Simulación de Circuitos Analógicos con LTspice: Guía Práctica, Cheat Sheet of Power Electronics

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• 1. Introducci´on Indice General
  • 1.1. ¿Qu´e es LTSpice?
  • 1.2. Instalaci´on
  • 1.3. Atajos de Teclado
  • 1.4. Notaci´on Cient´ıfica
  • 1.5. Modos de Trabajo
  • 1.6. Creaci´on de un Circuito
  • 1.7. Manejo de Archivos
• 2. Simulaci´on B´asica
  • 2.1. Nociones B´asicas
  • 2.2. Librer´ıas
    • 2.2.1. Directiva .model
    • 2.2.2. Directiva .subckt
  • 2.3. Modelos Nuevos en Componentes
    • 2.3.1. Configuraci´on del S´ımbolo de un Nuevo Modelo.
  • 2.4. Punto de Operaci´on en DC
  • 2.5. An´alisis Transitorio
  • 2.6. Mediciones (Directiva .meas)
    • 2.6.1. Mediciones en un solo punto
    • 2.6.2. Mediciones en un rango
• 3. Ambiente Gr´afico
  • 3.1. Ambiente Gr´afico B´asico.
    • 3.1.1. Tipos de ventanas
    • 3.1.2. Uso del apuntador
    • 3.1.3. Orientaci´on de las ventanas
    • 3.1.4. Uso del zoom en la ventana gr´afica
  • 3.2. Configuraci´on de Colores
  • 3.3. Exportaci´on de Im´agenes
• 4. An´alisis por Barrido de Elementos
  • 4.1. Barrido en DC
  • 4.2. Barridos M´ultiples en DC
  • 4.3. Barrido de Par´ametros ii ´INDICE GENERAL
  • 4.4. An´alisis en AC
• 5. Circuitos Especiales
  • 5.1. Switch Controlado por Voltaje
    • 5.1.1. Construcci´on del circuito de trabajo
    • 5.1.2. Colocaci´on del switch y definici´on del modelo
    • 5.1.3. Retroalimentaci´on
  • 5.2. Sensor PIR
    • 5.2.1. Funcionamiento
    • 5.2.2. Simulaci´on en LTSpice
    • 5.2.3. Planteamiento del ejercicio
    • 5.2.4. Construcci´on de un Circuito Restador
    • 5.2.5. Construcci´on de un circuito comparador
    • 5.2.6. Integraci´on al circuito de aplicaci´on
    • 5.2.7. Diagrama de flujo para el sector
  • 5.3. Motor DC
  • 5.4. Celda Solar
  • 5.5. Transformador
    • 5.5.1. Colocaci´on de ambos inductores
    • 5.5.2. C´alculo de la relaci´on de conversi´on del transformador
    • 5.5.3. C´alculo de los valores de inductancia
    • 5.5.4. Elecci´on del factor de acoplamiento mutuo
    • 5.5.5. Adici´on de la directiva SPICE de configuraci´on

2 CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ON´

1.2. Instalaci´on

LTSpice se encuentra disponible para las plataformas Windows y Mac OS (lamentablemente no est´a disponible para Linux), y puede obtenerse accediendo al siguiente enlace:

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ ltspice-simulator.html

La instalaci´on es muy sencilla, solo deben aceptar los t´erminos y condiciones

dando clic en el bot´on Accept y despu´es dando clic en el bot´on Install Now. Una vez terminada la instalaci´on se puede acceder al programa desde el bot´on inicio y seleccionando LTspice XVII. Una vez instalado se mostrar´a una ventana como se ve en la Figura 1.1.

Figura 1.1: Pagina de inicio de LTspiceXVII

As´ımismo, es posible observar este procedimiento de forma gr´afica y m´as detenida en el video-tutorial Instalaci´on de LTspice en la carpeta de la materia.

1.3. ATAJOS DE TECLADO 3

1.3. Atajos de Teclado

Para utilizar fluidamente LTspice es necesario conocer los atajos de teclado. Aunque es cierto que todos los componentes y funciones se encuentran en la ba- rra de herramientas, es recomendable utilizar los atajos de teclado para ahorrar tiempo al capturar los circuitos y editarlos. A continuaci´on se muestran en las siguientes tablas los atajos m´as importantes.

Atajo Componente R Resistor C Capacitor L Inductor D Diodo G GND S Directiva Spice T Texto F2 Lista Componentes F4 Etiqueta de Red

Tabla 1.1: Atajos para componentes

Atajo Funci´on ESC Salir de Modo F3 Dibujar Alambre Ctrl + E Espejo Ctrl + R Rotar F5 ´o Supr ´o Ctrl+X Borrar F6 ´o Ctrl+C Duplicar F7 Mover F8 Arrastar F9 Deshacer Shift + F9 Rehacer

Tabla 1.2: Atajos para funciones

As´ımismo, es posible obtener este listado de atajos en la infograf´ıa Atajos del Teclado en la carpeta de la materia.

1.5. MODOS DE TRABAJO 5

1.5. Modos de Trabajo

En LTspice existen dos formas fundamentales de trabajo, capturar el circuito que se desea analizar utilizando la interfaz gr´afica, es decir Modo Esquem´ati- co, o programando el c´odigo necesario en lenguaje Spice y ejecutando el c´odigo, a este ´ultimo se le conoce como Netlist. Los archivos Netlist deben tener la terminaci´on .net y seguir todas las reglas de sintaxis del lenguaje Spice. Los archivos esquem´aticos de LTspice tienen terminaci´on .asc y deben estar correctamente cableados para que funcionen. Cada una de estas formas de trabajo tienen sus ventajas y desventajas, no obstante nos enfocaremos principalmente en el modo esquem´atico debido a que ´este es m´as sencillo de abordar y a que es posible generar el archivo .net dentro de este modo. El funcionamiento del modo esquem´atico se basa en el principio de que todo el esquem´atico capturado se convierte en un archivo .net que se ejecuta por detr´as. Es recomendable que siempre que acabe de capturar un circuito se tom´e el tiempo de ver el c´odigo Spice generado para familiarizarse con su sintaxis y eventualmente poder migrar al modo Netlist dado que en este modo el usuario tiene total control sobre la simulaci´on.

6 CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ON´

1.6. Creaci´on de un Circuito

Para analizar un circuito utilizando LTspice se deben seguir tres pasos: (1) crear el circuito, (2) simularlo y (3) imprimir o graficar los resultados. En esta secci´on el lector aprender´a c´omo crear el circuito y realizar su primera simula- ci´on. Antes de que se analic´e c´omo utilizar el modo esquem´atico, es necesario saber c´omo usar el “rat´on” para elegir un objeto y ejecutar una acci´on. Se utiliza el “rat´on” en conjunto con el teclado para ejecutar diversas instrucciones. En este texto se utilizar´an las siguientes instrucciones para representar acciones que se efectuar´an mediante el “rat´on”:

• Haga clic con el bot´on izquierdo del rat´on: se hace clic en el bot´on izquierdo para insertar un elemento que se haya elegido previamente.
• Haga clic con el bot´on derecho del rat´on: se hace clic en el bot´on derecho para abortar cualquier acci´on, abrir el men´u de vista r´apida o para editar las propiedades de un elemento.
• Haga clic con el bot´on izquierdo del rat´on y mant´engalo oprimi- do: se hace clic en el bot´on izquierdo, se mantiene oprimido y se mueve el “rat´on” para navegar sobre la pantalla.
• Arrastre: se arrastra el “rat´on” (sin hacer clic) para mover el elemento.

NOTA: Cuando se usa el t´ermino “hacer clic”, significa que el bot´on iz- quierdo del rat´on se oprime y se libera r´apidamente. Para evitar escribir “clic” varias veces, se destaca en negritas el men´u donde se van a realizar los clics. Por ejemplo, “hacer clic en Edit, hacer clic en Component” se escribir´a como Edit/Component. Desde luego, es posible oprimir siempre la tecla Esc para abortar cualquier acci´on.

Suponiendo que se est´a utilizando Windows, puede tenerse acceso a LTspice oprimiendo el icono de Inicio y buscando sobre los programas que comiencen con la letra L. Una vez abierto aparecer´a la ventana mostrada en la Figura 1.1. Para crear un circuito esquem´atico se requieren tres pasos: (1) poner todas las partes o componentes del circuito, (2) alambrar entre s´ı las partes para formar el circuito y (3) cambiar los valores de las partes.

Paso 1: Colocar las partes

Cada componente del circuito se obtiene siguiendo este procedimiento:

• Seleccione Edit/Component para desplegar el men´u de componentes (o teclee F2).
• Utilice la barra de desplazamiento para seleccionar la parte (o teclee el nombre de parte, por ejemplo, res para resistencia).

8 CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ON´

como la de la Figura 1.2. Para cambiar el nombre haga clic derecho sobre el nombre del componente, por ejemplo R 1 , aparecer´a una ventana como la de la Figura 1.3.

Figura 1.2: Ventana para cambiar el valor

Figura 1.3: Ventana para cambiar el nombre

Es recomendable no modificar el nombre de los componentes m´as comunes como el de resistores, capacitores o diodos debido a que en ocasiones resulta muy problem´atico identificar los componentes cuando se genera el netlist, no olvide que en la ventana valor puede utilizar los sufijos de notaci´on cient´ıfica (tambi´en conocidos como factores de escala) de la Tabla 1.3. Excepto la conexi´on a tierra, la cual se asigna autom´aticamente al nodo 0, a todo nodo se le da un nombre (o n´umero), o se le asigna uno en la netlist, por ejemplo N001, no obstante se puede cambiar este nombre, seleccione Edi- t/Label Net (o teclee F4), aparecer´a una ventana como la de la Figura 1.4, en la cual, adem´as de elegir el nombre, se puede seleccionar el tipo de nodo, ya sea None, Input, Output o Bi-Direct, si no sabe cual utilizar seleccione por defecto None.

Figura 1.4: Ventana Net Name

Una vez elegido el nombre d´e clic en OK y aparecer´a un cuadrado junto con el nombre seleccionado arrastre y haga clic izquierdo sobre un nodo o col´oquelo sobre cualquier parte de la pantalla.

1.6. CREACI ON DE UN CIRCUITO´ 9

Ejemplo 1.1 Dibuje el circuito de la Figura 1.

Figura 1.5: Divisor de voltaje

Se seguir´an los tres pasos mencionados anteriormente, se comienza abriendo el programa LTspiceVXII. Esto proporciona una pantalla como la mostrada en la Figura 1.1, seleccione File/New Schematic (o teclee Ctrl + N). Esto proporcionara una pantalla en blanco para dibujar el circuito sobre ella. Siga los pasos que est´an m´as adelante para crear el circuito de la Figura 1.5.

Figura 1.6: Insertar compo- nentes

Figura 1.7: Cablear compo- nentes y agregar conexi´on a tierra

1. Haga clic en Edit/Component (o teclee F2).
2. Teclee voltage en el buscador.
3. Haga clic en OK (o teclee Enter).
4. Arraste la parte al lugar deseado sobre la pantalla.
5. Haga clic izquierdo para poner la fuen- te de tensi´on y haga clic derecho para finalizar con la colocaci´on. En este punto, s´olo la fuente de tensi´on de la Figura 1.6 se muestra en la pantalla. Para colocar las resistencias, es necesario:
6. Haga clic en Edit/Resistor (o teclee R).
7. Arraste la resistencia R 1 al lugar deseado sobre la pantalla.
8. Presione la combinaci´on de teclas Ctrl + R para rotar, haga clic izquierdo colo- car y clic derecho para finalizar el modo de colocaci´on.
9. Repita los pasos 1,2 y 3 para R 2.

1.7. MANEJO DE ARCHIVOS 11

1.7. Manejo de Archivos

Una vez que se est´e satisfecho con el circuito que se dibuj´o, es importante guardar registro de nuestro trabajo. LTspice, como se mencion´o en secciones anteriores, guarda los esquem´aticos bajo la extensi´on .asc. Es recomendable siempre crear una carpeta separada para cada proyecto o esquem´atico con el que estemos trabajando ya que, como se ver´a en secciones posteriores al ejecutar una simulaci´on, LTspice crea distintos archivos en el directorio ra´ız donde se encuentre guardado nuestro archivo y puede resultar problem´atico revolver todos estos archivos, adem´as en ocasiones es necesario importar librer´ıas externas, como se ver´a en cap´ıtulos posteriores y estas deben guardarse en el directorio ra´ız. Para guardar nuestro archivo esquem´atico seleccione File/Save As. Una vez guardado nuestro esquem´atico es recomendable que de vez en vez guardemos nuestro trabajo seleccionando File/Save As o simplemente tecleando Ctrl+S. Guardar constantemente el trabajo realizado le ahorrar´a muchos dolores de cabeza, adem´as de que es considerada como una buena pr´actica al momento de trabajar.

Cap´ıtulo 2

Simulaci´on B´asica

2.1. Nociones B´asicas

LTspice puede realizar una gran variedad de simulaciones, ya sean an´alisis en AC, puntos de operaci´on en DC, barridos en DC, transitorios etc. Por eso en esta secci´on y en las posteriores se expondr´a c´omo realizar todas estas simulaciones, c´omo exportar los datos de la simulaci´on y c´omo utilizar el visualizador de forma de onda. Para esta parte del texto, suponemos que el lector ya sabe c´omo capturar sus circuitos, es decir como insertar componentes b´asicos, rotarlos, cambiar sus valores, alambrar, nombrar nodos, insertar GND, agregar notas al esquema y como administrar correctamente los archivos generados por el simulador. Para generar cualquier tipo de simulaci´on se debe seguir lo siguiente:

1. Cerciorarse que el circuito fue capturado correctamente.
2. Verificar que exista el nodo GND.
3. Seleccionar Simulate/Edit Simulation Cmd.
4. Seleccionar el tipo de simulaci´on que se desea:
   • Transient
   • AC Analysis
   • DC Sweep
   • Noise
   • DC Transfer
   • DC op pnt
5. Configurar correctamente la simulaci´on.
6. Hacer clic en OK.

14 CAP´ITULO 2. SIMULACI ON B ´ ASICA´

2.2. Librer´ıas

LTspice XVII contiene diversos modelos de dispositivos discretos para incluir como modelos de transistores y MOSFET, sin embargo existen muchos modelos de terceros de distintos fabricantes que podemos agregar a nuestra simulaci´on. Los dos tipos b´asicos de modelos Spice de terceros son los descritos por la sentencias .model y la sentencia .subckt. Modelos dados como .model son para modelos intr´ınsecos de Spice como diodos o transistores, mientras que los modelos dados como .subckt definen un componente como una colecci´on de dispositivos intr´ınsecos de Spice. Por ejemplo, un opamp ser´ıa modelado como un .subckt.

2.2.1. Directiva .model

Para explicar como funcionan las librer´ıas nos ayudaremos de ejemplos pr´acti- cos. Imaginemos que deseamos utilizar el diodo 1N4001 y encontramos un mo- delo Spice de este diodo en la red, el modelo ser´ıa el mostrado en la Figura 2.2.

*SRC=1N4001;DI_1N4001;Diodes;Si; 50.0V 1.00A 3.00us Diodes, Inc. diode .MODEL DI_1N4001 D ( IS=76.9p RS=42.0m BV=50.0 IBV=5.00u

• CJO=39.8p M=0.333 N=1.45 TT=4.32u )

Figura 2.2: Modelo Spice de diodo 1N

Ejemplo 2.1 Dibuje el circuito de diodo en polarizaci´on directa de la Figura

Figura 2.3: Diodo en polarizaci´on directa

Como r´apidamente notar´a el lector, el circuito es muy sencillo, tan solo consta de tres componentes. Para insertar el diodo se teclea D, para el resistor se teclea R y para la fuente de tensi´on se teclea F2 y se elige el componente voltage.

2.2. LIBRER´IAS 15

Para alambrar se teclea F3 y para las anotaciones se teclea T y se escribe el texto correspondiente. Para cambiar los valores tanto del resistor como de la fuente de tensi´on se hace de la manera usual, se hace clic derecho sobre el componente y se cambia el valor. Para el diodo es exactamente el mismo procedimiento, al hacer clic derecho se mostrara una ventana la de la Figura 2.4. Al hacer clic Pick New Diode se mostrar´a la ventana de la Figura 2.5, donde podemos seleccionar alguno diodo que se encuentre por defecto en la librer´ıa de LTspice.

Figura 2.4: Ventana de propiedades de diodo

Figura 2.5: Ventana selecci´on de diodo

No obstante, si el modelo del diodo no se encuentra en la librer´ıa, pode- mos buscarlo y encontrarnos con un c´odigo similar al de la Figura 2.2. Para incorporar el modelo a nuestro esquem´atico necesitamos agregar una instancia de s´ımbolo que mejor represente al .model que, en este caso, es el s´ımbolo del diodo que agregamos anteriormente. El siguiente paso es agregar los atributos del componente; entonces, como vamos a incorporar un modelo de terceros, se teclea y sostiene la tecla Ctrl y se da un clic derecho sobre el s´ımbolo del diodo, se abrir´a una ventana como la de la Figura 2.6. El primer y m´as importante par´ametro es el Prefix, que determina el tipo b´asico del s´ımbolo. Si la intenci´on del s´ımbolo es representar un dispositivo intr´ınseco de Spice, el s´ımbolo debe coincidir con el Prefix apropiado para ese dispositivo, en otras palabras, R para resistores, C para capacitores, M para MOSFET. En nuestro caso estamos utilizando un diodo, entonces necesitamos un valor D para el Prefix. Despu´es necesitamos agregar el Value del s´ımbolo para coincidir con el nombre en la sentencia .model, en nuestro ejemplo DI_1N4001. Ahora tenemos un s´ımbolo para representar nuestro modelo de terceros en nuestro esquem´atico. El ´ultimo paso es agregar una sentencia .model a la simulaci´on a˜nadiendo una directiva de Spice, esto se hace seleccionado Edit/SPICE Directive (o tecleando S), se abrir´a una ventana como la mostrada en la Figura 2.7. Para a˜nadir la directiva existen dos formas, la primera es tener un archivo 1N4001.lib en el directorio donde esta guardado el .asc y este archivo .lib debe