Introducere in pachetul de simulare Spice - laborator DCE

Introducere in pachetul de simulare Spice

Spice = program de simulare a circuitelor electronice.

I. Descrierea circuitului se realizeaza prin intermediul unor comenzi introduse intr-un fisier. Structura fisierului este urmatoarea:

titlul circuitului

descrierea schemei electronice

specificarea analizelor cerute in simulare

.end

Pe prima linie se introduce intotdeauna un comentariu. Un comentariu se introduce prin intermediul caracterului . In absenta acestei linii se vor genera erori.

In urmatoarele linii se vor declara componentele electronice care alcatuiesc circuitul ce urmeaza a fi simulat; in cadrul declaratiilor se va preciza modul in care componentele electronice sunt conectate in schema electronica respectiva, precum si valorile acestora. Daca este necesar se pot preciza anumite modele pentru componentele electronice utilizate.

Apoi se vor preciza analizele cerute in etapa de simulare. In absenta acestor linii, nu se va obtine nici un rezultat in urma simularii circuitului.

Pe ultima linie se introduce instructiunea .end. In absenta acestei instructiuni, care informeaza simulatorul ca fisierul simulat se incheie la linia respectiva, se pot obtine erori.

II. Descrierea schemei electronice in Spice

1. Precizarea nodurilor unui circuit in Spice: in Spice prin nod de circuit se considera punctul" in care sunt conectate cel putin 2 elemente de circuit (in general, in electrotehnica prin nod de circuit se considera "punctul" in care sunt conectate cel putin 3 elemente de circuit, dar pentru Spice aceasta definitie nu mai este valabila). In figura de mai jos se exemplifica modul in care sunt numerotate corect nodurile unui circuit electronic, in Spice.

Figura 1

OBS: In Spice este obligatoriu ca nodul masei sa fie numerotat cu 0. In caz contrar, simulatorul nu va sti cine este referinta circuitului simulat.

2. Introducerea componentelor pasive (R, L, C) (in urmatoarele laboratoare se va preciza modul in care se introduc si alte componente: tranzistoare, amplificatoare operationale etc.)

a. Introducerea unui rezistor. In Spice un rezistor se introduce cu declaratia:

Rnume nod1 nod2 valoare

Linia incepe cu R.

Dupa litera R, daca se doreste se poate preciza un nume care identifica rezistorul declarat: R1, R2, Rcircuit, etc.

Apoi se precizeaza intre care noduri ale circuitului simulat este plasat rezistorul declarat: de exemplu, in Figura 1, rezistorul R1 este plasat intre nodurile 2 si 0, iar R2 intre nodurile 3 si 0.

La final se precizeaza valoarea rezistentei electrice a rezistorului declarat.

b. Introducerea unui condensator. In Spice un condensator se introduce cu declaratia:

Cnume nod1 nod2 valoare tensiune_initiala

Linia incepe cu C.

Dupa litera C, daca se doreste se poate preciza un nume care identifica condensatorul declarat: C1, C2, CB, etc.

Apoi se precizeaza intre care noduri ale circuitului simulat este plasat condensatorul declarat: de exemplu, in Figura 1, condensatorul C este plasat intre nodurile 1 si 2.

In campul valoare se precizeaza valoarea capacitatii condensatorului declarat.

In final, daca este necesar, in campul tensiune_initiala se poate specifica valoarea tensiunii pe C, la inceputul simularii.

b. Introducerea unei bobine. In Spice o bobina se introduce cu declaratia:

Lnume nod1 nod2 valoare curent_initial

Linia incepe cu L.

Dupa litera L, daca se doreste se poate preciza un nume care identifica bobina declarata: L1, L2, LB, etc.

Apoi se precizeaza intre care noduri ale circuitului simulat este plasata bobina declarata: de exemplu, in Figura 1, bobina L este plasata intre nodurile 2 si 3.

In campul valoare se precizeaza valoarea inductantei electrice a bobinei declarate.

In final, daca este necesar, in campul curent_initial se poate specifica valoarea curentului prin L, la inceputul simularii.

Modul in care sunt precizate valorile marimilor electrice in Spice

Daca marimea electrica este precizata in unitatea de masura fundamentala, atunci in campul valoare a declaratiei respective se introduce numai valoarea numerica. Altfel, se respecta urmatorul tabel:          Spice ce reprezinta

P | pico               10^-12 din unitatea fundamentala de masura

N | nano                         10^-9 din unitatea fundamentala de masura

M | mili               10^-3 din unitatea fundamentala de masura

| unitatea fundamentala de masura

K | kilo                10³ din unitatea fundamentala de masura

MEG | mega                        10⁶ din unitatea fundamentala de masura

G | giga              10⁹ din unitatea fundamentala de masura

Pentru circuitul din Figura 1, componentele pasive se introduc intr-un fisier text astfel:

R1 2 0 10K

R2 3 0 100

C 1 2 1U

L 2 3 100M

OBS1. in aceste declaratii, nu conteaza ordinea in care sunt precizate cele 2 noduri intre care sunt conectate componentele.

OBS2: declaratiile in Spice nu sunt "case-sensitive".

3. Introducerea surselor independente de tensiune curent:

a. Introducerea unei surse de tensiune constanta. In Spice o sursa de tensiune constanta se introduce cu declaratia:

Vnume nod+ nod- valoare

Linia incepe cu V.

Dupa litera V, daca se doreste, se poate preciza un nume care identifica sursa de tensiune declarata: V1, V2, VCC, etc.

Apoi se specifica intre care noduri ale circuitului simulat este plasata sursa de tensiune declarata. Atentie: o sursa de tensiune are un "+" si un "-", din acest motiv, cele doua noduri au roluri diferite. Astfel, spre deosebire de cazul in care au fost declarate componente pasive, de data aceasta, ordinea in care se introduc cele doua noduri ale sursei este impusa de declaratia de mai sus: prima data se precizeaza nodul "+" si apoi nodul "-". De exemplu, in Figura 1, sursa de tensiune constanta VCC este plasata intre nodurile 1 si 0, in aceasta ordine.

La final se precizeaza valoarea tensiunii electrice generate de sursa declarata.

Pentru circuitul din Figura 1, sursa de tensiune constanta VCC se introduce intr-un fisier Spice astfel:

VCC 1 0 10

Aceasta declaratie nu este echivalenta cu declaratia:

VCC 0 1 10

deoarece, asa cum s-a amintit mai sus, cele 2 noduri intre care este plasata sursa trebuie precizate in ordinea impusa de modelul de mai sus.

b. Introducerea unei surse de tensiune sinusoidala. In Spice o sursa de tensiune sinusoidala se introduce cu declaratia:

Vnume nod+ nod- SIN(valoare_medie amplitudine frecventa timp_intarziere factor_atenuare faza)

Linia incepe cu V.

Dupa litera V, daca se doreste, se poate preciza un nume care identifica sursa de tensiune declarata: V1, V2, VCC, etc.

Apoi se precizeaza intre care noduri ale circuitului simulat este plasata sursa de tensiune declarata. Ca si in cazul precedent, ordinea in care se trec cele doua noduri ale sursei este impusa de declaratia de mai sus: prima data se precizeaza nodul "+" si apoi nodul "-". La final se precizeaza forma de unda a tensiunii electrice generate de sursa declarata. Aceasta are 6 parametri, a caror semnificatie este specificata pe desenul din Figura 2.

Figura 2

valoare_medie = valoarea masurata fata de axa OX, in jurul careia este axata variatia semnalului generat.

amplitudine = intervalul dintre valoarea medie si valoarea maxima a semnalului generat.

frecventa = frecventa semnalului generat. Este inversul perioadei semnalului generat.

timp_intarziere = intervalul de timp fata de origine (momentul 0) de la care apare semnalul generat.

factor_atenuare = daca este 0 atunci intervalul dintre valoarea medie si valoarea maxima a semnalului generat este constanta (ca in Figura 2). In caz contrar, acest interval descreste in timp, rezultand o forma de unda a carei variatie se atenueaza in timp.

faza = faza semnalului generat.

III. Tipurile de analiza: precizeaza simulatorului ce trebuie sa faca!

Exista mai multe tipuri de analiza, care se pot grupa in trei mari categorii. Fiecare categorie include mai multe tipuri de analize. In cadrul acestei introduceri in Spice se vor aminti doar cele mai uzuale tipuri de analiza.

A. Analize in curent continuu

Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice

.OP

Aceasta analiza permite determinarea curentilor continui prin ramurile circuitului simulat si a potentialelor electrice in nodurile acestuia. Se reaminteste ca tensiunea intre 2 puncte (noduri) = diferenta de potential dintre nodurile respective. De exemplu, tensiunea intre nodurile 1 si 2 este egala cu diferenta V(1)-V(2), iar tensiunea dintre nodurile 2 si 1 este egala cu diferenta V(2) - V(1) (cele 2 tensiuni sunt egale in modul dar de semn/sens opus). In majoritatea lucrarilor de laborator, aceasta analiza se va utiliza pentru determinarea Punctului Static de Functionare al dispozitivelor semiconductoare.

.DC marime valoare_initiala valoare_finala pas_variatie

Aceasta analiza determina modificarea unei marimi (tensiune de exemplu) care este precizata in campul marime intre doua valori care definesc un interval stabilit la valoarea valoare_initiala, valoare_finala], cu un pas impus de valoarea din campul pas_variatie. De exemplu, daca se doreste ca sursa de tensiune constanta VCC din Figura 1 sa varieze intre 0V si 5V cu un pas de 1V, atunci se va introduce in fisierul text linia:

.DC VCC 0 5 1

In acest caz, in procesul de simulare a circuitului electronic, VCC va avea succesiv valorile 0V, 1V, 2V, 3V, 4V, 5V. Prin utilizarea acestei analize, in procesul de simulare se vor determina succesiv curentii continui prin ramurile circuitului simulat si potentialele electrice in nodurile acestuia, pentru fiecare valoare a marimii electrice variate (adica, in cazul lui VCC, pentru 0V, apoi pentru 1V, etc.). Aceasta analiza se va utiliza pentru determinarea caracteristicilor de functionare ale dispozitivelor semiconductoare. Caracteristicle de fuctionare ofera informatii depre modul in care variaza curentul prin dispozitiv in functie de tensiunea intre 2 terminale ale dispozitivului respectiv.

B. Analiza in regim tranzitoriu

.TRAN  pas timp_final_simulare

Aceasta analiza permite determinarea variatiei unei marimi electrice intr-un anumit interval de timp, stabilit de domeniul 0, timp_final_simulare]. Campul pas reprezinta pasul cu care se realizeaza simularea. In cadrul acestei analize se dau de obicei urmatoarele informatii: numarul ns de puncte de simulare si numarul N de perioade care vor fi vizualizate in urma simularii. Pe baza acestor informatii, parametrii analizei se vor determina dupa cum urmeaza:

timp_final_simulare = N T

unde T = perioada semnalului generat de generatorul de semnal care, in mod obligatoriu, este aplicat circuitului simulat.

Prin intermediul acestei analize se vor vizualiza diverse forme de unda, pe baza carora se vor determina amplitudinile variatiilor respective.

In continuare, informatiile furnizate mai sus vor fi utilizate intr-o suita de exemple de aplicatii ale diodelor semiconductoare si ale diodelor Zener. Mai intai insa vor fi reamintite principalele caracteristici ale acestor dispozitive semiconductoare.

C. Analiza in curent alternativ

.AC interval puncte_analiza frecventa_initiala frecventa_finala

Aceasta analiza permite determinarea variatiei unei marimi electrice intr-un anumit domeniu de frecvente stabilit de domeniul frecventa_initiala, frecventa_finala

In campul interval se specifica modul in care va fi realizata si apoi vizualizata variatia marimii electrice. Exista 3 variante:

• DEC - pe decade = pe axa OX - axa frecventelor in cadrul acestei analize, se vor afisa intervale limitate de puteri ale lui 10, adica: 0.1Hz, 1Hz, 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz, etc., adica axa OX va avea o reprezentare logaritmica. Cu alte cuvinte, un interval este marginit de puteri consecutive ale lui 10. Relatia intre capetele intervalului este f₂=10 f₁, unde f₁ este limita inferioara, iar f₂ este limita superioara a intervalului. 
• OCT - pe octave = capetele intervalelor de pe axa OX respecta relatia f₂=2 f₁, unde f₁ este limita inferioara, iar f₂ este limita superioara a intervalului
• LIN - axa OX va avea o reprezentare liniara: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 . . 

Campul puncte_analiza precizeaza numarul de puncte de analiza pe decada, daca rezultatul este vizualizat pe decade (interval=DEC) pe octava, daca rezultatul este vizualizat pe octave (interval=OCT pe intervalul frecventa_initiala, frecventa_finala daca rezultatul este vizualizat pe o scara linara (interval=LIN)

De exemplu, daca se doreste sa se determine variatia unor marimi electrice pe intervalul [1kHz, 100MHz], vizualizarea sa fie realizata pe decade, iar numarul de puncte de analiza pe decada sa fie 10, atunci se va introduce in fisierul text linia:

.AC DEC 10 1K 100MEG

Aceasta analiza se va utiliza pentru determinarea caracteristicilor de frecventa ale circuitelor analizate, pe baza carora se vor calcula frecventa inferioara, frecventa superioara si banda de frecventa a circuitului respectiv.

Dioda semiconductoare

Diodele semiconductoare sunt dispozitive electronice formate dintr-o jonctiune pn. Dioda semiconductoare are doua terminale distincte, denumite anod (atasat regiunii semiconductoare de tip p), respectiv catod (atasat regiunii semiconductoare de tip n). Simbolul diodei semiconductoare este prezentat in figura 3.a. Asa cum se observa, sensul direct de conductie a curentului electric este de la anod spre catod. Utilizarile variate ale diodei semiconductoare se datoresc caracteristicii sale de functionare neliniare, reprezentate in figura 3.b. Aceasta caracteristica furnizeaza informatii despre variatia curentului prin dioda, in functie de tensiunea care apare pe dioda.

Functionarea diodei: daca se aplica o tensiune pozitiva pe dioda, adica potentialul superior al tensiunii este aplicat pe anod, se spune ca aceasta este polarizata direct si functioneaza in conductie directa. Daca se aplica o tensiune negativa pe dioda, adica potentialul superior al tensiunii este aplicat pe catod, se spune ca aceasta este polarizata indirect (invers) si functioneaza in conductie inversa. Pe caracteristica de functionare a diodei se remarca mai multe regiuni de functionare:

A. in polarizare directa:

Atat timp cat diferenta de potential dintre anod si catod este mai mica decat o anumita valoare notata V_D, numita tensiune de deschidere sau tensiune de prag, curentul prin dioda are o valoare foarte mica, in mod ideal fiind considerat nul.

Daca tensiunea pozitiva, aplicata la bornele diodei, depaseste valoarea tensiunii de deschidere V_D, curentul prin dioda creste exponential fata de tensiunea pe dioda. In aceasta regiune de functionare, tensiune pe dioda ramane la o valoare aproximativ constanta, in jurul valorii tensiunii de deschidere V_D. La diodele realizate din siliciu (cum este cazul celor utilizate in prezent), valoarea tensiunii de deschidere este aproximativ 0,6V. Asadar, se poate spune ca daca, curentul trece prin dioda, tensiunea pe acesta este aproximativ 0,6V. Curentul prin dioda nu trebuie sa depaseasca o anumita limita maxima, impusa de puterea maxima P_da pe care o poate disipa dioda fara a se distruge termic.

B. in polarizare inversa:

Daca tensiunea aplicata la bornele diodei este negativa, dar mai mica in modul decat valoarea V_BR la care se spune ca dioda se strapunge, curentul prin aceasta este foarte mic, in mod ideal fiind considerat nul.

Daca valoarea tensiunii negative depaseste un anumit prag V_BR numit tensiune de strapungere (valoarea acestei tensiune este de zeci sute de volti), dioda se strapunge, caz in care curentul creste brusc (si necontrolat), existand pericolul distrugerii diodei. Exista trei mecanisme prin care se poate produce strapungerea diodei:

prin ambalare termica

prin efect tunel (efect Zener)

prin multiplicare in avalansa

Figura 3.

Dioda Zener

Dioda Zener este o dioda de constructie speciala, destinata sa functioneze in regiunea de strapungere fara a se distruge. In aceasta zona, dioda Zener mentine tensiunea de la bornele ei la o valoare constanta, in conditiile in care prin ea curentul variaza intre anumite limite (notate pe figura 3.b I_Zm I_ZM). Din acest motiv, dioda Zener este utila in aplicatii care impun mentinerea la o valoare constanta a unei anumite tensiuni, in conditiile in care alte marimi specifice circuitului (curenti electrici, temperatura de lucru) variaza. O astfel de aplicatie este reprezentata de stabilizatoarele de tensiune. Simbolul diodei Zener este prezentat in figura 3.c. Caracteristica de functionare a diodei Zener este similara cu cea a unei diode semiconductoare, cu deosebirea ca valoarea tensiunii de strapungere V_BR (notata V_Z in acest caz) poate ajunge pana la cativa volti. In afara intervalului de valori ale curentului (I_Zm I_ZM), dioda nu mai mentine tensiunea pe ea la o valoare constanta, prin iesirea din regiunea de strapungere (daca i_Z<I_Zm), sau se poate distruge termic, prin depasirea puterii maxime pe care o poate disipa (daca i_Z>I_ZM).

Exemplul 1:

Determinarea punctului static de functionare al unei diode semiconductoare - analiza .OP

Punctul static de functionare caracterizeaza starea diodei in regim stationar (denumit si regim de curent continuu), regim in care marimile electrice nu variaza in timp. Punctul static de functionare este reprezentat de perechea de marimi electrice: curent continuu prin dioda, tensiune continua pe dioda. Pentru determinarea marimilor electrice care constituie punctul static de functionare a diodei se va utiliza analiza .OP - cea care permite determinarea valorii unui curent continuu sau a unei tensiuni continue. Circuitul simulat, care se numeste circuit de polarizare, este prezentat in figura 4. Se observa ca la intrarea circuitului se aplica o sursa de tensiune constanta, care fixeaza curentul si tensiunile in circuit la valori constante. Rezistenta R se numeste rezistenta de polarizare si este necesara pentru limitarea curentului prin dioda.

Declaratia diodei: declaratia diodei semiconductoare este:

Dnume nod_anod nod_catod nume_model

Linia incepe cu D dupa care se specifica, daca se doreste, numele diodei, de ex. D1, Dsemiconductoare, etc.

In campurile nod_anod si nod_catod se introduc cele 2 noduri intre care este conectata dioda, in ordinea impusa de declaratie.

In cimpul final se precizeaza numele modelului utilizat de catre dioda. In procesul de simulare, caracteristicile diodei sunt precizate prin intermediul unui set de parametrii, specificati in modelul diodei respective. In cazul in care modelul diodei nu este inclus in fisierul text, va fi generata o eroare.

Exista 2 variante prin care modelul diodei poate fi precizat.

definirea modelului: in acest caz modelul trebuie definit in interiorul fisierului text. Declaratia generica a modelului unei diode este:

.model nume_model D(lista parametrilor modelului)

Comanda .model informeaza simulatorul ca urmeaza o definitie de model a unui dispozitiv semiconductor. Ultimul camp, anume D, informeaza simulatorul ca modelul definit apartine unei diode. Valorile parametrilor sunt specificate intre paranteze. Al 2lea camp, nume_model, da un nume modelului definit.  Modul in care se defineste modelul cu numele DIODA al unei diode este prezentat in continuare:

.model DIODA D(lista parametrilor modelului)

Daca o dioda plasata intre 2 noduri nodul 1 - anodul, respectiv nodul 2 - catodul, utilizeaza modelul DIODA atunci aceasta va fi declarata astfel:

D 1 2 DIODA

2. daca modelul este inclus intr-o librarie, atunci libraria respectiva trebuie declarata in fisierul text. O librarie devine "vizibila" intr-un fisier text prin intermediul comenzii:

.LIB cale_librarie

Daca, de exemplu, modelul DIODA este inclus in libraria DISPOZITIVE.lib plasata in directorul c:pspicelibDISPOZITIVE atunci libraria respectiva se declara astfel:

.LIB c:pspicelibDISPOZITIVE.lib

Numai daca aceasta declaratie este introdusa in fisierul text, modelul DIODA poate fi utilizat in simulare. In cadrul acestui laborator, toate modelele utilizate in simulare sunt incluse in libraria diode.lib:

c:pspicelibdiode.lib

In continuare se prezenta modul in care acest circuit se simuleaza in Spice.

Figura 4.

dupa intrarea in programul Spice va apare fereastra grafica principala de mai jos:

se va deschide un nou fisier text: Files Current Files T caseta de dialog Define Input File, aici se va introduce numele fisierului , ENTER.

se deschide fereastra de editare a circuitului: Files Edit T fereastra Circuit Editor. Aici se va descrie circuitul din Figura 4.

* circuit 1 - titlul circuitului; aceasta linie este obligatorie

VCC 1 0 10      - atentie la ordinea in care au fost introduce cele 2 noduri

R1 1 2 5.6K      - in Spice "," se declara cu "."

D 2 0 D1N4001 - atentie la ordinea in care au fost introduce cele 2 noduri; numele modelului diodei este D1N4001

.LIB c:pspicelibdiode.lib - numele librariei este diode.lib

.OP - analiza care satisface cerintele enuntate mai sus este .OP.

.END                - linie care anunta terminarea fisierului text

Circuitul editat se va salva: ESC T save changes? Se apasa tasta S.

Daca in circuit nu sunt erori de editare atunci meniul ANALYSIS din fereastra principala este valid: se selecteaza acest meniu, apoi se selecteaza comanda RUN PSPICE care permite simularea circuitului.

Numai in cazul acestei analize, in urma procesului de simulare a circuitului, programul Spice se intoarce in fereastra principala. Pentru vizualizarea rezultatelor cerute (curenti continui/ tensiuni continue) se selecteaza: FILES BROWSE OUTPUT

Astfel, se vizualizeaza fisierul de iesire. Acesta contine diverse sectiuni:

Circuit Description - contine descrierea circuitului, asa cum a fost introdusa in fisierul text initial.

Small Signal Bias Solution - furnizeaza potentialele electrice in nodurile circuitului;

furnizeaza informatii despre sursele independente din circuit:

tensiune, curent, putere disipata. Aceste rezultate sunt generate pentru temperatura de simulare de 27⁰C (implicita).

Operating Point Information - furnizeaza valorile curentilor electrici in dispozitivele semiconductoare si valorile tensiunilor intre terminalele acestora

Rezultatele cautate pot fi determinate pe baza informatiilor furnizate de sectiunea Operating Point Information care ofera, sub forma unui tabel, valorile curentilor electrici in dispozitivele semiconductoare si valorile tensiunilor intre terminalele acestora.

Modul in care sunt afisate valorile respecta conventia prezentata in tabelul de la pag.2. Deci, daca dupa valoarea numerica (care este exprimata in format stiintific, cu exponent) nu este precizata nici o litera, atunci valoarea respectiva este exprimata in unitatea fundamentala de masura (in acest caz amperul, pentru curentul electric, respectiv voltul, pentru tensiunea electrica). In figura de mai sus curentul continuu prin dioda este notat cu ID si are valoarea 1,68mA, iar tensiunea continua pe dioda este notata cu VD si are valoarea 0,6V.

Exemplul 2: Depanarea erorilor de editare

Se va considera acelasi exemplu ca cel de mai sus, in care se va introduce deliberat o eroare de editare. Astfel, in loc de linia

R 1 2 5.6K

se va introduce linia

R 1 5.6K

care nu mai respecta modelul "asteptat" de simulator in cazul in care se declara un rezistor (lipseste din declaratie al 2lea nod).

se reiau pasii 3 si 4 din exemplul precedent, cu modificarea fisierului text asa cum s-a precizat mai sus.

se constata ca dupa salvare, la revenirea in fereastra grafica principala, meniul ANALYSIS nu mai este valid si in consecinta circuitul nu mai poate fi simulat (comanda RUN PSPICE nu mai poate fi executata). Aceasta situatie semnaleaza ca in circuit exista erori de editare. Pentru identificarea acestora se va selecta meniul CIRCUIT, comanda ERRORS (sau, mai direct, se va tasta F6). In urma acestor operatii va fi generat un mesaj care va identifica linia/liniile si tipul/tipurile erorilor. Pentru corectarea acestora se revine in fereastra de editare a circuitului FILES EDIT unde se vor face modificarile necesare.

ATENTIE !: in caseta in care sunt afisate erorile, numarul liniei in care este semnalata eroarea este cu 1 mai mic decat numarul liniei, asa cum apare in fisierul text, deoarece prima linie - cea cu comentariul - este neglijata in numaratoare. Mai clar, in caseta Errors, eroarea este semnalata in linia 2, care in fisierul text este linia 3.

Exemplul 3: Depanarea erorilor logice ale circuitului - NODURI FLOTANTE

Se va considera exemplul 1, in care se va introduce deliberat o eroare logica a circuitului. Astfel, in loc de linia

R 1 2 5.6K

se va introduce linia

R 1 4 5.6K

care introduce un nod fictiv, nodul numerotat 4. In Spice, intr-un nod trebuie sa fie conectate cel putin 2 elemente de circuit. Dupa cum se observa, in nodul 4 nu exista decat un singur element conectat si anume rezistenta R T eroare.

se reiau pasii 3 si 4 din exemplul precedent, cu modificarea fisierului text asa cum s-a precizat mai sus.

se constata ca, de acesta data meniul ANALYSIS este valid, deci simularea poate sa inceapa: RUN PSPICE. De data aceasta simularea este intrerupta. Aceasta intrerupere semnaleaza aparitia erorilor logice ale circuitului. Aceste erori indica lasarea unui nod in "aer" = nod flotant.

pentru identificarea nodului flotant se selecteaza FILES BROWSE OUTPUT. La sfarsitul fisierului de iesire este semnalizat nodul flotant. Pentru corectarea erorilor se revine in fereastra de editare a circuitului FILES EDIT unde se vor face modificarile necesare.

Exemplul 4:

Determinarea caracteristicii statice de functionare a unei diode Zener - analiza .DC

Caracteristica de functionare a unei diode furnizeaza informatii despre modul in care, curentul prin dioda variaza in functie de tensiunea pe aceasta. Asadar, in rezultatul cautat se vor vizualiza variatiile unor marimi electrice. Pentru obtinerea acestor variatii se va utiliza circuitul din figura 4, in care valoarea lui R se va modifica la 1KW si valoarea tensiunii generate de sursa VCC va fi variata intr-un domeniu de valori. Daca VCC ar fi pastrata la o valoare constanta, ca in exemplul 1, atunci, in mod evident, nici o marime electrica din circuit nu ar varia si in acest caz nu ar fi posibil sa se obtina caracteristica de functionare. In concluzie, pentru obtinerea caracteristicii de functionare este necesar ca valoarea sursei VCC sa fie variata. Domeniul de variatie a valorii sursei VCC va fi [-10V 10V ], iar pasul de variatie va fi 0,1V. In Spice, o marime poate fi variata intr-un domeniul de valori in cadrul analizei .DC. Tinand cont de datele de mai sus, analiza care trebuie introdusa in acest caz in fisierul text (in locul liniei .OP, care se va sterge) este:

.DC VCC -10 10 0.1

Deoarece, in acest exemplu se urmareste studiul unei diode Zener, modelul diodei utilizate in simulare va fi Z3V9 (se va sterge modelul D1N4001), localizat in libraria c:pspicelibpac.lib.

In plus, deoarece in acest caz se urmareste vizualizarea grafica a rezultatului, se va introduce comanda .PROBE in fisierul text - comanda de vizualizare grafica a rezultatului (aceasta linie va fi introdusa inaintea liniei .END).

Dupa editarea corecta a circuitului, salvarea si simularea sa, se vor executa urmatorii pasi:

Se ajunge automat intr-o noua fereastra grafica, fereastra PROBE, in care se vor vizualiza rezultatele obtinute.

Pentru vizualizarea caracteristicii de functionare este necesara selectarea marimilor electrice de pe cele 2 axe ale graficului. Mai intai se va selecta marimea vizualizata pe axa OX.In acest scop se va selecta meniul X_axis, apoi optiunea X_variable. Apoi se va tasta F4 T un tabel in care sunt listate toate tensiunile din nodurile circuitului fata de masa - V(nod) si curentii prin componentele acestuia - I(componenta). Conform figurii 3.b, pe axa OX trebuie sa fie selectata tensiunea de pe dioda, care, conform figurii 4 este chiar tensiunea din nodul 2 la masa circuitului, deci V(2)- aceasta tensiune se va selecta cu ajutorul sagetilor, apoi se va tasta de 2 ori ENTER. In acest mod, pe axa OX a graficului marimea reprezentata va fi tensiunea pe dioda.

In continuare, se va reveni in fereastra PROBE cu comanda Exit, de unde se va selecta pentru vizualizare (Add_trace F4) marimea I(D) - curentul prin dioda. Dupa aceasta se va actiona tasta ENTER (de 2 ori). In acest mod, pe axa OY a graficului, marimea reprezentata va fi curentul prin dioda. Astfel, in fereastra PROBE se va vizualiza caracteristica statica de functionare a diodei Zener.

Pe caracteristica obtinuta se pot determina coordonatele unor puncte diverse de pe caracteristica. De exemplu se poate determina tensiunea de deschidere a diodei - tensiunea la care I(D) = 1mA. In acest scop se va utiliza comanda CURSOR. In consecinta, pe graficul vizualizat se va activa un cursor, care poate fi deplasat prin intermediul sagetilor si

Valorile coordonatelor cursorului sunt furnizate intr-o caseta pe linia C1. Prima valoare reprezinta valoarea coordonatei cursorului pe axa OX, deci valoarea tensiunii pe dioda. A 2a valoare reprezinta valoarea coordonatei cursorului pe axa OY, deci valoarea curentului prin dioda. Pentru obtinerea tensiunii de deschidere a diodei, cursorul se va deplasa pe grafic pana cand valoarea curentului este 1mA. Valoarea tensiunii, corespunzatoare acestui punct, va reprezenta tensiunea de deschidere a diodei: 700,133mV.

Similar, se poate determina tensiunea de strapungere a diodei Zener - tensiunea la care curentul are valoarea -1mA, care are valoarea aproximativa de 3.16V (valoarea in modul).

Exemplul 5:

Redresor monofazat cu dioda semiconductoare - analiza .TRAN

Redresorul este un circuit care transforma energia de curent alternativ in energie de curent continuu, altfel spus, are rolul de a transforma curentul alternativ in curent continuu. Acest circuit este utilizat in special in circuitele de alimentare. Aceste circuite preiau la intrare tensiunea furnizata de reteaua de alimentare, deci o tensiune sinusoidala si furnizeaza la iesire o tensiune constanta. Functionarea redresorului se bazeaza pe proprietatea diodei de a permite trecerea curentului prin ea numai daca este polarizata direct. Schema redresorului este prezentata in figura 5.a. Tensiunea de la intrare este sinusoidala (in circuitul de alimentare, este tensiunea furnizata de secundarul transformatorului) si are componenta medie nula. Din acest motiv, tensiunea de intrare este pozitiva de durata unei semiperioade si negativa pe durata celeilalte semiperioade. Astfel, intr-o perioada a semnalului sinsoidal de la intrare, dioda este polarizata direct (o semiperioada), respectiv invers (o semiperioada). Atunci cand este polarizata invers, dioda blocheaza trecerea curentului prin ea si totodata prin rezistenta R, deci tensiunea pe aceasta din urma - tensiunea de la iesirea redresorului, este 0. Atunci cand este polarizata direct, dioda permite trecerea curentului prin ea si totodata prin rezistenta R. Deoarece, in conductie, dioda prezinta o rezistenta finita, pe rezistenta R va ajunge o anumita fractiune din tensiunea de intrare. In cazul in care rezistenta R este mult mai mare decat rezistenta diodei (care are valori cuprinse intre zeci de W si sute de W), atunci, pe durata alternantei pozitive a semnalului de intrare, la iesirea redresorului se va obtine tensiunea de intrare in totalitate.

Deoarece, in studiul redresorului intereseaza variatia marimilor electrice in timp, in acest caz se va utiliza analiza in regim tranzitoriu: .TRAN. In acest scop se va presupune ca la intrarea redresorului se furnizeaza, cu referinta din figura, o tensiune sinusoidala de amplitudine 20V, valoare medie 0V si frecventa 50HZ (frecventa tensiunii de la reteaua de alimentare), restul parametrilor sursei de tensiune sinusoidale fiind considerati nuli. In cadrul acestei analize, se vor vizualiza N=4 perioade ale semnalelor de intrare, respectiv de iesire, iar numarul punctelor de analiza va fi considerat ns=100.

Figura 5.

Tinand cont de cerintele de mai sus, pentru declararea corecta a analizei in regim tranzitoriu se impun urmatoarele calcule:

a.      determinarea perioadei semnalului Vin:

b.     determinarea parametrului timp_final_simulare al analizei:

stim ca numarul de perioade care trebuie vizualizate este N=4.

timp_final_simulare=N T=4 [ms]=80[ms]

c.       determinarea pasului de simulare:

stim ca numarul de puncte de simulare este ns=100.

T

Pentru dioda se vor utiliza informatiile prezentate la primul exemplu. Pe baza celor de mai sus, in fisierul text se vor introduce liniile:

* redresor monoalternanta cu dioda semiconductoare

Vin 1 0 SIN(0 20 50 0 0 0)       - vezi declaratia generatorului de tensiune sinusoidala

D 1 2 D1N4001              - atentie la ordinea in care se introduc nodurile

R 2 0 5.6K

.LIB c:pspicelibdiode.lib.

.TRAN 0.8M 80M

.PROBE

.END

1. Pentru vizualizarea tensiunii de intrare = tensiunea din nodul 1 la masa circuitului, se va selecta tensiunea V(1) (ADD TRACE F4 V(1) ENTER ENTER), iar pentru vizualizarea tensiunii de iesire = tensiunea pe R = tensiunea din nodul 2 la masa circuitului, se va selecta tensiunea V(2) (ADD TRACE F4 V(2) ENTER ENTER). Din figura rezultata se observa ca la iesirea redresorului rezulta numai alternanta pozitiva a tensiunii de intrare, cea negativa fiind eliminata prin polarizarea inversa a diodei D.
2. Totodata, din figura obtinuta se observa ca pe axa OX este reprezent timpul, in domeniul setat in analiza 80ms], deci pe aceasta axa unitatea de masura este secunda (marimea fiind timpul), iar pe axa OY este reprezentata valoarea tensiunii pe R, deci pe aceasta axa unitatea de masura este voltul.
3. Din rezultatul obtinut, se observa ca, la iesire se obtine in continuare o variatie semnificativa a tensiunii (DVout=20V). Aceasta varia poate fi redusa prin introducerea unui condensator de filtrare, asa cum este prezentat in figura 5.b. Cu cat este mai mare valoarea acestui condensator, cu atat mai mica va fi variatia DVout. Se va simula acest circuit si se va determina cu ajutorul cursorului aceasta variatie: DVout=V_outMAX-V_outMIN. Dupa activarea cursorului, pentru obtinerea valorii minime se va tasta M, iar pentru obtinerea valorii maxime se va tasta X. In acest caz, in determinarea valorii minime se va cauta acesta valoarea incepand dina a 2a semiperioada (nu la momentul t=0).
4. Daca se doreste determinarea amplitudinii unei tensiuni, atunci, cu ajutorul cursorului se vor determina valoarea maxima VMAX, respectiv minima VMIN a tensiunii, amplitudinea fiind diferenta dintre aceste valori divizata la 2:

Verificati in acest mod valoarea amplitudinii de intrare. In cazul in care, in acceasi fereastra grafica sunt vizualizate mai multe forme de unda (grafice), trecerea cursorului de pe un grafic pe altul se realizeaza cu comanda: CTRL +

Exemplul 6: Comportamentul unui filtru trece banda - analiza .AC

In cadrul acestei analize, se va determina modul in care tensiunea de la iesirea filtrului = tensiunea de pe C2 va varia in cazul in care frecventa semnalului de intrare Vg variaza in domeniul de frecvente 1Hz, 100MHz. Variatia tensiunii de iesire se va vizualiza pe decade si se vor considera 10 puncte de analiza/decade.

Figura 6

Pentru determinarea variatiei unei marimi electrice intr-un domeniu de frecvente, este necesar ca la intrarea circuitului simulat sa se aplice un generator de semnal. Modul in care se declara un generator de semnal, pentru analiza in curent alternativ .AC este indicat mai jos:

Vnume nod+ nod- AC amplitudine faza

Pentru acest exemplu se vor considera parametrii: amplitudine=1V, faza=0⁰.

ATENTIE! In cadrul acestei analize, generatorul de tensiune nu se declara ca in cazul analizei in regim tranzitoriu .TRAN. Observati ca in declaratia de mai sus, nu este necesar sa se precizeze forma de unda a lui Vg.

Tinand cont de cerintele de mai sus, in fisierul text se vor introduce liniile:

* analiza in curent alternativ

Vg 1 0 AC 1 0

C1 1 2 10N

R1 2 0 10K

R2 2 3 1K

C2 3 0 1N

.PROBE

.AC DEC 10 1 100MEG                        - domeniul de variatie a frecventei generatorului de semnal Vg este precizat in declaratia analizei

.END

Dupa salvarea si simularea circuitului, rezultatele se vor vizualiza intr-o noua fereastra grafica, fereastra PROBE, in care se ajunge automat. Pentru vizualizarea unei marimi electrice se selecteaza optiunea ADD TRACE. Pentru selectarea unei anumite marimi electrice se tasteaza F4 T un tabel in care sunt listate toate tensiunile din nodurile circuitului fata de masa si curentii prin componentele acestuia.

In acest exemplu se doreste vizualizarea tensiunii pe C2, deci tensiunea din nodul 3 la masa (nodul 0). In concluzie se va selecta tensiunea V(3). Apoi, pentru vizualizarea tensiunii se va tasta de 2 ori ENTER. Va rezulta figura: de mai jos.

Pe axa OX este reprezentata frecventa in domeniul stabilit: [1Hz 100MHz], deci pe aceasta axa unitatea de masura este hertzul [Hz]. Totodata, se observa modul logaritmic de reprezentare a valorilor si anume puteri ale lui 10: 1Hz, 100Hz, 10KHz, etc. Intervalul dintre 2 puteri consecutive ale lui 10 = 1decada (pe acest desen intervalele afisate sunt = 2decade).

Pe axa OY este reprezentata valoarea tensiunii pe C2, deci pe aceasta axa unitatea de masura este voltul.

Pentru determinarea unei valori pe graficul afisat, se va recurge la comanda CURSOR. In consecinta pe graficul respectiv se va activa un cursor care poate fi deplasat prin intermediul sagetilor si

Valorile coordonatelor cursorului sunt furnizate intr-o caseta pe linia C1. Prima valoare reprezinta valoarea coordonatei cursorului pe axa OX, deci valoarea unei frecvente: 1,2704KHz. A 2a valoare reprezinta valoarea coordonatei cursorului pe axa OY, deci valoarea unei tensiuni: 599,455mV.