Lezione PSPICE n.2. Università degli Studi di Napoli Federico II CdL Ing. Elettrica Corso di Laboratorio di Circuiti Elettrici

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II CdL Ing. Elettrica Corso di Laboratorio di Circuiti Elettrici Dr. Carlo Petrarca Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università di Napoli FEDERICO II 1

2 Lezione 2 Cosa impareremo. 1. Visualizzare i risultati in Schematics 2. Visualizzare i risultati nel file.out 3. Condurre un analisi DC Sweep 4. Visualizzare i risultati con probe 5. Condurre un analisi parametrica 2

3 1. Visualizzare i risultati in Schematics Talvolta, quando ci sono molti componenti, la visualizzazione dei risultati in Schematics può risultare non chiara. 3

4 Molto spesso non siamo interessati a conoscere le intensità di corrente e le tensioni in tutti i bipoli, ma solo in alcuni componenti specifici Conviene inserire degli strumenti di misura, voltmetri e/o amperometri, solo nei punti desiderati. Viewpoint consente di leggere il potenziale di un nodo della rete. Iprobe è un amperometro e permette di conoscere l intensità di corrente elettrica in un bipolo. 4

5 Inserire Viewpoint Inserire Iprobe Draw Get New Part Part Name Viewpoint Place Draw Get New Part Part Name Iprobe Place Viewpoint deve essere connesso in corrispondenza del nodo. Iprobe deve essere connesso in serie al bipolo. 5

6 In ogni amperometro esiste un morsetto di riferimento che è contrassegnato generalmente con il segno +. Anche Iprobe possiede questo morsetto di riferimento che però, non è esplicitamente indicato in Pspice. + Il morsetto + è quello indicato in figura, ma non appare nello Schematic di PSpice L intensità di corrente I misurata da Iprobe è quella con riferimento entrante nel morsetto + I 6

7 Esempio: usare viewpoint e Iprobe per conoscere le intensità di corrente i2 e i3 e i potenziali dei nodi A e B i2 i3 B A 7

8 Inserimento di Iprobe e Viewpoint!! n.b. gli amperometri sono stati orientati coerentemente con i versi di riferimento delle intensità di corrente elettrica i2 e i3 da misurare. 8

9 2. Visualizzare i risultati nel file.out La lettura degli amperometri Iprobe è trascritta anche nel file.out. Gli Iprobe sono trattati come generatori di tensione nulla (V_V8 e V_V9) ai cui morsetti PSpice calcola le intensità di corrente VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V E+00 V_V E-01 V_V E+00 V_V E-01 V_V E+00 TOTAL POWER DISSIPATION 8.78E+01 WATTS 9

10 Esercizio 2.1: Valutare la potenza erogata dai generatori 10

11 Posso usare il solo file.out NODE VOLTAGE ($N_0001).3309 ($N_0002).3236 ($N_0003).0182 ($N_0004) VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V E+00 TOTAL POWER DISSIPATION 3.35E+00 WATTS!! Spice calcola solo la potenza erogata dai generatori di tensione!!!! Spice non calcola la potenza erogata dal generatore di corrente!! E necessario, allora, calcolarla manualmente Pj=(V N2 -V N3 )*I1=( )*2=0.61 W 11

12 Posso usare il solo Schematics inserendo Iprobe e Viewpoint Per il generatore di tensione Pe=1*3.346=3.346 W Per il generatore di tensione Pj=( )*2=0.61 W 12

13 3. Analisi DC SWEEP Molto spesso può capitare di dover studiare un circuito facendo variare le tensioni (o correnti) dei generatori in un intervallo di valori predefinito. Ciò può accadere, ad esempio, quando si vuole conoscere la caratteristica tensione-corrente (V,I) di un bipolo, oppure quando si vuole effettuare un analisi di sensibilità. In questi casi è particolarmente utile l analisi di tipo DC SWEEP 13

14 Esercizio 2-2 :Tracciare la caratteristica del diodo zener di figura, facendo variare la tensione del generatore nell intervallo [-10V +10V] con passo di 0.1 V 14

15 L unico diodo zener disponibile è indicato con il simbolo D1N750 V D I D Per tracciare la caratteristica, dobbiamo far variare la tensione ai capi del diodo e misurare l intensità di corrente che lo attraversa. Ci serviamo dell analisi DC SWEEP Analysis Setup Abilitiamo DC SWEEP 15

16 Adesso procediamo selezionando la sorgente da variare e indicando il campo di variazione e l incremento. 1. DC SWEEP 2. Scegliere il tipo di variabile (Voltage source) 3. Inserire il nome del componente V1 4. Inserire Sweep Type : Linear 5. Inserire Start value : Inserire End value: Inserire Increment: 0.1 Completata la fase di Setup, può iniziare la simulazione Analysis Setup (F11) 16

17 Si apre il post-processore grafico PROBE Inizialmente si hanno solo in ascissa i valori di V1. L asse y è vuoto e non è visualizzato alcun grafico Per inserire un grafico, dal menu: Trace Add Trace 17

18 Compare la finestra Add Traces in cui si possono selezionare le grandezze da visualizzare Variabili che possono essere visualizzate Espressione da visualizzare Funzioni disponibili 18

19 Sintassi in Probe I(D1): intensità di corrente i 12 nel diodo D1; I(V1): intensità di corrente i +- nel generatore V1; V(D1:1): potenziale del morsetto 1 del diodo; V(D1:2): potenziale del morsetto 2 del diodo; V(V1:+): potenziale del morsetto + di V1 V(V1:-): potenziale del morsetto di V1 V1(D1): potenziale del morsetto 1 di D1 V2(D1): potenziale del morsetto 2 di D1 I(V1) I(D1) 19

20 V D I D A noi interessa tracciare l andamento della corrente I D nel diodo. I D non è altro che l intensità di corrente misurata con verso entrante nel morsetto 1 del diodo ed è quindi I(D1) Selezionata la corrente I(D1), basta premere il tasto OK 20

21 Appare in PROBE il grafico della corrente I(D1) in funzione della tensione di alimentazione V1 Attenzione!! Questa non è la caratteristica cercata. Sull asse delle ascisse, infatti, devo avere la tensione sul diodo. 21

22 Devo cambiare la variabile sull asse x. 1) Plot Axis Settings 2) Axis Variable 22

23 3) Scegliere la variabile V D 1 2 I D La tensione sul diodo è la differenza tra il potenziale del morsetto 1 del diodo e il potenziale del morsetto 2 del diodo. In Trace Expression aggiungo (V(D1:1)-V(D1:2)) 23

24 Caratteristica del diodo zener 24

25 Per visualizzare direttamente l intensità di corrente elettrica nel diodo, possiamo usare un Marker In Schematics, Markers Mark current into pin Il marker di corrente permette di visualizzare in Probe l intensità di corrente valutata con verso di riferimento entrante nel componente attraverso il nodo selezionato. Introdotto il marker, alla fine della simulazione, automaticamente si apre la finestra di Probe ed è possibile visualizzare la grandezza selezionata. 25

26 Esistono anche altri tipi di markers Per i potenziali: Mark voltage level Il marker va inserito nel nodo del quale si vuole conoscere il potenziale Per le tensioni: Mark voltage differential Sono due marker di potenziale, contrassegnati con i segni + e - Consentono di conoscere la differenza di potenziale tra il morsetto + e il morsetto - Marker advanced che useremo in seguito. 26

27 Esercizio 2-3 :Tracciare la caratteristica (I,V) del resistore da 50 ohm di figura. I V Suggerimento: attenzione ai versi di riferimento scelti 27

28 Esercizio 2.4: Nella rete di figura V1 è un generatore di tensione variabile. La sua tensione può essere variata tra -500V a +100V con passo di 10V. Determinare Il valore di V1 che rende nulla la potenza assorbita su R3 28

29 Visualizzare i risultati nel file.out Per l intensità di corrente si usa il componente Iprint Draw Get New Part Iprint Iprint ha funzione di amperometro Inserire Iprint in serie al bipolo. L intensità di corrente misurata è quella con verso di riferimento uscente dal morsetto - 29

30 Attenzione!! IPRINT deve sempre essere abilitato Doppio clik su Iprint, In DC inserire il valore y Esercizio 2-4 Misuriamo la corrente I4 Misuriamo la corrente I2 30

31 Inserimento degli amperometri Iprint 31

32 Visualizzare i risultati nel file.out VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_PRINT E+00 V_PRINT E+00 Corrente nel resistore R4 Corrente nel resistore da R2 32

33 Per visualizzare nel file.out il valore del potenziale di un nodo si usa il componente Vprint1 Vprint1 va collegato al nodo del quale si vuole conoscere il potenziale Per visualizzare nel file.out il valore della tensione su un bipolo si usa il componente Vprint2 Vprint2 ha funzione di voltmetro e va inserito in parallelo al bipolo Vprint1 e Vprint2 devono essere abilitati I valori sono riportati nel file.out solo se si compie un analisi parametrica o un analisi DC SWEEP, non se si fa la semplice analisi del tipo BIAS POINT DETAIL. 33

34 Calcolo della resistenza equivalente E possibile valutare la resistenza equivalente ad una coppia di morsetti, imponendo la corrente di 1 A e misurando al tensione ai morsetti I V se I=1 V I = R eq R = eq V 1 34

35 Esercizio 2-5: Data la rete a ponte di figura, ricavare la resistenza equivalente ai morsetti AB 35

36 Con un analisi DC Sweep, se utilizziamo il componente Vprint2, nel file.out ricaviamo: I_I1 V(0,$N_0003) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+04 R eq Ricaviamo, quindi che, quando l intensità di corrente è 1A, la tensione ai morsetti del generatore è uguale a 2217 V. Di conseguenza, la resistenza equivalente è pari a 2217 Ω 36

37 Esercizio 2.6: Tracciare su uno stesso grafico la caratteristica corrente-tensione (I,V) di tre resistori R1=10Ω, R2=50 Ω, R3=100 Ω. Riportare, inoltre, nel file.out i valori di tensione e corrente nei singoli resistori. Suggerimento: 1) Controllare i bipoli in corrente; 2) Usare Vprint e Mark Voltage Differential 37

38 I voltmetri Vprint2 devono essere collegati in parallelo I voltmetri, così come Iprint, devono essere abilitati Il file.out contiene i valori di tensione letti dai voltmetri 38

39 39

40 E possibile cambiare le caratteristiche delle curve rappresentate in PROBE Con il tasto sinistro del mouse si seleziona la curva da cambiare. Poi, cliccando con il tasto destro si sceglie: properties Si può cambiare il colore, il pattern, lo spessore e il simbolo della curva selezionata 40

41 I_I1 V($N_0001,$N_0002) E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+02 ESERCIZIO 2.6: Analisi del file.out Nel file.out sono indicati i valori di tensione letti da ogni voltmetro VPRINT2, in corrispondenza di ciascun valore di corrente imposto dal generatore 41

42 Analisi parametrica Esercizio 2.7: Max trasferimento di potenza Un generatore di resistenza interna R1 fornisce la massima potenza al carico di resistenza R2, quando R2=R1 Al variare della resistenza di carico R2, varia l intensità della corrente nel circuito, varia la potenza erogata dal generatore, così come la potenza assorbita su R1 e R2. Ci proponiamo di studiare il circuito al variare della resistenza di carico R2 42

43 Per creare un resistore R2 con resistenza variabile: 1. Fare doppio clic sul resistore R2. Value: {Rval} Attenzione a non dimenticare le parentesi graffe!! {..} 2. Inserire il componente PARAM Draw Get New Part PARAM 43

44 3. Fare doppio clic su PARAMETERS Name 1: Rval (attenzione! senza le parentesi) Value 1: 10 (o qualsiasi altro valore) A questo punto abbiamo creato una resistenza variabile di nome Rval. E sufficiente ora indicare l intervallo di variazione di Rval, il passo di variazione e poi risolvere il circuito per ogni nuovo valore assunto dal nostro parametro 44

45 Analysis Setup DC SWEEP 1) Tipo di variabile Swept Var. Type: Global Parameter 2) Nome della variabile Name: Rval 3) Tipo di scanzione: Logaritmica Decade 4) Valore iniziale per Rval Start Value: 0.01 ohm 5) Valore finale per Rval End Value: ohm 6) Numero di punti per decade Pts/Decade: 10 45

46 In probe: Trace Add trace Trace expression: (V(R2:1)- V(R2:2))* I(R2) 46

47 Si può abilitare un cursore grafico per muoversi lungo la curva e seguirne i valori. Trace Cursor Display Si abilita il cursore facendo clic con il tasto sin. del mouse Muovendosi con il cursore si osserva (Probe cursor) che la potenza assorbita è max per R1=R2=50Ω Asse x (Rvar) Asse y (P) 47

48 η = P P carico erogata Il rendimento è definito come il rapporto tra la potenza assorbita dal carico e la potenza erogata dal generatore: ((V(R2:1)- V(R2:2))* I(R2))/(( V(V1:-)- V(V1:+))* I(V1)) Quando la potenza assorbita da R2 è massima (R2=R1=50Ω), il rendimento è

49 Esercizio 2.8: Nella rete di figura specificare l intervallo di valori di R1 per il quale siano soddisfatte entrambe le relazioni: 1. IR1>18A 2. PR1>2200W 49

50 Il resistore R1 deve avere resistenza variabile Possiamo scegliere di far variare R1, da 0.1 a 1000 ohm. Poiché il range è molto ampio, in SETUP DCSWEEP, scegliamo una scansione per decade con scala logaritmica Per visualizzare sullo stesso grafico sia la potenza assorbita da R1 che l intensità di corrente in R1, conviene aggiungere oltre all asse delle correnti, anche l asse delle potenze Per aggiungere un altro asse, In PROBE, PLOT Add Yaxis Con l aiuto dei cursori ricaviamo la risposta al quesito 50

51 1 30A 2 4.0K 25A 3.0K 20A 15A 2.0K 10A 1.0K 5A >> 0A 0 100m 300m K 3.0K 10K 1 I(R1) 2 Rvar * I(R1) * I(R1) Rvar P(R1) i(r1) 4.9 ohm <R1<8.9 ohm 51