DESIGN CENTER 6.3 MANUAL PASSO A PASSO PARA INICIANTES

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DESIGN CENTER 6.3

MANUAL PASSO A PASSO PARA INICIANTES

Marco Antônio Mena Renato Buosi Rodolfo Bighetti

Professor orientador : Kazuo Nakashima ESCOLA FEDERAL DE ENGENHARIA DE ITAJUBÁ

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA Este manual tem como objetivo conduzir a

simula-ção de um circuito elétrico simples mostrando todos os passos básicos necessários para o desenho do diagrama esquemático, simulação e obtenção dos resultados fi-nais como as formas de onda de tensão e corrente nos pontos selecionados no circuito.

I. INTRODUÇÃO

Dentre os programas de simulação de circuitos elé-tricos e eletrônicos o PSpice da MicroSim vem se destacando no meio acadêmico devido à qualidade da versão de avaliação, conhecida como versão do estu-dante, distribuída gratuitamente, e pela promoção ofe-recida às entidades de ensino pela versão profissional completa.

A versão atual deste software é o Design Lab 8.0 para Windows 95 e a versão de avaliação é denomina-da MSIMEV80. Esta versão deve ser instaladenomina-da remo-vendo-se, se for o caso, a versão 7.1 (MSIMEV71), primeira versão para Windows 95 devido ao conflito no arquivo Msim_evl.ini localizado na pasta c:\windows.

O Design Center 6.3, última versão para Win-dows3.1, foi escolhido devido a facilidade de instala-ção tanto no Windows 3.1 como no Windows 95. A instalação desta versão não interfere nas outras versões instaladas. A versão de avaliação, “versão estudante”,

MSIMEV63, é distribuída em nove disquetes (somente

os programas) ou em CD onde estão incluídos os ma-nuais.

II. PREPARANDO O PROGRAMA

O Design Center 6.3. é constituído de vários pro-gramas como o Schematics, ambiente onde se “dese-nha” o circuito eletrônico, o PSpice, responsável pela simulação do circuito e a alma de todo o software, e o

Probe que serve para a visualização gráfica dos

resul-tados (formas de onda).

Crie um subdiretório “testes” dentro do diretório (ou pasta) Msimev63 para arquivar todos os “projetos novos” que serão criados por você (na versão 8 a pasta “projects” é criada automaticamente).

Ao iniciar o programa Schematics, vá ao menu

Options e escolha Display Options e habilite todas as

opções. Voltando ao menu Options escolha Set

Dis-play Level (DisDis-play Preference - Restore All Defaults

na versão 8) e na caixa de dialogo que se abrirá clique em Set All e em seguida OK. Dessa forma seu compu-tador estará configurado da mesma forma que este ma-nual.

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III. DESENHANDO O CIRCUITO

Vá até o menu File e escolha save ou save as. Na caixa de dialogo que se abrirá indique o caminho (c:\Msimev63\testes) até o subdiretório testes e digite o nome do arquivo, teste1 por exemplo, e depois salvar. Você poderá observar no canto superior esquerdo da Figura 2.

Inserindo componente

Vá até o menu Draw e escolha Get New Part O símbolo de mão (ou binóculo na versão 8) na barra de ferramentas é um atalho para Get New Part.

Na caixa de diálogo que se abre Part Browser

(Ba-sic ou Advanced) você encontrará a lista de todos

componentes existente. Se a opção Advanced estiver habilitada você observará o símbolo do componente selecionado. Para facilitar a busca clique no botão

Li-braries para abrir a caixa de diálogos Library Browser. Nesta caixa você encontrará os componentes agrupados por categorias com mostra a Figura 3b.

Para instalar uma fonte senoidal selecione SOUR-CE.slb na lista Library e em seguida localize VSIN na lista Part como mostra a Figura 3b. Uma vez sele-cionado VSIN clique OK. A caixa Library Browser fechará. Clique Place e o símbolo de uma fonte senoi-dal aparecerá junto à seta do mouse. Arraste até a po-sição desejada e clique com o botão esquerdo para

fi-xar o componente no diagrama esquemático. Se

qui-sermos adicionar mais fontes bastaria clicar novamente com o botão esquerdo do mouse (não é o nosso caso).

Para ESCapar basta clicar o botão direito do mou-se.

Figura 3 Figura 2

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Observe que este componente que acabamos de se-lecionar aparece no campo Places part on schematics da barra de ferramentas. Neste campo temos a lista dos últimos componentes utilizados possibilitando uma busca rápida do componente

Para adicionarmos um resistor repita o passo: Draw→ Get New Part→ Libraries→ ANAOG.slb→ R→ OK→ Place→Click Botão Esquerdo do Mou-se→Click Botão Direito do Mouse.

Se a biblioteca ainda estiver aberta basta seguir os passos após clicar em Libraries.

Um caminho mais rápido seria digitar a letra R no campo Places part on schematics na barra de ferra-mentas e em seguida teclar <enter>. Para isto de-vemos lembrar que R é resistência, L é indutância, C é capacitância, etc.

Para finalizar a inserção de componentes busque-mos agora a referência do circuito (terra). Sem esta re-ferência o circuito não será simulado (o PSpice não será executado). Escolhemos EGND (Earth Ground) e em seguida fechamos a biblioteca.

Draw→ Get New Part→ Libraries→ PORT.slb→ EGND→ OK→ Place and Close.

Organizando o diagrama esquemático

Neste ponto estaremos com três componentes na área da trabalho como mostra a Figura 4.

Figura 4

Antes de mais nada vamos dispô-los de forma mais adequada. Para arrastar um componente clique uma vez sobre o componente e ele se tornará vermelho. Então clique novamente e não solte. O componente estará agregado à seta do mouse, possibilitando que você o mova para qualquer lugar (drag and drop - ar-rastar e soltar) . Se por acaso nesta operação você cli-car duas vezes sobre o componente cli-caracterizando um clique duplo uma caixa de diálogo se abre indicando as especificações do componente - não se irrite! Para voltar à área de trabalho basta clicar sobre o botão

Para rotacionar o componente basta clicar uma vez sobre o componente e digitar Ctrl+R ou na barra de menus Edit selecione Rotate ou Flip conforme a neces-sidade. O terminal 1 do resistor é o terminal da esquer-da. O comando Rotate gira o componente no sentido antihorário.

Interligando os componentes

O próximo passo será efetuar a ligação entre esses componentes . Para fazer as ligações vá ao menu Draw e selecione Wire. O cursor ganha a forma de um lápis. Logicamente o caminho mais fácil é busca-lo diretamente na barra de ferramentas onde está o sím-bolo de um lápis com o traço mais fino (wire – fio). Não use o outro símbolo de um lápis com o traço mais grosso (Bus – barramento).

Figura 5

Com ele iremos desenhar os fios. Clique na extre-midade superior da fonte. Mova o cursor e você notará uma linha tracejada ligando a fonte até o cursor. Você tem controle vertical e horizontal da linha tracejada. Mova verticalmente para cima e quando atingir a altu-ra que se encontaltu-ra o resistor mova a direita até chegar a extremidade deste. Clique o botão esquerdo do mouse para confirmar a ligação. A linha tracejada torna-se verde indicando que a ligação foi feita.

Proceda da mesma forma para efetuar a ligação da extremidade inferior do resistor R1 ao terra. Também do terra à extremidade inferior da fonte V1, fechando assim o circuito. Frequentemente será necessário refa-zer a ligação para confirmar o “contato” (junção- a marca do ponto de nó). Explore bem as ferramentas de edição de desenho.

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Especificação dos componentes

Uma vez desenhado o circuito faz-se necessário dar valores e nomes aos componentes. Para especificar os valores dos componentes devemos clicar duas vezes –

double click – sobre ele para que se tenha acesso ao

seu menu PartName, onde são mostradas as caracte-rísticas básicas deste componente. Podemos também acessar atributos relativos ao sistema, como, por exemplo, o nome do componente e, além disso, atribu-tos fixos do sistema. Estas funções são ativadas e de-sativadas clicando-se sobre Include System-define

Attributes e Include Non-changeable Attributes.

De-sative estes dois atributos por enquanto.

Proceda um double-click sobre o resistor e o menu da Figura 7 aparecerá.

Figura 7

Para alterar o valor da resistência devemos clicar no atributo VALUE= que indica o valor do compo-nente (valor predefinido = 1k), clicar depois no campo Value e digitar 2 (para 2[Ω]) e finalmente teclar <enter> ou clicar sobre Save Attr. Note bem a dife-rença entre a listagem de atributos do componente e o campo onde ela será alterada. Finalmente clique OK. O valor 2 deve aparecer no esquemático ao lado de R1(no lugar de 1k). n e-9 _nano ₁₀-9 u e-6 _micro ₁₀-6 m e-3 _mili ₁₀-3 k e3 _quilo ₁₀3 meg e6 _Mega ₁₀6 g e9 _Giga ₁₀9

Para 100[MΩ] devemos digitar 100meg ou 100e6 e em seguida teclar <enter>. Para um capa-citor de 22[µF] bastaria digitar 22u ou 22e-6.

Já devidamente definido o valor do resistor, faça-mos o mesmo para a fonte senoidal. Para tanto, dê um 'double-click' sobre este componente, o menu abaixo da Figura 8 irá se abrir.

Figura 8

Para entrar com o valor da amplitude da fonte cli-que sobre VAMPL= e outro clicli-que dentro do campo

Value, assim, o cursor estará piscando dentro deste

campo, bastando digitar o valor 10 ou 10V e <en-ter>. Outra opção é aplicarmos um duplo clique so-bre a grandeza VAMPL= fazendo o cursor ir direta-mente para dentro do campo Value. Não se esqueça de teclar <enter> depois.. Observe na lista abaixo se o valor foi corretamente inserido.

VSIN DC=0 AC=0 VOFF=0 VAMPL=10 FREQ=60 TD=0 DF=0 PHASE=0

Para determinar a freqüência dê um duplo clique em FREQ=, digite 60 e em seguida <enter>. A unida-de da frequência é [Hz].

A componente contínua ou a tensão de offset, VOFF=, atribuiremos 0[V], completando assim as mínimas especificações para a fonte funcionar.

Outras funções importantes como DC= (para análi-se de Bias Point Detail), AC= (para análianáli-se ACSwe-ep), TD= (Tempo de atraso) ou Phase= (Fase) serão analisadas posteriormente.

Desta forma teremos uma tensão senoidal de 60[Hz] com amplitude de 10[V] de pico e sem compo-nente contínua (VOFF=0) e sem defasagem (PHA-SE=0).

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Obs. Alguns atributos como VAMPL e FREQ são indispensáveis para simulação. Se estes valores não forem atribuídos, o PSpice não será executado e a mensagem de erro aparecerá. Leia estas mensagens com atenção.

IV- PREPARANDO PARA SIMULAÇÃO

Com o circuito pronto na área de trabalho, devemos configurar o modo de simulação do circuito a partir dos seguintes passos:

No menu Analysis, escolha Setup. Aparecerá a cai-xa de diálogos do menu Analysis Setup. Conforme a Figura 9.

Figura 9

Dentre os vários tipos de análise escolhemos a aná-lise de transientes. Para isto clique no campo à esquer-da de Transient - para habilita-lo. Do mesmo modo desabilite o campo Bias Point Detail (caso estiver se-lecionado).

Clicando sobre o botão Transient, sua caixa de di-álogo aparecerá, como mostrado na Figura 10. Nela será definido o tempo total a ser simulado Final Time, bem como o passo máximo de integração Step Ceiling, e o número de dados a serem armazenados Print Step.

Clique em Print Step e digite 50u. No campo Final

Time digite 50m e no campo Step Ceiling digite 50u.. Clique OK. Clique Close.

Nesta mesma caixa de diálogo você tem a possibili-dade de habilitar a análise de Fourrier do transiente. Mas esta função será utilizada futuramente.

Simulação

Para se efetuar a simulação selecione a opção

Si-mulate no menu Analysis,.

Momentaneamente a janela PSpice se abrirá no centro da tela, enquanto a simulação estiver sendo pro-cessada. Se ocorrer algum problema durante a simula-ção como terminal de componente flutuando (terminal sem ligação), falta de uma referência (terra), ou pro-blema de convergência, leia com atenção a mensagem de erro e siga as instruções. Na janela do PSpice sele-cione o menu File e na caixa de diálogos selesele-cione

Examine Output.

Figura 11

Terminada a simulação o programa Probe abrir-se-á automaticamente. É através dele que serabrir-se-á feita a veri-ficação das formas de ondas do circuito.

V- FORMAS DE ONDAS

Com o programa Probe já aberto, Figura 14, sele-cione no menu Plot e em seguida escolha Add Plot. Em seguida clique dentro da área do Plot superior fa-zendo aparecer o sinal SEL>> no canto inferior es-querdo.

Voltando à barra de menus, selecione Trace em seguida escolha Add. A caixa de dialogo Add Trace será aberta . Selecione V(V1:+) e observe que ela aparece no campo Trace Command. Clique OK. Você verá uma senoidal de 10[V] de pico.

Novamente no menu Trace selecione Add e na cai-xa de diálogo Add Trace selecione I(R1). Clique OK e aparecerá a forma de onda senoidal de 5[A] de pico porém com polaridade invertida. Isto porque a corrente é considerada positiva entrando no terminal 1 deste elemento que está conectado no EGND. Poderíamos rotacionar o resistor mais duas vezes até conseguir li-gar o pino 2 ao EGND.

Print Step=50u Final Time=50m Step Ceiling=50u

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Vamos “deletar” esta forma de onda (trace) selecio-nando I(R1), clicando sobre o ponto de marcação ou sobre I(R1), e em seguida teclando <Delete>.

Seguindo o procedimento para adicionar “Trace” digite o sinal menos (-) no campo Trace Command e em seguida selecione I(R1). Neste campo aparecerá a expressão -I(R1). Clique OK e você verá a forma de onda de corrente com a mesma polaridade da tensão (acabamos de utilizar a expressão matemática menos para inverter a polaridade da forma de onda).

Figura 12

De novo no menu Trace, selecione Add e no campo

Trace Command da caixa de diálogo Add Trace digite

0 (zero) e em seguida OK. Você verá a referência zero. Vamos utilizar o Plot inferior. Clique dentro da área do plot inferior e o sinal SEL>> aparecerá no canto inferior esquerdo deste plot. Seguindo o proce-dimento para adicionar Trace, (Trace...Add...) digite a seguinte expressão no campo Trace Command: -V(V1:+)*I(V1) onde o sinal * é o sinal de multi-plicação. Ao clicar OK você verá uma senoidal de 120[Hz] deslocada positivamente. Esta é a forma de onda da potência instantânea fornecida pela fonte V1.

Se quisermos o valor médio desta potência, no pro-cedimento Add Trace digite no campo Trace

Com-mand: Avg(-V(V1:+)*I(V1)). Clicando OK você verá um valor quase contínuo estabilizando no valor de 25[W], conforme a teoria. 10[V]pico=7.07[V]rms, 5[A]pico=3.53[A]rms,

Pavg=Vrms*Irms=25[W]

O Probe possui mais de vinte funções matemáticas (aritméticas e trigonométricas) para nos auxiliar na avaliação dos resultados. A Figura 13 mostra algumas delas. Esta janela está disponível na função Add Trace somente nas versões 7.1 e posterior.

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Figura 14

VI- DICAS ÚTTEIS

Problemas de convergência durante a simulação Para simulação de circuitos com indutores e capa-citores é importante adicionar uma resistência em série com um destes elementos. Nunca deixe um indutor em série com uma fonte de tensão ou capacitor sem esta resistência (10mΩ ou mais). Sem esta resistência será criado um loop acarretando problemas de convergência durante a simulação no PSpice.

Numa etapa mais avançada veremos outro modo de evitar, ou pelo menos minimizar, problemas de con-vergência alterado os valores de ABSTOL, PIVTOL, RELTOL, ou seja, nas opções de Analysis...Set

Up...Options...

PRAMETERS

Quando algum valor (parâmetro) for utilizado vári-as vezes, ou melhor dizendo, repetidvári-as vezes, é interes-sante invocar a função PARAMETERS :... encontra-do como PARAM na biblioteca Special.slb .

Draw→ Get New Part→ Libraries→ Special.slb→ PARAM→ OK→ Place and Close.

Clicando duas vezes sobre PARAM encontraremos na caixa de diálogos espaços para três nomes e três respectivos valores. Por exemplo, invocando VSIN para uma tensão da rede de 180[V] de pico ou 127[V] eficaz, 60[Hz] e um retardo (Time Delay)de 120º

PARAMETERS: NAME1= VREDE NAME2= F NAME3= ANGULO VALUE1= 180 VALUE2= 60 VALUE3= 120 VSIN VAMPL= {VREDE} FREQ= {F} TD= {ANGULO / (360*f)}

Observe que os parâmetros foram inseridos dentro de uma chave. Esta chave deve ser utilizada também quando utilizamos operações matemáticas como

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fize-mos para converter o ângulo (em graus) para tempo (em segundos) no valor TD de VSIN.

Onda Triangular

Uma onda triangular ou dente de serra periódica pode ser obtida através de VPULSE. Por exemplo uma onda triangular (quase) perfeita de 10[V] de pico (20[V] pico a pico) e frequência de 100[Hz].

PARAMETERS:

NANE1= d NAME2= f NAME3=

VALUE1= 0.5 (zero ponto cinco) VALUE2= 100 VALUE3= VPULSE: DC=0 AC=0 V1= -10 V2=10 TR={d/f} TF={(1-d)/f} PW={0.001/f} PER={1/f}

Para gerar uma dente de serra basta mudar o valor de de Duty Cicle “d “ para 0.01 ou para 0.99.

Figuras Vetoriais

Podemos transportar o desenho do esquemático para um editor de texto de duas formas: a) Figura Bi-tmap, usando Èdit: Copy to Cliboard ou b) Figura Vetorial, Imprimindo para arquivo através de um

Plo-tter HP (figura vetorial HPGL com extensão HGL ou PLT). A versão 8.0 permite exportar como arquivo DXF do AutoCAD, figura vetorial, que pode ser im-portada pelo Word97.

VII- OBSERVAÇÕES FINAIS

A área de trabalho do Probe possui fundo preto (background = black) e traços brancos (foreground = brightwhite). Neste artigo ela foi modificada apenas para economizar toner da impressora e das copiadoras. A modificação é feita na seção [PROBE DISPLAY COLORS] no arquivo Msim_ev.ini na pasta C:\Windows. Não modifique a cópia deste arquivo que está na pasta C:\Msimev63. Não há necessidade de fazer qualquer modificação. A impressão dos re-sultados do Probe é feita com fundo branco, como de-finido na seção [Probe Print Colors] do mesmo arquivo Msim_ev.ini.

A última versão, para Windows 95, MSimEv_8, poderá ser obtida através da internet. no endereço:

http://www.microsim.com

http://www.orcad.com

http://www.anacom.com.br

e o arquivo 80dlab.exe possui aproximadamente 16MB. O software de instalação poderá ser arquivado em 13 disquetes.

VIII- CONCLUSÕES

Por este simples exemplo podemos avaliar o poder e a utilidade deste software. Mesmo com a limitação de aproximadamente cinqüenta componentes de circuito por esquemático, a versão de avaliação nos servirá muito bem durante os cinco anos de engenharia elétri-ca, principalmente nos cursos básicos de circuitos elé-tricos, de eletrônica e de eletrônica de potência.

Itajubá, MG Setembro de 1998

Outubro de 1998 Fevereiro de 1999

DC63-97X

Marco Antônio Mena, Renato Buosi e Rodolfo Bighetti são alunos do curso de Engenharia Elétrica da Escola Federal de Engenharia de Itajubá e monitores da disciplina E722 - Eletrônica Industrial Aplicada