Simuladores - Analise AC -ampop- - Tutorial

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Simuladores para Circuitos Elétricos
Circuitos alternados com ênfase em amplificadores
Gustavo Tomin Zavadski
Orientador: Alberto Yoshihiro Nakano
Versão 1.00
c© Copyright 2015
Trabalho desenvolvido durante o peŕıodo como monitor da disciplina de Circuitos Elétricos I do Curso
de Engenharia Eletrônica da UTFPR Campus Toledo com o intuito de auxiliar os estudantes no apro-
fundamento em softwares de simulação de circuitos elétricos visando circuitos de corrente alternada com
amplificadores.
Conteúdo
1 Corrente alternada 4
2 Instrumentos 4
2.1 Osciloscópio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Gerador de funções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Amplificadores Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 LM324 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Circuito em Análise 7
3.1 Análise do circuito utilizando o software PSpice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 Análise do circuito utilizando o software Multisim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Análise do circuito utilizando o software online Falstad Circuit . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Outros simuladores 13
5 Conclusão 13
6 Anexo: Versões do documento 14
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Lista de Figuras
1 Representação gráfica da corrente cont́ınua (a) e alternada (b). . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Osciloscópio (a) e ponta de prova (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Tela de um osciloscópio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Gerador de funções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5 Circuito representativo (a) e foto real de um amp op (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
6 Como enumerar os pinos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
7 Foto do LM324 (a) e a sua configuração dos pinos (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
8 Circuito teste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
9 Primeiro circuito no PSpice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
10 Como localizar os componentes no software PSpice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
11 Como configurar as simulações no software PSpice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
12 Como simular no software PSpice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
13 Respostas do circuito exemplo no PSpice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
14 Primeiro circuito no Multisim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
15 Como localizar fontes e componentes no Multisim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
16 Osciloscópio no Multisim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
17 Como simular o circuito no Multisim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
18 Osciloscópio no Multisim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
19 Primeiro circuito no Falstad circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
20 Selecionando componentes no Falstad Circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
21 Resposta do Falstad Circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3
Simuladores para Circuitos Elétricos alternados com ênfase em
amplificadores
Resumo
Este documento visa aprofundar o conhecimento em simuladores de circuitos elétricos, com ênfase
em amplificadores operacionais. Ele contém a análise de três simuladores amplamente conhecidos
e dispońıveis para uso sem custos. Tal análise possui aspectos como a montagem do circuito, as
ferramentas dispońıveis, os métodos de obtenção de respostas e, além disso, uma breve discussão
sobre o simulador em questão. Primeiramente é feito uma apresentação sobre corrente alternada
e intrumentos de medição, em seguida, é explicado o conceito e funcionamento de amplificadores,
por fim, é resolvido um circuito trivial através da teoria de circuitos elétricos para ter uma base de
comparação entre os simuladores.
1 Corrente alternada
A corrente alternada (CA ou AC - do inglês alternating current) é uma corrente que inverte a direção
do fluxo de cargas elétricas periodicamente, ao contrário da corrente cont́ınua que mantém a direção do
fluxo de cargas elétricas constante ao longo do tempo. A forma de onda usual de um circuito em regime
AC é senoidal (seno ou cosseno). A tensão e corrente são dadas pelos seguintes modelos matemáticos:
V (t) = Vmax cos(ωt+ φ) [V ] (1)
I(t) = Imax cos(ωt+ φ2) [A] (2)
Vmax representa a amplitude máxima da onda para a tensão, também é chamada de tensão de pico
(Vpk), Imax representa a amplitude máxima da onda para a corrente, o ω representa a frequência da
onda, φ e φ2 são os ângulos de que se iniciam a onda, tambêm são chamados de fase. A Figura 1 contém
a representação gráfica dos dois tipos de corrente, a corrente alternada e a corrente cont́ınua.
I
t
(a)
I
t
Imax
(b)
Figura 1: Representação gráfica da corrente cont́ınua (a) e alternada (b).
2 Instrumentos
Nessa seção serão apresentados alguns equipamentos que usualmente são utilizados em análise AC.
4
2.1 Osciloscópio
O osciloscópio utilizado nas atividades de laboratório do curso de engenharia eletrônica da UTFPR
campus Toledo é o Agilent Digital 1022A de dois canais. Na Figura 2 pode-se observar o instrumento em
detalhes.
Na Figura 2(a), o botão para ligar o equipamento está marcado como ‘1’ e a entrada dos canais 1 e 2
está marcado como ‘2’. A ponta de prova empregada no osciloscópio está à direita na Figura 2(b), sendo
que a seta ‘+’ indica o pólo positivo e o ‘-’ indica o negativo ou a referência adotada.
(a) (b)
Figura 2: Osciloscópio (a) e ponta de prova (b).
Para se realizar medidas com o osciloscópio em um dado nó de um circuito, conecte a ponta positiva
no nó desejado, e o negativo no terra ou em outra referência. É provável que o sinal esteja fora de escala,
neste caso, os osciloscópios digitais possuem um recurso que permite o ajuste e a visualização rápida do
sinal em seu display, para ajustar aperte o botão indicado como ‘3’ na Figura 2(a). Caso deseje salvar a
forma de onda presente no display, insira um pen-drive na porta USB e pressione Print indicado como
‘4’ na Figura 2(a).
A Figura 3 representa a tela do osciloscópio utilizado no laboratório, pode-se observar dois sinais
e uma matriz quadrada ao fundo, a escala horizontal dessa matriz é representado pelo retângulo em
vermelho no canto superior esquerdo e a escala vertical pelo retângulo em azul no canto inferior esquerdo.
Figura 3: Tela de um osciloscópio.
2.2 Gerador de funções
Outro equipamento empregado é o gerador de funções BK Precision 4040 DDS que como o nome
já diz, gera funções. A Figura 4 apresenta a parte frontal do equipamento, em ‘1’ tem-se o botão de
liga/desliga, em ‘2’ tem-se a sáıda (output) do sinal que é conectada a entrada do circuito em análise. Em
‘3’ tem-se os tipos de onda, sendo da esquerda para direita: Seno/cosseno, rampa/triangular e quadrada,
respectivamente. Ainda na Figura 4, têm-se os itens ‘4’ e ‘5’ que são usados para controlar a frequência
e a amplitude da onda, respectivamente.
5
Figura 4: Gerador de funções.
2.3 Amplificadores Operacionais
Um amplificador operacional ou amp-op, como é conhecido popularmente, é um amplificador de
sinais com ganho muito elevado. É um componente ativo, ou seja, necessita de uma fonte de alimentação
externa (Vcc). O amp-op realiza operações matemáticas como soma, subtração, inversão, integração,
diferenciação entre outros. Possuem dois terminaisde entrada: um designado pelo terminal inversor (-)
e o outro identificado como terminal não-inversor (+). A tensão de sáıda (Vo) é dado pela diferença de
tensão entre a entrada inversora e a não-inversora multiplicada pelo ganho em malha aberta. A Figura
5 representa o modelo representativo na esquerda, e na direita, a foto real de um amplificador.
(a) (b)
Figura 5: Circuito representativo (a) e foto real de um amp op (b).
Para enumerar os pinos de um encapsulamento de circuito integrado (CI), basta orientar-se de acordo
com a Figura 6, onde deve encontrar o lado que contém uma marcação ou um pequeno orif́ıcio e posicionar
este lado para cima, depois enumera-se o lado esquerdo de cima para baixo e o lado direito de baixo para
cima sem reiniciar a conta.
Figura 6: Como enumerar os pinos.
6
2.3.1 LM324
O LM324 é o amp-op que é utilizado nas aulas práticas da disciplina Circuitos Elétricos 1. Possui
outros modelos equivalentes, como as séries: LM124, LM224, LM324, SA534, LM2902. O LM324 contém
4 amplificadores internos de alto ganho e 14 pinos de sáıda.
A Figura 7(b) mostra a configuração dos pinos, visto que os pinos ‘4’ e ‘11’ são a alimentação do
componente, que admite duas opções de entrada:
1. Vcc podendo variar de 3 V a 30 V no pino ‘4’ e o terra no ‘11’, corrente máxima de 50 mA.
2. Vcc variando de 1,5 V até 15 V no pino ‘4’ e -1,5 V até -15 V no ‘11’, corrente máxima de 50 mA.
(a) (b)
Figura 7: Foto do LM324 (a) e a sua configuração dos pinos (b).
3 Circuito em Análise
Para analisar as funções básicas dos simuladores, utilizaremos o circuito da Figura 8 afim de encontrar
o valor de Vo, ou seja, a tensão de sáıda. A fase φ da fonte é admitida 0
◦ e a frequência é 1 kHz, mas
estes parâmetros não serão avaliados neste tutorial.
−
+
LM324
1 Vpk
1 kΩ
5 kΩ
Vo
Figura 8: Circuito teste.
7
Para resolver esse circuito, deve notar que se trata de um amp-op na configuração não-inversor, pois
existe uma fonte AC ligada diretamente a entrada não-inversora do amplificador, logo pode utilizar a
seguinte fórmula geral:
Vo =
(
1 +
Rf
R1
)
Vi, (3)
sendo que Vi é a tensão de entrada, Rf é o resistor de realimentação e R1 é o resistor de entrada.
Vo =
(
1 +
5 k
1 k
)
[1 cos(2π1000t)]
Vo = (6)[1 cos(2π1000t)]
Vo = 6 cos(2000πt) [V ]
Pela expressão anterior, espera-se à sáıda um sinal seis vezes maior que a entrada, valor que deverá
ser observado no osciloscópio. Ou seja, se a entrada havia um sinal de 1 Vpk a sáıda observaremos um
sinal de 6 Vpk.
3.1 Análise do circuito utilizando o software PSpice
A simulação do circuito em análise com o PSpice foi mais complexa que nos outros simuladores. A
Figura 9 apresenta o esquemático para a análise do circuito da Figura 8.
Figura 9: Primeiro circuito no PSpice.
Inicialmente, selecione os componentes na barra de ferramenta, indicada como ‘1’ na Figura 10, di-
gitando, por exemplo, ‘r’ para resistor e o insira na área de trabalho com um clique simples. Caso um
componente não seja encontrado na lista da opção ‘1’, selecione através da opção ‘2’, a qual abrirá uma
lista de elementos elétricos, bastando um simples clique para escolher o item desejado. Para modificar
os valores nominais dos componentes dê um duplo clique sobre o mesmo. Para a fonte, deve selecionar a
‘VSIN’, e configurá-la com ‘V OFF ′ =0 V, ‘V AMPL′ =1 V e FREQ =1 kHz.
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Figura 10: Como localizar os componentes no software PSpice.
Para conectar os componentes do circuito clique na ferramenta indicada como ‘3’ na Figura 10. A
conexão dos componentes é realizada clicando na extremidade de um componente e depois clicando na
extremidade de outro componente. Por fim, não pode esquecer de colocar uma referência no circuito,
para isso, selecione GND EARTH na ferramenta indicada em ‘1’ na Figura 10.
Para simular o circuito tem que alterar algumas configurações do software, para isso selecione Analyses
no menu superior e depois clique em ‘Setup...’, abrirá uma janela na qual deve seguir a ordem mostrada
na Figura 11, selecione o item marcardo como ‘1’, e clique no ı́cone ‘2’ que abrirá outra janela, a qual
deve selecionar o tempo de ińıcio e de fim da simulação indicado em ‘3’.
Figura 11: Como configurar as simulações no software PSpice.
Retornando para a área de trabalho, falta simular o circuito, para isso selecione o probe marcado
como ‘1’ na Figura 12 e insira-o no nó onde se quer calcular a tensão, neste caso, na sáıda do amp-op
(pino 1) e na entrada não-inversora (pino 3), em seguida clicar em ‘2’ que realizará a simulação e abrirá
outra interface com a resposta.
Figura 12: Como simular no software PSpice.
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A Figura 13 apresenta o sinal de entrada com marcadores quadrado e o sinal de sáıda com marcadores
em losango. Observe que os valores encontrados são compat́ıveis com os valores calculados na seção 3.
Figura 13: Respostas do circuito exemplo no PSpice.
3.2 Análise do circuito utilizando o software Multisim
A simulação do circuito com o Multisim foi rápida, fácil e prática. A Figura 14 apresenta o esquemático
para a análise do circuito da Figura 8.
Figura 14: Primeiro circuito no Multisim.
Inicialmente, selecione as fontes clicando na barra de ferramenta indicada como ‘1’ na Figura 15 que
abrirá uma outra janela com uma lista de opções. Selecione a fonte AC na seção ‘SIGNAL VOLTA
GE SOURCE ’ e opte pela ‘AC VOLTAGE ’, clique em ‘ok ’, insira na área de trabalho com um clique
simples, repita o procedimento para as fontes ‘DC POWER’. Já para componentes como resistores,
capacitores e indutores clique em ‘2’ e repita o procedimento anterior. Já para procurar o amp-op, clique
em ‘3’ e digitar ‘LM324’ na lacuna de ‘Component ’ e selecionar um dos resultados, irá abrir uma janela
com as opções ABCD que são os amplificadores individuais presentes no encapsulamento LM324. A
edição dos valores dos componentes é realizada através de um duplo clique nos mesmos. Para conectar os
componentes do circuito, clique na extremidade dos elementos em que deseje acoplar. O Multisim também
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necessita de uma referência, a qual poderá ser localizada em clicando ‘1’ na Figura 15 e procurando por
‘ground ’ na lista de fontes.
Figura 15: Como localizar fontes e componentes no Multisim.
Para inserir o osciloscópio no circuito clique em ‘1’ indicado na Figura 16. Nesse exemplo, conecte o
positivo do canal A no pólo positivo da fonte e o negativo do canal no terra, já no canal B, o positivo é
conectado na sáıda do amp-op e o negativo no terra.
Figura 16: Osciloscópio no Multisim.
Para simular o circuito selecione ‘1’ na Figura 17. Caso haja erros na montagem do esquemático,
o Multisim abrirá uma janela apontando os erros. Se houver a necessidade de alterar algo no circuito,
clique em ‘2’ para interromper a simulação.
Figura 17: Como simular o circuito no Multisim.
Após simular o circuito, clique no osciloscópio que abrirá uma janela com as tensões em tempo real.
Para facilitar a análise, iremos pausar a simulação e ampliar o gráfico alterando os valores dos parâmetros
de escala que resultará na Figura 18. Lembre-se de selecionar a opção ‘AC’ em cada canal. Observe as
voltagens, no canal A tem 856,231 mV e no canal B tem 5,16 V, ou seja, um ganho de aproximadamente
6 e as ondas estão em fase, o que condiz com a resposta obtida pelos cálculos na Seção 3.
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Figura 18: Osciloscópio no Multisim.
3.3 Análise do circuito utilizando o software online Falstad Circuit
A montagem e simulação do circuito no Falstad Circuit foi fácil e rápida. A Figura 19 apresenta o
esquemático para a análise do circuito da Figura 8.
Figura 19: Primeiro circuito no Falstad circuit.
Os componentes que estão indicados no item ‘1’ da Figura 20, primeiramente, selecione os resistores e
a fonte clicando em ‘2’ (pode-se optar por utilizar a tecla de atalho ‘r’ para os resistores), e insira na área
de trabalho. Para o amp-op,selecione-o clicando em ‘3’ na Figura 20, ou utilizando a tecla de atalho ‘a’,
note que ele não precisa de alimentação externa. Para editar os componentes, clique duas vezes em cima
do mesmo.
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Figura 20: Selecionando componentes no Falstad Circuit.
Assim que editar o circuito, o software já começará a simular automaticamente, sendo que não necessita
colocar um mult́ımetro como os outros simuladores. Existem duas maneiras de encontrar a resposta: ou
aproximando o mouse do nó analisado ou clicando com o botão direito no nó e selecionando a opção
‘View in scope’, aparecerá um gráfico da tensão com a resposta, para ter uma visualização melhor, clique
com o botão direito no gráfico e selecione ‘Show Peak Value’ que mostrará o Vpk. Caso deseje alterar
a escala horizontal do gráfico, clique em ‘Options’ e depois em ‘Other Options...’, em ‘Time step size’
altere para o valor desejado. A Figura 21 apresenta a resposta do circuito proposto na Seção 3.
Figura 21: Resposta do Falstad Circuit.
4 Outros simuladores
Além destes simuladores mencionados anteriormente, foi realizado a análise de mais um simulador: o
Tina.
Porém, a versão de demonstração do Tina não simulou o circuito proposto, assim, é necessário a
versão extendida para fazer as simulações.
5 Conclusão
Após a análise de cada simulador, pode-se verificar vantagens e desvantagens entre eles. Sendo assim,
houve destaque em algumas caracteŕısticas importantes nos simuladores como, por exemplo, a facilidade
da montagem do esquemático e a localização dos componentes que o Falstad possui, além de ser um
software online e contar com animações da corrente em tempo real, o que facilita a aprendizagem, mas
possui poucos recursos o que dificultaria a montagem de um circuito mais complexo.
Já o Multisim é de fácil montagem e possui boa localização e diversidade de componentes, ele possui
um visor digital de osciloscópio dinâmico o que facilita a realização de cálculo e medidas, ao contrário
do PSpice que apresenta uma interface mais confusa e um conhecimento mais complexo para montagem
de circuitos. As respostas do PSpice não são dinâmicas como no Multisim, mas ele apresenta funções
inexistente em outros simuladores que auxiliam na resolução de circuitos mais complexos.
13
6 Anexo: Versões do documento
Autor Descrição Versão Data de publicação
(Ano/Mês/Dia)
Gustavo Tomin Zavadski ———— 1.00 2015/11/29
14
	Corrente alternada
	Instrumentos
	Osciloscópio
	Gerador de funções
	Amplificadores Operacionais
	LM324
	Circuito em Análise
	Análise do circuito utilizando o software PSpice
	Análise do circuito utilizando o software Multisim
	Análise do circuito utilizando o software online Falstad Circuit
	Outros simuladores
	Conclusão
	Anexo: Versões do documento