira exponencial • TC2: Constante de tempo de subida(descida) da segunda exponencial

Nome: VAC Descrição: Tensão de corrente alternada Atributos: AC: Tensão ac usada na simulação de resposta em freqüência (AC Sweep). Todas as fontes de tensões detalhadas acima têm seu corresponde em fonte de corrente. Os atributos são iguais, com exceção que, onde é V (tensão) passa a ser I (corrente). Fontes dependentes Nome: E Descrição: Fonte de tensão controlada por tensão Atributos: E é utilizada em modelo de amplificador de tensão. Nome: G Descrição: Fonte de corrente controlada por tensão Atributos: G é utilizada em modelo de amplificador de transcondutância.

Nome: H Descrição: Fonte de tensão controlada por corrente Atributos: H é utilizada em modelo de amplificador de transresistência.

Nome: F Descrição: Fonte de corrente controlada por corrente Atributos: F é utilizada em modelo de amplificador de corrente 3.6.3 - Trocando nomes dos componentes e seus atributos Provavelmente você não quer os nomes dos componentes que o PSPICE coloca automaticamente, para alterar basta dar dois cliques com o botão esquerdo do mouse sobre o nome do componente, na janela que se abrirá altere o valor do campo package reference designator. Para alterar os atributos do componente basta dar dois cliques com o botão esquerdo sobre o próprio componente, a figura 3 mostra a tela que se abrirá. Agora é só alterar o valor do atributo que você deseja e clicar em save attr. É recomendado que você desabilite as opções include non-changeable attributes e include system definied attributes.


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Figura 3 – Alterando o valor dos atributos

3.7 - Marcadores

Para medir a corrente ou a tensão em determinado ponto do circuito, usam-se os marcadores disponíveis no PSPICE, com estes marcadores podemos medir estas grandezas em termos de amplitude, decibéis, medir suas fases, etc. Abaixo listamos os principais itens do menu Markers:

• Voltage/Level: Mede a tensão no ponto em relação ao Terra (ground); • Voltage Differential: Mede a tensão entre dois pontos quaisquer; • Current into Pin: Mede a corrente que circula em dado componente; • Advanced: Possui marcadores para corrente e tensão em decibéis, medir a fase,

apenas a parte imaginária ou a real entre outros. Quando se escolhe algum marcador avançado aparece uma breve descrição do que este marcador faz.

Em vês de usar o menu Markers, podemos acessar de forma direta os marcadores de

teste de tensão e/ou de corrente . 3.8 – Grandezas O PSPICE utiliza algumas as seguintes abreviações para as ordens de grandezas:

Símbolo Nome Valor p pico 10-12

n nano 10-9

u micro 10-6

m mili 10-3

k kilo 10+3

Meg Mega 10+6

G Giga 10+9

Exemplo: C = 10m (significa 10*10-3 F ou 10.000μF) R = 7Meg (significa 7*10+6 Ω)


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Observação: Algumas versões do PSPICE utilizam a letra M (maiúsculo) como mili e outras como mega, por isso para evitar valores indesejados utilize a letra m (minúsculo) para mili e Meg para mega. Para valores 1,5kΩ = 1500Ω, não utilize vírgula e sim ponto, 1.5kΩ. 4 - Simulando

Antes de realizar alguma simulação, deverão ser realizados alguns procedimentos: Confira se seu circuito tem um terra (EGND por exemplo); Certifique que todos os componentes estão com seus terminais conectados e com os

valores desejados; Veja se não há nenhum fio “curto-circuitando” algum componente; Salve o arquivo (Ctrl+S).

Agora configure o tipo de simulação (análise) desejado com os devidos tempos e/ou

freqüências se necessário.

5 - Configuração da Análise:

Vá a Analysis Setup ou clique em , abrirá a janela mostrada na Figura 4. Nela está contida opções de simulação que o PSPICE fornece:

• Transient: Simulação em um dado intervalo de tempo; • AC Sweep: Executa uma varredura de freqüência numa fonte AC; • DC Sweep: Executa uma varredura de freqüência numa fonte DC; • Bias Point Detail: Mostra as tensões e correntes de polarização; • Temperature: Executa simulações com diferentes temperaturas.

Apenas as análises citadas acima serão tratadas aqui, devida a sua maior

importância que as demais. Para escolher alguma análise basta marcar a caixa de seleção e depois clicar no botão correspondente para configurar os valores da simulação. O PSPICE permite que mais de um tipo de análise seja realizada simultaneamente.

Figura 4 – Configuração dos tipos de análises


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5.1 - Transient A análise transiente é realizada ao longo do tempo e é provavelmente a análise mais utilizada no PSPICE. Clique no botão transient para abrir a tela indicada pela Figura 5.

Descrição dos campos: • Print Step: define em quanto tempo será impresso um ponto calculado da curva; • Final Time: define o tempo máximo que o circuito será simulado; • No-Print Delay: espera determinado tempo antes de começar a imprimir, porém

neste tempo o PSPICE calcula os valores sem imprimi-los no gráfico. • Step-Ceiling: o PSPICE tem um passo de calculo aleatório, este campo define qual

o passo de calculo que o programa deve seguir. Isto permite dar mais precisão as curvas, principalmente aquelas que tiverem variações em relação ao tempo alta.

• Fourier Analysis: realiza uma analise em freqüência em determinada variável de saída (Output Vars.), com freqüência fundamental (Center Frequency) e número de harmônicos (Number of Harmonics). Se o campo Number of Harmonics estiver em branco, PSPICE considera como padrão nove harmônicos. Para visualizar a análise vá em Analysis Examine OutPut, procure por Fourier Analysis no arquivo, você terá o número da harmônica analisada, amplitude e fase..

Figura 5 – Análise Transiente

5.2 – AC Sweep AC Sweep faz uma varredura de freqüência analisando tensões ou correntes alternadas, permitindo plotar o gráfico de amplitude versus freqüência. É necessário que o circuito tenha alguma fonte de tensão ou corrente com seus atributos na opção AC, a maioria das fontes citadas, na seção 3.6.2, possuem esse atributo. Se o valor AC de uma fonte estiver em branco é como se não houvesse nenhuma fonte AC no circuito.


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Na tela de tipos de análise (Figura 4) selecione AC Sweep e em seguida clique no botão correspondente para editar os valores contidos na Figura 6.

Figura 6 – Análise de varredura tensão alternada (AC Sweep)

Descrição dos campos: • AC Sweep Type: seleciona a escala do eixo de freqüência que será executada; • Pts/Linear,Pts/Octave,Pts/Decade: Dependendo do valor do campo AC Sweep Type

será mostrado uma das três opções para este campo, aqui se define quantos pontos se desejam pelo intervalo correspondente. No nosso caso é quantos pontos serão plotados por décadas de freqüências;

• Start Freq: Freqüência inicial da simulação; • End Freq: Freqüência final da simulação.

5.3 – DC Sweep DC Sweep permite fazer diversas varreduras para analisar o circuito em várias condições. Estas varreduras são relacionadas a fontes de tensão e corrente, variações na temperatura ou a algum parâmetro do circuito. Suas configurações são parecidas com a simulação AC Sweep. 5.4 – Bias Point Detail Depois de realizada a simulação é possível verificar as tensões e/ou correntes de

polarização em cada nó ou componente, para isso basta clicar nos botões e/ou , respectivamente, que ficam no canto superior do próprio schematic. 5.5 – Temperature A maioria dos componentes elétricos sofre algumas alterações no seu modo de condução quando submetidos a variações consideráveis de temperatura, isso ocorre


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principalmente nos componentes semicondutores. Para realizar simulações com várias temperaturas diferentes basta apenas colocar a temperatura (em ºC) separada por espaço (não utilize vírgula). Depois de realizada a simulação abrirá uma janela, no PSPICE AD, para escolher as simulações nas temperaturas desejadas. Observe que a simulação Temperature deve ser usada em conjunto com outra, como por exemplo, a análise transiente.

Depois de escolhido o tipo de análise e configurado os valores, clique em simulate

ou aperte F11 ou no ícone na parte superior do schematic. O PSPICE verificará se existe algum erro, caso existir ele lhe informará para que você corrija. Se as informações sobre o erro não forem suficientes você pode obter mais detalhes acessando o arquivo de saída que o PSPICE gera através do menu Analisys Examine Output.

Caso não exista erro, abrirá o programa PSPICE AD com todas as formas de onda que você adicionou através dos marcadores. 6 – PSPICE AD Depois de simular o programa PSPICE AD, mostrado na Figura 7, se abrirá e nele é possível ver as formas de ondas solicitadas na simulação.

Figura 7 – PSPICE AD


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6.1 - Adicionando Curvas As curvas podem ser adicionadas diretamente no schematic com os marcadores e depois apertando a tecla F12 ou pelo PSPICE AD no menu Trace Add Trace. Na janela que se abrirá é possível observar duas listas, na lista da direita, estão as curvas que você pode adicionar, para isso basta clicar em qualquer elemento da lista simulation output variables. O nome do elemento que você clicou aparecerá em trace expression na parte inferior da tela. Se for esta curva que você deseja adicionar clique em OK, caso contrário apague o que estiver escrito em trace expression e procure por outro elemento da lista esquerda. Observe que todos os elementos da lista simulation output variables começam com V, I ou W estes prefixos representam tensão, corrente e potência, respectivamente. E o valor entre parênteses representa nome_do_componente: terminal. 6.2 - Deletando Curvas Basta clicar com o botão esquerdo do mouse sobre a legenda da curva e em seguida apertar a tecla delete. Se quiser apagar todas as curvas vá ao menu Trace Delete all traces. 6.3 – Fazendo operações matemáticas com formas de onda de tensão e/ou corrente Às vezes é necessário fazer algumas operações matemáticas com as curvas, como por exemplo, valor eficaz, valor médio, produto de tensão por corrente para determinar potência, entre outros. Isto pode ser feito clicando duas vezes na legenda da curva ou selecionado alguma curva e acessando o menu Trace Add Trace. A janela que se abrirá é a mesma para adicionar uma curva, porém usaremos os elementos da lista direita para fazer as operações. Acessando o menu help você poderá ver uma descrição de todas as operações contidas nesta lista. 6.4 – Medindo o valor da curva em determinado ponto

Para medir o valor da curva em determinado ponto basta clicar no ícone ou acessar o menu Trace Cursor Display. Apareceram dois cursores que deslizam sobre a curva. Cada cursor é selecionado com um botão do mouse (esquerdo e direito), se os cursores estão em pontos diferentes é mostrado o valor em cada ponto e a diferença entre estes pontos. Se clicar com o botão esquerdo você selecionará o cursor 1, se for com o botão direito selecionará o cursor 2. Caso queira medir outras curvas basta clicar com o mouse no símbolo de legenda (quadrado, losango, triângulo, etc) da curva desejada. 6.5 – Outras funções importantes do PSPICE AD


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Para melhorar o entendimento do gráfico podem-se adicionar rótulos (labels) as curvas, isto ajuda quando é grande o número de curvas dentro de um mesmo gráfico. Se desejar copiar o gráfico para colar no Word ou outro editor de texto, vá ao menu Windows Copy to Clipboard, abrirá uma janela com opções para copiar o gráfico:

• Use screen colors: mantém todas as cores do gráfico; • Change White to Black: muda a cor de fundo para branco; • Change all Colors to Black: transforma o gráfico em preto com fundo branco.

7 – Dicas para fazer relatórios Em disciplinas de eletrônica e circuitos elétricos, muitas vezes temos que fazer relatório das atividades e projetos por nos propostos. Para isto o PSPICE tem algumas opções que é bem útil para confeccionar um relatório mais apresentável e com caráter mais profissional. 7.1 – Criando figura do circuito Primeiro vamos ensinar como tirar o grid (aqueles pontos do fundo do schematic), para isto basta ir ao menu Options Display Options..., na janela que se abrirá desmarque o campo Grid On, se desejar recolocar o grid é só habilitar este campo novamente. Outra tática que deixa seu circuito mais apresentável é retirar o nome dos componentes, por exemplo, quando colocamos o diodo 1N4148, algumas vezes não precisamos saber qual é o nome do diodo, somente que é um diodo. Para retirar o nome do componente vá ao menu Options Display Preferences..., na janela que se abrirá selecione part name na lista da esquerda e em seguida desmarque a opção display. Agora você pode notar que não há mais os nomes dos componentes, exatamente igual à figura 8.

Figura 8 – Diferença dos circuitos com e sem nomes

O próximo passo é transformar nosso circuito em uma figura para ser colada em um editor de texto. Para isto basta selecionar a parte do circuito que deseja copiar e ir ao menu Edit Copy to Clipboard, clipboard é uma área de transferência onde fica armazenado texto ou figura para fazer transferência de informação entre programas diferentes. Agora com seu circuito na área de transferência (clipboard) podemos colar nossa figura diretamente no editor de texto. Perceba que deste modo, a figura aparecerá com uma borda preta, caso não deseje a borda, cole a figura no Paint e edite a borda. Além disso, colando primeiro no Paint e em seguida no editor de texto, a figura tem uma qualidade melhor.


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7.2 – Criando figura do gráfico Para que o gráfico não fique com o fundo preto é muito simples. Vá ao menu Window Copy to Clipboard, na janela que se abrirá a opção Use Screen Colors deixa a escala tênue e é aconselhável utilizar quando a forma de onda coincidir com alguma linha da escala, já a opção Change White to Black é aconselhável quando desejar enfatizar a escala em relação à forma de onda. Agora é só colar a sua figura no editor de texto. Uma maneira para se obter uma figura de boa qualidade é primeiramente colar a figura no programa Paint e em seguida ao documento que deseje. Procedendo do modo acima criaremos uma figura colorida, porém a maioria das vezes que imprimirmos o relatório será em preto e branco. Assim quando seu gráfico tiver mais de uma forma de onda, clique em para colocar nomes em cada forma de onda. Além disso, clique com o botão do lado direito em cima de uma forma de onda e depois clique em Properties..., na janela que se abrirá no campo width (largura) altere para uma linha mais grossa e no campo Pattern (molde) selecione moldes diferentes para cada forma de onda, assim fica fácil distinguir uma da outra. Vá em Window->Copy to Clipboard e selecione o campo Change All Color to Black. Pronto, agora temos uma figura em preto e branco para colar no nosso relatório. 8 – Exemplos A melhor maneira de aprender a usar o PSPICE é usando bastante e vendo alguns exemplos prontos. Por isso abordaremos alguns exemplos para ensinar como se usam as ferramentas do PSPICE e ensinar também alguns macetes que devem ser utilizados para que a simulação ocorra. 8.1 - Exemplo 1- Análise Transiente

Vamos usar o circuito RC (Figura 9) para mostrar a análise em transiente. Para sabermos quanto tempo precisamos usar na simulação temos que saber a constante de tempo (T) do circuito RC: (R=1kΩ e C=1μF)

T = RC = 103*10-6 = 1ms

Aplicando um pulso no circuito, temos que o capacitor carrega exponencialmente, e o tempo para o carregamento total é cerca de cinco constantes de tempo, o mesmo acontece para o descarregamento do capacitor, logo precisamos de uma fonte que tenha um pulso efetivo de pelo menos 5ms e um período total de pelo menos 10ms. Para gerar um pulso podemos usar a fonte VPULSE com tempos de subida (TR) e tempo de descida (TF) muito pequenos comparados ao pulso efetivo (PW).


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Figura 9 – Circuito RC

Monte um circuito RC (figura 9) utilizando os seguintes componentes:

• R(Value=1K); • C(Value=1u); • V1 VPULSE(V1=-5, V2=5, TD=0, TR=TF=1n, PW=5m, PER=10m); • EGND (terra).

Colocamos marcadores de tensão para medir a tensão no capacitor e na fonte, estes

marcadores funcionam como se tivéssemos colocado um voltímetro entre o terminal e o terra do circuito, também foi colocado um marcador de corrente, deve-se colocar este marcador sempre em algum terminal de algum componente. Para sabermos qual a forma de onda de cada marcador colocamos ele coloridos, se não estipularmos uma dada cor para cada marcador o PSPICE seleciona uma automática. Aqui colocamos os marcadores coloridos pois é nosso primeiro exemplo, entretanto, nos subseqüentes não precederemos desta forma.

Depois de montado e colocado os marcadores, salve o projeto. Agora vá em Analysis Setup, marque a opção Transient e clique no seu respectivo botão, abrirá uma nova janela, coloque 10us no campo Print Step e 20ms no campo Final Time. Isso significa que a simulação ocorrerá num tempo total de 20ms, sendo impresso um ponto no gráfico a cada 10us, ou seja, este gráfico terá 2000 pontos no total ou 1000 pontos por período. Se o gráfico demorar muito tempo para ser plotado, podemos aumentar o campo Print Step de forma a colocar 200 pontos por período. Se o gráfico estiver um pouco deformado, o campo Step ceiling é onde se define o intervalo de tempo de calculo de cada ponto, assim podemos obrigar o PSPICE a calcular um ponto exatamente no intervalo de tempo definido pelo Step ceiling, tornando a curva mais precisa. O PSPICE define seu próprio Step ceiling de acordo com o tempo do Print Step, portanto de colocarmos o passo de calculo muito baixo é quase a mesma coisa de colocarmos o passo de impressão muito baixo e assim o PSPICE continuará demorando a plotar o gráfico. Para ver os resultados vá ao menu Analysis Simulate ou aperte F11, aparecerá a tela mostrada na figura 10. A figura 10 foi copiada através do clipboard com a opção use screen colors e colada diretamente aqui, isso para que seja possível visualizar a tensão da fonte, pois esta se mistura as linhas da escala.


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Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msV(V1:+) V(C:1) I(R)

-5.0

0

5.0

Figura 10 – Corrente no resistor (vermelho) e tensão na fonte (azul) e no capacitor (verde)

Percebemos que a corrente está no zero, isto ocorre porque neste exemplo a corrente

está na casa dos miliamperés, logo podemos multiplicar a corrente para compará-la com as outras formas de onda. Para isto dê dois cliques na legenda da corrente “I(R1)” na caixa que se abrirá no canto inferior em trace expression (expressão da curva) aparecerá I(R1), agora multiplique este valor por 1000 (valor do resistor). Agora se podem comparar as curvas de tensão com a de corrente como mostrado na figura 11.

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msV(V1:+) V(C:1) 1000*I(R)

-10

-5

0

5

10

Figura 11 – Corrente multiplicada por 1000 para compará-la com a tensão

Às vezes essa tática deve ser utilizada para ver como o circuito se comporta. Aqui podemos observar que quando a tensão é positiva o capacitor se carrega e sua tensão tende a tensão da fonte, assim a diferença de tensão sobre o resistor diminui e conseqüentemente a corrente no circuito decai até o zero (quando a tensão no capacitor é igual a fonte). Essa análise só foi possível, pois podemos comparar a forma de onda da corrente com a da tensão para ver o que está acontecendo no circuito.


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8.2 - Exemplo 2 – Usando transformadores Neste exemplo ensinaremos como usar diodos e transformadores no PSPICE. Para isto, vamos criar uma fonte regulada como o exemplo 3.11 do livro Microeletrônica do Sedra (Figura 12).

Figura 12 – Fonte Regulada de 5V, exemplo 3.11 do Sedra

Neste exemplo vamos simular uma fonte que utiliza a tensão de uma tomada residencial (fonte senoidal de 127VRMS=180Vpico e com freqüência 60Hz), esta tensão tem sua amplitude abaixada pelo transformador, é retificada (transforma o ciclo negativo em positivo) pelos diodos e o pico de tensão é armazenado no capacitor C1, o diodo zener serve para regular a tensão de saída, ou seja, tornar a tensão de saída o mais constante possível. A resistência Rp é a resistência do primário do transformador e a resistência Rps é a resistência entre o primário e o secundário do transformador. É obrigatório colocar estas resistências, pois sem estas o PSPICE dá um erro. Este macete deve ser usado toda vez que se utilizar algum transformador no circuito. Dicas: 1 Lembre-se das teclas de atalho Ctrl+R (girar em 90º o componente), Ctrl+Z (desfazer última operação) e Ctrl+W (selecionar a ferramente fio para a conexão dos componentes) para ajudá-lo a montar o circuito. 2 A relação de transformação de tensão é dada por , onde Lptotal é a indutância total no primário e Lstotal é a indutância total no secundário. Assim para nosso exemplo queremos transformar 180Vpico para 12Vpico em cada terminal do secundário. Então queremos uma tensão de pico total no secundário de 24V. Assim a relação de tensão (n=Vp/Vs) é 7,5. Logo temos:

, se fizermos Lstotal=2mH, temos Lptotal=112,5mH. Para montar o circuito use os seguintes componentes:

• V1 VSIN(Voff=0V, Vamp=180V, Freq=60Hz);


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• TX1 XFRM_LIN/CT-SEC (Lpvalue=112.5mH, Ls1value=1mH, Ls2value=1mH); • C1 C (Value= 583uF); • Rp R (Value=0.5); • Rps R (Value=100Meg); • Rcarga R (Value=500); • R2 R (Value=160); • Diodo Zener 5,1V D04AZ5_1(observe que os dois últimos números significam

qual é a tensão de operação do Zener). • 2 Diodos 1N4148.

Como a freqüência é 60Hz sabemos que o período é 16,67ms, logo podemos colocar um tempo final de 50ms (aproximadamente três ciclos de onda), um passo de impressão de 25us (2000 pontos para os três ciclos) e um passo de calculo de 50us. Deve estar claro que estes valores são estimados através de uma base de tempo como o período por exemplo. Feito todos os procedimentos execute a simulação aparecerá um gráfico com o eixo y entre –20 e 20. Para alterar os limites do eixo y, dê dois cliques com o botão direito do mouse no número 20, na janela que se abrirá, selecione a opção User defined, agora altere para –13 até 13 para poder visualizar melhor. A figura 13 mostra o gráfico obtido para nosso exemplo, copiamos o gráfico usando desta vez a opção Change White to Black, observe que aqui as linhas da escalas estão mais visíveis que na figura 11.

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50msV(D1:1) V(C1:1) V(R2:2)

-10V

0V

10V

-13V

13V

Figura 13 – Tensão no secundário (verde), tensão de saída sem regulação (vermelha) e

tensão de saída regula (azul)

8.3 - Exemplo 3 – Utilizando a AC Sweep Para realizar a varredura AC (AC Sweep), ou seja, para um determinado parâmetro do circuito, analisar como ele se comporta numa determinada faixa de freqüência, vamos usar o amplificador emissor comum (figura 14) parecido com o exemplo 4.18 do livro do Sedra.


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Figura 14 – Amplificador Emissor Comum

Informações sobre o funcionamento do circuito pode ser obtido através do livro de Microeletrônica. Observe que no circuito há uma bolinha escrita +VCC ou –VCC, isto são os bubbles do PSPICE, isto significa que bubbles com mesmo nome estão no mesmo potencial e é muito utilizado para melhorar a aparência do circuito. Para montar o amplificador da figura 14 precisamos:

• V1 Vac (AcMag=10mV); • V2 Vdc (DC=10V); • V3 Vdc (DC=-10V); • C1=C2=C3 C (Value=10F); • Rs=Rc=Re=Rcarga R (Value=10k); • Rb R (Value=100k); • Re1 R (Value=100k); • Q1 2N2222A/ZTX (transistor TBJ tipo NPN); • 2 bubble (LABEL=+VCC) e 2 bubble (LABEL=-VCC).

Os marcadores utilizados aqui são usados para medir a tensão em dB e a fase da

tensão, para encontrá-los vá ao menu Markers Mark Advanced..., na janela que se abrirá procure por Vdb e clique em OK, em seguida volte ao menu e agora clique em vphase. Coloque os marcadores no terminal superior da resistência Rcarga.

Agora vamos configurar os parâmetros para a análise AC Sweep, vá ao menu Analysis Setup..., deixe apenas a caixa relativa a simulação AC Sweep marcada e clique no botão correspondente. Na janela que se abrirá marque a opção Decade, repare que onde estava Total Pts mudou para Pts/Decade, deixe o valor padrão (101), em Start Freq


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coloque 1k e em End Freq coloque 1Meg. Aperte Ok e na tela Analysis Setup clique em Close, aperte F11 para simular.

Repare como está a legenda do probe, dependendo do jeito que você colocou o resistor Rcarga aparecerá Vp(Rcarga:1) ou Vp(Rcarga:2), é importante saber qual é o terminal de Rcarga não está aterrado, pois nós vamos separar as duas curvas em gráficos distintos.

Para adicionar um novo local para inserir suas curvas, vá ao menu Plot Add Plot to Window observe que um novo ambiente gráfico se abriu e no seu lado esquerdo está escrito SEL>>, isto significa que este gráfico que está selecionado. Para adicionar uma curva ao gráfico vá ao menu Trace Add Trace..., em Trace Expression digite Vdb(Rcarga:1) ou Vdb(Rcarga:2), isto depende de qual terminal não está aterrado. Agora apague a curva Vdb que está junto com a curva Vp, para isto clique no nome que está na legenda e aperte a tecla Del.

Para vermos melhor o comportamento das curvas com a freqüência, dê dois cliques em qualquer número na escala vertical ou horizontal, na janela que se abrirá selecione a guia X Grid e desabilite a caixa Automatic, na caixa de seleção Log(# of decades) selecione a opção 0.1 e clique em Ok, veja que o resultado final é um diagrama de Bode (figura 15).

Mas sempre que eu quiser fazer um diagrama de Bode tenho que fazer esta trabalheira toda??? A resposta é não, é claro que o PSPICE faz este trabalho todo sozinho. Para isto vá ao menu Trace Add Trace..., na caixa de seleção Functions or Macros selecione a opção Plot Window Template, veja que a lista mudou e que há uma opção com o nome Bode Plot dB – Separete(1), clique nesta opção e repare que o campo Trace Expression mudou, agora coloque dentro do parêntesis V(Rcarga:1) ou V(Rcarga:2) e aperte em Ok. Repare que existem outras funções prontas muito importantes, explore o funcionamento delas através do Help do PSPICE.

Frequency

1.0KHz 2.0KHz 3.0KHz 5.0KHz 8.0KHz 20KHz 30KHz 50KHz 70KHz 110KHz 200KHz 300KHz 500KHz 800KHzVP(Rcarga:1)

0d

90d

180dVdb(Rcarga:1)

-40

-20

0

SEL>>

Figura 15 – Diagrama de Bode da tensão de saída


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Bibliografia 1.- Roberts, Gordon W. and Sedra, Adel – SPICE, Oxford University Press, 1997.

2.- Rashid, Muhammad H. - SPICE for Circuits and Electronics Using PSPICE (2nd Edition) (Paperback - Jan 15, 1995) 3.- Sedra, Adel S. and Smith, Kenneth C - Microelectronic Circuits: includes CD-ROM, The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering, 2003


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