Apostila de PSpice Schematic, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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Apostila de PSpice Schematic, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Apostila de PSpice

Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica

Uma Breve Introdução ao Simulador

Mic rosi

m P Spi

ce

Simulador de Circuitos Eletrônicos

Elvio Prado da Silva

Terceira Edição 21 de agosto de 2003

Sumário

Sumário ii

Apresentação iii

1 Histórioco do PSpice 1

2 Abrindo o Schematics 2

3 Criando e Simulando um Aplicativo 4 3.1 Inserindo Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2 Desenhando Linhas (fios de conexão) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.3 Editando os Valores dos Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.4 Definindo os Cálculos da Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.5 Simulando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 Alguns componentes úteis 9 4.1 Fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2 Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.2.1 Transformadores 1Φ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2.2 Transformadores 3Φ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.2.3 Tiristores - Retificadores Controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Lista de Figuras 16

Índice Remissivo 17

ii

Apresentação

S o b r e o c o n t e ú d o d e s t e t u t o r i a

l :

Esta apostila foi

escrita por Elvio Prado da Silva, utilizando

o processador de textos LATEX. Este foi escrito para auxilio nas

aulas de Laboratório de Eletrônica Indus- trial. Este tutorial será breve e bem direcionado

o suficiente para simulação de circuitos eletrônicos de uso geral de matérias ministradas no curso de Engenharia

Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia. O material foi es- crito utilizando como ferramenta o simulador OrCAD Release 9.2, onde em sua instalação personalizada permite a instalação do Schematic da

antiga versão 8.0, que o autor acredita ser mais simples e didático que o Capture Cis da versão 9.2. Esta versão do software

permite a utilização da interface da versão 8.0 com os benef́ıcios e atualizações da versão 9.2. Aos

que desejam utilizar o Capture Cis da ver- são 9.2, sugiro a apostila de OrCAD

do Gustavo Malagoni, que deve inclusive ser utilizada

como material com- plementar a

este. ♦

Espero que aproveitem bastante este material!

Elvio - 21 de agosto de 2003

iii

Caṕıtulo 1

Histórioco do PSpice

O simulador de circuitos PSpice foi criado pela empresa Microsim, e em poucos anos já era o simulador de circuitos eletrônicos mais utilizado do mundo. Cada ano que passava, uma nova versão era desenvolvida.

A Microsim desenvolveu seu software até a versão 8.0, com o nome de Microsim PSpice. O software PSpice foi vendido para a empresa Cadence Design Systems, que por sua vez queria mudar a ”cara” deste software. Não mudou só a ”cara”, mas também o nome para OrCAD.

O software PSpice, responsável pelos cálculos matemáticos do simulador continuou o mesmo, mas o Layout de desenho mudou-se e o ambiente onde são mostrados os gráficos (Probe) teve uma leve mudança com a adição de muitas ferramentas úteis.

A primeira versão do software OrCAD é a versão 9.0 e a última da Microsim é a 8.0, confir- mando a linhagem do software.

Como o simulador da Microsim já era utilizado à vários anos pelos engenheiros eletricistas e eletrônicos, os antigos usuários tiveram uma certa ”resistência” à nova versão do produto, por já estarem acostumados com a versão anterior. Pensando nestes fiéis usuários, a empresa Cadence lançou na versão 9.2 a versão 8.0, ou seja, quem gostou da nova ”cara”, utiliza o Capture Cis, já os ”dinossáuros” utilizam o Schematics, onde ambos realizam seus cálculos no PSpice da versão 9.2 e plotam gráficos no Probe também desta versão. Para instalar o Schematics da versão 8.0 no OrCAD 9.2 basta escolher instalação personalizada e selecionar o Schematics na lista apresentada.

As vantagens da utilização do PSpice da versão 9.2 é a de conter bibliotecas mais atualizadas e o ambiente Probe conter ferramentas excelentes e indispensáveis para a captura e utilização dos gráficos após simulados.

Eu, como antigo usuário do simulador, acho mais simples e didático a versão 8.0, onde a configuração é bem simples de entender e utilizar, logo, esta apostila se restringirá ao Schematics da versão 8.0 e ao PSpice e Probe da versão 9.2.

1

Caṕıtulo 2

Abrindo o Schematics

A partir de agora todo este material se referenciará ao Schematics da versão 9.2

Para abrirmos o schematics realizamos como mostra a figura 2.1:

Figura 2.1: Menu Iniciar

Após aberto veremos o ambiente de desenho do Schematics, como mostra a figura 2.2:

A utilização este ambiente é bem simples, como mostraremos nos caṕıtulos subse- quentes.

2

3

Figura 2.2: Ambiente de desenho do Schematics

Microsim PSpice 8 3aed-2003 Elvio

Caṕıtulo 3

Criando e Simulando um Aplicativo

A melhor maneira de entender alguma coisa é explicando com um exemplo. Então faremos a simulação de um circuito bem simples, apenas uma fonte senoidal com uma carga resistiva.

3.1 Inserindo Componentes

Para inserir componentes ao desenho de nosso circuito, utilizamos a ferramenta Get New Part, que pode ser acessada pelos comandos Draw \ GetNewPart ou acessando o atalho de taclado Ctrl + G, ou ainda clicando sobre o ı́cone mostrado na figura 3.1 .

Figura 3.1: Get New Part

Agora podemos iniciar o desenho de nosso circuito. Acione o comando Get New Part como orientado anteriormente e você verá a janela Part Browser Advanced, como mostra a figura 3.2 .

Digite VSIN em Part Name , e irá aparecer o śımbolo do componente referente ao gerador de função senoidal. Clique no botão Place & Close e coloque o componente no Schematic. Observe que a cada clique é adi- cionado mais um componente VSIN com nome diferente (V1, V2, V3, . . . ), para cancelar, basta precionar a tecla ESC do teclado ou apenas dar um

clique com o botão direito do mouse. Para deletar os componentes adicionados indesejadamente somente selecione-o e pre-

cione a tecla DELETE do teclado. Ative novamente o comando Get New Part e digite R para colocarmos a respectiva

carga resistiva.

::::: Para

:::::::::::: rotacionar

::: o ::::::::::::::: componente

::::::: basta

::::::::::: precionar

::: as

::::::: teclas

::::::::: Ctr+R

::: no

:::::::::: teclado.

4

3.2 Desenhando Linhas (fios de conexão) 5

Figura 3.2: Part Browser Advanced

3.2 Desenhando Linhas (fios de conexão)

Para desenhar os fios de conexão no desenho de nosso circuito, utilizamos a ferramenta Draw Wire, que pode ser acessada pelos comandos Draw \Wire ou acessando o atalho de taclado Ctrl + W , ou ainda clicando sobre o ı́cone mostrado na figura 3.3.

Figura 3.3: Draw Wire

Observe que esta ferramenta faz o cursor do mouse se tornar um lápis. Para desenhar basta dar um clique em uma das extremidades do com- Dê um clique

e solte, NÃO clique e arraste

ponente, leve o cursor(lápis) até a extremidade do outro componente e depois dê outro clique, observe que a ligação foi feita. Para conferir a ligação, basta clicar em um dos componentes e arrastá-lo, se os fios forem arrastados unidos ao componente, a ligação foi feita, caso contrário, ela deve ser refeita.

Precisamos agora adicionar uma referência (TERRA) ao nosso cir- cuito. Chame novamente o comando Get New Part e digite EGND ou GND EARTH, que são os componentes TERRA mais utilizados.

Microsim PSpice 8 3aed-2003 Elvio

6 Criando e Simulando um Aplicativo

Creio que você já tem um circuito parecido com o da figura 3.4.

Figura 3.4: Circuito montado

3.3 Editando os Valores dos Componentes

Para editar o valor dos componentes basta dar um clique duplo sobre cada um deles e alterar suas propriedades. Em nosso exemplo, dê um duplo clique no resistor e verá a janela de propriedades1 deste resistor. Poderemos alterar a propriedade VALUE para qualquer valor desejado, deixaremos então 1k, como de ińıcio.

Para alterar as propriedades do componente VSIN, procedemos da mesma forma que o resistor. Altere a propriedade VOFF2 para 0 (zero) com um duplo clique em VOFF e clique no botão ”Save Attr”, altere a propriedade VAMPL para o valor de amplitude que você desejar, alteraremos para 100V e clique no botão ”Save Attr”, altere a propriedade FREQ para o valor de frequência que desejar, colocaremos 10Hz, e clique no botão ”Save Attr”.

3.4 Definindo os Cálculos da Simulação

Para podermos simular um circuito, devemos definir o Tempo e o Passo3 de simulação, para isso temos a janela Transient mostrada na figura 3.6.

1Se clicar no texto R1, você terá apenas acesso ao guia ”Edit Reference Designator”, se clicar no texto 1k, terá acesso apenas ao guia ”Set Attribute Value”, logo, deve clicar no desenho do componente para ter acesso a todas as propriedades do componente.

2nos caṕıtulos posteriores será explicado o significado destes parâmetros 3Passo: lembra do calculo numérico? Existia um parâmetro de cálculo que se chamava PASSO, e ele

indicava de quanto em quanto tempo deveŕıamos recalcular uma dada expressão numérica, pois bem, os simuladores trabalham com iterações numéricas do cálculo numérico e ele fornecerá cada ponto do gráfico plotado.

Elvio 3aed-2003 Eletrônica Industrial

3.4 Definindo os Cálculos da Simulação 7

Figura 3.6: Transient Analysis

Figura 3.5: Setup Analysis

Podemos acessar esta janela com os comandos Analysis \ Setup e depois clicando no botão Transient, ou podemos clicar no botão Setup Analysis mostrado na figura 3.5.

Na janela Transient Analysis(figura 3.6), podemos definir:

Print Step Passo de impressão (± 20ns); Final Time Tempo final de cálculo e de impressão;

No-Print Delay Calcula mas não imprime no gráfico até que este tempo passe; Step Ceiling Passo de cálculo.

Em nosso exemplo, altere a propriedade Print Step para 20ns, como nossa frequência estipulada para a fonte VSIN foi de 10Hz, logo 1

10Hz = 0.1s ou 100ms, logo Final Time =

100ms, para este circuito não é necessário configurar o No-Print Delay nem o Step Ceiling, (Final Time = 100ms para plotar somente um peŕıodo)

Microsim PSpice 8 3aed-2003 Elvio

8 Criando e Simulando um Aplicativo

pois o No-Print Delay é utilizado quando o circuito possui um transitório indesejado, e o Step Ceiling também não é necessário pois na frequência de 10Hz, o passo padrão (Default)(Um bom

passo de cálculo é cerca de 1000 vezes menor que o peŕıodo da forma de onda)

do simulador é suficiente, caso contrário é necessário configurá-lo.

3.5 Simulando

Antes de simular devemos salvar nosso aplicativo. Após salvar o arquivo devemos indicar em nosso circuito onde queremos medir tensão

e corrente, ou seja devemos colocar as ”ponteiras de osciloscópio”. Podemos acessar estas ponteiras em: Makers \:

• \Mark Voltage Level Tensão no ponto aplicado; • \Mark Voltage Differential Diferença de potencial; • \Mark Current Into Pin Corrente no componente; Também podemos acessar as ponteiras de tensão e corrente pelos seus atalhos mostrados

na figura 3.7.

Figura 3.7: Ponteiras

Iremos agora simular nosso circuito.

Figura 3.8: Botão de Simu- lação

Basta acessar o comando Analysis \ Simulate4 ou pela tecla de atalho de teclado F11 ou pelo botão mostrado na figura 3.8.

4Caso esta simulação em espećıfico estiver demorando muito, basta colocar um capacitor de qualquer valor (ex: 0.001pF, bem pequeno) em paralelo com o resistor, que simulará quase que instantaneamente. Este é um artif́ıcio de simulação, ou ”macete”, que ao longo do tempo você irá descobrindo e/ou criando os teus próprios.

Elvio 3aed-2003 Eletrônica Industrial

Caṕıtulo 4

Alguns componentes úteis

Mostraremos parâmetros de alguns componentes úteis em todas simulações.

4.1 Fontes

No curso de Eletrônica Industrial somente utilizaremos as fontes VSIM, VDC e VPULSE.

Figura 4.1: Tensão Senoidal Figura 4.2: Tensão Cont́ınua

VSIN:

VOFF VAMPL Amplitude; FREQ Freqüência.

9

10 Alguns componentes úteis

Figura 4.3: Tensão Alternada Figura 4.4: VSRC

Figura 4.5: VPULSE Figura 4.6: VPWL

VPULSE:

V1 Tensão mı́nima; V2 Tensão máxima; TD Time Delay = tempo antes de começar o pulso; TR Time Rise = tempo de subida; TF Time Fall = tempo de descida; PW Pulse Width = largura de pulso; PER Peŕıodo;

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4.2 Transformadores 11

Figura 4.7: DigClock Figura 4.8: StiM1

Figura 4.9: VEXP

4.2 Transformadores

No curso de Eletrônica Industrial e demais eletrônicas, não é necessário a simulação com- pleta de um transformador nem sua análise detalhada, para isso existem outras matérias espećıficas para tal.

Esta apostila se reserva a simulação de transformadores levando-se em conta somente sua indutância interna (que é o objetivo maior da Eletrônica Industrial e Eletrônica de Não sim-

ularemos relações de transformação nem perdas no ferro

Potência). Simularemos então, transformadores como sendo indutores acoplados.

4.2.1 Transformadores 1Φ

Montemos então o circuito como mostra a figura 4.10. Os componentes utilizados foram:

Vsim:VOFF=0; VAMPL=100V; FREQ=50Hz.

R1:um valor muito pequeno, ex: VALUE=0.001;

R2:um valor muito pequeno, ex: VALUE=0.001;

R3:resistência de carga, ex: VALUE=100;

R4:um valor muito grande, ex: VALUE=100M;

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12 Alguns componentes úteis

L1:VALUE=50uH; REFDES=Lprimario; L2:VALUE=50uH REFDES=Lsecundario; TERRA:EGND; K Linear:L1=Lprimario; L2=Lsecundario;

Figura 4.10: Transformadores 1Φ

O que foi feito neste exemplo foi acoplar dois indutores através do componente K Linear.

Os resistores R1 e R2 de 0,001Ω são utilizados para simular a resistência dos fios do enrolamento do transformador.

O resistor R4 de 100MΩ foi colocado por motivo de simulação, para indicar que o ramo da esquerda está ”ligado” ao ramo da direita e possui mesma referência (TERRA). Caso não o coloquemos, o simulador considerará o ramo da esquerda como um circuito independente ao da direita.

Este transformador 1Φ possui relação de transformação de 1:1, logo a tensão de entradaQuanto maior a indutância, melhor é o acoplamento

deve ser igual à tensão na sáıda.

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4.2 Transformadores 13

4.2.2 Transformadores 3Φ

Consideraremos os transformadores trifásicos como sendo a união de 3 transformadores monofásicos.

Montemos então o circuito da figura 4.11, que é um transformador trifásico tipo ∆-Y.

Figura 4.11: Transformador 3Φ em -Y

Fiquem atentos para as posições dos indutores, em relação aos pontos do transformador Os pontos se referem ao sentido de en- rolamento do transformador

e também das configurações das ligações ∆ e Y. Observe também que agora temos três acoplamentos (sistema 3Φ).

Os componentes VSIN deverão estar defasados de 120o um em relação ao outro, logo, sua propriedade PHASE deve ser alterada para 0, -120o e +120o ou 0, 120o e 240o.

4.2.3 Tiristores - Retificadores Controlados

Tiristores são retificadores controlados. Possuem as mesmas propriedades dos diodos, mas com a ressalva de podermos manipular esta retificação , ou seja, podemos através de uma lógica de controle disparar este tiristor no momento em que desejarmos, logo, podemos utilizá-los como chaves .

Os diodos possuem dois pólos, Catodo (K) e Anodo (A) . Em se tratando de tiristores Gate, traduzindo significa portão mas trataremos como gatilho que é mais fá- cil de associar com disparo .

também temos Catodo e Anodo, e também um terceiro pino que chamamos de Gate (G). Os disparos de Gate se dão injetando um sinal neste pino, conforme especificado em sua

folha de dados (Datasheet) . O mais comum é injetar ondas quadradas , PWM (modulação por largura de pulso) ou simplesmente um sinal DC , conforme aplicação.

A caracteŕıstica marcante dos tiristores em relação às demais chaves como Transistores Bipolares, Mosfets, JFETs, IGBTs e outras, é que os tiristores quando disparados pela primeira vez, mantém-se comutando mesmo retirando-se o pulso em seu gatilho, logo, para ”desligá-lo” devemos fazer com que o sinal retificado vá a zero ou curtocircuitamos Catodo e Anodo.

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14 Alguns componentes úteis

Montemos então o Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda como mostra a figura 4.12:

Figura 4.12: Retificador monofásico controlado de meia onda

Pede-se que disparemos o tiristor à 60o da referência zero. Neste caso, faremos uma regra de três simples para calcularmos quantos milissegundos equivale a 60o, para um peŕıodo de 20ms(f=50Hz), temos:

360o ——20ms 60o ——X

X = 60·20m

360 =

3,33333ms

Logo, 60o=3,333ms.

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4.2 Transformadores 15

Os componentes utilizados na configuração da figura 4.12 são:

V1 VSIN VOFF=0, VAMPL=100V, FREQ=50Hz V2 VPULSE V1=0, V2=15V, TD=3.333ms, TR=1ns, TF=1ns, PW=2ms,

PER=20ms

R 10 Tiristor MCR225 Para esta simulação, o Transient Analysis está configurado para Print Step de 20ns,

Final Time de 40ms e Step Ceiling de 0.1ms. Final time de 40ms equivale a 2 peŕıodos completos em f=50Hz.

A simulação final será como mostra a figura 4.13:

Figura 4.13: Simulação do Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda

Como a forma de onda de entrada é uma senóide, Não foi necessário um circuito de controle que desligasse o tiristor pois a senóide passa por zero a cada meio peŕıodo.

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Lista de Figuras

2.1 Menu Iniciar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.2 Ambiente de desenho do Schematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3.1 Get New Part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2 Part Browser Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.3 Draw Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.4 Circuito montado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.6 Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.5 Setup Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.7 Ponteiras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.8 Botão de Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.1 Tensão Senoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.2 Tensão Cont́ınua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4.3 Tensão Alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.4 VSRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.5 VPULSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.6 VPWL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.7 DigClock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.8 StiM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.9 VEXP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.10 Transformadores 1Φ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.11 Transformador 3Φ em -Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.12 Retificador monofásico controlado de meia onda . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.13 Simulação do Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda . . . . . . 15

16

Índice Remissivo

amplitude, 6 Anodo (A), 13

Cadence Design System, 1 Cancelar, 4 Catodo (K), 13 chaves, 13 conferir ligação, 5 Controlado, 14 controle, 15

Datasheet, 13 defasagem, 13 diodos, 13 disparo, 13 Draw Wire, 5

Fios de Conexão, 5 Fontes, 9 FREQ, 6, 9 frequencia, 6

Gate, 13 Gatilho, 13 gatilho, 13 Gerador de função, 4 Get New Part, 4

Histórico, 1

IGBT, 13 indutância, 11 Inserindo Componentes, 4

JFET, 13

K Linear, 12

lápis, 5 lógica de controle, 13 Linhas, 5

MCR225, 15 Meia Onda, 14 Microlsim, 1 Monofásico, 14 Mosfet, 13

ondas quadradas, 13 OrCAD, 1

Part Browser Advanced, 4 Part Name, 4 passo, 6 PER, 10 PHASE, 13 Place & Close, 4 ponteiras de osciloscópio, 8 portão, 13 Probe, 1 PW, 10 PWM, 13

referência, 5, 14 regra de três, 14 retificação, 13 Retificador, 14 retificadores controlados, 13 rotacionar componente, 4

salvar, 8 Save Attr, 6 Schematics, 1 senoidal, 4 simulador, 1

17

18 ÍNDICE REMISSIVO

sinal DC, 13

TD, 10 tempo, 6 Terra, 5 TF, 10 Tiristores, 13 TR, 10 Transformadores, 11 Transistores Bipolares, 13

VALUE, 6 VAMPL, 6, 9 VDC, 9 VOFF, 6, 9 VPULSE, 9 VSIN, 4, 6, 9

Elvio 3aed-2003 Eletrônica Industrial

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