Orcad Capture GEATel 2 2, Notas de estudo de Cultura

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Introdução ao ORCAD®

Apostila de introdução à simulação e análise de circuitos elétricos utilizando o OrCAD®

Thiago José de Oliveira

Sérgio Vidal Garcia de Oliveira

Índice geral

• Anexo 1 – Principais bibliotecas
• Anexo 2 – Simulação com transformador genérico.
• Capture
• Circuitos elétricos em regime DC
• Circuitos elétricos em regime permanente AC
• Configurando os dados a serem visualizados no Probe
• Criando um projeto no Capture
• Editando as propriedades do componente
• Escolhendo as grandezas a serem simuladas
• Exercício
• Exercício
• Exercício
• Exercício
• Exercício
• Exercício
• Exercício 08.
• Exportando gráficos para editor de texto
• Inserindo componentes no esquemático
• Introdução ao OrCAD
• Referências
• Simulando circuitos
• Tabela 1 - Principais componentes e seus parâmetros
• Tabela 2 - Expressões de funções básicas do simuldor

2. Capture Para iniciar o desenho do esquema de um circuito eletrônico deve-se criar um projeto. Para criar o projeto do circuito a ser simulado, deve-se ir até o menu File , escolher a opção New e em seguida escolher Project... , como é mostrado abaixo:

Figura 1 – Novo Projeto

Deve-se atribur um nome ao projeto e selecionar Analog or Mixed A/D , além de escolher o diretório em que o arquivo será salvo. Por padrão, na primeira vez que o Capture é utilizado, a opção schematic é a opção que vem selecionada. No entanto, tal escolha implicará em não ser possível realizar a simulação pretendida, mas sim, somente poderá ser feito o desenho do diagrama esquemático do circuito. Dica: Criar uma pasta para cada projeto/exercício simulado. Também não criar caminhos muito extensos, ou seja, com muitas subpastas.

Figura 2 – Nomeando e salvando o projeto.

A última opção a ser feita, conforme figura 3, define se o projeto será baseado em um modelo já existente ou se cria um projeto em branco. Selecione o 2º radio button “ Create a blank project ” clique OK e o novo projeto será criado.

Figura 3 – Criando projeto em branco.

Tem-se agora o projeto criado e uma série de janelas será aberta para permitir o acesso rápido aos arquivos. A Figura 4 mostra a aparência da tela neste ponto.

Figura 4 – Janela principal do software.

A janela de projeto, com o título do projeto atribuido anteriormente, mostra a lista de arquivos e opções do projeto. Por exemplo, ao clicar-se na guia “+” da pasta Library serão visualizadas todas as bibliotecas que foram carregadas para o projeto em questão.

Abaixo da pasta Design Resources tem-se o ícone que representa um diagrama esquemático. Ao clicar-se neste item ele se expande e mostra a pasta SCHEMATIC1 que ao ser clicada revela o esquemático.

Um clique duplo no icone do esquemático abre o editor. A Figura 5 mostra a aparência da tela neste momento.

Ao selecionar um componente você deve verificar os ícones que aparecem abaixo da representação

do mesmo. O componente somente é passível de simulação quando o ícone estiver disponível, isto significa que o componente tem o modelo de simulação. Caso este não aparecer, o compoente pode ser usado somente para a representação gráfica de um componente.

Pode-se também adicionar uma biblioteca às que estão sendo mostradas nesta caixa de diálogo clicando em Add Library , ou ainda procurar um determinado componente em todas as bibliotecas existentes no programa, ou dar o caminho da biblioteca desejada, clicando Part Search , como na figura. 7. De posse do componente desejado, basta clicar em OK para ter o componente selecionado na área de trabalho. Um clique como o botão esquerdo do mouse insere o componente no esquemático.

Figura 7 – inserindo componentes de outras bibliotecas.

Para colocar o mesmo componente em outro local, posiciona-se o cursor na nova posição e novamente clica-se com o botão esquerdo. Repete-se este procedimento o número de vezes que o componente deve aparecer no diagrama. Pressiona-se ESC para encerrar a inserção de componentes, ou um clique com o botão direito e seleciona-se End Mode. Depois de colocado o componente, basta clicá-lo com o botão direito do mouse para ter acesso a uma série de opções referentes a este componente, como mostrado na figura. 8.

Figura 8 – opções do componente.

A seguir, tem-se uma breve descrição de algumas das operações listadas na figura 8:

• “Espelhar” o componente horizontalmente ou verticalmente;
• Rotacionar o componente (também pode ser usada a tecla R para este fim);
• Go to ..., para posicionar o componente na tela do computador segundo um eixo de coordenadas;
• Comandos diversos como: Zoom in , Zoom out , Delete , etc;

Além dos comandos anteriores, tem-se o edit properties , no qual se podem editar as propriedades do componente, como mostrado na Figura 9 (esta caixa de diálogo também aparece com um clique duplo no componente em questão).

Figura 9 – editando o componente.

Obs.: O “label” e o valor da resistência do resistor também podem ser alterados com um duplo clique na “letra R” do componente e no seu valor padrão (1k), respectivamente, o que abre uma caixa de diálogo como da Figura 10, onde alteramos o valor do resistor no campo Value.

Figura 10 – alterando parâmetros dos componentes.

O próximo passo é inserir o nó de referência do circuito. Ao clicar no ícone do menu à extrema direita aparecerá a janela Place Ground. Nesta janela seleciona-se a biblioteca SOURCE. Seleciona-se a opção 0 (zero) como mostrado na Figura 11.

Tabela 1 – Principais Componentes e seus parâmetros.

3. Simulando circuitos a. Circuitos elétricos em regime DC

Exercício 01.

Neste exemplo será mostrado como ler as tensões em cada resistor, a corrente e a potência total do circuito. Existem duas maneiras de medir a tensão sobre os resistores. Para medir a tensão sobre R2,

utiliza-se a ponteira Voltage Level , presente no menu principal superior.

Já para medir a tensão sobre R1, utiliza-se a ponteira Voltage Differential. A ponteira Voltage Level fornece uma tensão medida em relação à referência, enquanto a Voltage Differential fornece a tensão entre os terminais onde está posicionada.

Para medir a corrente utiliza-se a ponteira current into pin , que pode ser posicionada apenas nos terminais dos elementos do circuito.

Figura 12 – Divisor Resistivo

Simulando o circuito

O capture permite que o esquematico do circuito projetado e desenhado seja simulado e com isso obten-se diversas informações sobre o comportamento do mesmo. A simulação do circuito fornece uma visualização flexível da forma de onda e dos resultados com resolução gráfica ajustável.

Com o simulador pode-se plotar as curvas selecionadas pelos markers bem como criar outras a partir delas, não só mostrando correntes e tensões, mas também incluindo expressões matemáticas com as variáveis de tensões e correntes assim como as Transformadas de Fourier destas expressões.

Para simular um circuito, é necessário que todos os seus componentes possuam um modelo de simulação, ou template.

Outro fator importante a ser considerado é com relação à referência do circuito. O circuito somente poderá ser simulado se a referência assumir o “0” ( zero source ). Pode-se fazer isso renomeando as referências para “0”.

Criar uma simulação depende além dos procedimentos do esquemático, da criação de um perfil de

simulação. Para criá-lo deve-se clicar no ícone , ou no menu Pspice em “ new simulation profile ”, e atribuir um nome ao arquivo de simulação na caixa de diálogo conforme figura 13.

Skip the initial transient bias point calculation (SKIPBP) : Quando habilitado, faz com que seja calculado o regime transitório do circuito. Caso contrário, é calculado somente o regime permanente.

Configurando os dados a serem visualizados no Probe

O aplicativo Probe é a interface de visualização dos resultados da simulação, está vinculado ao PSPice A/D que é instalado juntamente com o Capture durante o processo de instalação do OrCAD.

Ainda na caixa de diálogo simultaions settings , deve-se acessar a opção Probe Window para configurar o modo de operação do Probe. As opções mostradas na Figura 15, consistem na escolha mais consciente e prática para visualização dos resultados, pois:

Display Probe window when profile is opened  Possibilita que o Probe seja inicializado quando o

perfil de simulação for executado (acionar o ícone ). Display Probe window – during simulation  Faz com que o probe demonstre uma curva a medida que a simulação evolui, caso contrário, os resultados só poderão ser visualizados quando a simulação terminar. Show – All markers on open schematics  Faz com que todas as curvas simuladas sejam mostradas na tela do probe após a fianlização da simulação. Esta opção se mostra não ser prática, principalmente para circuitos grandes, com várias grandezas (curvas) que desejem ser visualizadas. Show – Nothing  Faz com que a tela do probe seja iniciada sem nenhuma curva sempre que a simulação for realizada. Show – Last Plote  é a opção mais consciente a ser utilizada, pois por meio dela, a cada simulação ou re-simulação de um mesmo circuito, o Probe mostrará a última tela, com as últimas curvas nela contidas antes da simulação em questão. Está opção é muito adequada quando se tem interesse por visualizar os efeitos de alteração de valores dos componentes em uma curva específica, pois sempre retornará a mesma curva inicial, sendo desnecessária que seja feita a escolha novamente da curva.

Figura 15- Tela de configuração do Probe

Escolhendo as grandezas a serem simuladas

Na opção Data Collection da caixa de diálogo Simulation Settings podem ser selecionadas as opções para as grandezas elétricas: Potências, correntes e tensões do circuito em simulação. A opção default é a mostrada na Erro! Fonte de referência não encontrada. , por meio da qual o programa gerará a simulação de todas as curvas existentes no circuito incluindo os subcircuitos. Obviamente esta opção gerá um arquivo de dados (.dat) bem maior e fará com que a simulação demore mais tempo para ser finalizada.

Figura 16 – Escolha das curvas a serem simuladas e visualizadas – opção default

Já opção mostrada na Erro! Fonte de referência não encontrada. , possibilita que sejam geradas somente as curvas de interesse, o que diminui o tamanho do arquivo de dados, reduzindo o tempo de simulação e o número de curvas simuladas.

Feita está opção ( At markers only ), implica que o usuário, necessariamente, deva inserir as

ponteiras de marcação , nos pontos do circuito referente às grandezas desejadas. Caso isto não seja feito, o programa não realizará a simulação das curvas que não foram marcadas com as ponteiras. Esta característica se constitui uma desvantagem quando utilizada a opção seletiva.

Outra desvantagem desta opção é que se o usuário esquecer-se de marcar uma curva específica, ele terá que fazer tal marcação e depois fazer uma nova simulação do circuito.

Por esta razão recomenda-se a opção seletiva quando o usuário tenha idéia de quais são as curvas necessárias a serem monitoradas e principalmente, que ele faça a correta marcação das mesmas.

Para a visualização de uma determinada forma de onda, na janela do Pspice A/D, basta clicar no

ícone gráfico , ou em “ add trace ”, no menu Trace , localizado na barra de ferramentas. A caixa de diálogo da Figura 19 se abrirá.

Figura 19 – inserindo formas de onda e funções.

Escolhe-se então o sinal desejado e clica-se no botão OK. Pode-se escolher mais de uma grandeza ao mesmo tempo. Nesta caixa de diálogo, constam todas as variáveis cujas formas de onda podem ser traçadas. Cada variável é identificada a partir do componente e do nó ao qual ela está associada.

O programa permite também plotar expressões matemáticas de acordo com o problema simulado. Para tanto, basta selecionar a operação desejada no campo “ Functions or Macros ” e selecionar a grandeza desejada de modo que esta fique dentro dos parênteses desta expressão. Pode-se, também, simplesmente escrever a expressão desejada no campo “ Trace Expression:”. A tabela 2 resume as funções mais encontradas no simulador.

O simulador permite ainda que seja plotado mais de um gráfico na mesma tela. Para isso, deve-se selecionar a opção “ Add Plot to Window” do menu Plot. Com isso um novo par de eixos ordenados aparece acima do já existente. Para a visualização de uma forma de onda, basta escolher a grandeza desejada, conforme já descrito anteriormente.

Assim como é possível adicionar novos gráficos, é possível também excluir gráficos existentes, selecionando a opção Delete Plot no mesmo menu ( Plot ).

No menu Plot existem várias opções de manipulação de eixos ordenados de acordo com a necessidade de visualização. Para modificar estes eixos deve-se selecionar a opção Axis Settings , ou então clicar com o botão direito do mouse em qualquer um dos eixos do grid (retícula) e escolher a opção Settings. Junto com esta opção, aparece também a opção Properties , que permite editar a cor, o padrão e a largura do eixo. Podemos visualizar a janela Axis Settings na Figura 20.

Tabela 2 – Funções básicas do simulador.

Figura 20 – Ajustando a visualização dos resultados.

Nesta caixa de diálogo existe o botão Axis Variable , que permite escolher a variável que será representada no eixo X. Conseqüentemente, o eixo Y representará a função que deseja-se visualizar em

Exercício 04. Encontre o equivalente Thévenin entre os pontos a e b. A seguir, redesenhe o circuito equivalente, adicione a carga de 500 ohms e teste a equivalência entre ambos.

Exportando gráficos para editor de texto. Para exportar os resultados gráficos de uma simulação, o Pspice possui uma função que copia do display apenas os dados necessários para colar no editor de texto (ex: MS Word® ) sem ter que utilizar o print screen ou sequer editar no MSPaint. Para isso deve-se clicar no menu Window e selecionar a opção copy to clipboard... conforme figura 21.

Figura 21 – Exportando os resultados simulados.

Após selecionar esta opção surge a caixa de diálogo copy to Clipboard – Color filter como mostrada na figura 22. Conforme aparecem as configurações das opções, seleciona-se a caixa make window and plot backgrounds transparents e para foreground seleciona-se o radio button: “ change white to black”.

Figura 22 – Opções de cores do fundo e da frente dos gráficos.

Depois se clica em OK , e então pode-se colar o gráfico no editor de texto com um simples “ CTRL+V ”.

b. Circuitos elétricos em regime permanente AC Fonte de tensão de entrada com a forma de onda do tipo SIN: VSIN – forma geral: SIN ( VOFF, VAMPL, FREQ, TD, DF, PHASE ) Parâmetros Descrição Unidade Default VOFF Tensão de offset Volt Nenhum VAMPL Amplitude (valor de pico) Volt Nenhum FREQ Freqüência Hertz 1/TSTOP TD Atraso Segundos 0 DF Fator de amortecimento (^) Segundos-^1 PHASE Fase Graus 0

Comportamento da forma de onda: Período de tempo Valor 0 até TD VOFF + VAMPL.sin(2π.PHASE/360°) TD até TSTOP (^) VOFF + VAMPL.sin(2π.(FREQ(time-TD)+PHASE/360º)).e-(time-TD).DF

Exercício 06. Insira os seguintes parâmetros na fonte senoidal e observe o comportamento da tensão sobre o resistor R1 por um tempo máximo de 60ms. Obs.: Este circuito faz parte do projeto de instrumentação, servindo como divisor resistivo para entrada dos sinais dos sensores a fim de adequar o sinal aos limites de saturação do amplificador operacional. VAMPL V1 = 44V, VOFF = 0V, FREQ = 60Hz, TD = 1e-3, DF = 5e2, PHASE = 30° VAMPL V2 = 2V, VOFF = 0V, FREQ = 10kHz, TD = 1e-3, DF = 5e2, PHASE = 0°