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Módulo 2: multiSIM 7
Circuitos em CA - Eletrônica
Esta é a segunda parte do trabalho sobre o MultiSIM 7 e é dirigida para o estudo de circuitos em corrente alternada e eletrônica básica, desta forma os instrumentos e componentes aqui descritos são básicos nos estudo e simulação de circuitos em CA. A licença usada para fazer este trabalho tem o texto em inglês, desta forma toda vez que for feito referência em inglês o mesmo será colocado em itálico e entre parênteses e antes o termo equivalente em português. Devemos reiterar mais uma vez que você deve ter conhecimentos mínimos de eletricidade e eletrônica básica para que possa compreender este trabalho.
O Gerador de Funções
Para mostrar como usar instrumentos em corrente alternada vamos partir de um
exemplo de um circuito RC alimentado por uma tensão senoidal. Para obter uma tensão
(corrente) alternada (AC) temos duas alternativas:
Podemos usar o Gerador de Funções (GF) ou a Fonte de Tensão Alternada Senoidal.
Um gerador de funções gera diversas formas de onda, principalmente senoidal,
triangular e quadrada. A seguir na figura01 o ícone e o símbolo do gerador de funções
na caixa de instrumentos.
( a ) ( b ) ( c )
Figura01: ( a ) ícone na caixa de instrumentos ( b ) Símbolo na área de trabalho ( c )
Gerador de funções aberto
Como indicado na figura01c são possíveis os seguintes ajustes:
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Freqüência
São modificados o valor e a faixa.
( a ) ( b )
Figura02: ( a ) Mudando valor e faixa ( b ) Dois sinais de freqüências diferentes
(vermelho 1KHz e azul 4KHz)
Ciclo de Trabalho
Só definido para onda quadrada e triangular, podendo variar de 1% a 99%.
Para a onda quadrada é definido como sendo:
onde TH é o tempo no nível alto e T é o período da onda.
( a ) ( b ) ( c )
Figura03: ( a ) onda quadrada com CT=80% ( b ) CT=50% e (c) CT=20%
Para a onda triangular é definido como sendo:
onde T+ é o tempo que a onda fica com inclinação positiva e T é o período.
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Ajustar Tempos de Subida/Descida ( Set Rise-Fall Time )
O tempo de subida é definido somente para onda quadrada o seu valor default depende da freqüência da onda quadrada. Por exemplo se a freqüência da onda quadrada é 1KHz então os limites são 1ps e 0,5ms e o valor default é 100ps. A seguir na figura07 uma onda quadrada de freqüência 1KHz e tempos de subida e descida de 0,1ms.
( a ) ( b )
Figura07: ( a ) Janela de ajuste do tempo de subida (Rise time)e tempo de e descida (fall time) ( b ) Onda quadrada de f=1KHz com tempo de subida/descida igual a 0,1ms
A Saída de Sinal
Atenção!! A amplitude especificada em Amplitude, é para o sinal obtido entre os terminais + e common ou entre “–” e common. Para o sinal obtido entre “+” e “–“ a amplitude será o dobro da especificada na caixa Amplitude.
Exemplo1 : Ajustemos portanto o GF em 10V de pico e 1KHz (para mudar aponte o cursor para a caixa onde está indicado Hz ela se transforma em uma mão, clique mudando para KHz) e o liguemos a um resistor de 1K em série com um capacitor de 0,1uF, figura08a. Insira um amperímetro e três voltímetros como na figura08b. Não se esqueça de configura-los para medir em CA.
( a )
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( b )
Figura08: ( a ) Circuito RC série em CA ( b ) Circuito RC série em CA com
instrumentos
Obs: Os instrumentos já indicam os valores da resistência interna.
Compare os valores obtidos com a simulação com os valores calculados (ver livro
Circuitos em Corrente Alternada Rômulo Oliveira Albuquerque - Editora Érica).
A Fonte de Tensão Alternada Senoidal
A outra alternativa de gerador é usar a Fonte de Tensão Alternada Senoidal ( AC Power ) que se encontra na caixa de componentes Fonte ( Source ). A figura09a mostra o seu símbolo. Dando duplo clique no seu símbolo será aberta a caixa de configuração da figura09b. Nessa figura os principais ajustes são:
Voltage ( RMS ): valor eficaz da tensão.
Voltage Offset : valor da tensão CC adicionada à tensão alternada.
Frequencia (F): frequencia da onda senoidal
Fase inicial ( phase ): ângulo de fase inicial da tensão em graus.
( a ) ( b )
Figura09: (a) Símbolo da Fonte de Tensão Alternada (b) Caixa de configuração
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O Osciloscópio
É o instrumento usado para medir e visualizar formas de onda de tensão. Permitindo ver até duas formas de onda ao mesmo tempo. Existem diversos tipos de osciloscópios no MultiSIM 7. Daremos ênfase ao osciloscópio de dois canais.
A figura11 mostra os símbolos usados na barra de instrumentos e na área de trabalho.
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
Figura11: ( a ) símbolo dos osciloscópios na barra de instrumentos ( b ) osciloscópio de dois canais ( c ) osciloscópio de quatro canais ( d ) osciloscópio Agilent
Dando duplo clique no símbolo abrimos os osciloscópios. A seguir na figura12 o
osciloscópio de dois canais aberto.
Figura12: Osciloscópio de dois canais aberto
Atenção !! A cor da forma de onda apresentada no osciloscópio depende da cor do fio conectado à entrada do mesmo. Use sempre que possível esse recurso.
A seguir a descrição dos ajustes.
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Base de Tempo ( Timebase )
Os ajustes na base de tempo permitem controlar a escala do osciloscópio na horizontal (tempo) quando Y/T (tensão em função do tempo) é escolhido.
Figura13: A base de tempo (time base)
Escala (Scale): Aqui você escolhe a escala do eixo de tempo (horizontal) em segundos. Na figura13 está selecionado 10ms/Div. (cada divisão na horizontal representa 10ms).
Figura14: Escala horizontal com 10ms/Div
X Position : Provoca deslocamento no eixo horizontal da forma de onda.
Y/T : Quando for feita essa seleção, na tela será mostrada a forma de onda com tensão em função do tempo. É o caso mais comum.
A/B : Quando for feita essa seleção, a tela mostrará a composição das formas de onda em A e em B sendo A no eixo vertical e B no eixo horizontal.
B/A : Quando for feita essa seleção, a tela mostrará a composição das formas de onda em B e em A sendo B no eixo vertical e A no eixo horizontal.
As duas últimas opções são usadas quando desejamos ver figuras de Lissajour.
Como exemplo seja uma forma de onda quadrada com freqüência 200Hz (período 5ms)
Figura15: ( a ) Forma de onda quadrada de 200Hz ( b ) Ajustes da base de tempo
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sinal, como por exemplo o ripple de uma tensão retificada ou a parte alternada de uma tensão no coletor de um amplificador classe A.
DC: Quando esta opção for selecionada o sinal será mostrado por completo (nível DC mais componente alternada). É o caso mais comum.
0 (zero) ou GND : Em alguns osciloscópios essa chave vem com o nome de GND. Nessa opção a entrada é aterrada.É usada quando desejamos estabelecer a referencia zero.
Y Position : Provoca o deslocamento no eixo vertical da forma de onda.
Ajustando Adequadamente Volts/Div e Time/Div
Para obter uma boa visualização da forma de onda é importante fazer ajustes adequados. A seguir mostramos isso. Seja um sinal senoidal de freqüência 1KHz e amplitude 10V de pico. Na seqüência mostraremos diferentes ajustes para essa forma de onda.
( a ) ( b )
Figura18: ( a ) Forma de onda senoidal 10Vpico/1KHz ( b ) Volts/Div=5V
Se V/Div é aumentado a forma de onda na tela diminui, diminuindo a precisão da medida.
( a ) ( b )
Figura19: ( a ) Forma de onda senoidal 10Vpico/1KHz ( b ) Volts/Div=20V
Caso Volts/Div seja muito pequeno a forma de onda não aparecerá totalmente na tela impossibilitando a medida.
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( a ) ( b )
Figura20: ( a ) Forma de onda senoidal 10Vpico/1KHz ( b ) Volts/Div=2V
A seguir diferentes ajustes da base de tempo para a mesma forma de onda.
( a ) ( b )
Figura21: ( a ) Forma de onda senoidal 10Vpico/1KHz ( b ) TimeBase (Time/Div)=50us/Div
Diminuindo a base de tempo um menor número de ciclos será mostrado na tela, eventualmente impedindo de ver a forma de onda.
Diminuindo a base de tempo um menor número de ciclos será mostrado na tela, eventualmente impedindo de ver a forma de onda.
( a ) ( b )
Figura22: ( a ) Forma de onda senoidal 10Vpico/1KHz ( b ) TimeBase (Time/Div)=50us/Div
O Gatilho do Osciloscópio ( Trigger )
O nível do gatilho ( trigger ) determina as condições de inicio da forma de onda na tela. A figura a seguir mostra onde deve ser feito o ajuste.
O nível de gatilho é o valor da tensão no eixo Y que deve ser cruzado pela forma de
onda antes de ser mostrado na tela.
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Os Cursores
São dois cursores, o curso 1 (vermelho) e o cursor 2 (Azul) e são usados para medir com precisão tensão, diferença de tensão entre os dois cursores, tempo e diferença de tempo entre os dois cursores. A figura 24 mostra a tela com duas formas de onda e os dois cursores.
Figura24: Medindo tensão e tempo com os cursores ( a ) tela com duas formas de onda ( b ) indicações dos cursores
Com relação à figura24b temos:
T1: Medida de tempo com o cursor 1. Observar que o valor é em relação à origem. No exemplo temos T1=714,286μs
T2: Medida de tempo com o cursor 2. Observar que o valor é em relação à origem. No exemplo temos T2=1,811ms
T2 – T1: Diferença de tempo entre cursor 2 e cursor 1.
No exemplo temos T2-T1=1,097ms.
Canal A ( Channel A ):
A medida de tensão feita pelo cursor 1, no canal A: No exemplo temos 11,055V
A medida de tensão feita pelo cursor 2, no canal A. No exemplo temos -7,904V
Diferença entre as medidas de tensões efetuadas pelos cursores no canal A. No exemplo –18,959V
Canal B ( Channel B ):
A medida de tensão feita pelo cursor , no canal B 1: No exemplo temos –10,000V
A medida de tensão feita pelo cursor 2, no canal B: No exemplo temos -10,000V
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Diferença entre as medidas de tensões efetuadas pelos cursores no canal B. No exemplo 0,000V
Reverso ( Reverse ) e Salvar ( Save )
Clicando em Reverso ( Reverse ) o fundo mudar de cor. Experimente.
Clicando em Salvar ( Save ) as formas de onda da tela serão salvas como um arquivo ASCII.
Uma alternativa de ajuste para o osciloscópio é especificar o tempo de simulação. Indo em Simular ( Simulate ) >>> Ajuste Padrão dos Instrumentos ( Default Instrument Setting ) se abrirá a janela da figura25, nesta existem vários ajustes que podem ser feitos:
Figura25: Janela de ajustes dos instrumentos
Condições Iniciais ( Initial Conditions ): Existem quatro opções para especificar as condições iniciais. Deixar que as condições iniciais sejam automaticamente determinadas pela simulação, impor condição inicial igual a zero, definida pelo usuário e calcular o ponto de operação DC.
Em Analise dos Instrumentos ( Instrument Analysis ) temos:
Tempo Inicial ( Inicial time ): o mais comum é especificar zero.
Tempo Final ( End time ): o valor default é muito grande em termos de forma de onda significa que a mesma ficará se deslocando quando a forma de onda for mostrada na tela em Auto. Para parar você pode especificar um tempo final ou usar sing como já explicado anteriormente.
Passo de tempo máximo ( Maximum time step ): é aqui que você especifica a precisão do gráfico. Um valor muito pequeno dá uma maior precisão, mas demora mais aumenta o tempo de simulação. Um valor grande a sua forma de onda não sairá perfeita. Experimente mudar esse valor para ver o que acontece.
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Figura27: Osciloscópio de quatro canais aberto – canal A selecionado
O Osciloscópio Agilent
É um osciloscópio digital de 100MHz, 2 canais para sinais analógicos e 16 canais para sinais digitais, não está disponível em todas as versões.
Figura28: Osciloscópio Agilent
Tem dois canais analógicos, e mais 16 canais digitais e quando aberto (duplo clique) apresenta a mesma interface do osciloscópio real, figura29.
Figura29: Osciloscópio Agilent aberto e desligado
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Para ver as formas de onda clicar em Ligar/Desligar ( Power )
Iniciada a simulação e ligada a chave de Ligar/Desligar basta efetuar os ajustes para que as formas de onda sejam visualizadas. A seguir na figura30 as duas formas de onda.
Figura30: Formas de onda com a indicação de medidas relativas à fonte1 (source1)
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Lin : Clicando nesse botão a escala vertical será especificada de forma linear em graus.
Limites : São os limites inicial (I) e final (F) para o ganho ou fase conforme seleção.
Horizontal ( com Magnitude ou Phase selecionados )
Log : Clicando nesse botão a escala horizontal (freqüência) logarítmica (é a forma mais usual).
Lin : Clicando nesse botão a escala horizontal será especificada de forma linear não use essa alternativa).
Limites: São os limites inicial (I) e final (F) para a freqüência para Magnitude ou Phase selecionados.
Indicação do Cursor: A indicação do valor do ganho e a correspondente freqüência é feita no quadro ao lado das setas horizontais.
Na figura32 as indicações são: -3,068dB e 161,268Hz.
Exemplo2: Para exemplificar o uso desse instrumentos consideremos o filtro passa baixas da figura33.
Obs: Para que esse instrumento funcione é necessário que na entrada esteja conectado um GF ou a fonte de tensão alternada.
Figura33: Filtro Passa Baixas de exemplo
Você pode usar o Bode Plotter para determinar, por exemplo, a freqüência de corte de um filtro ou amplificador. A freqüência de corte é a freqüência na qual o ganho será 3dB abaixo do ganho no patamar (no caso 0dB). Desta forma, no exemplo, é a freqüência para a qual o ganho será -3dB. Tente então ajustar os limites (de ganho e freqüência) para obter uma indicação a mais precisa possível. A figura a seguir mostra a curva do ganho e da fase.
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( a ) ( b )
Figura34: Filtro Passa Baixas (a) Curva do ganho (b) curva da fase
Como exercício determine a freqüência de corte dos circuitos a seguir, usando o Bode
Plotter.
