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FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I Docentes: Ing. Iván Jaramillo Jaramillo Ing. Giovanni Baquero Rozo Ing. Mateo Pradilla Hosie
Práctica 4: Simulación
de circuitos eléctricos y
electrónicos
Esta práctica presenta las consideraciones elementales a tener en cuenta al momento de realizar simulaciones de circuitos.
1. Objetivo
Guiar al estudiante en la adquisición de conocimientos básicos del manejo correcto del software de simulación LTSpice, mediante la simulación de los circuitos de las prácticas 2 y 3.
2. Simulación de circuitos
Un simulador de circuitos es una aplicación de software (generalmente gráfica) con la que se puede realizar análisis y síntesis de circuitos electrónicos, permitiendo así al ingeniero o diseñador conocer de antemano los resultados, valores de voltaje y de corriente, que se presentarán en los dispositivos de un circuito, sin ser necesaria la implementación física del mismo en el protoboard o en una tarjeta de circuito impreso. Se habla de análisis de un circuito cuando este ya ha sido previamente diseñado y el ingeniero se concentra en entender su funcionamiento y escudriñar los principios que fueron aplicados para lograr dicho diseño. Tal es el caso de los circuitos que se han trabajado en la asignatura Taller de Ingeniería Electrónica. Se dice sntesis de un circuito cuando la tarea consiste en diseñar el circuito. Por lo tanto, se parte de un enunciado o necesidad a suplir con el circuito que se va a diseñar. Una opción adicional con la que cuenta hoy día un ingeniero para analizar y diseñar circuitos es la de paquetes de software para SIMULAR CIRCUITOS.
2.1. Justificación de la simulación de
circuitos.
Durante el transcurso del semestre se han implementado diferentes circuitos que incluyen dispositivos tanto pasivos como activos, conductores, semiconductores y resistores. Algunos de estos circuitos se han podido analizar gracias a conocimientos de
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I la teoría de circuitos tales como la Ley de Ohm. De esta manera, se ha podido efectuar la implementación y, luego, se han corroborado los análisis teóricos en la prácticas, obteniendo de esta manera los valores reales y los respectivos errores. Sin embargo, es evidente que hasta el momento los análisis teóricos realizados han sido limitados debido a la falta de pericia en el uso de herramientas matemáticas y de profundidad en conceptos de circuitos, que en futuras asignaturas se irán abordando con el debido tratamiento y rigor. Tal es el caso del fundamento teórico del diodo de unión cuyo modelo matemático contiene ecuaciones no lineales e incluye variables adicionales al voltaje y a la corriente, como la temperatura la cual afecta la resistencia del semiconductor. Sin embargo, en nuestro análisis, igualmente válido pero aproximado, fue considerado este dispositivo como una fuente de voltaje de DC a 0.7 voltios cuando se encontraba en conducción y como un circuito abierto cuando se encontraba polarizado en inverso, sin tener en cuenta dichas variables. Situaciones como la anterior tienen una solución alternativa en el uso de paquetes de SIMULACIÓN que incluyen una serie de herramientas para el análisis y el diseño de circuitos electrónicos. La gran ventaja consiste en que un buen paquete de simulación de circuitos incorpora una serie de modelos matemáticos bastante precisos para diferentes dispositivos contenidos en sus librerías. Por lo tanto, cuando un diseñador realiza una simulación de un circuito, los resultados que allí obtiene son calculados con base en modelos matemáticos que tienen un buen nivel de exactitud, lo cual le permite hallar resultados muy aproximados a lo que se encontrará en el laboratorio. Muestra de lo anterior es la flexibilidad de cambiar condiciones de funcionamiento de los dispositivos tales como la temperatura, lo cual le permite al ingeniero una mejor aproximación a las condiciones reales de funcionamiento del circuito que está simulando. A continuación, se detallan algunos tipos de simuladores los cuales se clasifican como Software de licencia libre y como Software privativo:
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I pruebas, lo puede implementar físicamente en la protoboard para las pruebas reales y su implementación final en una tarjeta de circuito impreso. La etapa de simulación de circuitos es muy beneficiosa para el ingeniero, ya que podrá minimizar la cantidad de tiempo, de dinero y de pruebas al momento de realizar un diseño. Es tal la importancia de la simulación que la gran mayoría de diseñadores la consideran hoy por hoy como una etapa obligatoria dentro de la metodología de síntesis de circuitos, tal como se muestra en la Figura 1. Figura 1: Pasos fundamentales en la metodología de diseño de un circuito.
3. Herramientas que brindan los simuladores
3.1. Representación esquemática de los
circuitos
Para la documentación de un diseño circuital (en un informe de laboratorio, por ejemplo) es fundamental realizar una gráfica que incluya los valores de los dispositivos, las referencias comerciales, los nodos del circuito, una lista de materiales, entre otros; de manera
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I clara y precisa con el fin de que el usuario o ingeniero pueda comprender fácilmente el circuito físico ya sea para tomar medidas, ajustes, calibración o reparación.
3.2. Análisis y diseño de circuitos
Para ello un simulador básico cuenta con librerías (archivos) que incluyen una gran cantidad de referencias comerciales de dispositivos como resistencias, interruptores, condensadores, inductancias, semiconductores, amplificadores operacionales, fuentes de voltajes (AC, DC, generadores de señales), dispositivos de electrónica digital, medidores como voltímetros, amperímetros, osciloscopios, analizadores lógicos (circuitos digitales), entre otros. Además, cuando un dispositivo nuevo sale al mercado (nueva referencia), su librera normalmente es puesta en la WEB por la casa del software que produce el simulador para que los usuarios mantengan actualizado su paquete. Los productores del software suelen ofrecer una serie de versiones “demo" (gratuitas) o versiones estudiantiles para que la academia haga uso de dichas herramientas sin necesidad de adquirir la licencia. El propósito es que los futuros profesionales conozcan estos productos para que en un futuro compren sus licencias. Algunas desventajas de estas versiones gratuitas es que no cuentan con todas las librerías o herramientas del paquete total, o permiten la simulación de un número máximo de dispositivos (normalmente cantidades pequeñas), o por tiempo limitado, entre otras. Las variables que se pueden determinar con los paquetes de simulación incluyen voltajes, corrientes, potencias, etc; las cuales se consideran en función de la frecuencia o del “tiempo", esto último es muy útil al momento de realizar un análisis de tipo dinámico de los circuitos. Es decir, se pueden analizar las etapas transitorias y estacionarias del comportamiento de las variables pertinentes de los circuitos, tal como se puede hacer con un osciloscopio en el laboratorio.
4. Ejemplo de diseño y simulación de un circuito
4.1. Circuito con fuente DC
Diseñar un circuito divisor de tensión conformado por dos resistencias para obtener una caída de potencial de 5 V en la primera resistencia y una caída de potencial de 7 V en la segunda resistencia, utilizando una fuente de alimentación DC de 12 V, tal como se muestra en la Figura 2.
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I ❏ Paso 2. Abrir LTSpice y crear un nuevo esquemático. Figura 4: Interfaz LTSpice. ❏ Paso 3. Cliquear sobre el botón Component (Ruta fácil F2). Figura 5: Nuevo esquemático. ❏ Paso 4. Buscar el símbolo resistor y agregar dos resistencias. Figura 6: Componentes resistores. ❏ Paso 5. Buscar y agregar un fuente de tensión DC.
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I Figura 7: Componente Fuente DC. ❏ Paso 6. En todas la simulaciones es necesario colocar un punto de referencia. Por lo tanto, se debe cliquear sobre el botón Ground. Figura 8: Componente Ground. ❏ Paso 7. Unir todos los componentes ( Ruta fácil F3 ). x Figura 9: Unión de componentes. ❏ Paso 8. Asignar valores a cada componente de acuerdo con la Figura 3, haciendo clic derecho encima de cada elemento.
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I Figura 12: Diagrama esquemático de un circuito divisor de tensión con fuente AC. ❏ Paso 1. Hacer clic derecho encima de la fuente y agregar una función seno con amplitud 12V y frecuencia 200 Hz. Figura 13: Parámetros de la fuente AC. ❏ Paso 2. Correr la simulación ( Run ) y simular mediante la opción Transient con los siguientes parámetros. ❖ Stop time: 50m ❖ Time to start saving data: 0 ❖ Maximum Timestep: 0. ❏ Paso 3. Ubicar la sonda sobre el elemento que se quiera medir (R2).
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I Figura 14: Representación de la señal de tensión sobre R2. ❏ Paso 4. En la ventana generada de gráfico cuya extensión es .raw haga click derecho y luego seleccione la opción “Add Traces”. Para encontrar la potencia o ejecutar alguna operación matemática sobre las variables del circuito solo debe agregar un nuevo gráfico. Para ver la gráfica de la potencia en la resistencia 2 podemos escribir la expresión “ _-‐ V(n002) I(R2)_* ”. Figura 15: Cálculo de potencia sobre la resistencia R2.
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I Figura 17: Circuito serie. 5.2.3. Simulación circuito paralelo ● Realice la simulación del circuito de la Figura 18. ● Compare los valores reales obtenidos de tensión, corriente y potencia con los valores de la simulación, mediante una tabla comparativa. ● Si encuentra diferencias entre los datos simulados y obtenidos en la práctica indague sobre todas las variables y encuentre dónde radica la diferencia. ¿Cómo podría acercarse más a los datos reales? Figura 18: Circuito paralelo. 5.2.4. Simulación circuito carga y descarga del condensador ● Realice la simulación del circuito de la Figura 19. La fuente de tensión consiste en una onda cuadrada de amplitud 5 V y periodo 30 s. ● Compare los tiempos reales obtenidos de carga y descarga del condensador con los tiempos de la simulación en una tabla comparativa.
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2019 -‐I ● Obtenga la representación gráfica de la carga y descarga del condensador junto con la representación de la señal de la fuente. Figura 19: Circuito carga y descarga del condensador. 5.2.5. Simulación circuito con fuentes AC. ● Realice la simulación del circuito de la Figura 20. Emplee fuentes de tensión con señal senoidal, cuadrada y triangular, amplitud 5V y frecuencia 400 Hz. ● Obtenga la representación gráfica de las señales de la fuente junto con la representación de la tensión en la resistencia R2. Figura 20: Circuito con fuente AC. 5.2.6. Simulación de circuitos con offset ● Emplee una fuente de tensión cuya función sea 𝑉(𝑡) = 1. 2 + 5 𝑠𝑖𝑛( 2 𝜋 ∗ 1000 𝑡). ● Obtenga la representación gráfica de la señal de la fuente.
