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IDE E OS TIPOS DE

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Academic year: 2019

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OFTWARE

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No estudo de circuitos elétricos e eletrônicos é muito importante a utilização de ferramentas computacionais que auxiliem no processo de aprendizado. Entre essas ferramentas,

destacam-se ferramentas CAD (do inglês computer-aided design - desenho assistido por

computador). Com essas ferramentas é possível desenhar o circuito e analisá-lo sem a necessidade da montagem física ou de equacionamento matemático.

O Software Micro-Cap, desenvolvido pela empresa Spectrum Software, é um CAD para

circuitos elétricos muito versátil, que proporciona diversos tipos de análise, incluindo análise em regime estacionário senoidal e o estudo da resposta em freqüência de circuitos elétricos. A empresa desenvolvedora disponibiliza uma versão para estudante, que apresenta limitações de tamanho de circuito, porém possui capacidades mais que suficientes para utilização acadêmica na maioria das disciplinas de circuitos elétricos e eletrônicos.

Este material aborda sobre os fundamentos da ferramenta, como a montagem e a simulação de circuitos simples.

A IDE E OS TIPOS DE ANÁLISE

O Micro-Cap possui uma interface de desenvolvimento muito simples e prática. A Figura 1 apresenta a IDE do Micro-Cap.

Figura 1 - IDE do Micro-Cap.

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análise é útil para estabelecer curvas de polarização ou apenas para obter a resposta de circuitos em regime permanente.

Análise AC ou AC dinâmica: Da mesma maneira que a análise DC, esta análise estuda o regime permanente de circuitos, porém, nessa análise se considera corrente alternada (excitação senoidal), dessa maneira, a resposta apresenta magnitude e fase das tensões e correntes nos dispositivos.

Essas análises serão exploradas em detalhes no decorrer do curso.

A IDE automaticamente já inicia com um esquemático aberto, mas para iniciar um novo

esquema ou arquivo, basta clicar em File New. A janela abaixo será apresentada, na qual a

opção assinalada deve ser selecionada para criar um novo circuito esquemático.

Figura 2 - Novo circuito esquemático.

Para adicionar componentes, basta procurá-los na janela da esquerda. Assim que achar o componente desejado, basta clicar sobre seu nome e, após, clicar na janela da direita. O elemento de circuito será posicionado.

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Figura 3 - Janela de atributos do elemento.

Nessa janela é possível aditar os mais diversos atributos, que darão aos componentes as características desejadas. Para componentes simples como resistores, usualmente apenas seu valor será alterado, porém para outros componentes, como veremos mais adiante, é necessário ajustar muitos atributos. No campo Value, no topo da janela, é possível atribuir um valor aos atributos. No caso, é possível atribuir um valor de resistência para o elemento. De maneira análoga, é possível adicionar indutores e capacitores com valores desejados.

Outros elementos importantes, e estes requerem mais atenção, são fontes de corrente e tensão. É possível encontrar as fontes em (Analog Primtives → Waveform Sources).

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SIMULANDO UM CIRCUITO EM CORRENTE CONTÍNUA

Monte o circuito abaixo:

Figura 5 - Circuito simples: Divisor de Tensão.

Perceba que as resistências possuem valores de 10 Ω e 20 Ω. Para a fonte de tensão, configure-a com 10V em corrente contínua, conforme a figura abaixo:

Figura 6 - Atributos da fonte de tensão.

O elemento conectado ao terminal negativo da fonte na Figura 5 é chamado 'terra' (Ground), encontrado na biblioteca ( Analog Primtives Connectors ), que estabelece o nó de referência. Esse elemento é indispensável para a simulação de qualquer circuito, pois ele indica ao software o nó a partir do qual as tensões em todos os outros nós1 serão calculadas.

Os bipolos podem ser ligados clicando no botão ou ainda clicando Ctrl + w para acionar o Wire Mode.

Para realizar a simulação, basta clicar em Analysis Dynamic DC e clicar Ok.

As tensões nos nós devem aparecer, como na Figura 7.

1

Em um circuito, um nó é o ponto de junção de dois ou mais bipolos. Na Figura 5, podemos contar três nós. O nó que une o resistor R2 e a fonte V1 é o nó de referência.

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Figura 7 - Resultado da Simulação.

É possível apresentar as correntes do circuito, bem como a potência dissipada ou fornecida por elementos de circuito, bastando clicar nos botões abaixo:

Da esquerda para direita, os botões apresentam: Tensão nos nós; Corrente nos ramos2 do circuito; Potência dissipada/fornecida pelo elemento de circuito; Estado lógico do dispositivo. Com a simulação realizada, clique no botão para apresentar as correntes.

Essas opções podem ser ativadas no menu Options View.

Para sair da análise, basta clicar no menu Dynamic DC → Exit Analysis. Perceba, no entanto, que essa análise permite que o circuito seja modificado enquanto a análise é realizada.

Para o circuito abaixo, calcule as correntes em cada resistência. Simule o circuito para verificar os resultados. Considere a fonte de tensão contínua com de 10V.

Figura 8 - Outro circuito.

Simule os circuitos das próximas figuras. Tente estimar o estado dos diodos (conduzindo ou bloqueado). Verifique se os resultados obtidos analiticamente utilizando as aproximações correspondem com a realidade. Tente explicar possíveis discrepâncias.

Você pode encontrar o diodo em: (Analog Primtives → Passive Components Diode)

2 Um ramo é qualquer elemento de circuito que pode ser representado por dois terminais.

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Figura 10 - Circuito com Diodo 1N4001 b.

Figura 11 - Circuito com Diodo 1N4001 c.

ENTENDENDO E ALTERANDO OS ATRIBUTOS DE DIODOS.

A Figura 12 apresenta os atributos de diodos.

Figura 12 - Atributos de um diodo genérico.

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conforme o apresentado na Figura 12, sendo o modelo facilmente representado pela equação de Shockley, como veremos adiante.

Os atributos N e IS modelam a curva de polarização direta do diodo. Lembrando da equação de Shockley:

𝑖𝑖𝐷𝐷 = 𝐼𝐼𝑆𝑆�𝑒𝑒 𝑣𝑣𝐷𝐷

𝑁𝑁𝑉𝑉𝑇𝑇 −1� (1)

Onde iD e vD são a tensão e a corrente no diodo. VT é chamada de tensão termodinâmica, e é função da temperatura absoluta:

𝑉𝑉𝑇𝑇 =𝑘𝑘𝑇𝑇𝑞𝑞 (2)

Onde k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura em Kelvin e q é a carga do elétron. k = 1,3806488∙10-23J/K, q = 1,60217657∙10-19C. Assim, na temperatura ambiente (T = 25°C = 300K), VT = 29.5mV.

Voltando a equação (2), N é chamado coeficiente de emissão (ou fator de idealidade) e IS é a corrente de saturação reversa (a corrente ocasionada pelo fluxo de portadores minoritários pela junção). Esses parâmetros podem ser obtidos de curvas reais. Basta utilizar as relações (3) e (4) aplicados a dois pontos conhecidos de operação na região direta do diodo real:

𝑁𝑁 = 𝑣𝑣2− 𝑣𝑣1

𝑉𝑉𝑇𝑇∙ln⁡�𝑖𝑖𝑖𝑖2

1�

(3)

𝐼𝐼𝑆𝑆 = 𝑖𝑖𝐷𝐷

𝑒𝑒𝑁𝑁𝑉𝑉𝑣𝑣𝐷𝐷𝑇𝑇

(4)

Logicamente, IS pode ser obtido de qualquer ponto (tanto do ponto 2 quanto do 1).

Quanto menor N e IS, mais próximo do comportamento de um diodo ideal (um curto quando conduzindo) o modelo parecerá. Altere as propriedades e verifique os resultados.

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Figura 13 - Atributos da fonte de tensão.

Assim, teremos uma fonte senoidal com freqüência de 100Hz e amplitude de 10V. A função que rege a tensão neste bipolo é, portanto:

𝑣𝑣(𝑡𝑡) = 10𝑠𝑠𝑒𝑒𝑒𝑒(2𝜋𝜋100𝑡𝑡) 𝑉𝑉 (5)

Para realizar uma análise de transitório, basta clicar em Analysis Transient

A janela de limites será, então, apresentada.

Figura 14 - Limites de análise de transitório.

Nessa janela, Time Range é o tempo final da simulação. Maximum Time Step é o tempo

máximo entre dois pontos calculados. Number of Points é o número de pontos que será apresentado quando o gráfico for traçado. Temperature é a temperatura utilizada na simulação.

Nos espaços abaixo, é possível estabelecer expressões para o que será traçado. Normalmente, X Expression será o tempo T. Y Expression conterá, geralmente, a variável que será traçada nas ordenadas. Nesse sentido é importante saber o nome dos nós e os nomes dos

componentes. Para saber o nome dos nós, basta clicar em no esquemático.

Antes de rodar a simulação, configure os parâmetros como os da Figura 14.

v(1) é a tensão no nó 1, que no exemplo dessa apostila é a tensão no terminal positivo da fonte de tensão. v(2) é a tensão no anodo do diodo.

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Figura 15 - Análise de transitório.

Perceba que a análise de transitório apresenta o gráfico da evolução das tensões nodais, diferentemente da análise DC, a qual apresenta o resultado em regime permanente. Caso a análise DC seja realizada, uma vez que a fonte de tensão configurada como na Figura 13 possui valor DC zero, as tensões nodais serão, também, zero.

É importante notar que a primeira linha dos atributos na Figura 13 são utilizados para análise AC e DC apenas, enquanto os outros atributos são utilizados na análise transitória.

Como último exemplo será analisado tensão e corrente na carga e descarga de um capacitor. Monte o circuito abaixo. É possível nomear os nós clicando duas vezes sobre eles.

Figura 16 - Análise de transitório: carga e descarga de capacitor.

Configure a fonte de tensão com os parâmetros da Figura 17.

Figura 17 - Análise de transitório: carga e descarga de capacitor.

(10)

Figura 18 - Limites da simulação do transitório para o capacitor.

Perceba que nesse gráfico, uma corrente será traçada também (corrente no capacitor).

Figura 19 - Resultado da simulação.

É fundamental compreender e lembrar do sentido convencional e o sentido real de corrente, além disso, é fundamental verificar o sentido de corrente arbitrado pelo software quando o mesmo apresenta os resultados.

Nessa simulação, o sentido de corrente arbitrado pelo programa é do capacitor para a fonte. Fica claro então, que quando o capacitor é carregado (curva de tensão cresce), a corrente flui da fonte para o capacitor no sentido convencional (a corrente é negativa no gráfico devido ao sentido arbitrado pelo programa ser oposto). Quando a fonte é temporariamente desligada (sua tensão vai à zero), o capacitor inicia seu ciclo de descarga, e a corrente flui do capacitor para a fonte de tensão.

REFERÊNCIAS / LINKS UTILIZADOS

Richardson, T.; Modeling Diode Circuits with MicroCap 7.0

Malvino, A. P. Eletrônica. Vol 1.

Imagem

Figura 1 - IDE do Micro-Cap.
Figura 2 - Novo circuito esquemático.
Figura 3 - Janela de atributos do elemento.
Figura 6 - Atributos da fonte de tensão.
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Referências

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