HRA MicroSim Tutoriales

“La Utilización de Programas de Simulación en la Enseñanza de Electricidad y Electrónica en Carreras de Ingeniería” Tesis de Maestría en Do-cencia Universitaria. Autor: Ing. Héctor R. Anocibar

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EL USO DE PROGRAMAS DE SIMULACIÓN EN FÍSICA II - Parte 1A. Introducción.B. Simulación.C. Simulación y Física II.D. Planificación y Estrategia Didáctica.E. Guía rápida de utilización del MicroSim.T. Primer tutorial de simulación

A. IntroducciónEsta guía se enmarca dentro de un trabajo práctico de tesis que pretende relevar los efectos de

los programas de simulación en la enseñanza y en el aprendizaje de circuitos eléctricos y electró-nicos. Los principales objetivos que se pretenden alcanzar con este trabajo son: Permitir que lasimulación se constituya en una herramienta de enseñanza que posibilite disponer en el aula deun laboratorio virtual, poner a disposición del estudiante de una herramienta de autoaprendizajeque le permita repasar los conceptos teóricos, comprobar los resultados obtenidos en sus trabajosprácticos y a su vez asistir a los laboratorios con una preparación adecuada que le permita aho-rrar tiempo en el cableado dedicándose específicamente a realizar las mediciones con una claraactitud de control sobre sus acciones.

B. SimulaciónGracias a los grandes adelantos tecnológicos de los últimos años es posible disponer en las

computadoras personales de programas que hasta hace no muchos años solo podían correrse engrandes computadoras. Entre estos programas se encuentran los de simulación y dentro de estos,específicamente los de circuitos electrónicos. Su utilización permite disponer de un laboratoriovirtual, es decir, es posible armar circuitos y probarlos sin tener los dispositivos y los instru-mentos usuales de un laboratorio real. Si bien estos programas fueron concebidos inicialmentecon fines profesionales de diseño, se ha difundido su utilización en todas las universidades delmundo. En virtud de que los creadores de uno de los programas de simulación más utilizados(Pspice) fueron docentes y alumnos y de que estos pusieron a disposición gratuita este programa,las empresas que han explotado su comercialización distribuyen gratuitamente versiones deevaluación que son ampliamente utilizadas para la enseñanza y aprendizaje de circuitos en elmundo universitario.

C. Simulación y Física IIDentro de los contenidos de Física II, asignatura dictada en la Facultad de Ingeniería de Oberá

para las carreras de Electromecánica, Civil, Electrónica e Industrial se destacan inicialmente dostemas en los que podría ser factible la utilización de simulación en el dictado de Electricidad yMagnetismo. Por un lado el tratamiento de un circuito RC frente a situaciones transitorias (cargay descarga de un capacitor) y por otro el análisis de los fenómenos de resonancia serie y paraleloen circuitos RLC.

D. Planificación y Estrategia DidácticaEn la enseñanza se ha comprobado la eficacia de la participación activa del estudiante en la

elaboración de su propio conocimiento, en el caso específico del aprendizaje del comportamientode dispositivos electrónicos y su funcionamiento dentro de circuitos electrónicos es fundamentalla realización de los respectivos laboratorios. En determinadas circunstancias y por cuestiones de


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diversa índole resulta imposible llevar a cabo todos los trabajos de laboratorio que serían necesa-rio realizar para consolidar los conocimientos adquiridos por el alumno en las clases teóricas yprácticas. Entre otros motivos podemos mencionar la falta de infraestructura edilicia que posibi-lite el ingreso de un buen número de comisiones, la disponibilidad del personal para la adecuadaasistencia, el equipamiento necesario, etc. En estas circunstancias, disponer de un laboratoriovirtual (programas de simulación) permite aliviar esta situación de carencia sin dejar de recalcarque no es posible reemplazar el efecto didáctico de la experiencia de aprendizaje del laboratorio.

Para el caso actual de esta experiencia, se propone como estrategia didáctica la realización delos trabajos prácticos tradicionales que consisten en la resolución de problemas con circuitos RC,una sesión de familiarización con un programa de simulación y la implementación de circuitosque posteriormente se comprobarán en el laboratorio. En esta etapa es fundamental dedicar untiempo al laboratorio virtual, redunda en una confianza de parte del estudiante hacia lo que va aenfrentar en el laboratorio. El estudiante así preparado asiste a esta instancia de laboratorio conuna imagen mental del conexionado, a cada paso va prediciendo aproximadamente los resultadosde las mediciones, está en condiciones de deducir si algo se está haciendo erróneamente y si al-guna medición está proporcionando datos inválidos.

E. Guía rápida de utilización del MicroSimSe describirán los primeros pasos en la utilización de los utilitarios que más se podrían apro-

vechar en esta instancia introductoria que son el Schematics, PSpice A/D y el Probe.Con el Schematics básicamente se “dibuja” el circuito de nuestro interés. Es necesario aclarar

que la simulación, es decir los tres utilitarios antes mencionados, solo funcionan con un circuitocompletamente descrito. No es posible proporcionar una señal de salida y a partir de ella pedir alprograma que elabore un circuito, o pedirle que calcule un dispositivo del circuito. En nuestrocaso particular vamos a trabajar con circuitos RC, es necesario para ello especificar una fuente dealimentación, un resistor, un capacitor y un instrumento de medición de corriente tal como lo ha-ríamos en un laboratorio. Una primera diferencia es que podemos equivocarnos en esta etapa sinquemar ni dispositivos, ni fuente ni instrumento y esto creo que es un aspecto importante de estaherramienta. De hecho, para que todo esto tenga sentido y el estudiante no pierda tiempo, es ne-cesario que dedique primeramente tiempo a estudiar el aspecto teórico que está involucrado en elestudio de estos circuitos, esto implica recordar rudimentos de ecuaciones diferenciales con con-diciones iniciales, rudimentos de capacitores, de resistores, de fuentes de alimentación y de me-dición de corriente. Sin duda que esto sirve tanto para encarar una sesión de simulación como pa-ra asistir a un laboratorio. De nada sirve realizar, grabar e imprimir simulaciones o tomar medi-ciones en el laboratorio si no se tiene idea de lo que se está realizando.

Como conviene que en la experiencia de simulación se reproduzca lo más fielmente la expe-riencia de laboratorio, debemos inicialmente conocer de qué elementos contamos y en qué con-sistirá la experiencia. A los efectos de poder tomar mediciones de corriente en función del tiem-po con cierta comodidad, se han seleccionado valores de R y C bastante elevados, digamos re-sistores de 1 Megohm que pueden interconectarse en serie a fin de obtener valores mayores y ca-pacitores de 32 y 64 µF. La fuente de alimentación se setea en un valor cualquiera entre 5 y 20voltios y los otros dos elementos que participan son la llave conmutadora y el microamperímetro.Inicialmente imaginemos que vamos a ensayar la carga de un capacitor de 32 µF a partir de unresistor de 4 Megohms y una fuente de alimentación de 10 voltios.

En la sesión práctica de cálculo, esto nos llevaría a esquematizar inicialmente el circuito, de-sarrollar la ecuación diferencial, resolverla y hallar varios puntos a fin de graficar la corriente quecircularía por el circuito una vez cerrado el interruptor. Probablemente el primer valor que surgees la corriente I0 que circula al cerrarse la llave y que encuentra al capacitor totalmente descarga-


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do lo que nos lleva a considerar en el cálculo solamente la fuente y el resistor.

RUI =0

Otro valor que surge es el decaimiento de dicha corriente al 63% de su valor a un tiempoRC=τ .

Se puede decir que el capacitor se ha cargado totalmente en aproximadamente 5 veces laconstante de tiempo UVt C →= !τ5 pero esto difícilmente podrá ser medido en el laboratoriodebido al tiempo que esto involucraría, en cambio podremos implementarlo en la simulación. Al-rededor de estos puntos se van dando valores a la solución de la ecuación diferencial y se obtieneuna curva que es lo que el alumno debe esperar encontrar tanto en la simulación como en lapráctica de laboratorio.

T. Primer tutorial de simulaciónT1. Selección de dispositivos.T2. Ubicación de los dispositivos.T3. Modificar características de los dispositivos.T4. Conectar los dispositivos.T5. Insertar un instrumento.T6. Especificar un análisis transitorio.T7. Corriendo la simulación.T8. Visualización de las señales.T9. Realizando mediciones en el Probe.T10. Análisis paramétrico.

Como en general se aprende más rápidamente llevando a cabo una acción, comencemos a im-plementar una sesión de simulación. Para ello haga doble click (en lo sucesivosolo se escribirá 2click) en el icono del Schematics si está en la pantalla delWindows o de lo contrario deberá ir a Inicio - Programas - MicroSim Eval 8.

T1. Selección de dispositivos: Se encuentra con la primer pantalla del Schematics y con el áreade trabajo limpia. Lo primero que se realiza es ir trayendo los elementos del circuito. Para ellotiene las siguientes opciones:1. Del menú Draw, la opción Place Part.2. Atajo de teclas Ctrl+P.3. Click en el icono con una compuerta y un binocular.4. Cuadro de diálogo que se encuentra al lado del icono anterior, se trata de un espacio para re-

llenar que a su vez es desplegable a fin de que pueda volver a buscar algo que ya colocó en elcircuito.

El icono mencionado lo lleva a las librerías de dispo-sitivos que será materia de estudio en un tutorial poste-rior, por lo pronto debe conformarse con ingresar loselementos que se vayan mencionando en el citado cua-dro de diálogo.

A los efectos de simplificar el análisis vamos a es-quematizar el circuito tomando solamente la experienciade carga del capacitor. Para ello click dentro del cuadro de dialogo y tipeamos la fuente VPUL-SE que utilizaremos para esta experiencia, a continuación Enter y con el ratón la lleva al área de


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trabajo, con un click ubica el elemento y con un click izquierdo (llamaremos a esta acción cleck)deja de colocar fuentes.

A continuación click en el cuadro de diálogo de dispositivos y tipea R, luego Enter. Ubica eldispositivo conforme al ejemplo de la derecha y realiza idéntico procedimiento con C y AGND.No incluimos ninguna llave pues la característica de V1 permite determinar la conexión de lafuente al resto del circuito para t = 0.

T2. Ubicación de los dispositivos: Seguidamente vamos aadecuar los dispositivos a nuestros requerimientos, paraello click sobre C1 hasta que su color cambie a rojo indi-cando que ha sido seleccionado. Para rotarlo y ubicarlo demanera conveniente presione CTRL-R, luego con el ratóntraslade a C1 quedando este paralelo a la fuente.

T3. Modificar características de los dispositivos: Cambiemos los nombres de los dispositivos,para esto 2click sobre el nombre de la fuente (V1) y cam-biamos por U, lo mismo para R1 y C1 dejando como se veen el ejemplo.

Los valores iniciales que utilizaremos para nuestra pri-mera simulación serán 4 Megohm para R y 32 µF para C.Para ello debe hacer 2click sobre el valor de R (1k por de-fecto) y de C (1n por defecto) y modificarlos adecuada-mente, por ahora solo debe recordar que M o m significanmili para el programa y si deseamos uti-lizar un resistor de 4 Megohms debemosescribir 4MEG (o 4meg). Para el caso delcapacitor se utiliza la u o U como micro-faradio.

Antes de continuar no olvide guardarsu trabajo. Debemos ahora setear lafuente, para ello 2click sobre el símbolode la fuente. Si bien puede parecer com-plicado su configuración, solo siga lospasos, luego comprenderá el significadode cada parámetro.

Con el ratón vaya directamente al pa-rámetro V1 que indica desde qué valorarranca la fuente, en nuestro caso parti-mos de cero voltios, para ello 2click so-bre V1 y tipeamos 0 y luego Enter. Ahora2click sobre V2 que será la tensión quetendrá el circuito en el momento que seacciona la llave conmutadora para cargaral capacitor. En nuestro caso tipeamos10, puede ponerle v o V o dejar sin nadapues asume voltios por defecto. Los si-guientes parámetros tienen relación con los tiempos de retardo (delay), de crecimiento (rise) y de


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caída (fall), todos ellos suponemos en este caso iguales a cero. El tiempo en que estará conectadala tensión de 10 voltios queda definido en PW (pulse with) y le asignamos un valor tentativo quesuponemos que ya para ese tiempo el capacitor esté bastante cargado. Con PER estamos indican-do el tiempo en segundos en que vuelve a conectarse la fuente pero esto para nosotros no tieneefecto alguno pues solo estamos analizando el transitorio de la conexión de una fuente de co-rriente continua a un circuito RC.

T4. Conectar los dispositivos: A continuación procedere-mos al cableado de los dispositivos. Para esto click enel icono con un lápiz y un trazo fino.

Seguidamente click en el terminal superior de la fuente U yotro click en el terminal izquierdo de R. Continúe con elresto del circuito para obtener uno semejante al de la figura.

T5. Insertar un instrumento: En esta experiencia se pre-tende medir la corriente que circula por el circuito aintervalos de tiempo regulares. Para insertar un ins-trumento de medición de corriente en función del

tiempo click en el icono que se ilustra, debe recordarse queeste instrumento debe ubicarse sobre un pin o terminal de undispositivo y no sobre un conductor.

T6. Especificar un análisis transitorio: Unavez que ya tenemos descrito el circuitoque vamos a estudiar debemos especificar

qué análisis se deberán realizar. Para ello clicken el icono ilustrado. Esto nos lleva al cuadro dediálogo de Analysis Setup tal como se presentaen la figura.En otra instancia se podrá hablar de las posibili-dades de cada uno de estas opciones, por ahora nos detendremos brevemente en el análisis Tran-sient (click en este botón).De todas las opciones solo nos interesarán por ahora las dos pri-meras, en Final Time indicaremos el tiempo de finalización delanálisis transitorio y en Print Step indicamos los tiempos entremuestras de análisis. Un rápido cálculo mental de la constante detiempo nos da 128 segundos, en cinco veces ese tiempo el capa-citor ya se habrá cargado casi totalmente, estamos hablando en-tonces de unos 640 segundos, por lo tanto insertemos 800 en Fi-nal Time y 0.1 en Print Step. Le damos OK y vemos que la op-ción de análisis transitorio quedó con un checkmark. Le damosClose y estamos nuevamente en nuestro esquema. Guardamosnuevamente nuestro trabajo y nos preparamos para simular.


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T7. Corriendo la simulación: Ya tenemos el esquema del circuito de carga de un capacitor, es-pecificamos el tipo de análisis que deseamos realizar y solo falta correr la simulación. Pa-ra ello click en el icono ilustrado. Esto habilita

al Pspice AD a realizar la simulación, una vez finali-zada, el sistema está seteado por defecto a pasar a mo-do de visualización de las variables, en este caso sola-mente una, la corriente por el circuito.

T8. Visualización de las señales: En esta instanciaingresamos automáticamente al tercer utilitario de simulación, el Probe. Este es un software queasemeja la PC a un osciloscopio virtual pe-ro con señales simuladas y no externas a laPC. Posee un sistema de autorrango en eleje y pero no así en el eje x, por ello esimportante el adecuado seteo del análisistransitorio (Final Time y Print Step). Si to-do salió bien, tendremos en pantalla ungráfico similar al que debieran haber obte-nido en la clase práctica con lápiz y papel.En esta oportunidad comprobaremos loscálculos realizados y en ocasión del labo-ratorio tendremos tres trabajos para con-frontar.

T9. Realizando mediciones en el Probe: A fin de comprobar sinuestros cálculos coinciden con la simulación procedamos autilizar los cursores. Click en el icono ilustrado. Esto habilita

una cuadro en el que se visualizan dos coordenadas x, y como B1 yB2. La primer columna, que sería x corresponde a la variable tiempo y la segunda columna co-rrespondiente a la variable y nos brinda información de corriente. Como tercer fila tenemos laposibilidad de obtener la diferencia en tiempo y en corriente de los dos cursores. El cursor co-rrespondiente a B1 se sitúa con click y el correspondiente a B2 con cleck. Se puede modificar di-námicamente la posición de cada cursor mediante el drag izquierdo y derecho respectivamente.La otra alternativa de ubicación del cur-sor es con las teclas de posición y conshift+tecla de posición. Los puntos quedebemos comprobar corresponden a lacorriente inicial I0, la corriente a unaconstante de tiempo RC y la corriente acinco constantes de tiempo. Luego to-dos los puntos que se deseen a fin decomprobar la curva realizada en lapráctica o en el laboratorio. Una opcióninteresante del Probe es la que nos per-

mite ubicar el punto máximo conel icono ilustrado. Con esta en-


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contramos el máximo valor de la corriente por el circuito que se manifestará (en el laboratorio)ni bien energizemos al mismo con la llave de selección carga-descarga.Los otros puntos debemos buscarlos como se detalló anteriormente y con la opción MarkLabel que nos proporciona el icono ilustrado podemos indicar en la gráfica los puntos másimportantes.

T10. Análisis paramétrico: Ya vimos cómo esquematizar, seleccionar un análisis transitorio ysimular un circuito RC. Se tomaron sus valores ca-racterísticos, aún a cinco constantes de tiempo querepresentarían en laboratorio unos 10 minutos.Ahora veamos cómo sobre el mismo esquema le“decimos” al soft que tenemos otros capacitores pa-ra ensayar. Para ello volvamos al Schematicas conAlt+Tab,1º 2click en el valor del capacitor y en lugar de 32uescriba entre corchetes Cvar.2º En el cuadro de dialogo de selección de dispositivos tipee PARAM, luego Enter.3º Ubique PARAM en algún lugar del esquema.4º 2click en PARAM, en NAME1 escriba Cvar sin corchetes y en VALUE1 un valor dado, di-gamos 32u.5º Luego entramos al cuadro de selección del análisis, dejamostildado el de transitorio y entramos al Parametric.6º Seleccione el barrido de Global Parameter, con lista de valoresde capacitores, en el nombre se tipea Cvar sin corchetes y luegose ingresan los valores de capacidad posibles, probemos con 1u4u 32u 64u. Ingresados así a simple espacio entre ellos. Final-mente OK y Close.7º Puede correr nuevamente la simulación y obtendrá una familiade curvas, una para cada capacitor.

Finaliza así el primer tutorial de simulación.


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EL USO DE PROGRAMAS DE SIMULACIÓN EN FÍSICA II - Parte 2

T2. Segundo tutorial de simulaciónT2.1. Modificación de visualización del eje y.T2.2. Midiendo la tensión en el capacitor.T2.3. Selección y borrado.T2.4. Etiquetas en los nodos.T2.5. Incorporando trazos en Probe.T2.6. Llevando esquemas a un informe.T2.7. Incluyendo gráficos del Probe en los informes.

Recordemos las siguientes convenciones dentro de los tutoriales:1º Click izquierdo se indica simplemente como click.2º Doble click se indica solamente como 2click.3º Click derecho como cleck.4º Doble click derecho como 2cleck.

Iniciamos el Schematics con 2click sobre el icono correspondiente.De lo contrario, Inicio - Programas - MicroSim Eval 8 - Schematics.

T2.1. Modificación de visualización del eje y: Recupe-remos el último esquema circuital del primer tuto-rial. A continuación corremos la simulación.

En el Probe, la visualización de las distintas curvas nonos parece conveniente para una correcta medición oapreciación.

Del menú Plot vamos a la opción Y Axis Settings y hacemos click en User Defined tipeandovalores de inicio y de extremo conforme a nuestro análisis. En la gráfica apreciamos los efectossobre las curvas. De todas maneras se hace evidente que para la curva de 32u las mediciones sepueden realizar sin contratiempos como lo vimos en el primer tutorial, sin embargo para los res-tantes capacitores se ha complicado algo el panorama. Por un lado para 1 y 4 microfaradios haypoco espacio visual para una correcta medición y para el capacitor de 64 microfaradios no tene-


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mos suficiente margen para medir la descarga a cinco constantes de tiempo. Como conclusión,esta opción de visualización en conjunto de las características de carga de 4 capacitores muy di-ferentes solo sirve para tener un panorama del conjunto pero para analizar en detalle las curvas yrealizar mediciones con los cursores es necesario tomar como máximo de a dos y cercanas envalores, por ejemplo los dos capacitores menores por un lado y luego los otros dos de mayor va-lor.

T2.2. Midiendo la tensión en el capacitor: Todas (o casi todas) las experiencias de medición demagnitudes eléctricas involucran la inclusión en el circuito de elementos de sensado que de algu-na manera alteran la verdadera magnitud de la variable a medirse. En la mayoría de las experien-cias existen alternativas que permiten minimizar este efecto de carga que existe entre el instru-mento y el circuito a ser ensayado. En el caso específico de medición de carga y descarga de uncapacitor se prefiere la utilización del multímetro como microamperímetro ya que este incluye enserie con el circuito una pequeña resistencia y afecta en menor medida la experiencia que si deci-diéramos medir la tensión sobre el capacitor. En esta última configuración, el instrumento demedición (multímetro como voltímetro) inserta en el circuito una resistencia apreciable en para-lelo con el capacitor (la Ri de entrada de un multímetro es de aproximadamente 10 Megohms).Sin embargo en la experiencia de simulación no existe esta limitación, cuando se trata de mediruna tensión, el soft presenta la verdadera tensión existente y no los efectos de carga de un ins-trumento imperfecto.

T2.3. Selección y borrado: Abramos el circuito del primer tutorialpero con análisis transitorio de un solo capacitor. Click en el ins-trumento de medición de corriente, al cambiar a color rojo sabe-mos que ha sido seleccionado, a continuación bórrelo con Delete.

T2. 4. Etiquetas en los nodos: Recuerda que entre la fuente U y R hay un cableado, haga 2clicksobre él y asígnele nombre 1, lo mismo para el conductor que está entre R y el capacitor pero connombre 2. Verifique en Analy-

sis Setup que no hayaquedado marcado el

análisis paramétrico, solo de-ben quedar con checkmark laopción Bias Point Detail(siempre está seleccionado pordefecto) y Transient. Corraahora la simulación, como re-sultado encontrará la pantalladel Probe vacía, esto es así yaque no hemos colocado en elSchematics ningún instru-mento. Vamos a incorporarlosdesde el Probe.

T2.5. Incorporando trazos en Probe: De la barra de iconos del Probe reconocemos al Add Tra-ce y hacemos click. Como consecuencia obtenemos el cuadro de diálogo correspondiente.En el panel de la izquierda puede verse una lista de variables, muchas de ellas proporcio-


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nan la misma información, tal el caso de las corrientes I(R), I(C), I(U) o de las tensiones V(U:+),V1(U), V1(R) y V(1). Otras no tienen mayor sentido como V(0), V(U:-) y V(C:1) que proporcio-nan cero voltios de la conexión común o masa. En realidad no suelen ser muy comprensibles ofáciles de recordar las variables a visualizar, por esto fue que asignamos etiquetas. Como identi-fican puntos claves de un circuito uno puede recordarlos más fácilmente. Verifique que sola-mente afectan a las tensiones pues las corrientes se identifican por el dispositivo por el cual estácirculando. De los dos nodos que etiquetamos el que nos interesa en realidad es el de salida, yqueremos comparar con la corriente que circula y que ya vimos su característica gráfica ante-riormente. Por lo tanto haga click en I(R) y en V(2) y luego OK.En la pantalla gráfica del Probe puede apreciar que solamente se distingue una de las variables, laotra quedó a nivel cero por incompatibilidad de escalas y unidades.

A continuación click sobre I(R), seleccionando de esta manera esa señal.Seguidamente corte la misma ya sea con Ctrl+X o con la tijerita. Luego

efectuamos Ctrl+Y o en su de-fecto del menú Plot - opciónAdd Y Axis y a continuaciónpegamos la señal anterior conCtrl+V o como más esté acos-tumbrado.Sobre la curva de la tensión so-bre el capacitor es más inme-diato apreciar el significado dela constante de tiempo. De lagráfica se verifica inmediata-mente que a una constante detiempo la tensión aumentó a6.33 voltios es decir al 63% desu valor inicial.

T2.6. Llevando esquemas a un informe: Trabajar con colores enpantalla suele ser agradable ala vista pero en ocasiones serequiere de trasladar la in-formación del trabajo realiza-do a un procesador de texto afin de presentar un informe.Para ello es conveniente quesolamente existan dos coloresy de ser posible solo negro yblanco. En consecuencia sehace necesario modificar los atributos de color de algu-

nos elementos del circuito en el menú Options - Display Preferences como ser Junctions, Labels,Markers and Viewpoints, Part Names, Pin Names, Pins, Ports, RefDes, Stimulus, Symbol Text,Symbols y Wires.

T2.7. Incluyendo gráficos del Probe en los informes: Para incluir en un informe pantallas delProbe en una misma hoja se deberán seguir los siguientes pasos:


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Modificar el archivo msim_evl.ini que se encuentra en el directorio Windows. En este archivoreemplazar la sección [PROBE DISPLAY COLORS] de la primer columna por la de la segundacolumna:

BACKGROUND=BLACKFOREGROUND=WHITETRACE_1=BRIGHTGREENTRACE_2=BRIGHTREDTRACE_3=BRIGHTBLUETRACE_4=BRIGHTYELLOWTRACE_5=BRIGHTMAGENTATRACE_6=BRIGHTCYAN

BACKGROUND=BRIGHTWHITEFOREGROUND=BLACKTRACE_1=BLACKTRACE_2=BLACKTRACE_3=BLACKTRACE_4=BLACKTRACE_5=BLACKTRACE_6=BLACK

Además, dentro de Probe, ir a Tools - Op-tions y seleccionar la opción Always de lasección Use Symbols. Esta es la manera dedistinguir entre diferentes trazos.

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EL USO DE PROGRAMAS DE SIMULACIÓN EN FÍSICA II - Parte 3 T3. Tercer tutorial de simulación: Circuito resonante serie. T3.1. Implementación en el Schematics de un circuito RLC. T3.2. Seteo de una fuente de corriente alterna senoidal VSIN. T3.3. Análisis transitorio de un circuito RLC. T3.4. Simulación y mediciones en un circuito serie. T3.5. Modificando la frecuencia del circuito. T3.6. Análisis en el dominio frecuencial. T3.7. Factor de calidad Q. Recordemos las siguientes convenciones dentro de los tutoriales: 1º Click izquierdo se indica simplemente como click. 2º Doble click se indica solamente como 2click. 3º Click derecho como cleck. 4º Doble click derecho como 2cleck.

Iniciamos el Schematics con 2click sobre el icono correspondiente. De lo contrario, Inicio - Programas - MicroSim Eval 8 - Schematics.

T3.1. Circuito RLC serie: Habiendo desarrollado en teoría la corriente que circula por un circuito RLC con excitación de corriente alterna senoidal, analizaremos el comportamien-to del mismo para distintas frecuencias. Para ello utilizare-mos conceptos y prácticas desarrollados en los tutoriales an-teriores. 1. De la caja de dialogo de dispositivos comience llamando

una fuente de corriente alterna senoidal denominada VSIN.

2. De igual manera con L traiga un inductor, con C un ca-pacitor, con R un resistor y con AGND la tierra analógi-ca.

3. Ubique los dispositivos convenientemente, proporcione los valores que observa en el esque-ma adjunto, proceda al cableado y a la ubicación de los instrumentos de medición de la co-rriente y de la tensión.

T3.2. A continuación procederemos a establecer algunos parámetros de la fuente V1. Solo asígnele una tensión nula de offset (VOFF=0), una tensión de pico o máxima de 5 V y una fre-cuencia de 1400 Hz. Como tanto la reactancia inductiva ωL como la reactancia capacitiva 1/ωC de-penden de la frecuencia (ω = 1/2πf) po-demos decir que la corriente y la fase también presentarán esta dependencia. A frecuencias bajas la reactancia capacitiva predominará en el circuito por lo que la impedancia total del circuito será alta, la corriente resultante baja y el “La Utilización de Programas de Simulación en la Enseñanza de Electricidad y Electrónica en Carreras de Ingeniería” Tesis de Maestría en Docencia Universitaria. Autor: Ing. Héctor R. Anocibar

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ángulo de desfasaje entre esta y la tensión del generador será negativo, es decir la corriente estará en adelanto respecto a la tensión. T3.3. Intentaremos ver esto en nuestro circuito, para ello debe-remos setear un análisis transitorio que tendrá en cuenta el tiem-po requerido por algunos ciclos de la señal generada por V1. Seguidamente corremos la simulación haciendo click en el icono correspondiente.

T3.4. Recuerde los conceptos de T2.5 respecto a la visuali-zación de dos señales con di-ferentes magnitudes y esca-las. Una vez que realizó los cambios necesarios y puede visualizar la forma de onda de corriente y tensión, con Alt – Tab retorne momentáneamente al Schematics. Del menú Análi-sis vaya a la pantalla de Probe Setup y seleccione la opción Restore last Probe session, esto le evitará realizar modificaciones en el Schematics y tener que volver a agregar ejes en el Probe. En la pantalla del Probe habilitamos los cursores y nos disponemos a realizar mediciones de am-plitud y tiempo como ya se realizara en los tutoriales anteriores. De la gráfica contigua se puede apreciar como la corriente precede a la tensión por lo que el ángulo de fase es negativo. Su valor surge de asignar al período completo (medido en pantalla con los cursores) un ángulo de 360º, luego teniendo la diferencia de tiempo entre los cruces por cero indicados en la gráfica anterior podremos calcular el ángulo de desfasaje existente. En virtud de lo anteriormente visto, qué ca-racterísticas presenta el circuito a esta frecuencia (inductivo, capacitivo o resistivo?). T3.5. A medida que la frecuencia se incrementa, también se incrementará la reactancia inductiva y disminuirá la capacitiva. A determinada frecuencia, llamada de resonancia f0 las reactancias inductiva y capacitiva serán iguales dando como resultado una impedancia mínima igual a R y un ángulo de desfasaje nulo obteniendo en esta instancia una corriente máxima por el circuito en fase con la tensión de la fuente. Si la frecuencia sigue aumentando comienza a predominar la reactancia inductiva frente a la capacitiva proporcionando un ángulo de desfasaje positivo, es decir con la tensión en adelanto frente a la corriente. Además la corriente comienza a disminuir del máximo alcanzado en resonancia. Finalmente la expresión de la frecuencia de resonancia re-sulta de igualar las reactancias inductiva y capacitiva.

LCf

LCCLXX CL

πω

ωω

2111

00 =⇒=⇒=⇒=

Mediante esta expresión y los valores que estableció en el circuito calcule la frecuencia de reso-nancia. Según lo realizado en T3.2 modifique la frecuencia del generador V1 conforme al resul-tado de su cálculo. Sin realizar otra modificación vuelva a correr la simulación. “La Utilización de Programas de Simulación en la Enseñanza de Electricidad y Electrónica en Carreras de Ingeniería” Tesis de Maestría en Docencia Universitaria. Autor: Ing. Héctor R. Anocibar

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Ahora proceda nuevamente a modificar la frecuencia del generador llevándola a 1800 Hz. ¿Qué apreció de la amplitud de la corriente y de la diferencia de fase entre esta y la tensión del genera-dor? T3.6. Guarde el circuito con un nuevo nombre ya que utili-zaremos casi los mismos componentes. Seleccione el gene-rador y bórrelo. A continuación traiga una fuente VAC que también es una fuente de corriente alterna pero preparada pa-ra ofrecer un barrido en frecuencia.

Doble click sobre V1, solo tiene que asignarle la amplitud pico o máxima de 5 voltios en ACMAG. A continuación, del menú Markers seleccione Mark Advanced y de estas opcio-nes seleccione idb e iphase. Vamos a cambiar de análisis, en lugar de visualizar una magnitud en función del tiempo (análisis transitorio) vamos a realizar un barrido de frecuencia y observaremos tanto el cambio de amplitud y de fase en función de la frecuencia.

Para esto hacemos

click en el icono de Analysis Setup y deseleccionamos el análisis transitorio y hacemos click en AC Sweep. En AC Sweep type seleccionamos decade, de Sweep Parameters seleccionamos 300 Hz (no necesitamos escribir Hz) como Start Freq y 10k como End Freq. Ejecute ahora la simulación y compare estos resultados con los del análisis tran-sitorio (Frecuencia de resonancia y defasajes). T3.7. A medida que la resistencia R del circuito se hace más pequeña, se agudiza la curva de respuesta del circuito ante variaciones de frecuencia, esta característica se describe por un pará-“La Utilización de Programas de Simulación en la Enseñanza de Electricidad y Electrónica en Carreras de Ingeniería” Tesis de Maestría en Docencia Universitaria. Autor: Ing. Héctor R. Anocibar

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metro adimensional que se conoce como factor de calidad Q. Este factor se define para un osci-lador mecánico como:

bm

bTmQ 02 ωπ

== donde m es la masa, b la constante de amortiguamiento y T el período. De ma-

nera semejante puede definirse el factor Q para un circuito RLC. Como L es análogo a la masa m y R a la constante de amortiguamiento b, el factor Q de un circuito RLC viene dado por:

Qf

BR

LQ 00 =⇒=

ω

donde B es el ancho de banda del circuito. Vemos que este factor adimensional depende de la resisten-cia R. Vuelva a repasar el tutorial T10. Análisis Pa-ramétrico a fin de realizar diversas simulaciones pa-ra distintos valores de R. Proporcione a R los valores 10, 30 y 50 ohms, borre el instrumento de indicación de fase y obtenga las distintas curvas en el Probe. Fin tercer tutorial de Simulación de Circuitos.

“La Utilización de Programas de Simulación en la Enseñanza de Electricidad y Electrónica en Carreras de Ingeniería” Tesis de Maestría en Docencia Universitaria. Autor: Ing. Héctor R. Anocibar

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Tesis de Maestría en Docencia Universitaria. Ing. Héctor R. Anocibar. Consultas: [email protected]

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UNAM Facultad de Ingeniería Cátedra: Física II

TP Nº 3 – Unidad 2 Fecha:

Tema: Circuitos RC – Guía complementaria de simulación.

VºBº:

Integrantes del grupo: Introducción. La presente Guía pretende incorporarse como complemento en la realización de determinados problemas del Trabajo Práctico Nº 3 de la Unidad 2: Circuitos RC. Para ello se supondrán cono-cidos los rudimentos de simulación que se impartieron en el correspondiente Taller de Simula-ción y que se detallan en el material Guía MSim Física II - Tutorial 1 y 2 disponibles en el CEFI. 4) Compruebe lo calculado mediante simulación:

a) Mediante los cursores del Probe (Ctrl+Shift+C), tome los valores de carga del capacitor ex-presada como 10UF*V(B) para 0.5s, 10s, 20s, 30s, 40s, 50s y 100s. d) Compruebe con el cursor en 0.5m (0.5 milicoulombios, o 500 microcoulombios, o 5x10-4 cou-lombios) el tiempo que calculó en la práctica. b) Con Ctrl + Delete borramos los trazos y con Insert incorporamos ahora la gráfica de la co-rriente I(R1). Compruebe nuevamente lo calculado para los instantes del ítem a). 8. Implemente en el simulador el siguiente circuito y compruebe: a) La corriente en R3, R2 y R1 para t = 0 y para t suficientemente grande ( τ5≥t ). Para ello al circuito esquematizado puede incorpo-rarle los amperímetros como se ven en la figura por medio del icono apropiado. La otra alternativa es correr la simulación y ya en el Probe agregar trazo con Insert – 2Click en I(R3), Insert – 2Click en

Tesis de Maestría en Docencia Universitaria. Ing. Héctor R. Anocibar. Consultas: [email protected]

2 I(R2). Para obtener la gráfica de la corriente total podríamos hacer Insert – 2Click en I(R1) pero puede existir confusión respecto al signo de la corriente por dicha rama, por tanto se sugiere In-sert – I(R3)+I(R2). b) Corrobore la caída de tensión sobre R2 en un período de tiempo como el indicado anterior-mente. Con Ctrl+Delete borramos los trazos del Probe, con Insert agregamos el trazo V(A)-V(C). c) Compruebe lo calculado con lo indicado en los cursores para t = 0 y para t = 50s. f) De la gráfica de I(R3) obtenida en el punto a), determine la constante de tiempo del circuito y el valor de R. 9. Mediante el Schematics implemente el siguiente circuito reemplazando el signo de interrogación por la tensión que calculó en la práctica. b) Corrobore la corriente inicial en el Probe, para ello ejecute la simulación con F11, Insert – I(C1). c) Compruebe la descarga del capacitor C1 mediante la gráfica correspondiente. Estando en el Probe, borre los trazos con Ctrl + Delete, luego Insert – V(A). 10. Esquematice el siguiente circuito y proceda a comprobar lo realizado en la práctica: a) La carga del capacitor, según lo visto en el problema 4. b) A fin de corroborar la energía almacenada en C1, primeramente quitamos las trazas del Probe con Ctrl + Delete, luego obtenemos la gráfica de la potencia en el capacitor mediante Insert – V(B)*I(R1). Sin embargo a fin de obtener la energía almacenada en el capacitor debemos integrar dicha función en el período de tiempo ana-lizado, para ello borramos nuevamente el trazo anterior y mediante Insert – S(V(B)*I(R1)) obte-nemos el área bajo la curva anterior. Con el cursor al final del período (20s) corrobore el cálculo de la energía almacenada por C1. c) Compruebe la disipación de potencia en el resistor R1. Retire los trazos del Probe y luego agregue la potencia instantánea disipada en R1 mediante la expresión (V(A)-V(B))*I(R1). Sin embargo para evaluar la energía disipada debemos hallar el área bajo dicha curva, por consi-guiente hallamos la integral de la expresión anterior mediante S((V(A)-V(B))*I(R1)). Con el cur-sor al final del período (20s) corrobore el cálculo de la energía disipada por R1. d) De igual manera compruebe la energía entregada por la fuente E. Limpie de trazos el Probe y agregue la expresión de la potencia instantánea suministrada por la fuente mediante Insert – I(R1) * V(A). Ahora para hallar la energía limpiamos nuevamente el trazo y con Insert – S(I(R1) * V(A)) hallamos la integral de la función anterior. 13) Compruebe con simulación todos los puntos de este problema. Requisitos de Aprobación del Trabajo Práctico Complementario a) Presentación de informe grupal de no más de cinco integrantes a los 15 días del taller de simulación. b) Cada Problema de esta guía debe incluir el esquema correspondiente implementado con Schematics. Ver Guía MSim Física II – Tutorial 1 y 2 de simulación. c) Cada comprobación deberá incluir la gráfica correspondiente del Probe, se podrán incluir dos o más trazos por pantalla Probe pero con su eje correspondiente (ver página 3 Tutorial 2). d) A partir de la entrega y aprobación del informe, y en una instancia a convenir con la cátedra, se realiza-rán colóquios a fin de corroborar la participación individual en la generación del informe mencionado.

“La Utilización de Programas de Simulación en la Enseñanza de Electrónica en Carreras de Ingeniería” Ing. Héctor R. Anocibar

EL USO DE PROGRAMAS DE SIMULACIÓN EN LA ENSEÑANZA

T4. Cuarto tutorial de simulación: Diodos semiconductores.T4.1. Característica directa de un diodo semiconductor.T4.2. Barrido de corriente continua DC Sweep.T4.3. Efecto de la temperatura en la característica directa.T4.4. Característica inversa de un diodo.

Recordemos las siguientes convenciones dentro de los tutoriales:1º Click izquierdo se indica simplemente como click.2º Doble click se indica solamente como 2click.3º Click derecho como cleck.4º Doble click derecho como 2cleck.

Iniciamos el Schematics con 2click sobre el icono correspondiente.De lo contrario, Inicio - Programas - MicroSim Eval 8 - Schematics.

T4.1. Como primera experiencia con un diodosemiconductor verificaremos su característica directa.Para ello es necesario esquematizar un circuito que lopolarice en tal sentido. Para ello utilizaremosconceptos y prácticas desarrollados en los tutorialesanteriores.1. De la caja de dialogo de dispositivos comience

llamando una fuente de corriente continua de-nominada VDC.

2. De igual manera con R traiga un resistor, con D1N4148 un diodo y con AGND la tierra ana-lógica.

3. Ubique los dispositivos convenientemente, proporcione los valores que observa en el esque-ma adjunto, proceda al cableado y a la ubicación del instrumento de medición de la corriente.

T4.2. Sabemos que la curva característica de un diodo se grafica generalmente corriente en fun-ción de tensión. Para ello emplearemos un artificio que nos permita observar la evolución de lacorriente por el circuito ante un barrido de la fuente V1. Para ello simplemente asignamos al re-sistor R1 un valor muy bajo para que la tensión de barrido sea prácticamente la que existirá en

bornes del diodo bajo prueba. Acontinuación procederemos a establecerlas condiciones de excitación a finde obtener la curva deseada. Clicen el icono de setup de análisis,clic en DC Sweep correspondiente alseteo de un barrido de corriente continua.Seleccionamos un barrido lineal confuente de tensión, especificamos que lo

realizará V1 e inicialmente establecemos un barrido entre 0 y 0.8 voltios con pasos de 0.01voltios. A continuación corremos la simulación no sin antes pensar qué gráfica espera ver en elosciloscopio virtual Probe. Verifique la característica que obtuvo en el laboratorio correspon-diente.


T4.3. Efecto de la temperatura.Volvamos al Schematics con Alt+Tab y click en el icono de SetupAnálisis, click en Parametric. Seleccionamos barrer temperatura, enforma lineal y establecemos el valor inicial, final y el incremento.Seguidamente corremos la simulación haciendo click en el icono co-rrespondiente.

T4.4. Característica inversa de un diodo. Sin desactivar la opción Parametric, realizaremos la verificación dela característica inversa de un diodo semiconductor a diferentestemperaturas. Para ello volvemos al Schematics, click en SetupAnálisis, click en DC Sweep y modificamos el Start Value por –99,el End Value por 0 y el Increment seteamos en 0.1. Volvemos a co-rrer la simulación, si le parece que tarda el obtener el resultado, vol-vemos y modificamos Parametric reduciendo la cantidad de curvasde temperatura, por ejemplo Start Value 25, End Value 100 e In-crement 25.

INTRODUCCIÓN AL USO DEL MICROSIM DESIGN CENTER

Introducción Este paquete de software electrónico comprende varios utilitarios: • MicroSim Schematics. Es el utilitario que permite esquematizar un determinado circuito. • MicroSim PSpice A/D. Mediante el circuito esquematizado es posible realizar la simulación de un circuito analógico, mixto analógico/digital y solamente digital. • MicroSim PSpice Optimizer. Con el circuito ya funcionando es posible realizar su optimización analógica. Por ejemplo maximizar la ganancia de un amplificador teniendo como condicionantes el ancho de banda y la potencia disipada. • MicroSim PLSyn. El utilitario de Síntesis de Lógica Programable permite diseñar y simular siste-mas que contengan lógica programable, discreta digital y analógicas, en un mismo esquema. Esta lógica programable se puede escribir mediante un lenguaje de síntesis o mediante el editor de esquemas (con sím-bolos) e incluso con ambos sistemas simultáneamente. • MicroSim Polaris. Es una herramienta de análisis de integridad de la señal que extrae de un dado circuito impreso valores de acoplamiento, capacidad parásita, líneas de transmisión, etc. que son utilizados en simulación analógica y optimización de circuitos. • MicroSim PCBoards. Permite que el circuito esquematizado, simulado y optimizado sea transferido a un circuito impreso con posibilidades de autoruteo.

Un Poco De Historia Del paquete de utilitarios antes mencionado ofrecido por la firma MicroSim, el que impulsó todo este desa-rrollo sin duda que fue el MicroSim PSpice A/D que en principio esta empresa lo llamó simplemente PSpi-ce. Este programa de simulación inicialmente solo analógica, nació del famoso SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) desarrollado por la Universidad de California allá por mediados de 1970, el cual a su vez surgió de otro simulador llamado CANCER desarrollado a principios de 1970. Este fue un programa que corría en máquinas "grandes" de aquella época y al adaptarlo a la PC, MicroSim decidió de-nominarlo PSpice.

Por Donde Se Empieza Del paquete antes comentado someramente se describen los primeros pasos en la utilización de los utilitarios que más se podrían aprovechar en asignaturas como Física II, Electrotecnia I, Teoría de los Circuitos, Medi-ciones Eléctricas, Electrónica Analógica, Mediciones Electrónicas, Electrónica Industrial y Mediciones Electrónicas, que son el MicroSim Schematics y el MicroSim PSpice A/D que llamaremos Schematics y PSpice respectivamente.

Qué Puede Realizar Con El Schematics 1. Puede "documentar" el circuito que tenemos en borrador o en mente y que desea archivar, presentar, publicar, simular, armar, etc. Este utilitario no diseña por usted, no es un programa al cual usted le dice "quiero un amplificador de audio" y él se lo diseña. Usted tiene que tener el circuito. 2. Puede correr los otros del paquete ya mencionado, o sea funciona como un "shell". No necesita salir de él para efectuar la simulación, o la lista de materiales, o el chequeo de conexionado, o la conversión a circuito impreso, o al optimizador, etc. 3. Puede generar sus propios componentes, es decir, obtener un dibujo a su gusto de un determinado compo-nente si es que no lo tiene ya el Schematics o si no le gusta el que viene por defecto. Este utilitario viene en el original con una librería de 32.000 componentes analógicos y digitales. Algunos componentes tienen información de su símbolo, encapsulado (para realizar el circuito impreso), y de un modelo que permite la simulación del circuito. Otros como las fuentes de señal solo poseen su símbolo y algunos componentes nuevos solo traen su símbolo y su encapsulado no disponiéndose del modelo para realizar una simulación. 4. Puede realizar estructuras jerárquicas de esquemas. Por ejemplo, si está diseñando una fuente, puede generar un bloque que contenga al circuito rectificador, otro con la tensión de referencia, otro con el compa-rador, otro con el elemento de control serie, etc. Entonces el esquema de máxima jerarquía será como un

diagrama de bloques, luego entra a cada uno de ellos y realiza o el circuito directamente o entra a otro dia-grama de bloques si lo hubiera. Qué Puede Hacer Con El Pspice A/d Suponiendo que ha esquematizado el circuito, es momento de ensayarlo. Pero antes convengamos algo: - El PSpice es como un laboratorio virtual, puede probar todo tipo de circuito sin tocar un solo componente o realizar conexión alguna. Esto es bueno en algunos aspectos, en primer lugar no necesita gastar dinero comprando componentes para experimentar la mejor solución, tampoco necesita comprar instrumentos, se evita hacer alguno que otro cortocircuito o quemar algún componente caro, ¡ni qué decir si es del Dpto. de Electrónica!. Por otra parte se imagina armar y probar un circuito de RF en el rango del GHz, o una UPS de 10KVA. Como mi propia conclusión sostengo que no hay sustituto del ensayo práctico de laboratorio si están dadas las condiciones, tanto materiales (componentes, instrumental) como de seguridad... Pero previo a esta actividad práctica recreante no está nada mal y es aconsejable pasar un rato frente a la PC con el PSpi-ce probando el circuito en cuestión.

Veamos entonces qué puede obtener con el PSpice A/D: 1. Análisis DC Sweep. Del estado permanente de un circuito, es factible obtener tensiones, corrientes y estados digitales cuando se barre un rango de valores de una fuente, temperatura o parámetros de un modelo de componente utilizado. 2. Mediante Bias Point Detail se obtienen datos adicionales del punto de reposo o de polarización los cua-les son reportados (de hecho el punto de reposo es automáticamente calculado por PSpice). 3. Con el análisis DC Sensitivity se calcula la sensibilidad en CC de la tensión de un nodo o componente como función del punto de reposo. 4. Mediante Small-Signal DC Transfer se calculan la ganancia de pequeña señal, resistencia de entrada y de salida como función del punto de reposo. 5. Frecuency Response (AC Sweep). Este análisis calcula la respuesta en baja señal del circuito (linealiza-do alrededor del punto de reposo) para una combinación de entradas. Se barren una o más fuentes sobre un rango de frecuencias. Son calculadas las tensiones y corrientes del circuito, incluyendo magnitud y fase. Por consiguiente se obtiene el Bode del circuito. 6. Noise Analysis. Se puede llevar a cabo junto con el análisis de respuesta en frecuencia anterior. La con-tribución de cada "generador" de ruido en el circuito se propaga a un nodo de salida para cada frecuencia especificada en el análisis AC. Además, para cada una de estas frecuencias se calcula la suma de las tensio-nes RMS contribuidas. 7. Mediante Transient Response es posible analizar el comportamiento de un circuito en respuesta a fuen-tes variables en el tiempo. Se computan tensiones, corrientes y estados digitales. Para dispositivos digitales, los retardos de propagación pueden setearse en mínimo, típico y máximo. Si se selecciona timing digital de peor-caso, entonces la simulación PSpice considera todas las combinaciones posibles de retardos de propa-gación entre el rango mínimo y máximo para dispositivos digitales. 8. Fourier Components es un análisis que puede realizarse en conjunto con el anterior. Calcula las compo-nentes de Fourier del análisis transitorio. 9. El análisis Parametric permite repetir alguno de los análisis anteriores (DC Sweep, AC Sweep o Tran-sient Analysis) para una serie de valores ya sean parámetros globales, valores de componentes o temperatura de funcionamiento. 10. Temperature permite repetir los análisis mencionados para distintas temperaturas de funcionamiento. 11. El análisis estadístico Monte Carlo computa la respuesta de un circuito ante cambios de valores de componentes mediante la modificación aleatoria de todos los parámetros del modelo de componente utiliza-do para lo cual se debe haber especificado tolerancias conocidas. 12. Sensitivity/Worst-Case. Este análisis computa la respuesta del circuito ante cambios en valores de componentes variando un parámetro por vez del modelo de dispositivo utilizado (para el cual ha sido especi-ficado una tolerancia), dispositivo por dispositivo. Ahora que ya sabe qué es lo que puede obtener de estos dos programas repasemos los pasos de un uso gené-rico de estas herramientas: 1º. Es necesario que tenga el circuito que desea ensayar. En las versiones anteriores que venían para DOS había que ingresar los datos del circuito en un archivo de texto, en este se detallaba cada componente, había que numerar los nodos, tenía que saber cómo se invocaba el modelo de cada componente, como se invocaba cada análisis, etc. Todo esto fue mejorando de versión en versión y hoy en la versión de Windows se dispo-ne el Schematics para ingresar el circuito en cuestión.

2º. Es necesario que tenga idea al menos del funcionamiento del circuito, qué es lo que espera de el y qué ensayos le podría efectuar. No tiene sentido esquematizar un circuito y no saber por donde empezar a pro-barlo, o no saber si la forma de onda que hay en un determinado nodo es aproximadamente fidedigna. Todo esto tiene que ver con la detección de fallas y errores de diseño, debe estar en condiciones de aislar estos de los errores cometidos en el uso del soft. Pongamos un ejemplo sencillo: si estoy experimentando con un temporizador 555 debo en primer lugar tener idea del circuito interno, para ello es conveniente tener a mano los datos del fabricante, debo saber calcular los valores RC para obtener el tiempo de temporizado o los tiempos de cada ciclo de una onda cuadrada generada por este circuito, y al efectuar el análisis debo conocer qué valores de tiempo se establecen en el análisis transitorio para poder obtener una visualización correcta de la forma de onda. En conclusión, no se salva del papel, lápiz, calculadora y datos técnicos. 3º. Concluido el esquema del circuito, desde el mismo Schematics selecciona qué análisis realizará. 4º. En general las opciones más frecuentemente utilizadas ya están seteadas por defecto, como por ejemplo la de ejecutar automáticamente el programa Probe luego de realizada la simulación. ¿Qué es el programa Probe?. Todos los análisis mencionados anteriormente proporcionan datos y se generan archivos de salida que pueden leerse del monitor o imprimirse pero la opción más utilizada es por supuesto la del monitor como osciloscopio. Probe se encarga de visualizar las variables que pidamos. Dispone de opciones que muy pocos osciloscopios poseen: zoom, cursores de alta resolución, inserción de texto en el área de graficación, identificación clara con distintos colores de cada variable, etc. 5º. Finalmente cabe destacar que quedan abiertas tres ventanas (Schematics, PSpice y Probe) ya que se su-pone un proceso iterativo. En la mayoría de los casos, luego de correr Probe se vuelve al circuito en la ven-tana de Schematics, se retoca algo y se vuelve a simular hasta obtener el comportamiento deseado del circui-to.

Ejemplo Práctico Vamos a analizar un sencillo circuito divisor de tensión RC a modo de ejemplo:

Suponemos conocidos los fundamentos de utilización de Windows, y por comodidad vamos a llamarle al click izquierdo solo click, al click derecho cleck, al doble click lo llamaremos 2click y al doble click dere-cho lo llamaremos 2cleck. Por lo tanto 2click en el icono Schematics y tenemos una hoja de trabajo en blan-co con retícula cargada por defecto. Los menúes y barra de herramientas son las siguientes:

Comencemos entonces a esquematizar nuestro circuito: 1º. Para llamar un componente de la librería existen tres caminos: a. Draw/Get New Part. b. CTRL G. c. Con el mouse click en la barra de herramientas en 2º. Ante el cuadro de diálogo Add Part tenemos dos posibilidades, tipear el nombre del componente si sa-bemos su nombre o click en Browse para buscarlo en la librería. Por ahora supongamos que sabe que la fuente de tensión se llama VSRC, lo tipea y luego presiona Enter o click en OK. 3º. Ubica la fuente moviendo el mouse y para fijarlo hace un click. Como no desea seguir colocando fuentes ya que tenemos una sola en nuestro circuito hace cleck. 4º. Llamamos ahora a la resistencia, en este caso en el cuadro de diálogo tipeamos simplemente R luego OK.

5º. Ubicamos convenientemente la primer resistencia y click, luego necesitamos otra que está en posición vertical, para ello simplemente CTRL R y click en un lugar adecuado quedando la segunda resistencia ubi-cada, vemos ya que el programa está seteado por defecto para realizar un Annotate automático, es decir va asignando a cada componente una referencia diferente en aumento R1, R2, etc. 6º. Llamamos ahora al capacitor, en el cuadro de dialogo tipeamos simplemente C o lo tenemos que ir a buscar de la librería analog.slb. Otra vez CTRL R para rotar o Edit/Rotate y lo ubicamos en paralelo con R2, click y luego cleck. 7º. Tenemos todos los componentes que necesitamos, ahora los vamos a interconectar. Para ello tenemos otra vez tres caminos: a. Draw/Wire. b. CTRL W. c. Click en 8º. Vemos que cambió la forma de nuestro cursor. Comenzamos con click en el borne superior de la fuente y 2click en R1, al hacer 2click abandonamos el modo “cableado” pero lo retomamos con 2cleck o con la barra espaciadora. Click en el otro extremo de R1 y 2cleck en C1 quedando ya la conexión con R2 o de lo contra-rio conectan R2. Finalmente hacen lo propio con el borne inferior de la fuente, R2 y C1. 9º. Faltan dos componentes: uno es la masa y el otro un indicador local de tensión. Tanto uno como el otro los llamamos como lo hicimos con los otros componentes: uno se llama AGND (de analogic ground) y el otro VIEWPOINT. Por el circuito de muestra ya saben donde posicionarlos. Ahora pueden dedicarse a “jugar” un poco con el circuito, si se ubican sobre cualquier componente y click verán que cambia de color, esto significa que ha quedado seleccionado. Si presionan Del o Supr lo retiran del circuito, si mantienen presionado el click y lo arrastran (drag) lo cambian de posición. Si hacen click en la referencia pueden cambiarla de posición también. Si en lugar de click hacen 2click en la referencia pue-den editarla y cambiar el nombre, si lo hacen sobre el valor pueden modificarlo y si lo hacen sobre el com-ponente mismo entran a la edición del modelo que lo define. Vamos a darle nombre o etiquetas a puntos específicos del circuito: 1º. Hacemos 2click sobre la conexión entre VIN y R1, ante el requerimiento de la caja de texto tipeamos 1 luego OK o Enter. 2º. Lo mismo en la conexión entre R1 y R2 pero tipeamos 2. Luego asignemos una tensión de 10 Voltios a la fuente VIN: 1º. 2click en VIN. 2º. 2click en DC Attribute. 3º. Tipeamos 10V en el Value text box. 4º. Click en Save Attr o Enter. 5º. Click OK. Ya es hora de ir guardando el circuito. Esto es como cualquier otro utilitario de Windows, File/Save As o el iconito del disquete. Póngale cualquier nombre y por defecto se le adiciona la extensión sch. A esta altura ya estamos en condiciones de simular nuestro circuito corriendo el Pspice, y esto se realiza por tres caminos: a. Analysis/Simulate. b. Presionando F11. c. Click en el icono Una vez lanzada la simulación se realiza un ERC (electrical rules check) que verifica condiciones básicas de conexionado, luego se genera un netlist con extensión CIR que vendría a ser lo que antes se debía ingresar en un archivo de texto con todos los datos del circuito. Mientras esto ocurre Pspice abre su propia ventana y va mostrando información de la simulación, lee el archivo extensión CIR y proporciona otro con el mismo nombre pero con extensión OUT. Es posible desde el Schematics analizar el netlist generado y el archivo de salida generado por el Pspice a través de Analysis/Examine Netlist y Analysis/Examine Output respectivamente. El archivo de salida viene a ser como un informe del seguimiento de la simulación. Contiene opcionalmente la estructura del circuito (componentes y nodos), como también los resultados del cálculo del punto de reposo. También se suele incluir algún error de sintaxis en la declaración del netlist o de alguna especificación de la simulación. Se incluyen además errores relevantes y/o mensajes de advertencia. Del análisis del archivo de salida vemos como era de esperarse que la tensión en el nodo 2 es de 5 V debido precisamente al divisor de tensión. Note también que la corriente a través de VIN es negativa. Por conven-ción, Pspice mide la corriente desde el terminal + al terminal - lo opuesto a la convención de circulación de corriente positiva (de aquí que el valor sea negativo).

Note que el indicador local de tensión, que en principio esta en blanco, ahora refleja la tensión del divisor. También podemos verificar visualmente la acción del divisor de tensión mediante un barrido de continua de la fuente de tensión y permitir que PROBE grafique la forma de onda resultante. Para ello realizamos: 1º. Analysis/Setup o click en el icono 2º. Click en el botón DC Sweep. 3º. Deténgase un momento a observar las opciones. Tiene para barrer tensión, corriente, temperatura, pará-metros de modelo y parámetros globales. Por defecto ya está seleccionada una fuente de tensión. El barrido puede ser lineal, por octava, por década y con una lista de valores. Por defecto ya está seleccionado un ba-rrido lineal. 4º. Tiene que escribir donde dice Name el nombre de la fuente que va a barrer por lo que tipea VIN. 4º. Luego tipea el valor de inicio (Start Value) que lo seteamos en 0V (puede tipear 0 o 0V o 0 V). 5º. Seteamos el valor final del barrido como 10V y los incrementos de a 1V. 6º. Al darle el OK al setup dialog vemos que quedó tildada la opción DC Sweep. Otra vez le damos OK. Para correr el análisis ya hemos visto las opciones, simplemente presione F11 o click en el icono apropiado. Antes podría chequear que PROBE correrá automáticamente una vez finalizada la simulación. Para ello Analysis/Probe Setup y verificamos que el casillero de “Automatically Run Probe After Simulation” esté tildado. Ahora sí F11. Luego de la simulación aparecerá la pantalla de PROBE vacía, debemos seleccionar qué on-das queremos visualizar, para ello hacemos: 1º. Trace/Add o Insert o click en 2º. Click en V(1) y V(2) que están listados. La otra opción generalmente más utilizada es la de indicar en el Schematics dónde se desea visualizar las señales, para ello borremos las ondas de PROBE haciendo click en el texto V(1) ubicado debajo del eje x y Shift click en V(2), quedando ambos seleccionados, ahora simplemente Del o Supr. 1º. Vayamos entonces al Schematics (ya sea con ALT-TAB o con Ctrl-Esc), 2º. Seleccionamos Markers/Mark Voltage o simplemente CTRL M. 3º. Click en el conductor 1 y click en el conductor 2. 4º. Cleck para finalizar la colocación de marcadores.

En la próxima corrida de simulación, ya PROBE arranca mostrando las ondas de los puntos con “marcas”. Una impresión de las tensiones V(1) y V(2) se encuentran al final de este trabajo. Si queremos mayor detalle de cada trazo: 1º. Tools/Cursors/Display. 2º. Se disponen de dos cursores que se activan con click y con cleck. 3º. La información de los dos cursores pueden ser: a. De una sola variable, por ej. V(1) si hago click y cleck en el simbolito que está al lado de V(1)

debajo del eje x. b. De las dos variables si hago click en un simbolito y luego cleck en el otro simbolito.

Es posible mover la posición del primer cursor con drag del mouse o con ayuda de las teclas de cursores, mientras que la posición del segundo cursor se puede modificar o con drag o con Shift y tecla de cursor. La información de la posición de los cursores la da un cuadro en el cual en la primer fila se ven las coorde-nadas (x,y) del primer cursor, en la segunda fila las coordenadas del segundo cursor y en la tercer fila la diferencia en x y la diferencia en y:

Es posible visualizar los efectos del divisor resistivo de otras dos maneras: 1º. Borramos como se vio anteriormente las gráficas de V(1) y V(2). 2º. Pulso Ins para seleccionar lo que deseo visualizar y escribo directamente V(1)-V(2). 3º. En Schematics, cuando voy a Markers selecciono Mark Voltage Differential y el primer click será el punto de mayor potencial y el segundo el de menor potencial.

Análisis Transitorio Para realizar este tipo de análisis modificaremos la fuente de tensión de nuestro circuito: 1º. En Schematics click en la fuente VIN. 2º. Edit/Replace y tipee VSRC en Target Part (note que se coloca el nombre técnico de la fuente y no VIN), con Tab se traslada a Replacement y tipea VPULSE (se trata de una fuente que está en la librería sour-

ce.slb). 3º. Click en Keep Attribute Values. Luego OK o Enter. 4º. Click en la nueva fuente y 2click en el cuadrito VIN que es el Reference Designator que lo cambiamos por VPULSE. 5º. 2click en el símbolo de la fuente para editar sus atributos: V1 = 0 (valor inicial del pulso es cero voltio) V2 = 1V (el techo del pulso es de 1 voltio) TD = .1u (el tiempo de retardo del pulso es de 0.1 microsegundo) TR = .01u (el tiempo de crecimiento del pulso es de 0.01 microsegundo) TF = 1u (el tiempo de caída del pulso es de 1 microsegundo) PW = 1 (el ancho del pulso es de 1 segundo) PER = 2 (el período es de 2 segundos) 6º. Asegúrese de hacer click en Save Attr o presionar Enter después de cada cambio. 7º. OK para aceptar las nuevas especificaciones de VPULSE. A pesar de que los nuevos valores ingresados representan un nuevo valor de CC de la onda el programa da crédito a los nuevos valores ingresados sin importar lo que quedó en el renglón DC de VPULSE. 8º. Nuevamente hacemos click en el iconito de Analysis/Setup 9º. Retiramos la x del análisis de DC Sweep y presionamos el botón de Transient. 10º. Tipeamos 50ns en Print Step. 11º. Con Tab nos vamos a Final Time donde tipeamos 5u. Click OK o Enter. Vemos que el análisis mencio-nado quedó automáticamente seleccionado con la respectiva x. Click OK. 12º. Ahora simplemente lanzamos la simulación con F11 o con el iconito La forma obtenida de PROBE se suministra al final del trabajo.

Para la simulación de algunos circuitos es conveniente prolongar el período de análisis Transitorio más allá de lo usual, para el caso por ejemplo del circuito rectificador de media onda o de onda completa, generalmente basta con especificar un tiempo de 50 ms pero en cambio se recomienda prolongar el Final Time a 250 ms a fin de dejar pasar los primeros ciclos del régimen transitorio de la visualización en Probe. A fin de evitar una forma de onda muy "lineal por tramos" se recomienda un Step Ceiling de unos 100 µs. Esto dependerá del tipo de PC en que se esté corriendo la simulación, no es conveniente disminuir demasiado este último parámetro pues la finalización del análisis se demora más de lo necesario. A fin de reconocer fácilmente las magnitudes a visualizar en el Probe se recomienda asignar un nombre a cada nodo importante, supongamos que al circuito rectificador de media onda se le desea asignar la identificación 1 a la entrada de señal, es decir al ánodo del diodo y un 2 en la salida, es decir en el cátodo. Para ello 2click en un tramo de conductor (no en el pin del componente ni de la fuente) y le asigna el nombre. Verificar que en el Schematics menú Options - Display Preferences esté seleccionado la opción Display para Labels. Si se desea visualizar una señal de tensión o corriente de un nodo determinado ni bien arranca el Probe se debe incluir Mark Voltage/Level del menú Markers en los nodos a visualizar. Recordar que para un marcador de corriente se debe colocar dicho marcador en el pin mismo de un componente y no en un tramo de conductor. Supongamos que inicialmente solo deseamos ver la forma de onda de salida. Si se dispuso el análisis transitorio como se recomendó anteriormente se obtendrán muchos ciclos en la pantalla de Probe. Para un análisis inicial del efecto de rectificación, de la caída en los diodos y del efecto del codo en el arranque de la onda es conveniente en el mismo Probe restringir el alcance del eje X como si estuviéramos modificando la base de tiempo de un osciloscopio. Del menú Plot - X Axis Settings marcar User Defined y entrar 50ms en lugar de 250ms. Ahora supongamos que deseamos comparar con la onda de entrada que también sabemos que es de tensión y de una magnitud comparable a la de salida. Del menú Trace - Add o simplemente presionar la tecla Insert. Seleccionar V(1) y podrá superponer las dos ondas con la misma escala vertical. Realizar comparaciones de magnitudes de tensión de pico en cada onda por medio de los cursores, para ello repasar los conceptos en la publicación ya mencionada. Si ahora se desea visualizar la forma de onda de corriente Insert - I(D1) sin embargo al intentar visualizar una señal de corriente sobre otras de tensión se produce una visualización inadecuada de la última señal incorporada por lo que en esta instancia se disponen de dos opciones, se hace click en el identificador de la señal ubicada en el eje X correspondiente a I(D1) y CTRL-X para cortar (debe desaparecer la señal del Probe), del menú Plot - Add Y Axis y a continuación CTRL-V, pegando de esta manera I(D1) sobre un nuevo eje vertical paralelo al original de las dos señales de tensión. La otra opción consiste en separar la pantalla Probe en dos, dejando un par de ejes para visualizar tensión y otro para para visualizar corriente, del menú Plot - Add Plot y allí recién incorporamos I(D1). Ahora Insert y seleccionar AVG de los comandos Functions or Macros, ahora seleccione la magnitud que desea medir, I(D1) por ejemplo. En esta instancia se deberá ampliar la información horizontal a 250ms para dejar pasar el transitorio. Compruebe que si bien la corriente de pico supera el amper, el promedio permite seleccionar un diodo pequeño.

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