Revista Internacional deEducacin en IngenieraISSN 1940-1116AcademiaJournals.comVolumen 4, 2011Anlisis Comparativo deSimuladores de Circuitos ElctricosRaymundo Escalante Wong Ing.1, M.C. Francisco Javier Gmez Gonzlez2, Ing. Mnica Rodrguez Landa3ResumenEl presente artculo tiene como finalidad el mostrar las caractersticas de algunos simuladores utilizados en el anlisis de circuitos elctricos, tema fundamental dentro de los planes de estudio de licenciaturas en Ingeniera Elctrica, Electrnica, Mecnica y Mecatrnica, entre otras. Para ello, se presentan los anlisis de algunos circuitos realizados en algunos simuladores como PSpice, Electronics Workbench (EWB), Crocodile Clips, Solve Elec, PROTEUS y MATLAB y posteriormente, se hace una comparacin entre ellos. Esto permitir al lector conocer el potencial de cada uno y as formarse un criterio para tomar la decisin de cul de ellos es el ms conveniente para una aplicacin especfica.Palabras clavescircuito elctrico, simulador, anlisis, diseo.IntroduccinEl anlisis y diseo de circuitos elctricos juega un papel muy importante en la formacin de todo ingeniero elctrico, desde su preparacin como estudiante hasta el ejercicio de su carrera en actividades de docencia, investigacin y de aplicacin industrial. Debido a su relevancia, las instituciones de educacin superior incluyen este tema en los programas de estudio de circuitos elctricos, tanto para estudiantes de ingeniera elctrica como de otras especialidades como electrnica, mecnica y mecatrnica, entre otras.Los ingenieros que se dedican al diseo de circuitos integrados (CIs), tiles en una amplia gama de aplicaciones residenciales, comerciales y industriales, ven obligatoria, dentro del procedimiento de diseo, la simulacin de sus circuitos como paso previo a la construccin de los prototipos correspondientes, con la intencin de reducir los costos de produccin y ahorrar tiempo en su comercializacin. Adicionalmente, los circuitos reunirn caractersticas importantes de funcionalidad y confiabilidad. sta es la importancia de la simulacin.Para llevar a cabo la simulacin, existen una gran variedad de simuladores de circuitos, tanto analgicos como digitales. Algunos de ellos, los ms sencillos y de menor alcance, se encuentran disponibles de manera gratuita y existen otros, mucho ms avanzados y poderosos, que requieren de la adquisicin de una licencia.De forma genrica los simuladores de circuitos pueden clasificarse en dos grandes grupos, uno en aquellos orientados a la resolucin de ecuaciones, como el MATLAB y un segundo grupo, orientado al manejo de diagramas esquemticos, como el PSpice.Raymundo Escalante Wong Ing. es Profesor del Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica del Instituto Tecnolgico de Veracruz, Mxico rayescalante9@yahoo.es (autor corresponsal) El M.C. Francisco Javier Gmez Gonzlez es Profesor del Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica del Instituto Tecnolgico de Veracruz, Mxico fjggonzalez@hotmail.com 3La Ing. Mnica Rodrguez Landa es Profesora del Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica del Instituto Tecnolgico de Veracruz, Mxico monirlanda@hotmail.com31 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aMetodologaPartiendo del hecho de que en el mercado existe una amplia gama de simuladores de circuitos, los autores nos dimos a la tarea de analizar algunos de ellos, con la intencin de detectar sus debilidades y fortalezas para compararlos y de esta manera, proporcionar a los usuarios de tales simuladores, un indicador que les permita elegir el ms conveniente para sus necesidades especficas.1.- PSpiceSPICE significa Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (Programa de Simulacin con nfasis en Circuitos Integrados). Se desarroll en la Universidad de California, en Berkeley. SPICE es capaz de manejar no linealidades y ofrece un control automtico de paso de tiempo de la integracin. Existen varias versiones comerciales de SPICE que trabajan en computadoras personales y varios sistemas operativos populares. Una versin comercial de SPICE es PSpice. [3]La versin de evaluacin de Cadence, la cual incluye, adems de otros, los cuatro paquetes siguientes [2]:Capture CIS. Permite formar el circuito esquemtico que se desea analizar, as como especificar el anlisis que se desea realizar. PSpice AD Demo. Con este paquete se realiza el anlisis del circuito, y para esto acepta el circuito esquemtico de Capture o un archivo que describe el circuito (NETLIST). PSpice Advanced Analysis Demo. Este paquete sirve para realizar cuatro anlisis tiles en el diseo de un circuito: sensibilidad, optimizacin, smoke para checar el sobrecalentamiento de algn componente y Montecarlo. Model Editor. Este permite modificar los modelos de algunos de los elementos de Pspice. Para ilustrar la aplicacin de Pspice, se simul el circuito mostrado en la figura 1. Como se observa, ste contiene una batera (V1), una fuente de voltaje controlada por corriente (HPOLY) y dos elementos resistivos (R1 y R2).Figura 1. Circuito simulado en PSpice.Pspice permite, entre otras cosas, visualizar los voltajes de nodo y las corrientes de rama del circuito, como se muestra en las figuras 2 y 3. Ntese que el voltaje del nodo de referencia es de 0 V.En general, con PSpice se pueden llevar a cabo anlisis de CD, en el dominio del tiempo, en el dominio de la frecuencia, de modelos de dispositivos semiconductores, de circuitos digitales y lneas de transmisin, lo que habla bien de su versatilidad.32 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aFigura 2. Visualizacin de los voltajes de nodo.Figura 3. Visualizacin de las corrientes de rama2.- MATLABMATLAB, en su contenido bsico, es un entorno integrado de trabajo que permite el anlisis y la computacin matemticos interactivos de forma sencilla con ms de 500 funciones matemticas, estadsticas y tcnicas implementadas, as como la visualizacin a travs de todo tipo de grficos de ingeniera y cientficos [4].Por otra parte, MATLAB presenta un lenguaje de programacin de muy alto nivel basado en vectores, arrays y matrices. Esto es muy til en los tradicionales anlisis por nodos y mallas, contenidos en los cursos de circuitos, en donde normalmente se requiere de resolver un sistema de ecuaciones simultneas mediante procedimientos matemticos.Para mostrar las bondades de MATLAB, consideremos el circuito de la figura 4, en el cual se desea encontrar la magnitud de los voltajes de nodo correspondientes. En este caso se tienen cuatro nodos (0, 1, 2, 3 y 4), por lo que se tendran como incgnitas tres voltajes de nodo (1, 2 y 3).Aplicando el procedimiento de anlisis de nodos, se encuentra que el circuito est representado por el sistema de ecuaciones siguiente:3v1 2v2 v3 = 12 -4v1 + 7v2 v3 = 0 2v1 3v2 + v3 = 0Se pueden aplicar tres mtodos para resolver este sistema: por la tcnica de eliminacin, utilizando la Regla de Cramer o aplicando MATLAB [1].33 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aFigura 4. Circuito para el anlisis con MATLAB.Como se mencion, MATLAB se basa en matrices, por lo que resulta ideal para la resolucin de sistemas de ecuaciones como el de este ejemplo. Primeramente se redefine el sistema de ecuaciones en forma matricial, como se muestra:Ahora se introducen las matrices A (matriz 3x3) y B (matriz columna) en MATLAB y se escribe la ecuacin para calcular la matriz V (matriz columna), que es la que contendr los resultados buscados, como se muestra:34 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aDe los resultados se deduce que los voltajes de nodo son 4.8, 2.4 y -2.4 V para los nodos 1, 2 y 3, respectivamente. Como se observa, la obtencin de los resultados es casi inmediata, pues no requiere de demasiadas lneas de cdigo.3.- Crocodile clipsCrocodile Clip es una empresa que crea y vende software de apoyo como recurso didctico en el aula para el profesorado. Los programas Crocodile se utilizan por todo el mundo y tanto profesores como gobiernos los recomiendan, gracias a su propuesta atractiva e innovadora. [5].Crocodile Clips distribuye tres diferentes clases de software:Crocodile Physics, un simulador para experimentos de electricidad, movimiento, fuerza, ptica y ondas. Crocodile Chemistry, un laboratorio de qumica virtual con ms de 100 componentes qumicos. Crocodile Technology, un potente simulador de sistemas de control y circuitos tanto elctricos, como electrnicos y mecnicos. Crocodile tiene una versin gratuita que puede conseguirse en internet y con la cual se simul el circuito mostrado en la figura 5. Como se observa, aparecen dos fuentes de voltaje y dos fuentes de corriente, todas independientes, as como dos elementos resistivos. Se desea encontrar la potencia que disipa cada resistencia.Para este caso, Crocodile Clip puede proporcionar la potencia absorbida por cada una de las resistencias simplemente colocando el cursor en la ubicacin de las mismas. Como se observa en la figura 6a y 6b, se despliegan no slo las potencias absorbidas, sino tambin las corrientes que circulan por cada resistencia.Figura 5. Circuito para simulacin en Crocodile.Si el lector observa cuidadosamente, en la simulacin de la figura 6a y 6b los valores de las resistencias son de 16 k, a diferencia de los 16 mostrados en la figura 5. Esto fue as porque con 16 la potencia absorbida excede los 2 W que manejan los modelos de resistencias en Crocodile.(a)35 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r a(b)Figura 6. Desplegando magnitudes de potencia y corriente en las resistencias del circuito.La figura 7 muestra lo que ocurre cuando se usan resistencias de 16 . En este caso debido al exceso en la potencia absorbida, las resistencias se queman virtualmente. Esto es muy ilustrativo para aquellos estudiantes principiantes que no se explican el por qu una resistencia se quema.Si se desea conocer la magnitud de la potencia absorbida por la resistencia destruida, se debe intentar borrar el componente y de inmediato aparecer una ventana como la mostrada en la figura 8. Como se nota, aparecen indicadores de la potencia disipada y de la potencia lmite. Si el componente va a ser reemplazado debe asegurarse la modificacin de su magnitud, para asegurar que no se quemar esta vez.Figura 7.- Destruccin de una resistencia que excede los lmites de potencia absorbida.Figura 8.- Ventana indicadora de componente destruido.Crocodile Clip tiene la opcin, entre otras, de poder seleccionar el trabajo con componentes indestructibles, lo que permite visualizar cualquier potencia disipada, sin ocasionar la destruccin del componente.36 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r a4.- Solve ElecSolve Elec es un programa para la simulacin de circuitos elctricos y electrnicos, con el cual el usuario puede [8]:Dibujar y analizar circuitos elctricos funcionando en corriente directa o alterna. Obtener frmulas y valores para magnitudes de voltajes y corrientes definidas en el circuito. Verificar ecuaciones relacionadas con el circuito. Dibujar grficas. Obtener el circuito equivalente del circuito desplegado. Editar, guardar e imprimir reportes hechos de distintos elementos desplegados en la ventana principal. Realizar anlisis de filtros y de funciones de transferencia. Obtener grficas de respuesta en frecuencia. Para su aplicacin, se seleccion el circuito visto en la simulacin con Crocodile Clip. En la figura 9 se puede observar el circuito analizado con Solve Elec. En este caso, se utilizaron dos ampermetros y un voltmetro para medir las variables deseadas.El valor de cada uno de los componentes del circuito se despliega en una ventana de propiedades, como la que se muestra en la figura 10, dentro del ambiente de simulacin del programa mismo. Como se observa en esta figura, tambin aparecen las variables a encontrar, las cuales sern calculadas por el simulador.La solucin se muestra en el simulador en forma de ecuaciones, como se aprecia en la figura 11. Se puede notar que la magnitud de las corrientes (I3 e I4) coincide con aquella encontrada con Crocodile Clip.Figura 9.- Simulacin en Solve Elec.Figura 10.- Despliegue de valores de componentes.37 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aFigura 11.- Despliegue de soluciones para el circuito simulado.5.- ProteusProteus PCB Design combina los programas ISIS schematic capture y ARES PCB layout para proporcionar una simple, integrada y poderosa herramienta para el diseo profesional de PCBs (tarjetas de circuito impreso) [7].Los productos Proteus van desde los ms simples, como lo es el kit de principiante, hasta la versin platino que provee de una solucin de diseo muy completa para el ingeniero moderno e incluye captura de esquemticos, simulacin de microcontroladores, en modo SPICE mixto y diseo profesional de PCBs.Como cualquier otro simulador, ISIS permite visualizar mediante instrumentos virtuales, los voltajes en las terminales y las corrientes de cualquier rama del circuito.Para la simulacin con ISIS, se utiliz el circuito analizado con Crocodile, para fines de comparacin. El resultado se muestra en la figura12. Como puede observarse, las mediciones sealadas por el ampermetro virtual son exactamente iguales a las obtenidas en Crocodile.Figura 12.- Simulacin en el programa ISIS, contenido en PROTEUS.Por otra parte, si se da un click en cualquiera de los elementos del circuito mientras el programa se encuentra en modo de pausa, se despliega una ventana de dilogo donde se muestran los voltajes en cada una de las terminales, su diferencia de voltaje, la corriente que lo atraviesa y la potencia que disipa. Esto se puede apreciar en la figura 13.38 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aFigura 13.- Despliegue de datos de inters para los componentes usando ISIS.6.- Electronics WorkbenchElectronics Workbench (EWB) es una herramienta muy popular para el diseo y simulacin de circuitos elctricos y electrnicos desarrollada por Interactive Image Technologies LTD y adquirida despus por National Instruments [6]. Cuenta con un completo laboratorio virtual que contiene los instrumentos ms comunes utilizados en laboratorios de diseo y lgico. Su interfaz grfica permite interactuar con el usuario de una manera muy sencilla e intuitiva, permitiendo trabajar rpida y cmodamente.Se aplic el simulador al circuito analizado con Crocodile Clip y se utilizaron un par de ampermetros y un voltmetro virtuales para su estudio, obteniendo el resultado mostrado en la figura 14. Se observa que el resultado coincide con el obtenido previamente con Crocodile Clip, aunque con EWB no se pueden desplegar las potencias absorbidas por las resistencias.Figura 14.- Simulacin en EWB.Comparacin de simuladoresAlgunos profesores y alumnos de circuitos elctricos tal vez se pregunten sobre cul simulador utilizar para el anlisis de los circuitos vistos en clase. Como a simple vista todos parecen ser de utilidad, los autores nos permitimos elaborar la tabla 1, donde se enlistan los simuladores presentados en este artculo, as como algunas caractersticas que se consideraron pudieran servir para elegir el adecuado para sus necesidades e intereses.Las caractersticas contempladas en este artculo fueron: el tipo de licencia, su orientacin, la disponibilidad de instrumentos virtuales, el soporte para otra clase de sistemas distintos a los elctricos o39 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r aelectrnicos y si tiene la ventaja de poder elaborar diagramas de pistas para la construccin de tarjetas de circuito impreso (PCBs).Tabla 1.- Esquema comparativo de simuladores.ProgramaLicenciaOrientacinInstrumentosSoporte para otrosElaboracin devirtualessistemasPCBsPspiceSlo la versinUso deGenerador deSistemas digitales yNoprofesionalesquemticos oseal yanalgicosde NetlistosciloscopioMATLABSiResolucin deNoMulti aplicacinNoecuacionesCrocodile ClipsSlo la versinUso deAmpermetro ySistemas digitales,Noprofesionalesquemticosvoltmetroanalgicos ymecnicosSolve ElecGratuitaUso deAmpermetro ySistemas digitales yNoesquemticosvoltmetroanalgicosPROTEUSSiUso deGenerador deSistemas digitales,Sesquemticosfunciones,analgicos yosciloscopio yelectromecnicosanalizador lgicoEWB (Multisim)SiUso deMultmetro,Sistemas digitales ySesquemticosgenerador desistemas de controlfunciones,osciloscopio,trazador de Bode,generador depalabras,analizador lgicoy convertidorlgicoConclusionesLa aplicacin de simuladores es fundamental en la enseanza, anlisis y diseo de circuitos elctricos en cualquier institucin de educacin superior. Para ello, profesores y alumnos cuentan con una gran variedad de simuladores, unos orientados a la resolucin de ecuaciones, como MATLAB y otros como PSpice, que se basan en el manejo de esquemticos. stos ltimos parecen tener mayor aceptacin, pues son mucho ms fciles de aprender e interpretar.La mayora de ellos estn disponibles para una amplia variedad de sistemas operativos, como son Windows 98/Me/2000/XP/2003/Vista, MAC y Linux.Los autores recomendamos a los estudiantes que inician con el manejo de simuladores, comenzar con los aquellos de ms fcil manejo (EWB, Crocodile Clips, Solve Elec), por ser ms intuitivos. Aquellos ms especializados como PSpice, PROTEUS y los orientados a la resolucin de ecuaciones, requieren definitivamente de una mayor cantidad de prctica, por lo que deben ser estudiados con cuidado, de preferencia apoyados por tutoriales.Es importante destacar que a pesar de la importancia de un simulador en el anlisis de circuitos, ste nunca deber sustituir el anlisis terico-matemtico hecho en papel, slo debe ser contemplado como una herramienta auxiliar de comprobacin.Referencias[1] Alexander Charles K., Sadiku Matthew N.O. Fundamentos de circuitos elctricos, 3 Edicin, Mc Graw Hill, Espaa, 2006.Bez L. David. "Anlisis de circuitos con PSpice", 4. Edicin. Alfaomega, Mxico, 2009. Mohan, N., T. M. Undeland y W. P. Robbins. "ELECTRONICA DE POTENCIA. Convertidores, aplicaciones y diseo", 3. Edicin. Mc Graw Hill, Mxico, 2009. Prez L. Csar. "Matlab y sus Aplicaciones en las Ciencias y la Ingeniera", PEARSON Prentice Hall, Espaa, 2003. 40 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r a http://www.crocodile-clips.com/ http://www.electronicsworkbench.com [7] http://www.labcenter.com[8] http://www.physicsbox.com/indexsolveelec2en.htmlEl Ing. Raymundo Escalante Wong es profesor del Instituto Tecnolgico de Veracruz y ha impartido cursos de diferentes materias en las carreras de Ingeniera Elctrica, Mecatronica, Bioqumica, Mecnica ,Sistemas Computacionales y Qumica. Tiene una maestra en Ciencias en Enseanzas de la Ciencias en la Especialidad de Fsica, por el CIIDET.El M.C. Francisco Javier Gmez Gonzlez es profesor del Instituto Tecnolgico de Veracruz y ha impartido cursos de diferentes materias en las carreras de Ingeniera Elctrica, Electrnica, Mecatrnica y Sistemas Computacionales. Tiene una maestra en ciencias en Ingeniera Elctrica, por el Instituto Tecnolgico de la Laguna y curs un doctorado en Ingeniera Electrnica en la Universidad de Valencia, Espaa. Ha publicado artculos y dirigido tesis y proyectos de investigacin relacionados con electrnica de potencia, sistemas digitales y de control.La Ing. Mnica Rodrguez Landa es profesora del Instituto Tecnolgico de Veracruz y ha impartido cursos de diferentes materias en las carreras de Ingeniera Elctrica, Electrnica, Mecatrnica y Sistemas Computacionales. Tiene una maestra en Ciencias en Enseanzas de la Ciencias en la Especialidad de Fsica, por el CIIDET.41 | R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e E d u c a c i n e n I n g e n i e r a