INTRODUCCIÓN AL PSPICE Este fichero fue realizado por el alumno Gabriel Cerdeño Cabello, se trata de los apuntes que él tomó sobre el curso de “Análisis de circuitos electrónicos mediante la simulación” que impartí. Está ligeramente, supervisado, es conveniente tener esto en cuenta, a la hora de hacer uso de toda la información aquí desarrollada, ya que pueden haberse escapado algunos errores, os advierto de todo esto por si en algún paso tenéis problemas, pensad que puede haber algún error, es decir “NO TOMEIS ESTOS BREVES APUNTES COMO UNA BIBLIA” Si llegado el momento estos apuntes se os quedan cortos, siempre podéis acudir a bibliografía sobre el tema, por ejemplo, el libro “Diseño de circuitos electrónicos asistido por ordenador” con OrCAD release 9.X de Manuel Manzaneque Plaza (2 volúmenes) y en última instancia a las propias ayudas del programa. 1 INSTALACIÓN PCB Diseño de placas Layout Diseño de placas (diseño de pistas) Capture Diseño del circuito Capture CIS Diseño del circuito (+ base de datos vía Internet) INTRODUCCIÓN Una vez instalado el programa antes de entrar en el desarrollo conviene indicar a grandes rasgos cuales son los tipos de análisis que se van a realizar con este programa: DC SWEEP: Permite analizar circuito en función de la variación de una fuente o un determinado parámetro del circuito. Muy interesante para obtener curvas de semiconductores; determinar la influencia de determinados parámetros en la respuesta del circuito, etc. AC SWEEP: En este caso sirve para ver la respuesta de circuitos en función de la frecuencia; por ejemplo, ver como cae la ganancia de un amplificador con la frecuencia, como varía el desfase entre señales, etc. TIME DOMAIN: Probablemente sea la opción más utilizada por nosotros permite ver como varia un circuito en el transcurso del tiempo. Se podría decir que en este caso nuestro subprograma PROBE funciona como un potente osciloscopio que almacena todas las señales de tensión, intensidad y todas las funciones que se nos ocurran con dichas señales. INICIANDO UN PROYECTO Inicio – Programas – Orcad Family Release 9.2 – Capture (Capture Cis) Iniciamos un nuevo proyecto dando a FILE – NEW - PROJECT Nos sale un cuadro de dialogo para introducir parámetros de nuestro proyecto: Debemos poner un nombre, un tipo de proyecto y una localización del directorio del proyecto. 2 Las opciones del tipo de proyecto son: Analog or Mixed A/D PC Borrad Wizard Schematic Normalmente el tipo será Analog or Mixed A/D. En el siguiente cuadro de dialogo nos saldrá un cuadro de selección para que el programa soporte nuestro proyecto en base a otro propio ya existente. Nosotros usaremos el proyecto SIMPLE.OBJ Una vez abierto el proyecto tenemos la pantalla principal. Si pinchamos en schematic y vamos al nombre de nuestro proyecto abriremos el schematic para poder dibujar nuestro circuito. 3 En la pantalla principal nos saldrán por defecto unas fuentes de tensión y unas tierras para empezar a trabajar con nuestro programa. Para empezar a trabajar tenemos que introducir los componentes. Para ello nos dirigimos al menú PLACE – PART. Aquí nos sale una lista de componentes correspondiente a la librería que esta seleccionada. Hay que tener en cuenta que existen infinidad de librerías con centenares de componentes. Es de extrema necesidad saber que componente queremos colocar y en que librería se puede encontrar, a fin de acortar el mayor tiempo posible. MENU PLACE 4 Para buscar un componente damos a PLACE PART y en el cuadro de Part ponemos el nombre del componente que buscamos (podemos usar asteriscos) y le damos a SEARCH PART y en el nuevo cuadro de dialogo pulsamos en BEGIN SEARCH. Una vez seleccionado los componentes que vamos a colocar en nuestro circuito, pasamos a unirlos mediante cables virtuales. Para ello debemos ir al menú PLACE – WIRE. 5 Ahora pasamos a analizar el circuito. Para ello nos dirigimos al Menú PSpice – Edit Simulation Profile. En la siguiente ventana tendremos que configurar la simulación. Hay muchas opciones para configurar pero vamos a centrarnos en el barrido en corriente continua o DC SEEWP. Tenemos que saber algo del componente que vamos a simular para poder seleccionar lo mejor posible las opciones de simulación. Nuestro diodo 1DN4002 tiene una Vd de 1 voltio y una Id de 1 amperio. Pasamos a configurar las propiedades de nuestra simulación. Vamos a simular en función de nuestra fuente de tensión, para ello marcamos en Sweep Variable la opción VOLTAGE SOURCE y ponemos el nombre de nuestra fuente en este caso Vcc. Además, en Sweep type introducimos valor inicial, valor final y dimensión del paso. A tener en cuenta que los decimales van separados por puntos, nunca por comas ya que el programa puede dar problemas. 6 En nuestro caso dio un error al no tener conectada la masa al circuito, una vez colocada la masa el problema se resolvió. Ahora para simular pulsamos en PSpice – RUN. Si todo va bien, nos aparecerá una pantalla parecida a esta. Para visualizar nuestra simulación nos dirigimos al menú TRACE – ADD TRACE e introducimos el parámetro que queremos observar en nuestro caso I (D1). (intensidad del diodo) 7 Le aplicamos un ZOOM en el codo de conducción para ver los valores a los cuales nuestro diodo empieza a conducir. Además, podemos incorporar a nuestra simulación unos cursores que nos permitan saber los valores exactos de cada punto. Para sacar un cursor nos vamos al menú TRACE – CURSOR – DISPLAY Para poder visualizar mejor las graficas, podemos pinchar con el botón derecho en la curva que queramos cambiar y dar a properties. Podemos cambiar ancho, tipo, color etc. En nuestro análisis no hemos tenido en cuenta que estos datos pueden variar en función de la temperatura. Nuestro programa toma como referencia 27 Grados Centígrados. A continuación, vamos a realizar un análisis en función de la temperatura, para comprobar como varia la conductividad del diodo en función de la temperatura. Como ya hemos estudiado en química, circuitos, tecnología, y demás asignaturas, con el 8 aumento de la temperatura disminuye la banda prohibida, siendo necesaria menos energía para atravesarla de la banda de valencia hasta la banda de conducción. Para analizar el comportamiento del circuito con la temperatura debemos marcar en el menú de DCSweep la opción PARAMETRIC SWEEP. En Sweep Variable marcamos TEMPERATURE y en Sweep type introducimos los valores: inicial, paso y final. Volvemos a ejecutar el análisis y nos sale una ventanita con las simulaciones disponibles. Seleccionamos las dos y pulsamos OK. Ahora visualizamos las graficas y damos ZOOM en la zona de conducción para encontrar el cambio que buscábamos. 9 SEGUNDO PROYECTO – EL TRANSISTOR BIPOLAR Nuestro transistor será el Qn2222. Volvemos a crear un proyecto nuevo o bien hacemos una página nueva. Para hacer una pagina nueva vamos al menú WINDOW – (NOMBRE DEL PROYECTO) – Pinchamos en Schematic con el botón derecho en NEW PAGE. Esto sólo es posible en la versión completa, en la versión de evaluación hay que cerrar el proyecto anterior y crear uno nuevo. Dibujamos nuestro nuevo proyecto y creamos un nuevo archivo de simulación. 10 Datos del transistor dados por el profesor: VCE = 30V IC = 0.8 A P = 0.5 W Podemos hacer una primera aproximación de la IBMÁX considerando una β aproximadamente de 100 que nos lleva a que la intensidad de base máxima que soportará el transistor será en torno a 12 mili amperios y la tensión colector emisor que viene marcada por la fuente de tensión VCC no deberá sobrepasar mucho los 30 voltios. Hacemos un barrido en continua (DCSweep) y ponemos como parámetro principal la tensión colector emisor y como parámetro secundario la intensidad de base que viene marcada por el generador de corriente I1. NOTA: Los incrementos de la VCC interesan que sean más pequeños que los indicados en la fig. (10mV) y la fuente de tensión debe ser VCC, no VCD, según el esquema. Ejecutamos el análisis y añadimos la variable IC (Q2) y obtenemos la curva de polarización del transistor. NOTA: El que no coincida el número del transistor Q2 con el del esquema se puede deber a que las curvas se han sacado con un segundo transistor, ya que a veces salen varios y el programa los enumera de forma automática. 11 También podemos analizar cada intensidad con sus respectivos cambios de temperatura. En este grafico la Ib es 12 mili amperios y las temperaturas son -27, 0, 27, 127 Cª. NOTA: La falta de curvatura en el codo de las características se debe a dar un incremento grande al barrido de la VCC A continuación, queremos obtener la curva de la potencia consumida por el transistor y las curvas de salida a la vez. Para obtener la curva en la cual la potencia disipada es siempre 0.5 hacemos la siguiente ecuación: W Vce * Ic 0.5 Ic 0.5 Si pedimos que nos muestre Vce 0.5/Vce nos saldrá la curva de la potencia 0.5W (Observar que Vce = Vcc, con lo que si 12 Vcc empieza en cero la curva tenderá a in finito y no se verá nada; por lo tanto iniciar el barrido con Vcc algo mayor de 0V, por ejemplo 0.1 V) CALCULO DE PARAMETROS DE UN CIRCUITO SIMPLE Y SU PUNTO DE POLARIZACION. Tenemos un circuito sencillo con una fuente de tensión, una resistencia y un diodo y queremos saber las corrientes y tensiones, exactas, que atraviesan y soportan la resistencia y el diodo. 13 Para calcular la recta de carga del circuito tenemos que Vcc ID1 R VD1 . Tenemos que dibujar ID1 para hallar la curva característica del diodo. Después introduciremos (5-VD1)/10 para calcular la recta de carga. Además debemos de cambiar la variable del eje X y ajustar las escalas de los ejes X e Y para poder visualizar mejor nuestra recta de carga. La grafica anterior muestra el cambio en el punto de polarizacion del diodo dependiendo de la temperatura. En esta grafica hemos simulado el circuito a dos temperaturas distintas 27 y 127 Cº y hemos visto como la tensión que hace falta para que el diodo conduzca es distinta a ambas temperaturas. Hemos utilizado las siguientes configuraciones: la del parámetro primario es la misma que en la primera simulación mientras que el parámetro secundario solo lo uso para ver el cambio de temperatura. ESTUDIO DE UN CIRCUITO EN FUNCION DE UN PARAMETRO Con el dibujo de la figura optimizo parámetros para analizar después el circuito 14 Para optimizar parámetros vamos al menú PSPICE-PLACE OPTIMIZER PARAMETERS Configuración del barrido en continua 15 Puede ser que nos de algunos errores a la hora de simular. Debemos tener en cuenta que cada componente tiene que tener como valor el nombre del parámetro optimizado entre llaves { }. Para obtener las curvas del error absoluto del potenciómetro con respecto al desplazamiento de X, debemos pedir que nos muestre la relación (V1(V1)*(1-Svar)- V(R2:2))/ V1(V1) 16 Para obtener las curvas del error relativo del potenciómetro con respecto al desplazamiento de X, debemos pedir que nos muestre la relación (V1(V1)*(1-Svar)- V(R2:2))/ V(R2:2) Si conectamos una resistencia en serie con Rm del mismo valor tenemos que la linealidad de nuestro sensor es más fiel que en el caso anterior, viendo en la grafica anterior una gran pérdida de linealidad en la zona central; en cambio, en la 17 nueva grafica vemos como la parte central se comporta de manera más lineal. Para obtener las curvas del error absoluto del potenciómetro con respecto al desplazamiento de X y en función de la resistencia en serie, debemos pedir que nos muestre la relación: (V1(V1)*(1-Svar)- V(R2:2))/ V1(V1) Para obtener las curvas del error relativo del potenciómetro con respecto al desplazamiento de X y en función de la resistencia en serie, debemos pedir que nos muestre la relación: (V1(V1)*(1-Svar)- V(R2:2))/ V(R2:2) 18 POLARIZACION DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL UA741 Y BARRIDO EN ALTERNA (AC SWEEP) Mediante el circuito de la figura analizamos las propiedades y los puntos de polarizacion del esquema. En este circuito se ha alimentado al operacional sin cables de conexión, se ha utilizado la conexión por designación de terminales, o sea a la V+ de alimentación del operacional se la ha asignado el Terminal VCC+ y al V- el VCC- Nuestra simulación trata de mostrarnos como variando la capacidad del condensador el amplificador operacional tiene distintas ganancias. El operacional se comporta como un amplificador de frecuencias selectivo, es decir, solo amplifica un pequeño rango de frecuencias. El circuito esta optimizado para ver la salida en función de 3 valores del condensador. 19 Puesto que esta grafica no nos muestra lo que queremos interpretar optamos por quitar el condensador y jugar con la ganancia modificando las resistencias. Para trabajar mejor optimizamos el parámetro de la resistencia situada entre la entrada inversora del operacional y el terminal de salida. Podemos observar como si aumentamos la ganancia del amplificador operacional obtenemos a su vez un descenso de su ancho de banda. Con una ganancia de 1 apenas sufre hasta un Mhz, en cambio con ganancia 10 la frecuencia de corte superior cae a 10Khz. Y con una ganancia de 2 a 100Khz. 20 ESTUDIO EN EL TIEMPO (Time Domain [Transient]) Estudio en el tiempo de un divisor de tensión en continua Si cambiamos una resistencia por una bobina podremos estudiar el transitorio del circuito. Tenemos una bobina de 10uH con un transitorio de unas 5-6 veces 10ns. Intentando simular nuestro circuito tenemos problemas porque parece ser que el circuito comprende que al haber una fuente de tensión continua no existe ese transitorio. Para visualizar el transitorio usamos una señal distinta, en este caso un pulso. 21 Hemos simulado el circuito de la derecha con los valores antes indicados. Como resultado obtenemos una señal que nos muestra que el circuito se estabiliza en 50 ns que es 5 veces el transitorio calculado teóricamente que era 10 ns. En el grafico podemos observar la respuesta del circuito en función del pulso de entrada. Vemos como a los 100 ns el pulso cae a 0 y la señal de salida realiza un descenso controlado por la energía que tiene almacenada aun la bobina, y antes de que se descargue del todo vuelve a iniciarse el pulso, creando así otra subida controlada con la bobina que se vuelve a cargar despacio. NOTA: Para sacar una nueva grafica dentro de la otra debemos ir al menú PLOT – ADD PLOT TO WINDOW y para añadir un nuevo eje e iremos a PLOT – ADD Y AXIS. 22 ESTUDIO DE UN CIRCUITO RC ALIMENTADO CON UNA SEÑAL SENOIDAL, EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Ahora tenemos un circuito simple con una resistencia y un condensador en serie, alimentados con una fuente de tensión sinusoidal de 50hz y 100v de amplitud máxima. En el circuito simulado obtenemos una grafica de la intensidad total del circuito en función del tiempo. Si simulamos dando un valor constante a la fuente 100v (que es la amplitud máxima) obtenemos el valor máximo y si lo dividimos por raíz de dos obtenemos el valor eficaz. 23 Si tenemos una señal senoidal de 50hz el periodo será 20ms. para calcular nuestro desfase debemos de hacer una regla de tres diciendo que 360º es a 20 ms como Xº son a X ms. En nuestro caso tenemos que 45º equivale a 2,5 ms. Otro modo para calcular el valor eficaz es utilizar la función “RMS()”, donde ponemos dentro del paréntesis la variable de la cual queremos calcular su valor eficaz. Del mismo modo podemos calcular el valor medio, con la función “AVG()”. Grafica del valor medio de la tensión de entrada con el comando “AVG()”. 24 Ahora vamos a introducir en el circuito una bobina en serie para intentar anular la acción del condensador para ello utilizamos la siguiente ecuación. XL = WL = (1/WC) Donde despejando tenemos que W2 = (1/LC) y sabiendo el valor de W y de C podremos calcular el valor de L. En nuestro caso será 0.318 H. Podemos observar como una vez cargada la bobina y el condensador, la intensidad se estabiliza anulándose el efecto de ambos entre si. Vemos que el circuito se estabiliza a partir de mas o menos un periodo. 25 Además podemos utilizar la bobina en paralelo para crear un circuito tapón, que funciona de manera que al cargarse la bobina y el condensador se comporta como circuito abierto o tapón, evitando que circule corriente por la resistencia. Al igual que el caso anterior el circuito necesita algo más de un periodo para estabilizarse, pero una vez estabilizado el circuito se comporta como debería de comportarse teóricamente. SIMLACION DE UN SISTEMA TRIFASICO EN ESTRELLA Para simular un sistema trifásico tenemos que colocar un desfase de 120 grados entre cada generador de tensión. Esto se realiza introduciendo el valor del desfase en la casilla de características. Nuestro circuito esta equilibrado en tensiones, corrientes y cargas. Las cargas son resistivas de 100 ohmios de valor. Grafica de tensiones simples 26 Grafica de tensiones simples y compuestas En el circuito de la figura podemos observar como cuando el sistema trifásico esta equilibrado aunque nosotros pongamos una carga en el circuito entre neutros, no circulara ninguna corriente por ella. 27 Vemos como en este caso se establece un corriente de escape por la resistencia R5, debido como hemos comentado anteriormente por el desequilibrio de las cargas. SIMLACION DE UN SISTEMA TRIFASICO EN TRIANGULO Al intentar simular el circuito, el programa nos indica que necesitamos una tierra, pero en teoría no podemos colocarla en ningún sitio. Por eso agregamos una resistencia de gran valor con una tierra y referenciamos todas las tensiones entre ellas 28 mismas. Por ello en vez de poner un indicador de tensión simple colocamos un indicador de tensión entre dos puntos. Podemos ver como las intensidades de línea y de fase no son iguales, se encuentran desfasadas 30º, por otro lado, las tensiones de línea y fase son semejantes. USO DEL TRANSFORMADOR EN UN RECTIFICADOR MONOFÁSICO EN PUENTE CON 12 V DE CONTINUA EN LA CARGA Cuando se emplea el transformador hay que referenciar ambos devanados con respecto a masa y en el lado del generador poner una pequeña resistencia. El circuito de la figura es una fuente de alimentación de muy común uso comercial. Se compone por un transformador de 220/Vx, un circuito rectificador de onda completa y opcionalmente un condensador para suavizar los picos de la onda. La configuración del transformador se realiza mediante la lengüeta de opciones del transformador. Tenemos dos parámetros que configurar, el acoplamiento y los valores de las bobinas. Variando estos valores obtenemos distintas relaciones de transformación. 29 En nuestro caso necesitamos que la tensión en los diodos sea la adecuada para que en la resistencia haya 12 V DC. Para ello tenemos que tener en cuenta las tensiones que se establecen en los diodos y la relación de transformación. Vemos como la señal oscila entorno a los ±20 V que son los que se necesitan para que el la resistencia de carga queden unos 12 V constantes. Esta señal es senoidal rectificada entera pura porque no hemos colocado ningún condensador para suavizar los picos. La señal en la carga es pulsante equivalente a una continua y a una serie de armónicos. Para obtener esos valores se puede pedir un análisis de Fourier desde el botón Output File Options…. Si añadimos un condensador la onda se suaviza bastante y además la relación de transformación del transformador también se debe de modificar para que al final nos queden los 12 voltios de “continua” en la resistencia. 30 La línea verde es el valor medio de la tensión en la resistencia de carga, mientras que la línea morada es la tensión en la resistencia de carga. La línea azul, es la tensión en el secundario del transformador sin rectificar. Para ver como se suaviza la señal de la tensión en la recta de carga optimizamos parámetros en el condensador y le damos tres valores para ver como varía la señal en función de la capacidad del condensador, y vemos como se suaviza mucho mas con capacidades grandes y como se hace mas picuda con capacidades pequeñas. 31 En la grafica superior vemos como se suaviza la onda, pero el suavizado de onda provoca a su vez que las intensidades que circulen por los diodos sean 10 veces superiores a las calculadas anteriormente. Sin el condensador el diodo tenia una intensidad Máxima de 120 ma con el diodo llega hasta los 2020 ma. En esta grafica se representa la intensidad que circula por el diodo 1 en función de las capacidades de los condensadores. Vemos como la señal amarilla corresponde al condensador de mayor capacidad y que la intensidad en el diodo con dicho condensador asciende a los 2870 mA. En esta grafica se representa la intensidad que circula por el diodo 1 sin presencia de condensadores. Vemos como en la señal la intensidad en el diodo asciende solo a 120 mA. 32 ANALISIS DE SISTEMAS DIGITALES El circuito de la figura es un sistema digital con generadores de pulsos y un contador. Su finalidad es comprender el funcionamiento del contador y aplicarlo a un sensor de humedad. Podemos ver como funcionan las fuentes de tensión pulsantes, con sus retardos, sus tiempos de activación, periodos etc. La configuración de las fuentes de tensión pulsante es la siguiente: Off time: Tiempo que pasa la fuente de tensión cuando el nivel de salida es LOW. On time: Tiempo que pasa la fuente de tensión cuando el nivel de salida es HIGH. Delay: Tiempo que esta la fuente de tensión en stanby hasta que empieza a funcionar. Staraval: Valor inicial. Puede ser HIGH o LOW. Oppval: Valor alternativo al inicial. 33