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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

Laboratorio de Electrónica Básica

MANUAL INTRODUCTORIO

SPICE

Pontificia Universidad Católica del Perú Facultad de Ciencia e Ingeniería Ingeniería Mecatrónica

Introducción al Spice

I. Objetivos 

Enseñar al alumno el uso del SPICE, uno de los simuladores más utilizados entre los diseñadores electrónicos.



Verificar los métodos de solución de circuitos eléctricos que incluyen fuentes dependientes



Dotar de más herramientas para el análisis y diseño de circuitos que el alumno puede utilizar.

II. Introducción: Simulación de Circuitos Electrónicos La utilización de programas que sirven de ayuda para la simulación de fenómenos físicos es una práctica muy extendida en todas las áreas de la ingeniería. El conocimiento previo del comportamiento de un diseño real es de gran importancia y para ello los programas de simulación por computador constituyen el gran soporte. El uso adecuado de simuladores facilita en gran medida tareas relacionadas con el análisis, diseño y síntesis de sistemas en general. Sin embargo, es importante tener presente que, al estar basadas en modelos matemáticos, la fiabilidad de sus resultados dependen de la exactitud con la que dichos modelos se ajustan a la realidad. Además, no debe olvidar que el simulador es únicamente una herramienta de trabajo y como tal, su éxito radica fundamentalmente en su correcta utilización. En la actualidad existen un gran número de programas de computación que permiten simular el comportamiento de los circuitos eléctricos; sin embargo hemos elegido trabajar con el SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), debido a su uso difundido en la simulación de circuitos electrónicos. En este laboratorio se usará la Versión de Demostración del SPICE; el cual tiene un número máximo de componentes que son limitaciones propias de un programa de demostración pero que servirá para tomar contacto con los principios básicos de funcionamiento . Para obtener esta versión puede descargar desde la siguiente página: www.intusoft.com/demos.php el instalador ICAP/4Windows Demo 8.x.11 Build 4444.

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III. Introducción al ICAP/4 (spice) Para iniciar el programa ICAP/4 bajo Windows, deberá seleccionarse desde la opción Programas correspondiente al botón Inicio de Windows.

Entonces se verá la siguiente pantalla.

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IV.- PASOS EN LA SIMULACIÓN DE CIRCUITOS Para realizar una simulación en IsSpice4, se deberá seguir los siguientes pasos: 1. Dibujar el circuito a simular en la ventana de trabajo. 2. Ingresar los valores de los diferentes elementos del circuito. 3. Definir las fuentes de excitación o fuentes del circuito (que pueden ser fuentes DC, fuentes AC o formas de ondas arbitrarias). 4. Definir el tipo de análisis de la simulación. 5. Guardar el circuito; esto es necesario antes de efectuar la simulación. 6. Iniciar la simulación y mostrar los resultados. 

En el presente manual sólo se verán los dos siguientes tipos de análisis: Análisis “Operating point”: Muestra los valores de los parámetros eléctricos del circuito en estado estable. Análisis “Transient”: Muestra los resultados de los parámetros eléctricos en estado transitorio en forma de gráficos. No se muestran los tipos de análisis: de fourier, análisis AC, DC Sweep, etc.

V TIPOS DE ANÁLISIS V.1 ANÁLISIS “OPERATING POINT” El análisis operating point es usado cuando se desea conocer el valor medio de las magnitudes eléctricas de un circuito.

EJEMPLO DE APLICACIÓN Simular el circuito de la figura 1.1. R1 1k

R2 2k

R3 3k

12 v

Figura 1.1 PASO 1: Dibujar el circuito esquemático en la ventana de trabajo de spice

Iniciar el programa ICAP/4, seleccionando: Inicio / Programas / ICAP_4Demo / StartICAPS. Colocar los diferentes elementos del circuito en la ventana de trabajo Laboratorio de Electrónica Básica

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Existen 2 formas de colocar los elementos de un circuito eléctrico en el SpiceNet.

1

La primera es usando la Barra de menús. Seleccionando: / Parts (ver figura 1.2); donde se puede elegir: -

Puntas de prueba (Test Points). Wire (cableado para unir resistencias). Elementos pasivos. Fuentes ( source ), etc.

Figura 1.2

En este cuadro de diálogo podemos elegir los componentes del circuito.

2. La segunda manera es utilizar un cuadro de teclas abreviadas La siguiente es la lista de teclas abreviadas de los componentes más usados:

Tecla R L C V I O W Y

Elemento Resistencia Inductancia Capacitancia Fuente de Voltaje Independiente Fuente de Corriente Independiente Tierra o Ground Cable o Wire Puntas de Prueba

Para colocar los componentes, usará las teclas abreviadas; V, para la fuente de Voltage; la R para la resistencia y la O para la referencia o tierra .

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Pontificia Universidad Católica del Perú Facultad de Ciencia e Ingeniería Ingeniería Mecatrónica Para ello haga “clic” con el mouse en el centro del SpiceNet luego presione una vez la tecla “V”, 3 veces la tecla “R” y 2 veces la tecla “O” conforme se vaya haciendo esto se podrá observar como aparece en la ventana de trabajo una fuente, 3 resistencias y 2 puntos de “tierra”. Para hacer girar un componente; seleccionarlo y pulsar la tecla “+”.

PASO 2: Ingresar los valores de los diferentes elementos Para darle valores a las resistencias del circuito, se hará doble clic en cada resistencia y se ingresará el valor en el campo Value, como se indica en la figura 1.4. Para finalizar hacer clic en “OK”.

Figura 1.3

PASO 3: Definir las fuentes de excitación o fuentes del circuito Hacer doble clic sobre el componente y colocar los valores que se solicitan de acuerdo al cuadro de diálogo de cada componente. Por ejemplo Para la fuente de voltaje aparecerá el siguiente cuadro de diálogo; donde en el campo DC se ingresará el valor “12” tal como se muestra en la figura 1.3. Luego para finalizar, hacer clic en “OK”

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Figura 1.4

El circuito en la ventana de trabajo mostrará todos los elementos y sus respectivos valores como se indica en la figura 1.5 . Note que la fuente de voltaje sólo muestra su etiqueta, pero no su valor, (lo mismo ocurrirá para una fuente de corriente). Cuando desee colocar valores en Megaohmios debe usar Meg.

R1 1k 1

R2 2k 2

3

R3 3k

V1

Figura 1.5

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PASO 4: Definir el tipo de análisis Para efectuar la simulación del circuito se usará el análisis Operating Point; para esto se procederá a escoger la opción Actions/Simulation Setup/Edit consecutivamente (o presionando Ctrl + E) en la barra de comandos, tal como se muestra en la figura 1.6.

Figura 1.6 Realizado esto, saldrá la siguiente ventana: donde se puede apreciar todos los tipos de análisis que el Spice permite realizar, en este caso se debe hacer clic en el botón Operating Point y aparecerá otra ventana donde se ingresará los parámetros (ver figura 1.7)

Figura 1.7

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Pontificia Universidad Católica del Perú Facultad de Ciencia e Ingeniería Ingeniería Mecatrónica Las 2 opciones que necesita seleccionar para este análisis son : “all node voltage and voltage source” y el “all device operating point information”.

Figura 1.8 Luego, debe pulsar el botón “OK” y seguidamente el botón “Done”.

PASO 5: Guardar el circuito antes de empezar la simulación: Hacer clic en Archivo, luego escoger guardar como, darle un nombre al circuito y guardarlo. Finalmente el circuito está listo para la simulación.

PASO 6: Simulación del circuito Una vez realizado el “circuito esquemático” y definidos correctamente todos los parámetros correspondientes a la simulación o simulaciones que se quieran realizar, se puede proceder a efectuar la simulación; esto haciendo clic sobre el icono Run Simulation, tal como indica la figura 1.9, o también presionando las teclas Ctrl. + G.

Figura 1.9

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Pontificia Universidad Católica del Perú Facultad de Ciencia e Ingeniería Ingeniería Mecatrónica Después de simulado el circuito se generará la siguiente ventana llamada “IsSpice4”

Figura 1.10

Finalmente y como ya se había mencionado, en este tipo de análisis no es necesario desplegar ningun resultado gráfico, sino tan sólo presionar el siguiente botón del toolbar llamado “Refresh OP Values”.

Figura 1.11

Luego de esto se podrá ver los voltajes en cada nodo del circuito tal como muestra la figura 1.12.

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Figura 1.12

Para obtener más detalles de la simulación podemos observar los resultados que se obtienen en el archivo con extensión .OUT

Para ello elegimos el icono Text Edit como se indica en la figura 1.13

Figura 1.13

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Aparecerá la siguiente pantalla:

Figura 1.14

Luego, hacer clic en Out tal como se muestra en la figura 1.15.

Figura 1.15

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Se obtendrá la siguiente pantalla.

Figura 1.16

En este archivo tenemos la información de voltaje, corriente y potencia de cada elemento del circuito. El signo “–“ en la corriente de la fuente V1 indica que la fuente “suministra corriente” a través del terminal marcado con “+”.

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V.2 ANÁLISIS “TRANSIENT” El tipo de análisis “Transient” del spice es usado cuando se desea observar las variaciones de voltaje, corriente, etc en función del tiempo. EJEMPLO DE APLICACIÓN Simular el circuito de la figura 2.1.

R1 4.7 k V1 10 vpico 80 hz

C1 0.1 uf

Figura 2.1 PASO 1: Dibujar el circuito esquemático en la ventana de trabajo de spice. PASO 2: Dar valores a los elementos; de la misma forma como fue indicado anteriormente. Nota.- No debe olvidar de colocar en el circuito la “referencia a tierra”. PASO 3: Definir las fuentes de excitación o fuentes del circuito Para definir los parámetros de la fuente de voltaje se hará doble clic sobre el símbolo de la fuente; aparecerá la ventana mostrada en la figura 2.2;

Figura 2.2

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En este cuadro de diálogo hacer doble clic sobre la palabra none que aparece junto al parámetro Tran Generator. Aparecera la pantalla indica en la fig: 2.3

Figura 2.3

Luego se procederá a llenar el cuadro de diálogo con los valores indicados : En nuestro caso la fuente tendrá pulsos de 10 voltios de amplitud con una frecuencia de 80 hz (cuyo período será ; 1/80 = 12.5 ms); es decir, la mitad del período de la onda cuadrada tendrá una amplitud 10 y la otra mitad será cero.

Realizado esto hacer OK en esta ventana y en la siguiente.

Figura 2.4

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Para completar el circuito esquemático es necesario saber que magnitud se desea conocer. En nuestro caso, deseamos conocer el voltaje V1, el voltaje en la resistencia, el voltaje en el condensador y la corriente que circula por el circuito. Para esto se usan los llamados puntas de prueba o “Test Point”, los cuales son accesibles desde el icono Parts, como se indica en la figura 2.4.

Figura 2.4 Describiremos los tres “Test points” más usados: Y Muestra la variación de voltaje entre un nodo y tierra (ground) 2Y Conocido como voltímetro diferencial, muestra la variación de voltaje entre dos nodos, en el cual, ninguno de los dos nodos será tierra. 3Y Muestra la variación de corriente que circula por un elemento. En la figura 2.5 se muestra las puntas de prueba en el circuito esquemático; donde Y1,Y2 es del tipo Y; Y3 es del tipo 3Y e Y4 es del tipo 2Y.

Figura 2.5

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Se deberá tener mucho cuidado con colocar las puntas de prueba, pues de no ser así, no se podrá simular el circuito. A continuación se muestra algunos errores tipicos que se suelen cometer al colocar los TEST POINT en un circuito esquematico para el anális transitorio. También se muestra la pantalla que aparece cuando se intenta simularlo, donde se observa los mensajes de error.

Figura 2.6

Figura 2.7

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  

El primer error se encuentra en la punta de prueba Y3 (medidor de corrriente). Este siempre deberá estar “dentro” de un elemento del circuito (¡ NO DE UN NODO !). En este sentido, compare la posición de la punta de prueba Y3 en las figuras 2.5 y 2.6. Siempre que aparezca un rombo de color rojo indica que no se ha realizado una “buena conexión” entre los diferentes elementos. Además, en nuestro caso indica que la punta de prueba de voltaje Y1 se encuentra dentro de un elemento. Compare las figuras 2.5 y 2.6 para observar como debe colocarse la punta de prueba del voltaje.

PASO 4: Elegir el tipo de análisis deseado El análisis transitorio de un circuito se efectúa con el tipo de análisis TRANSIENT al cual se accede haciendo clic sobre el icono Simulation setup tal como muestra la figura 2.8 .

Figura 2.8 Aparecerá la siguiente ventana, donde deberá marcar “Transient”.

Figura 2.9

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Al hacer clic sobre el botón Transient aparecerá el siguiente cuadro

Figura 2.10 Los 2 parámetros que se necesitan llenar para este análisis son el Data Step Time; en este caso un valor muy pequeño haría que se tomen demasiados puntos con lo cual el tiempo de análisis se incrementaría y un valor muy grande afectaría la calidad de la gráfica. Un valor recomendable para este parámetro es: (Data Step Time) = (Total Analysis Time) / 1000.

El otro parámetro es el Total Analysis Time; este sirve para establecer el tiempo de análisis de la simulación. Como en este ejemplo, el período de la fuente de alimentación es de 12.5 ms, bastará considerar 25 ms, para poder observar 2 períodos.

PASO 5: Guardar el circuito antes de empezar la simulación. PASO 6: Simulación del circuito Al iniciar una simulación tendrá lugar lo siguiente: 

El programa traduce todo lo que se ha realizado en la ventana de esquemáticos (esquema eléctrico y tipos de simulación) y lo pasa al fichero de entrada .CIR en forma de texto para que SPICE pueda interpretarlo.



SPICE interpreta el fichero de entrada .CIR. Si no hay errores comienza a resolver las simulaciones que han sido demandadas y muestra en pantalla una ventana provisional IsSpice4 en la cual aparecen gráficamente los resultados que se están obteniendo durante la simulación. Cuando esta ha terminado SPICE transfiere los resultados al fichero de salida .OUT. Finalmente aparece el cuadro de diálogo Simulation Control indicando que el proceso ha terminado.

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Por lo general, es probable que en nuestro primer intento de simular en Spice el resultado de la simulación no sea correcto, o bien no se hayan ingresado correctamente los datos ( esto se notará al visualizar gráficamente la simulación ); en este caso deberá leerse el fichero .ERR, en el cual quedan reflejados los errores producidos durante la simulación. Esto puede verificarse en unas de las subventanas de IsSpice4 llamada “Errors and status” Ver siguiente figura

Figura 2.10

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Resultados Gráficos Al finalizar una simulación siempre se genera un fichero ASCI de salida .OUT con los resultados de la última simulación ejecutada. Además Spice ICAP/4 proporciona una interfaz gráfica de salida que permite representar gráficamente dichos resultados. Para acceder a esta interfaz debe seleccionarse la opción SCOPE en el menú Actions de cualquier otra ventana. Entonces aparece la ventana IntuScope y 2 ventanas pequeñas llamadas Add Waveforms y Scaling.

Figura 2.11

Dentro de la ventana Add Waveforms veremos una zona llamada Y Axis: dentro del cual veremos una lista de las magnitudes como: i(c1), i(r1) e i(V1): corriente que pasa por la resistencia, condensador y fuente V1 del circuito de ejemplo.

V(1) y V(2): voltajes en los nodos 1 y 2 del circuito y finalmente y1, y2, y3 y la punta y4; que son las puntas de pruebas. Estas magnitudes se pueden representar gráficamente para el análisis seleccionado. Eligiendo una o más de estas opciones y haciendo clic en el botón “Add” (que aparece en la parte inferior izquierda de esta), aparecerá la representación gráfica de dicha(as) magnitud(es). Observar la siguiente figura

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Figura 2.12 La segunda ventana Scaling simplemente nos permitirá modificar la Escala y el offset de los ejes X e Y

Figura 2.17

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Finalmente se mostrará los resultados gráficos como se indica en la figura 2.18.

Figura 2.18

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Podrá modificar los valores de las escalas de magnitud, offset y de tiempo según como visualice mejor los resultados.

Figura 2.19

Nota.- No olvidar de guardar el gráfico generado con la opción SAVE AS del menú FILE de la ventana IntuScope esto generará un archivo con extensión .GRF que contendrá el gráfico.

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VI Simulación de Circuitos con Fuentes Dependientes

VI.1 Modelos de fuentes dependientes Los modelos de fuentes dependientes son:

X1 VCVS

1. VCVS : Fuente de voltaje controlado por voltaje

X2 CCVS

2. CCVS : Fuente de voltaje controlado por corriente

X3 VCCS

3. VCCS : Fuente de corriente controlado por voltaje

X4 CCCS

4. CCCS : Fuente de corriente controlado por corriente

Figura 3.1

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Para obtener las fuentes dependientes debe pulsar sobre el botón Parts, luego Parts Browser y elegir entre los 4 modelos de fuentes dependientes. Observe lo que muestra el simulador :

Figura 3.2 Luego, haciendo doble clic en la fuente dependiente elegida, saldrá la siguiente ventana : donde se deberá ingresar la constante multiplicadora llamada Gain en el spice.

Figura 3.3

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Luego hará clic en el campo Gain = 1 e ingrese el valor de la constante multiplicadora:

Figura 3.4 Y habrá quedado definido la fuente dependiente.

VI.2 Simulación de un circuito con fuente de voltaje dependiente de voltaje Ejemplo de aplicación Se simulará el circuito de la figura 3.5 R1 4.7 k

A

R2 1k

B

V1 15 v

R3 220 x

R5 1.2 k

+ -

R4 330

V2 4 Vxy

y

Figura 3.5 Laboratorio de Electrónica Básica

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PASO 1: Dibujar el circuito en el SpiceNet. PASO 2: Ingresar los valores de los elementos del circuito. PASO 3: Definir las fuentes del circuito.

Para incluir la fuente dependiente, pulse Parts / Part Browser y elija en Part Types la opción Dependent Sourc. Hacer doble clic sobre la fuente dependiente y en la opción Gain=1 escribir 4. Realizado esto, se seleccionará cada componente y se irá formando el circuito arriba mostrado.

El circuito en el SpiceNet quedará como se muestra en la figura 3.6.

Figura 3.6

PASO 4: Definir el tipo de análisis Para realizar la simulación de este circuito se usará el tipo de análisis “Operating Point”.

PASO 5: Guardar el circuito

PASO 6: Simulación del circuito

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Figura 3.7 Observe que 6.88 v. es 4 veces el voltaje 1.72 en la resistencia R5.

VI.3 Simulación de un circuito con fuente de voltaje dependiente de corriente

Ejemplo de aplicación Se simulará el circuito de la figura 3.8. 1k

1k

ix 9V

3k

6k

+ -

3000 ix

2k

Figura 3.8

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PASO 1: Dibujar el circuito en la ventana de trabajo del spice PASO 2: Ingresar los valores de los elementos PASO 3: Definir las fuentes del circuito Se dibujará el circuito en el SpiceNet. Para incluir la fuente dependiente, pulse Parts / Part Browser y elija en Part Types la opción Dependent Sourc y elija CCVS. Luego hacer doble clic sobre la fuente dependiente y en la opción Gain=1 escribir 3000.

Figura 3.9

Realizado esto, se seleccionará cada componente y se irá formando el circuito arriba mostrado. Para unir un terminal de la resistencia R2 con el otro terminal de la fuente dependiente que sensará la corriente, pulse la tecla Z dos veces (opción para unir nodos). Luego lleve un pin al terminal libre de la resistencia, al unirlo aparecerá el siguiente mensaje:

Figura 3.10 Sólo debe pulsar OK, y recordar el número del nodo.

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Luego lleve el otro pin al terminal libre de la fuente dependiente y debe aparecer otra vez el cuadro anterior, en el cual pulsará nuevamente OK si es que el nombre del nodo es también 3; de no ser así, escribirá 3 dentro del cuadro blanco y pulsará OK. Esto significará que ambos terminales son el mismo nodo. Con esto se habrá finalizado el circuito en el SpiceNet. Este circuito, con una fuente de voltaje dependiente de la corriente i x , en Spice, es equivalente al mostrado en la figura 3.11.

Figura 3.11

PASO 4: Definir el tipo de análisis Para poder hacer la simulación del circuito se usará el tipo de análisis Operating Point.

PASO 5: Guardar el circuito antes de empezar la simulación:

PASO 6: Simulación del circuito Finalmente y como se ha mencionado, en este tipo de análisis no es necesario mostrar ningún resultado gráfico, sino tan sólo presionar el siguiente botón del toolbar llamado “Show OP Values”

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Luego de esto se podrá ver los voltajes en cada nodo del circuito tal como muestra la siguiente figura:

Figura 3.12

Observar que la corriente por R2 es 2 ma. Entonces la fuente de voltaje de la fuente dependiente será 3000x2 ma = 6 v.

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VII ANÁLISIS “DC SWEEP” El tipo de análisis, es usado para graficar curvas características: I vs V, V vs V, etc.

EJEMPLO DE APLICACIÓN Simular el circuito de la figura 4.1.

D1 1N4001

V1

R1 1k

Figura 4.1 PASO 1: Dibujar el circuito esquemático en la ventana de trabajo de spice.

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PASO 2: Colocar las puntas de prueba

Y1, medirá la corriente de la resistencia, la cual sera igual a la del diodo, por estar en serie. Y2, medirá el voltaje del diodo.

PASO 3: Configurar el tipo de simulación Para nuestro caso se definirá el tipo: DC Sweep. Hacemos clic sobre el ícono Simulation Setup seleccionamos la opción DC SWEEP y completamos el recuadro.

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V1 se refiere a la fuente etiquetada con ese nombre, la cual variara su voltaje de 0 a 30 voltios avanzando de 1mV en 1mV. Pulsamos OK Luego Done.

Guardamos el archivo, luego simulamos el circuito. Luego pulsamos sobre Actions/Scope

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En el Eje Y elegimos iy1, y en el Eje X, elegimos y2. La pantalla quedará como se muestra

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Finalmente pulsamos sobre Add para obtener la gráfica.

Y se tiene la grafica corriente del diodo vs voltaje del diodo

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VIII ANÁLISIS “AC”

Este tipo de análisis es usado cuando se desea conocer la respuesta en frecuencia de un circuito Hallaremos la respuesta en frecuencia del siguiente circuito. Donde V1, tendrá un voltaje fijo, pero su valor de frecuencia irá variando. Observaremos como el voltaje en el condensador C1, va variando a medida que varía la frecuencia.

Hacemos doble clic sobre la fuente V1 y sobre el campo AC, colocamos 1. Esto es como si se aplicara un voltaje de 1V constante para todo el rango de voltaje.

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Luego en configuración Setup, elegimos la opción AC Analysis aparecerá el sgte cuadro el cual se completará con los sgtes valores

Los cuales indican desde que valor de frecuencia hasta que valor variará la fuente V1. Se usará 10 puntos por década.

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Pulsamos en Done Guardamos el circuito, y simulamos. Luego de simular, pulsamos sobre los iconos Actions/Scope Elegimos la punta Y2, para obtener la respuesta en frecuencia en ese punto. Moviendo el cursor tendremos los valores de voltaje y por consiguiente la ganancia de voltaje (o atenuación), cuando se varía la frecuencia.

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INDICE

I II III IV V

VI

VII VIII

Objetivos Introducción: Simulación de Circuitos Electrónicos Introducción al ICAP/4 (SPICE) Pasos en la simulación de circuitos Tipos de Análisis V.1 Análisis: “Operating Point” V.2 Análisis: “Transient” Simulación de circuitos con fuentes dependientes VI.1 Simulación de un circuito con fuente de voltaje dependiente de voltaje VI.2 Simulación de un circuito con fuente de voltaje dependiente de corriente Análisis: “DC Sweep” Análisis “AC”

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