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1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 1 PLANO DE ENSINO DE DISCIPLINA Objetivos: Utilização de simuladores e aplicativos para o cálculo e simulação de circuitos eletrônicos e dispositivos. Metodologia: Aulas teóricas, apresentando aplicações em circuitos e dispositivos eletrônicos, e aulas práticas de simulação, utilizando os simuladores MATLAB, MULTISIM e PSPICE. Professor: Prof. MSc. Pedro Luis Benko Coordenador: Prof. Dr. Valter Avelino (prevavelino@fei.edu.br) EL 5620 - Simulação de Circuitos e Dispositivos para Automação Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 2 PROGRAMA DE TEORIA E LABORATÓRIO EL 5620 - Simulação de Circuitos e Dispositivos para Automação Aula 1 - MATLAB programação - comandos de seleção e repetição. Exercícios 1 e 2; Aula 2 - MATLAB na determinação da curvas características e sistemas simbólicos. Exercícios 3 e 4; Aula 3 - MATLAB na determinação de funções matemáticas, operações com matrizes e análise nodal. Exercícios 5 e 6; Aula 4 - MULTISIM na aplicação da lei de Kirchhoff para tensão (LKT). Exercícios 1, 2, 3 e 4; Aula 5 - MULTISIM na aplicação da lei de Kirchhoff para corrente (LKC), análise de formas de onda em osciloscópio virtual e associação de geradores. Exercícios 5, 6, 7 e 8; Aula 6 - Exercícios de revisão de MATLAB e MULTISIM; Aula 7 - Vista da prova P1; Aula 8 - PSPICE na aplicação da lei de Kirchhoff (LKC). Exercício 1; Aula 9 - PSPICE na análise transitória (circuitos RLC). Exercícios 2 e 3; Aula 10 - PSPICE na análise AC e DC (circuitos RLC). Exercícios 4, 5 e 6; Aula 11 - PSPICE na análise de retificadores com filtragem. Exercícios 7, 8 e 9; Aula 12 - Exercícios de revisão de MATLAB, MULTISIM e PSPICE. 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 3 MF = (0,4*P1 + 0,6*P2) * FE P1, P2 = Provas Teóricas FE = Fator de Exercícios (0 a 1,1) CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO - Aluno deve trazer o roteiro experimental impresso (MOODLE); - Relatórios preenchidos na sala de aula e entregues no seu final ; - Critérios de avaliação de relatório: muito bom (1,1); bom (1,0); regular (0,9-0,8); ruim (0,7) - Relatório não realizado, nem reposto, terá nota zero; - FE é a média da avaliação dos 9 relatórios realizados. PROCEDIMENTOS DE LABORATÓRIO EL 5620 - Simulação de Circuitos e Dispositivos para Automação Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 4 BIBLIOGRAFIA - CHAPMAN S. J. – Programação em Matlab para Engenheiros - Editora Cengage Leaming, 2° Ed. - 2011 - JIMMIE J. CATHEY – Dispositivos e Circuitos Eletrônicos – Coleção Schaum, Bookman, 2° Ed. - 2003 - BOYLESTAD L. ROBERT; NASHELSKY L. – Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos - Prentice Hall, 10° Ed. - 2013 - IRWIN J. DAVID – Análise de Circuitos em Engenharia – Makron Books, 7° Ed. - 2003 - RASHID, M. H. – Spice for Circuits and Electronics using PSpice – Prentice Hall, 3° Ed. - 1990 - ORSINI, L. Q. – Circuitos Elétricos – Edgard Blücher – EDUSP - 1990 - SEDRA, A. S. – Microeletrônica – Pearson Education do Brasil, 5° Ed. - 2013 - FORBELONE , A. L. – Lógica de Programação – Makron Books, 2° Ed. – 2000 - FABRIZIO L. – Apostila de Matlab & Simulink – FEI - 1994 (MOODLE) EL 5620 - Simulação de Circuitos e Dispositivos para Automação DISPONÍVEL NO MOODLE: - Roteiros Experimentais do Laboratório (trazer impresso); - Notas de Aula de Teoria; - Exercícios Extras; - Referências de Matlab, Multisim e AIM-Spice 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 5 Utilização de Ferramentas Computacionais importantes no auxílio a solução de problemas de engenharia elétrica MATLAB Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 6 MATLAB - MATrix LABoratory O MATLAB é um sistema interativo cujo elemento básico de informação é uma matriz que não requer dimensionamento. Este sistema permite a resolução de problemas numéricos, utilizando uma linguagem matemática de fácil compreensão, em apenas uma fração do tempo que se gastaria para escrever um programa semelhante numa linguagem de programação clássica. Versão DEMO na URL http://www.matdemo.kit.net/ Alternativa gratuita: FreeMat http://freemat.sourceforge.net/download.html 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 7 Área de Trabalho ( versão R2010a) Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 8 Área de Trabalho 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 9 Área de Trabalho Janela de Comandos Área na qual são digitados os comandos e exibidos os resultados Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 10 Expansão da janela de comandos Área de Trabalho 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 11 Área de Trabalho Diretório Corrente Diretório em uso pela aplicação. Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 12 Área de Trabalho Área de Memória Área de memória na qual são armazenados os resultados das variáveis em execução 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 13 Área de Trabalho Histórico de Comandos Armazena a sequência de comandos digitados na janela de comandos Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 14 Operações com o MATLAB Operações Simples 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 15 Operações com o MATLAB Operações Simples As variáveis são criadas sequencialmente, sem definição prévia Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 16 Operações com o MATLAB O conteúdo de cada uma das variáveis pode ser verificado clicando-se duas vezes sobre a mesma na área de memória (‘workspace’) 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 17 Operações com o MATLAB A parte imaginária de números complexos é indicada por i Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 18 Operações com o MATLAB Criação de arquivos de comandos Uma outra possibilidade de uso do MATLAB é através da edição de arquivos de comando, que são sequências de comandos para serem executas em conjunto. Podem ser editados em qualquer editor de textos ASCII, devendo possuir a extensão .m O MATLAB possui um editor de textos na opção File+New+M-file Comentários podem ser adicionados ao texto colocando-se % no início da linha 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 19 Exemplo de criação de arquivos de comandos Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 20 Operações com o MATLAB Edição de arquivos de comandos no MATLAB • um comando por linha (quando a linha termina em ‘ ; ‘ o resultado não é apresentado na janela de comandos; • comentários podem ser adicionados ao texto colocando-se % no início do comentário (cor verde); • palavras reservadas são representadas em azul; • strings de texto são representadas entre aspas na cor marrom; • erros são apresentados em vermelho; Comandos úteis: >input : solicita ao usuário que forneça algum dado de entrada; >keyboard : transfere o controle para o teclado (pressione ‘return’ para sair); >disp(X) : mostra na janela de comandos o valor de X (que pode ser um texto). 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 21 Operações com oMATLAB Operações Matemáticas O MATLAB possui um amplo conjunto de operações matemáticas com suas variáveis, normalmente referenciadas como em qualquer linguagem de programação. Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 22 abs(x) - valor absoluto de x. acos(x) - arco cujo cosseno é x. asin(x) - arco cujo seno é x. atan(x) - arco cuja tangente é x. cos(x) - cosseno de x. exp(x) - exponencial ex. gcd(x,y) - máximo divisor comum de x e y. lcm(x,y) - mínimo múltiplo comum de x e y. log(x) - logaritmo de x na base e. log10(x) - logaritmo de x na base 10. rem(x,y) - resto da divisão de x por y. fix(x) - trunca parte inteira de x. sin(x) - seno de x. sqrt(x) - raiz quadrada de x. tan(x) - tangente de x. Operações com o MATLAB Exemplos de funções matemáticas disponíveis 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 23 format short - exibe 5 dígitos. format long - exibe 15 dígitos. format rat - exibe no formato racional. format + - exibe positivo, negativo ou zero. format hex - exibe em notação hexadecimal. format bank - exibe 2 dígitos após a vírgula. Operações com o MATLAB Exemplos de formatos de representação de resultados Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 24 Operações com o MATLAB Exemplos de operadores relacionais Os operadores relacionais são utilizados para comparação entre variáveis ou expressões, podendo ser: < Menor (A < B) <= Menor ou igual (A<=B) > Maior (A>B) >= maior ou igual (A>=B) == igual (A==B) ~= diferente (A~=B) 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 25 Comando IF Estrutura: if expressão instrução 1 instrução 2 else instrução 3 instrução 4 end Operações com o MATLAB Comandos de seleção: Condição Inicial Condição Verdadeira? Sequência de Instruções A Sequência de Instruções B S N Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 26 Operações com o MATLAB Problema: Identificar se um número fornecido pelo usuário é par ou ímpar. Exemplo de comando IF 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 27 Comando WHILE Estrutura: while expressão instrução 1 instrução 2 : : end Operações com o MATLAB Comandos de repetição: Condição Inicial Condição Verdadeira? Executa Sequência de Instruções Fim S N Modifica Condição Inicial Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 28 Operações com o MATLAB Exemplo de comando WHILE Problema: Gerar uma sequência decrescente de números inteiros, com intervalo 2, a partir de um número fornecido pelo usuário. 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 29 Operações com o MATLAB Comando FOR Estrutura: for variável = início:passo:fim instrução 1 instrução 2 : end Inicia variáveis de controle: INICIO (J=0) PASSO (PASSO=1) FIM (J=10) Executa Sequência de Instruções INICIO J FIM? Fim N S Modifica variável de controle (J = J + PASSO) Comandos de repetição: Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 30 Operações com o MATLAB Exemplo de comando FOR Problema: Gerar uma sequência decrescente de números inteiros, com intervalo 2, a partir de um número fornecido pelo usuário. 16 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 31 Exercício 1 - Simular a execução do programa abaixo supondo que seja digitado o valor 5 pelo usuário % Comando para a entrada de valores via teclado % NUMERO = input( ‘Digite o número desejado: ’); for I=1:1:NUMERO ; % Inicio=1, Passo=1, Fim=NUMERO % FI=5 * I; IN= FI - 4; for J= IN:1:FI - 3 % J=IN, Passo=1, Fim=FI-3 % X= J * NUMERO; end end Operações com o MATLAB Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 32 Exercício 1 - Solução NUMERO I FI IN J X 5 1 5 1 1 5 Operações com o MATLAB 17 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 33 Exemplo de arquivo de comandos do exercício 1 Operações com o MATLAB Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 34 Depuração (Debug) de arquivos de comandos • uso de breakpoints para parada da sequência de comandos; • comandos de auxílio à depuração: > dbcont (F5) : continua sequência; > dbstep (F10) : sequência passo a passo; > dbquit : aborta depuração. Operações com o MATLAB 18 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 35 Exemplo de Depuração do Exercício 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 36 Numero = input ('Digite o Numero: '); % Entrada do valor B = 0; while Numero > 0 B=B*10 + mod (Numero,10) % Comando mod seleciona o resto da divisão Numero=fix (Numero/10) % Comando fix seleciona a parte inteira end 2.3 Qual a função executada pelo programa? 2.4 Funciona para qualquer número real? Justifique sua resposta. Exercício 2 -Simular a execução do programa abaixo utilizando como entrada os quatro dígitos do n° de matrícula 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 1 Comandos úteis para geração de gráficos • t=ini:passo:fim : vetor tempo variando de ini a fim, em intervalos iguais a passo (exemplo: t=0:0.25:10); • plot (x,y) : desenha gráfico de x (eixo horizontal) contra y (eixo vertical (exemplo: para desenhar o valor do seno em função da variável t : y=sin(t); plot(t,y)); • plot(t,y,t,z) : desenha simultaneamente os gráficos de y e z em função de t (para girar 90° basta mudar ordem dos argumentos, como por exemplo: plot(y,t,z,t)); • plot(x,y,’corlinhamarcador’) : define cor, estilo de linha e marcador para o gráfico, conforme símbolo indicado. Exemplos de símbolos: Cor: ‘b’: azul, ‘g’: verde, ‘r’: vermelho, ‘y’: amarelo, ‘k’: preto; Tipo de Linha: ‘-’: contínua, ‘:’: pontilhada; ‘--’: tracejada; Marcador: ‘o’: círculo, ‘x’: x; ‘*’: estrela, ‘s’: quadrado. Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 2 • xlabel (‘nome da variável x’) : adiciona nome ao eixo horizontal; • ylabel (‘nome da variável y’) : adiciona nome ao eixo vertical; • title (‘nome do título’) : adiciona uma linha de texto no topo do gráfico; • semilogx(x,y) : desenha o eixo x em escala logarítmica e o eixo y em escala linear; • semilogy(x,y) : desenha o eixo y em escala logarítmica e o eixo x em escala linear; • ezplot(f, [min max]) : desenha a função simbólica f(x) sobre o domínio min< x < max (se o argumento [min max] não é especificado o desenho utiliza o domínio padrão: -2π < x < +2π ). Comandos úteis para geração de gráficos 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 3 Problema: Desenhar gráfico de Sen(t) e Cos(t). O intervalo de plotagem (0-T) e o número de pontos do gráfico devem ser definidos pelo usuário. Exemplo de Geração de Gráfico Seno/Cosseno Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 4 Resultados para T= 10 rad e 50 pontos de plotagem: Exemplo de Geração de Gráfico Seno/Cosseno 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 5 Utilização do MATLAB em circuitos eletrônicosExemplo: Diodo Id >> 0 P N A K Io 0 A K P N Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 6 Aplicação do diodo em circuito de retificação de tensão Utilização do MATLAB em circuitos eletrônicos 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 7 Obtenção da curva característica de um diodo em função da tensão aplicada 1eII kT qV 0D E ID VE ID VE I0 Curva ID x VE de um diodo ideal A K Utilização do MATLAB em circuitos eletrônicos Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 8 Exercício 3 - Desenhar a curva característica de corrente de um diodo em função da tensão aplicada (-0,25V< Ve < 0,8V), com precisão de 10mV Definir valor das constantes da equação: Id = Io (e (q.VE)/(η.k.T) - 1) Io = 10-14 [A] q = 1.6 x 10-19 [C] η = 1.1 k = 1.38 x 10-23 T = 300 [K] Variar VE entre -0,25 e 0,8V em intervalos de 0,01V Estruturar o fluxograma de atividades: Para cada valor de VE calcular Id; Armazenar valor de Id para cada VE Calculados todos os valores de Id? S N Desenhar gráfico VE x Id 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 9 Exercício 3 - Arquivo de Comandos Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 10 Gráfico, em escala linear, de Id x Ve (-0,25V< Ve < 0,8V) 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 11 Gráfico, em escala logarítmica, de Id x Ve (-0,25V< Ve < 0,8V) Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 12 Exercício 4 - Estudar o efeito do fator de idealidade (1<η<2) sobre a resposta do diodo polarizado em ponto fixo de trabalho (Ve=0,8V) Definir valor das constantes da equação: Id = Io (e (q.VE)/(η.k.T) - 1) Io = 10-14 [A] q = 1.6 x 10-19 [C] VE = 0.8V k = 1.38 x 10-23 T = 300 [K] Variar η entre 1 e 2 em passos de 0,1 Estruturar o fluxograma de atividades: Para cada valor de η calcular Id; Armazenar valor de Id para cada η Calculados todos os valores de Id? S N Desenhar gráfico η x Id 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 13 Exercício 4 - Arquivo de comandos Id Id % Id = vetor com a corrente no diodo % FI = vetor com o fator de idealidade Id Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 14 Gráfico, em escala linear, de Id x η (1<η<2) 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 15 Gráfico, em escala logarítmica, de Id x η (1<η<2) 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 1 Utilização do MATLAB em circuitos elétricos Sistemas Simbólicos Capacidade do MATLAB em resolver simbolicamente (sem a substituição de valores numéricos) expressões matemáticas, tais como derivadas, integrais, polinômios, ... Exemplo: Realizar a derivada simbólica da função polinomial 1x3x)x(f 23 x6x3 dx )x(df 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 2 Exemplo de comandos na linguagem do MATLAB: Inicialmente, define-se a variável x como simbólica (neste caso o símbolo da variável x é a letra “r”) Insere-se a função f(x) O comando ezplot(f) é utilizado para a obtenção de gráficos de funções simbólicas Função simbólica f(x) 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 3 Gráfico da solução de f no intervalo padrão (-2π < x < +2π) Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 4 Para determinar outro intervalo de interesse deve-se utilizar ezplot(f, [0 10]), definindo, neste exemplo, o intervalo [0 10] para x 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 5 Principais funções disponíveis no modo simbólico: sym(‘x’) - definição do símbolo x diff(f,x) - derivada da função f int(f) - integral da função f solve(f) - obtém as raízes da função f solve(f,b) - resolve a função f em relação a variável b subs(f,var,valor) - substitui valor em var e determina f É importante notar que os resultados obtidos no modo simbólico correspondem a símbolos! Para se obter o valor numérico de um símbolo pode-se utilizar a função de substituição (subs). Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 6 Exemplo1: Considere que: 2x dx )x(df b Substitui valor 2 em x, calcula d=diff(x) e atribui resultado à variável b Solicita a diferenciação de f(x) em relação a variável x e atribui resultado à variável d Transformar o valor simbólico de b em valor numérico Define variável x como simbólica Define função simbólica f(x) 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 7 Exemplo: Desenhar a função: f(x) = x4 + x3 - 5*x2 + x +1 Obter sua derivada, integral e valor da derivada para x=2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 8 Exercício 5: Desenvolver um programa em MATLAB utilizando a representação simbólica para resolver a equação: F(x) = 5.x3 +3.x2 – 2.x +6 para um valor x fornecido pelo usuário. Considerar as seguintes restrições: O valor inserido pelo usuário (via teclado) deve estar na faixa de -10 a 10. Se o valor fornecido pelo usuário estiver fora da faixa -10 ≤ x ≤ 10 o cálculo não deve ser executado e uma mensagem deve informar o erro ao usuário, solicitando que novo valor seja fornecido. O cálculo só deve ser executado para valores de x dentro da faixa. 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 9 Exercício 5 – Solução: Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 10 Operações com Matrizes A criação de matrizes no MATLAB é extremamente simples, bastando colocar os elementos entre colchetes. Os elementos de cada coluna são separados por vírgulas e os elementos das linhas devem ser separados por ponto e vírgula. Criação de matrizes 987 654 321 A Comando MATLAB 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 11 Comandos para operações com matrizes: >> A(1 , 2) Responde com o elemento da linha 1, coluna 2 da matriz A >> A( : , 2) Responde com os elementos da coluna 2 da matriz A >> A( 1 , : ) Responde com os elementos da linha 1 da matriz A >> inv(A) Responde com a inversa da matriz A Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 12 Exemplos de comandos MATLAB com Matrizes 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 13 As matrizes podem ser facilmente concatenadas >> B=[A,[10;20;30]] Cria a matriz B, com as mesmas colunas da matriz A, mais a coluna com os números 10,20 e 30. 30987 20654 10321 B >> C=[A;[10,20,30]] Cria a matriz C, com as mesmas linhas da matriz A, mais a linha com os números 10,20 e 30. 302010 987 654 321 C Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 14 As operações com matrizes são similares às realizadas com escalares >> D=3*A Cria a matriz D, com as mesmas características da matriz A, porém com elementos multiplicados por 3. 272421 181512 963 D >> E=C*A Cria a matriz E, com o produto das matrizes C e A. 420360300 150126102 968166 423630 E 8Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 15 Operadores Relacionais Os operadores usados para comparação de duas matrizes com as mesmas dimensões são expressos por: < Menor <= Menor ou igual > Maior >= maior ou igual == igual ~= diferente A comparação é feita entre os pares de elementos correspondentes e o resultado é uma matriz composta de números um (1) e zero (0), representando respectivamente VERDADEIRO e FALSO. Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 16 Utilização do MATLAB em análise de circuitos Análise Nodal j1 j2 j3 1a. Lei de Kirchhoff (LKC): n [ ± jk (t) ] = 0 k = 1 Convenção: jk positivo se a corrente sai do nó jk negativo se a corrente entra no nó -j1- j2 + j3 = 0 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 17 j1 j2 j3 nó 1 nó 2 nó 3 j4 j5 j6 Para mais nós: -j1- j2+ j3=0, para o nó 1 j1- j4- j6=0, para o nó 2 j2+ j4- j5=0, para o nó 3 ~ j o vetor de correntes de ramo: 6 5 4 3 2 1 ~ j j j j j j j Sendo Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 18 Na forma matricial, consideram-se os coeficientes associados a cada uma das correntes dos ramos (matriz Aa) i1 i2 i3 nó 1 nó 2 nó 3 i4 i5 i6 Matriz de Incidência 0 1- 1 0 1 0 1- 0 1- 0 0 1 0 0 0 1 1- 1- Aa ramos do circuito i1 i2 i3 i4 i5 i6 nós do circuito 1 2 3 j1 j2 j3 nó 1 nó 2 nó 3 j4 j5 j6 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 19 Logo, na forma matricial: ~~ a 0.A j Vetor nulo 0 1- 1 0 1 0 1- 0 1- 0 0 1 0 0 0 1 1- 1- ~ 6 5 4 3 2 1 0 j j j j j j Pois a somatória das correntes que chegam e saem do nó é nula! j1 j2 j3 nó 1 nó 2 nó 3 j4 j5 j6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 20 Tomando-se um nó como referência: Aa A 1- 0 1- 0 0 1 0 0 0 1 1- 1- A Assim, na forma matricial, a LKC pode ser escrita como: ~~ 0A. j Elimina-se uma linha da matriz para obter-se a matriz de incidência reduzida: A 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 21 Considerando-se as tensões nodais: vk A relação entre as tensões nodais (ei), a tensão de ramo (vk) e a corrente de cada ramo (jk) segue a convenção do receptor. ei jk Gk ef kkfi k k vGee R j . 1 Condutância As tensões nodais (ei) são as tensões medidas entre cada um dos nós e o nó de referência. j1 j2 j3 nó 1 nó 2 j4 j5 j6 e1 e2 R2 R4 R1 nó de referência Atenção: Em análise nodal usualmente utilizam-se condutâncias (no lugar de resistências) por facilidade de notação. Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 22 Exemplo de Análise Nodal (malha de 3 nós): -j1- j2+ i3=0, para o nó 1 j1- j4- i6=0, para o nó 2 1 - Adota-se o nó 3 como nó de referência; 2 - Numeram-se os nós e definem-se as tensões nodais (e1 , e2 ); 3 - Aplica-se a LKC, resultando: 4 - Eliminam-se as correntes desconhecidas utilizando-se a convenção do receptor (considerar que i3 e i6 são conhecidas); -(e2 -e1).G1 -(0 -e1).G2 + i3 = 0, para o nó 1 (e2 -e1).G1 -(0 -e2).G4 - i6 = 0, para o nó 2 Rearranjando: -e2.G1 +e1.G1 +e1.G2 = - i3 e2.G1 -e1.G1 +e2.G4 = + i6 6 3 2 1 411 121 i i e e GGG GGG Matricialmente: j1 j2 i3 j4 i5 i6 e1 e2 G2 G4 G1 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 23 1 – A diagonal da matriz contém a somatória das condutâncias que estão ligadas ao nó em questão (termos com i=j); 2 – Os demais elementos da matriz correspondem ao negativo das condutâncias existentes entre os nós i,j (com ij); 3 – O vetor isn corresponde ao inverso do vetor is (inversão de referências: neste caso a corrente que entra no nó é positiva). Portanto, para montar a Equação Matricial da Análise Nodal: ~ sn ~ n ie.G De forma geral : (para redes resistivas lineares) “Lei de Ohm generalizada” Matriz das condutâncias Vetor das fontes de corrente Vetor das tensões nodais Lei de Ohm generalizada Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 24 G1 G2 G4 iS1 iS3 iS2 G6 G5 G3 e1 e2 e3 3s2s 3S1S 3 2 1 53253 56544 34431 ii 0 ii e e e GGGGG GGGGG GGGGG Exemplo: Montar a equação matricial da análise nodal do circuito: 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 25 Preparativos 1 – Definir um nó de referência; 2 – Numerar os nós arbitrariamente e definir as tensões nodais (incógnitas iniciais). Análise Nodal Clássica: 3 – Aplicar a LKC; 4 – Eliminar as correntes desconhecidas substituindo essas correntes pela relação entre a condutância e as tensões nodais de cada ramo (conforme convenção do receptor); 5- Determinar as tensões nodais resolvendo o conjunto de equações. Processo de Análise Nodal (para redes resistivas lineares genéricas) Análise Nodal com Matlab: 3 – Montar a matriz Gn e o vetor Isn por inspeção do circuito; 4 – Descrever no Matlab a matriz Gn e o vetor Isn ; 5 – Determinar as tensões nodais resolvendo no Matlab a equação: e = [Gn ] -1 . Isn Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 26 Exercício 6 - Determinar as tensões e1,e2 e e3 (para t = 1s) 10 [S] 2 [S] 10 cos10t [A] e1 e2 e3 3 [S] 8 [S] 5 [S] 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 27 t10cos10 0 t10cos10 e e e 3830 33522 02210 3 2 1 Para obter-se e1 (regra de Cramer): t10cos8134,0 1168 t10cos950 1130 3102 0212 Det 113t10cos10 3100 02t10cos10 Det e1 Exercício 6 - Solução Analítica Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 28 Exercício 6 - Solução com Matlab 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 29 1 [S] 4 [S] 10.cos10t [A] e1 e2 e3 3 [S] 2 [S] 5 [S] 5.cos10t [A] 2.sin10t [A] 10 [S] Exercício Adicional - Determinar as tensões e1,e2 e e3 (para t=10s) Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 30 t t t e e e 10sin2 10cos5 10cos10 1053510 55424 1041041 3 2 1 Obtêm-se e1 , e2, e3 (utilizando-se a regra de Cramer): 10t1 663,2 807 t10sin260t10cos2340 18510 5114 10415 Det 185t10sin2 511t10cos5 104t10cos10 Det e Exercício Adicional - Solução Analítica 16 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 31 10t2 356,2 807 t10sin230t10cos2070 18510 5114 10415 Det 18t10sin210 5t10cos54 10t10cos1015 Det e 10t3 190,2 807 t10sin298t10cos1875 18510 5114 10415 Det t10sin2510 t10cos5114 t10cos10415 Det e Exercício Adicional - Solução Analítica Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 32 Fluxograma de atividades para cálculo de e(t) utilizando o Matlab: Definir Matriz Gn Calcular e imprimir e(t) para t=10; Gerar gráficos de e1(t), e2(t) e e3(t); Definir vetor Isn (t); Definir variável simbólica ‘t’ Calcular e(t) = Gn -1. Isn(t); Escrever a equação nodal no formato matricial: ~ sn ~ n ie.G Exercício Adicional - Solução com Matlab 17 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 33 Resolver no caderno !!! Exercício Adicional - Solução com Matlab Representar as equações nodais no formato matricial Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 34 Exercício Adicional - Arquivo de Comandos do Matlab 18 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MATLAB 35 Exercício Adicional - Resultados na Janela de Comandos 1 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Simulação de Circuitos MULTISIM - Simulation & Capture O MULTISIM é composto de um conjunto de ferramentas (aplicativos) de EDA (Electronic Design Automation) que permitem o desenho de diagramas esquemáticos, simulação de circuitos analógicos e digitais, elaboração de leiaute e projeto detalhado de placas de circuito impresso. Neste curso abordaremos apenas os recursos de desenho de diagramas esquemáticos e simulação dos circuitos resultantes. EL 5620 - Simulação de Circuitos e Dispositivos para Automação MULTISIM - Versão 7.0 Software de propriedade da Electronics Workbench (National Instruments Company) Versão FREE: MultiSIM BLUE (http://www.mouser.com/multisimblue/support/support/getting-started) 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Nesta área desenham-se e simulam-se os mais diversos tipos de circuitos eletrônicos possibilitando o uso de geradores de sinais e instrumentos de medida Barras de Ferramentas (padrão Windows) Edição de gráficos Análise Simulação Seleção de Componentes Seleção de Instrumentos Área de trabalho 2 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Tipos de circuitos que podem ser simulados 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Componentes Discretos (resistores, capacitores, indutores) Fontes de Alimentação Componentes Digitais (portas lógicas, registradores, biestáveis) Dispositivos Semicondutores (diodos, transistores) Dispositivos Indicadores Tipos de componentes disponíveis 3 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Instrumentos Multímetro Gerador de funções Osciloscópio Analisador lógico Tipos de instrumentos disponíveis 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Instrumentos Osciloscópio Duplo “Click” Gerador de funções Multímetro Analisador lógico Parametrização de instrumentos 4 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Instrumentos Osciloscópio Duplo “Click” Gerador de funções Multímetro Duplo “Click” Analisador lógico Parametrização de instrumentos 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Componentes reais (valores fixos) - Para projeto final Componentes virtuais (valores ajustáveis) - Para testes Seleção de tipos de componentes 5 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Alteração do valor: clicar duas vezes sobre o componente → abertura de uma outra janela que permite a alteração do valor, do nome, etc. Posicionamento do componente (botão direito do mouse) Posicionamento de componentes 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Diversas famílias de componentes: Chaves, motores, acopladores ópticos, transformadores, displays, etc. Tipos de chaves Seleção de componentes eletromecânicos 6 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Acionamento da chave feito pela barra de espaço Seleção da tecla de comando Parametrização de chaves de comando 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM - Interligação de componentes: “click” no pino de origem e “click” no pino de destino (Esc cancela comando); - Interligação virtual: atribuir nomes iguais a nós distintos. É OBRIGATÓRIO definir o ponto de GROUND (referência de tensão zero todas para as medidas de tensão do circuito) Experiência 1 – Medida de Tensões e Correntes 7 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Seleção do voltímetro (V) Seleção do amperímetro (A) Duplo “Click” Duplo “Click” Experiência 1 – Medida de Tensões e Correntes 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Disparo e Parada da Simulação Tempo de simulação Experiência 1 – Medida de Tensões e Correntes 8 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Experiência 2 – Medida de Divisor de Tensões 16 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Experiência 3 – Aplicação com Chave Push Botton 9 17 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM 47Ω X% Experiência 4 – Aplicação com Potenciômetro 1 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Aplicações em Análise Nodal • Utilização da Lei de Kirchhoff para tensão (LKT) na determinação das correntes de malha. 2a. Lei de Kirchhoff (LKT) : l [ ± vi (t) ] = 0 i = 1 vi positivo se segue a orientação da malha; vi negativo se oposto à orientação da malha; vk A relação entre a orientação da tensão de ramo e a corrente de ramo segue a convenção do receptor ei ik Rk ef kkkfik RvReei // v1 v2 v3 v4 v5 I i1 i2 i5 i3 i4 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM V1 24V R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1 I2 2a. Lei de Kirchhoff (LKT) : l [ ± vi (t) ] = 0 i = 1 VR1 VR2 VR5 VR4 VR3 j1 j5 j2 j4 j3 Experiência 5 – Utilizando a Lei de Kirchhoff para tensão (LKT) determinar as correntes de malha 2 3 Simulação deCircuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Aplicando-se a 2a. Lei de Kirchhoff, no primeiro laço, teremos : - I1R1 - (I1-I2)R4 - I1R2 + V1 = 0 I1(R1 + R2 + R4) - I2R4 = V1 Portanto as equações necessárias para a solução do circuito são: I1(R1 + R2 + R4) - I2R4 = V1 -I1R4 + I2(R3 + R4 + R5) = -V2 - VR1 - VR4 - VR2 + V1 = 0 Aplicando-se a 2a. Lei de Kirchhoff, no segundo laço, teremos : - V2 - I2R5 - I2R3 + (I1-I2)R4 = 0 -I1R4 + I2(R3 + R4 + R5) = -V2 - V2 - VR5 - VR3 + VR4 = 0 Solução da Experiência 5 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Em forma matricial teremos : Substituindo os valores das resistências e das tensões teremos: (R1+R2+R4) -R4 I1 V1 -R4 (R3+R4+R5) I2 -V2 = 8 -2 I1 24 -2 9 I2 -36 = Resolvendo-se as equações: I1= 2,1176 A I2= -3,5294 A Regra de Cramer 24 - 2 8 24 -36 9 -2 -36 I1= I2= 8 -2 8 -2 -2 9 -2 9 Solução da Experiência 5 3 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Simulação da Experiência 5 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Simulação da Experiência 5 IV1 IV2 IR2 VR2 IR4 IR5 VR4 VR5 4 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Posição Horizontal Ajuste da escala de tempo (Sensibilidade Horizontal) Posição Vertical Ajuste da escala de amplitude (Sensibilidade Vertical) Experiência 6 – Aplicação com Instrumentos (Geradores e Osciloscópio) 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Experiência 7 – A partir das medidas do osciloscópio determine a amplitude e a frequência dos geradores V1 e V2 5 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM As saídas do gerador de funções equivalem a dois geradores em contra-fase (com Offset individual para cada gerador referenciado ao pino Common) Experiência 8 – Determinar as formas de onda na tela do osciloscópio 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM • Determinar o valor da amplitude pico-a-pico e frequência dos geradores V1, V2 e V3. Considerar que os geradores senoidais (V1 e V3) tem tensão média nula e que os cursores 1 e 2 estão nos picos máximo e mínimo das formas de onda. 1KΩ 1KΩ 823.0 us -50 V 75 V 8.323 ms 100 V -25 V 7.500 ms 150 V -100 V Experiência 9 – Composição de formas de onda 6 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM Experiência 9 – Composição de formas de onda 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: MULTISIM VA VB Experiência 9 - Solução 1 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Simulador concebido no início da década de 60 na Universidade da Califórnia - Berkeley, E.U.A. Permite a simulação de circuitos elétricos e eletrônicos, a partir da utilização de modelos avançados dos componentes Simulador padrão adotado por grandes companhias (IBM, Intel...) para a simulação de circuitos Programa fonte disponível na UC-Berkeley EL 5620 - Simulação de Circuitos e Dispositivos para Automação 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Os diferentes fabricantes adicionam atrativos ao programa fonte SPICE, comum a todos eles, tais como, ferramentas de visualização, posicionamento em placas de circuito impresso... Pacote Universitário: PSPICE Possibilita a simulação de um circuito com poucos nós em PCs. Atualmente, propriedade da OrCAD 2 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Por razões de praticidade, utilizaremos no curso o PSPICE fornecido pela AIM-SPICE, disponível na página (www.aimspice.com) Outras opções podem ser obtidas de outros fabricantes, com diferentes possibilidades. Independentemente da opção, todos os simuladores SPICE funcionam de forma compatível à apresentada neste curso. 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Conceitos Gerais Todos os elementos do circuito (resistores, capacitores, transistores, fontes de alimentação...) são tratados a partir da numeração aleatória de nós O circuito é convertido pelo simulador em uma matriz de nós Cada um dos elementos do circuito possui modelos (equações) que descrevem seu funcionamento. A precisão da solução obtida e sua correlação com a realidade depende da correta seleção dos modelos e também do fornecimento de parâmetros adequados para estes modelos pelo usuário 3 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Janela de Edição de Circuitos Janela de Análise de Circuitos Áreas de Trabalho 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Comandos na Barra de Ferramentas (área de Edição) Salva Circuito Abre Circuito Novo Circuito Cola Copia Corta Imprime Ponto de Operação Polos e Zeros Função de Transferência Análise Transitória Análise de Ruído Ajuda Curva de Temperatura Análise DC Análise AC Barra de Ferramentas – Edição de Circuitos 4 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Comandos na Barra de Ferramentas (área de Análise) Salva Gráficos Seleciona Variáveis Inicia Simulação Ajuda Zoom Sai do Modo de Análise Paraliza Simulação Barra de Ferramentas – Análise de Circuitos 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Arquivo de comandos: tipo texto com terminação .CIR A primeira linha é considerada como título; Linhas de comentários devem ser precedidas de * no início da linha; Comentários em linha de comando devem ser precedidos de ! antes do texto; Linhas de comando podem ser continuadas colocando-se um sinal de + no início da linha subsequente; Os nós do circuito podem ser numerados aleatoriamente, excetuando-se o 0, que é utilizado para indicar Terra (GND). Edição de Arquivos de Comando 5 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE F = 1E-15 P = 1E-12 N = 1E-9 U = 1E-6 M = 1E-3 K = 1E3 MEG = 1E6 G = 1E9 T = 1E12 Representação de Potências 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE RXXX N1 N2 <Valor []> 3 4 R1=100 R1 3 4 100 Exemplos: 2 0 R5=1K5 R5 2 0 1.5K Especificação de Componentes - Resistor 6 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE CXXX N+ N- <Valor [F]> < IC = condições iniciais> Exemplo: C5 2 5 10U IC=3 2 5 C5=10F V0=3 V + - Especificação de Componentes - Indutor LXXX N+ N- <Valor [H]> < IC = condições iniciais> Exemplo: L2 10 7 30N IC=15.7M 10 7 L2=30nH I0=15.7mA + - Especificação de Componentes - Capacitor 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Tensão: Corrente: VXXX N+ N- <<DC> Valor> <AC < Mag <Fase>>> IXXX N+ N- <<DC> Valor> <AC < Mag <Fase>>> Análise DC /TR Análise AC Valor usado na Análise DC ou Transitória Amplitude e Fasepara Análise AC ATENÇÃO: A corrente da fonte é positiva quando esta flui do nó positivo (N+) , através da fonte, até o nó negativo (N-) VIN 13 2 AC 1 0 VCC 10 0 DC 5 VCC 10 0 5 I2 25 37 500U Exemplos: 10 0 VCC 5V + - +I 25 37 I2 500uA + - 13 2 VIN 1Vac 0° + - ~ Especificação de Componentes – Fontes de Energia 7 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Circuito Simples (idêntico ao utilizado nas aulas de Multisim) Obter as tensões nodais e as correntes de malha V1 24V R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1 I2 I1= +2,1176 A I2= -3,5294 A Descrição de Circuitos – Exemplo de Duas Malhas 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Numerar TODOS os nós do circuito (incluir nó Zero) V1 24V R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1 I2 I1= +2,1176 A I2= -3,5294 A 1 2 3 4 5 0 Descrição de Circuitos – Numeração de Nós 8 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE V1 24V R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1=2,12A I2=-3,53A 1 2 3 4 5 0 I(v2) I(v1) + + - - Descrição no AIM-SPICE 16 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Para determinar as tensões e correntes quiescentes, basta selecionar o botão OP na barra de tarefas do AIM-SPICE São apresentadas as tensões de cada um dos nós do circuito, além das correntes que fluem pelas fontes de alimentação (observar o sentido das correntes) V1 24V R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1=2,117A I2=-3,529A 1 2 3 4 5 0 I(v2) I(v1) + + - - Análise de Ponto de Operação (OP) 9 17 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Como a análise OP do AIM-SPICE só fornece as correntes que passam por fontes de tensão então uma estratégia para medir a corrente em qualquer ramo consiste em inserir em série com um elemento desse ramo uma fonte de tensão DC com valor zero, posicionada de modo a obter a corrente no sentido adequado. Exemplo: No circuito abaixo deseja-se obter a corrente na resistência R4, no sentido indicado. IR4 I(VR4) IR4 Medição de Correntes em Ramos Específicos 18 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Observar que é necessária a inclusão de novo nó no circuito (neste caso o nó 5) e que a fonte de tensão VIR4 foi posicionada de modo que a corrente fornecida pelo AIM-SPICE (I(VR4)) está no mesmo sentido da corrente desejada (IR4) . Descrição do circuito com comandos do AIM-SPICE: Medição de Correntes em Ramos Específicos 10 19 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Como a análise OP do AIM-SPICE só fornece as tensões nodais relativas ao nó de referencia (nó zero) então a estratégia para medir a diferença de tensão em qualquer ramo consiste em inserir em paralelo com o ramo um gerador vinculado de tensão controlado pela tensão desse ramo, posicionado de modo a obter a tensão no sentido adequado na saída do gerador vinculado (saída do gerador deve ter como referência o nó zero). Note que pode ser utilizado um fator de ganho de tensão na saída do gerador vinculado. Gerador Vinculado de Tensão: EXXX NVo+ NVo- NC+ NC- <AV> Eo Vc Eo = AVxVc X Medição de Tensões em Ramos Específicos 20 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Exemplo: No circuito abaixo deseja-se obter a tensão na resistência R4 (entre os nós 1 e 2). Neste caso, deseja-se medir essa tensão com ganho 10. Para isso é inserido um gerador de tensão vinculado (E1), controlado pelos nós 1 e 2 (V(1) – V(2)) gerando a tensão desejada no nó 5. VR4 VR4 V(5) = E1 = 10 xVR4 E1 Medição de Tensões em Ramos Específicos 11 21 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Descrição do circuito com comandos do AIM-SPICE: Medição de Tensões em Ramos Específicos 22 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Exercício 1: Utilizando o AIM-SPICE determinar as correntes de malha: I1 e I2, a corrente IR4 e as tensões VR1, VR4 e VR5 (nos sentidos indicados). V1 24V R1 2ohm V2 36V R2 4ohm R3 2ohm R4 2ohm R5 5ohm I1 I2 1 2 3 4 5 0 VR1 VR4 VR5 IR4 1 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE SIN ( V0 VA FREQ TD THETA) Valor Inicial (Offset) Amplitude Frequência Atraso Amortecimento Exemplo: IB 3 0 SIN(2 2 5 1S 1) IB=2+2.sen(2..5.(t-1)).e-(t-1).1 V=V0 + VA*SIN(2*π*F*T)*e(-T*θ) para T>TD TD=1s 1/FREQ=200ms IBmax= 0,37.IA + I0 IA=2 Gerador de Forma de Onda Senoidal 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE PULSE ( I1 I2 TD T1 T2 PW PER) Valor Inicial (Offset) Valor de Pico Tempo da Transição 1 Atraso Largura Tempo da Transição 2 Período Exemplo: IB 2 0 PULSE(1 5 1S .1S .4S .5S 2S) TD=1s I1=1 I2=5 PW=500ms PER=2s T1=100ms T2=400ms Gerador de Forma de Onda Pulsada 2 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Variação de fonte de tensão ou corrente contínua Selecionada pelo comando .DC .DC SNAME VSTART VSTOP VINCR …. .DC VIN 0 5 0.5 .DC VDS 0 10 0.5 VGS 0 5 1 .DC vds 0 5 0.1 Exemplos: Nome da Fonte Tensão Inicial Tensão Final Incremento AIM-Spice (Análise DC) Análise de Tensão ou Corrente Contínua (DC) 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Variação de frequência de fonte alternada Selecionado pelo comando .AC .AC DEC ND FSTART FSTOP OCT NO LIN NP Frequência Inicial Frequência Final Modo de variação da frequência (Décadas/Oitavas/Linear) Número de pontos (por década, oitava ou total) Exemplos: .AC LIN 1000 1 1K .AC OCT 100 1 10K .AC DEC 200 1 10G AIM-Spice (Análise AC) Análise de Tensão ou Corrente Alternada (AC) 3 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Análise Transitória (TR) Variação de tensão ou corrente em função do tempo Selecionado pelo comando .TR .TRAN TSTEP TSTOP TSTART TMAX UIC Passo Inicial Passo Máximo Exemplos: .TRAN 10N 50U .TRAN 10M 2 0 50M UIC .TRAN 2N 200N UIC Tempo Final Início do Gráfico Utilização de Condições Iniciais AIM-Spice (Análise TR) 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE V1 24V R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1 I2 1 2 3 4 5 0 Executar a simulação do mesmo circuito utilizado anteriormente, porém utilizando no lugar de V1 uma fonte variável de 0 até 24 V (passos de 0,5 V) Exercício 2 - Análise DC 4 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Configuração da variação da tensão V1 Para executar a análise DC basta selecionar o botão DC na barra de tarefas do AIM-SPICE e selecionar os parâmetros da fonte desejada (fonte V1, variando de 0 a 24V, compassos de 0.5V) Exercício de Análise DC – Parametrização da Análise 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Para completar a Análise DC deve-se selecionar as variáveis a serem representadas no gráfico (na janela de análise). Neste caso as correntes nas fontes V1 e V2 ( I(v1) e I(v2)). Seleção da(s) variável(is) apresentada(s) no gráfico de saída Exercício de Análise DC – Definição do Gráfico 5 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Inicia Simulação Resultado da simulação para as correntes nas fontes V1 e V2 em função da variação da tensão V1. Exercício de Análise DC – Simulação 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Inicia Simulação Ajuste das escalas do gráfico (botão direito do mouse) Ajuste das escalas vertical e horizontal do gráfico (botão direito do mouse) Exercício de Análise DC – Ajustes na Apresentação 6 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Visualização da Tabela de Dados (View/Results from last Simulation) Visualiza resultados da última simulação Exercício de Análise DC – Planilhas de Dados 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Executar a simulação do mesmo circuito utilizado anteriormente, porém utilizando no lugar de V1 uma fonte de tensão senoidal, com valor médio de 24V, amplitude de 100 mV e frequência de 5 MHz V1 R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1 I2 1 2 3 4 5 0 ~ Exercício 3 - Análise TR 7 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Seleciona análise transitória para a verificação das variáveis em função do tempo. Parâmetros adotados: Passo da simulação: 10ns Intervalo de simulação: 1s Para executar a Análise Transitória basta selecionar o botão TR na barra de tarefas do AIM-SPICE e selecionar os parâmetros de tempo da análise desejada (intervalo de 1us e passo de 10ns) Exercício de Análise TR – Parametrização da Análise 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Resultado da simulação para a tensão na fonte V1 e a sua corrente I(v1), no intervalo de simulação definido (1uS) V1 R1 2Ω V2 36V R2 4Ω R3 2Ω R4 2Ω R5 5Ω I1 I2 1 2 3 4 5 0 ~ I(v1) Exercício de Análise TR – Simulação 8 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Para melhorar os resultados da Análise Transitória pode-se limitar o máximo passo da simulação (por exemplo em 10ns) Limitação de passo da Análise Transitória Parâmetros adotados: Passo da simulação: 10ns Intervalo de simulação: 1s Passo máximo: 10nS Exercício de Análise TR – Limitação do Passo 1 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Determinar a tensão Vo(t) e a corrente no resistor R2 quando a chave S é fechada Neste tipo de circuito caso é necessário realizar inicialmente a análise do ponto de operação do circuito, com a chave aberta, para determinar as condições iniciais (IC) do indutor e do capacitor R1=3 R2=6 R3=2 L1=1 H C1=2 F 12 V V0 (t) t=0 s S Exercício 4 - Análise de Circuitos R, L e C com Chaveamento 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Antes de realizar a análise no AIM-SPICE deve-se: 1 - Numerar os nós do circuito 2 - Identificar a polarização das fontes e dos bipolos (L e C) R1=3 R2 6 R3 2 L1=1 H C1=2 F V1 12 V V0 (t) t=0 s S 0 1 2 3 4 + - - + + - I(v1) IL Vc Análise de Circuitos R, L e C – Descrição do Circuito 2 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Descrever o circuito no AIM-SPICE (com a chave em aberto para determinar as condições iniciais) R1=3 R2 6 R3 2 L1=1 H C1=2 F V1 12 V V0 (t) + - - + + - 0 1 2 3 4 IL Vc I(v1) Análise de Circuitos R, L e C – Condições Iniciais 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Para determinar as tensões e correntes quiescentes, basta selecionar o botão OP na barra de tarefas. R1=3 R2 6 R3 2 L1=1 H C1=2 F V1 12 V V0 (t) + - - + + - 0 1 2 3 4 IL Vc I(v1) Condições iniciais do circuito: Tensão no capacitor:Vc= v(3)-v(4)= 8V Corrente no indutor: IL= -I(v1)= 1.33 A Análise de Circuitos R, L e C – Condições Iniciais 3 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Como segundo passo deve-se redefinir o circuito, incluindo-se as condições iniciais, eliminando-se a fonte V1 e o resistor R1. Realiza-se a análise transitória para obter-se a tensão Vo(t) e a corrente em R2 R2 6 R3 2 L1=1 H C1=2 F V0 (t) + - - + 0 3 4 IL Vc Seleciona Análise Transitória (TR), incluindo as condições iniciais Exercício 5 - Análise de Circuitos R, L e C – Análise TR 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Curva de Vo(t) e tensão sobre o resistor R2 (pós-análise) O gráfico obtido foi configurado no AIM-Postprocessor, clicando-se duas vezes sobre o gráfico da simulação PSPICE Análise de Circuitos R, L e C – Tensão em R2 4 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Considerar o circuito abaixo, onde a chave S estava fechada a muito tempo (curto-circuitando o resistor R3). Determinar a tensão Vc no capacitor para t > 0, supondo que a chave S abre em t=0. V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 8Ω C1 0,5F S t=0 Vc Exercício 6 - Análise de Circuitos R e C 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Antes de realizar a análise no AIM-SPICE deve-se: 1 - Numerar os nós do circuito 2 - Identificar a polarização das fontes e dos bipolos V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 8Ω C1 0,5F S t=0 Vc + - + - 0 1 2 3 Análise de Circuito R e C – Descrição do Circuito 5 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Descrever o circuito no AIM-SPICE (com a chave fechada para determinar as condições iniciais em t=0) R3 = 0 (usar 1 nΩ) para t <0 (simula curto-circuito da chave S em R3) 1N V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 0Ω C1 0,5F Vc + - + - 0 1 2 3 1nΩ Análise de Circuito R e C – Condições Iniciais 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Para determinar as tensões e correntes quiescentes, basta selecionar o botão OP na barra de tarefas 1N Condições iniciais do circuito: Tensão no capacitor: Vc =v(2) = 6V V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 0Ω C1 0,5F Vc + - + - 0 1 2 3 1nΩ Análise de Circuito R e C – Condições Iniciais 6 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Redefinir o circuito, incluindo as condições iniciais (neste caso a tensão no capacitor) e remover o curto da chave S sobre o resistor R3. Realizar a análise transitória para verificar Vc(t) com t>0. V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 8Ω C1 0,5F Vc + - + - 0 1 2 3 Vo=6V Seleciona análise transitória, incluindo condições iniciais. Parâmetros da análise: Passo= 50mS; Intervalo= 5 segundos Análise de Circuito R e C – Análise TR 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICECurva de Vc(t) em função do tempo V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 8Ω C1 0,5F Vc + - + - 0 1 2 3 Vo=6V Análise de Circuito R e C – Gráfico da Análise 7 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Curva de Vc(t) e tensão sobre o resistor R3 em função do tempo O gráfico obtido foi configurado no AIM-Postprocessor, clicando-se duas vezes sobre o gráfico da simulação PSPICE Análise de Circuito R e C – Tensão em R3 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Utilizando-se o AIM-Postprocessor pode-se editar a forma de onda (clicar no botão direito do mouse) e observar cursores. Análise de Circuito R e C – Apresentação Gráfica 8 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Planilha (no formato. txt) com dados da simulação da carga do capacitor (comando File/Export to File do AIM-Postprocessor) V1 12V R1 2Ω R2 2Ω R3 8Ω C1 0,5F Vc + - + - 0 1 2 3 Vo=6V Análise de Circuito R e C – Planilha de Dados 1 1 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Simulação de um circuito retificador de onda completa com ponte de diodos 1 1 0 0 T D D V V D V kT q D eII eII ID VD A K Vj VT ≈ 25mV VJ ≈ 0,7V Análise com Dispositivos Semicondutores 2 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE DXXX N+ N- Modelo <condições particulares> Principais parâmetros aceitos no modelo do diodo Nome Parâmetro Unidade Valor Inicial IS corrente reversa A 1.0e-14 RS resistência Ohm 0 N Emission coefficient - 1 CJO Zero bias junction capacitance F 0 VJ Barreira de potencial V 1 Declaração de Diodo no PSPICE D1 1 2 MODD1 .MODEL MODD1 D IS=1E-12 VJ=0.7 “D” →Indica que o modelo utilizado refere-se a um diodo Exemplo: 1 2 MODD1 2 3 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Obter a curva característica de um diodo com tensão aplicada entre 0 e 1V em passos de 100mV. Adotar: Vj=0,7 V e Is=1E-12 A V1 D1 I(v1) 1 0 ID VD (t) Exercício 7 – Curva Característica do Diodo 4 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Configuração da variação da tensão V1 para análise DC Descrever o circuito no AIM-SPICE e realizar a análise DC (variando a tensão aplicada no diodo) V1 D1 I(v1) 1 0 ID Curva Carcaterística do Diodo - Descrição do Circuito 3 5 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE 'i(v1)' 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Tensão V1 [V] -50.0K -40.0K -30.0K -20.0K -10.0K 0.0K Co rr en te e m V 1 [A ] Observar que a corrente no diodo (ID) é oposta à corrente I(v1) Curva da corrente na fonte V1 em função da variação da tensão direta no diodo V1 D1 I(v1) 1 0 ID Obtenção da Curva Característica do Diodo 6 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Exercício 8 - Análise de Retificador de Onda Completa Simular um circuito retificador de onda completa com ponte de diodos. Determinar a forma de onda da tensão de saída retificada com ponte de diodos. Adotar: Vj = 0.7 V Is = 1E-12 A V1 15 Vp 60 Hz 4 7 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Determinar os nós de forma conveniente para de obtenção da tensão de saída retificada de modo direto 1 - Numerar os nós do circuito 2 - Definir polarização das fontes e dos bipolos Análise de Retificador de Onda Completa 1 3 2 + - Vo 0 8 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Selecionar análise transitória para obtenção da tensão de saída 1 3 2 0 + - Vo Análise de Retificador – Descrição do Circuito Descrever o circuito no AIM-SPICE e realizar a análise TR. Tempo de análise para um período da senóide (16,6 ms). 100 u 5 9 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Análise de Retificador – Forma de Onda Retificada 10 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Incluir um capacitor de filtro na saída da ponte de diodos. Observar efeito da inclusão do capacitor na forma de onda da tensão de saída retificada 1 3 2 0 + - Vo C=100F Exercício 9 - Retificador com Filtro Capacitivo 6 11 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE 1 3 2 0 + - Vo C1 100F Análise de Retificador com Filtro - Descrição 12 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Obtém-se uma tensão constante após a carga do capacitor Análise de Retificador com Filtro – Forma de Onda 1 3 2 0 + - Vo C1 100F 7 13 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Inserir uma carga R1 de 10 K na saída (em paralelo com C1), mantendo C1=100 F Justificar porque não é observada nenhuma variação significativa na tensão de saída em relação à situação sem carga? 1 3 2 0 + - Vo C1 100F R1 10KΩ Análise de Retificador com Filtro RC 14 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Manter a carga R1 em 10 K na saída e reduzir o valor de C1 para 1 F Justificar porque a tensão de saída, anteriormente contínua, apresenta agora uma variação indesejável (“ripple”). 1 3 2 0 + - Vo C1 1F R1 10KΩ Análise de Retificador com Filtro RC Reduzido 8 15 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Obter a corrente sobre o diodo D1 com carga R1 de 10 K e capacitor C1 de 1 F (condição anterior) Para medir a corrente num certo ramo pode-se incluir uma fonte de tensão nula nesse ramo. 3 2 0 + - Vo R1 10KΩ C1 1F 1 V2=0V 4 Análise de Corrente em Diodo Retificador ID1 16 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE 3 2 0 + - Vo R1 10KΩ C1 1F 1 V2=0V 4 Análise de Corrente em Diodo Retificador - Descrição ID1 9 17 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Formas de onda da tensão de saída e corrente no diodo Simulação com passo de 1nS e duração 40ms (sem limitação do passo de análise) Análise de Correntes em Diodo Retificador - Análise 18 Simulação de Circuitos e Dispositivos p/ Automação: PSPICE Simulação com passo de 1nS, duração 40ms e passo máximo de 1us (observar regularidade da forma de onda) Análise de Correntes em Diodo Retificador - Análise
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