Intodução aos Circuitos e Sistemas Electrónicos Guia de Utilização do LTspice

IST-2012

Guia de Utilização do LTspice

1. Introdução

O programa SPICE é um simulador de circuitos direccionado para o projecto de circuitos

electrónicos. SPICE é o acrónimo de “Simulation Program with Integrated Circuits

Emphasis” (Programa de Simulação com Ênfase em Circuitos Integrados).

O programa SPICE, na sua primeira versão, foi apresentado por Laurence W. Nagel na

sua tese de doutoramento na Universidade da Califórnia em Berkeley em 1972. Inicialmente

escrito na linguagem Fortran, este programa passou seguidamente a ser codificado em

linguagem C. Trata-se de um programa aberto, bem documentado e de utilização universal. A

sua popularidade extravasou largamente os meios académicos para servir de ponto de partida

para o desenvolvimento de software comercial virado para o projecto automático de circuitos

electrónicos (EDA-Electronic Design Automation), tanto na área da microelectrónica como

também no campo do projecto de circuitos impressos (PCB-Printed Circuits Board). Os

programas de simulação HSPICE, pertencente à empresa Synopsys e funcionando em

ambiente Unix, e o PSpice AD (analógico-digital), pertencente à Cadence Design Systems

para funcionar em ambiente Windows, são dois dos exemplos de versões aperfeiçoadas

daquele programa. Esta última empresa, aliás, mantém disponível na Web uma versão

denominada PSpice Student (Schematics) que pode ser descarregada gratuitamente da Web

apesar de só permitir a simulação de circuitos com um número limitado de nós e de

componentes electrónicos. Entretanto as grandes empresas de indústria de circuitos integrados

não só disponibilizaram modelos SPICE dos seus componentes como vieram a desenvolver as

suas próprias versões de programa SPICE. Os exemplos são ADICE da Analog Devices,

LTspice da Linear Technology, Mica da Freescale Semiconductor e TISPICE da Texas

Instruments. Estes programas têm a vantagem de serem de acesso livre e de não apresentarem

limitações quanto ao número de nós e de componentes. Outras companhias dispõem de

simuladores de circuitos que não estão directamente baseados no SPICE como o PowerSpice

da IBM, Titan da Infineon Technologies, Lynx da Intel Corporation e Pstar da NXP

Semiconductor (ex-Philips Semiconductor). Entretanto também o projecto GNU de software

livre dispõe da sua própria versão, o NGSpice. Em 2011, o Instituto do Engenheiros

Electrotécnicos e Electrónicos (IEEE) nomeou o programa SPICE como um do seus marcos

históricos.

Qualquer que seja a versão actual do SPICE, comercial ou industrial, possui, em

comum com a versão primitiva, ficheiros de texto para a entrada e saída de dados. O ficheiro

de entrada, a “netlist”, descreve o circuito com base na lista de nós e na descrição dos

componentes a eles ligados. Contudo, todas as versões actuais do SPICE dispõem de

extensões gráficas que permitem a edição de esquemas eléctricos (Schematics) que geram

automaticamente a “netlist”. O mesmo se verifica relativamente ao tratamento dos ficheiros

de dados de saída. Todas as versões dispõem de programas de visualização das formas de

ondas de saída para as correntes e tensões bem como de programas de análise matemática dos

resultados. A preferência por uma dada versão particular depende dos objectivos pretendidos.

No nosso caso a opção pelo LTspice tem a ver fundamentalmente com o acesso gratuito e

com a natureza amigável das suas interfaces gráficas, questão não menosprezável sobretudo

para quem entra pela primeira vez em contacto com programas de simulação de circuitos.

2. Desenho do esquema eléctrico a simular

Crie uma pasta, de preferência em C:\, para as suas simulações LTspice e em seguida

abra o programa activando o ícone LT ( ) presente no ambiente de trabalho. Crie um novo

esquema eléctrico (New Schematic) que surgirá como Draft1.asc como na Fig. 1, e, em

seguida, active o menu File>Save As e salve para aquela pasta este ficheiro com um outro

título à sua escolha.

Fig.1

Sobre a página de desenho de esquemas eléctricos do Ltspice e seguindo os procedimentos

que a seguir se indicam acabará por obter os dois circuitos da Fig.2. Para especificar múltiplos

ou submultiplos das unidades utilize as abreviaturas colocadas nos parêntesis em letra

minúscula: Tera (t)=1012, Giga (g)=109, Mega (meg)=106, Kilo (k)=103, mili (m)=10-3, micro

(u)=10-6, nano (n)=10-9, fento (f)=10-15.

Figura 2

Fig.3

2.1 Seleccionar e colocar os símbolos dos elementos dos circuitos

Comece por activar o botão Component da

barra de ferramentas de forma a surgir a caixa Component

Symbol indicada na figura 3. Depois de OK coloque sobre

a página do esquema três fontes de tensão, voltage (V) de

valor V e com as designações V1, V2 e V3. A letra entre

parêntesis V indica simultaneamente o valor de defeito e

identifica o tipo de elemento. O número corresponde à

ordem com que esse elemento foi instanciado na página

do editor de esquemas. De modo análogo pode colocar

sobre a página uma resistência res(R), um condensador

cap(C), um diodo diode(D), assim como 3 terminais de

terra/massa e 3 rótulos para os nós do circuito. Para

atalhar a selecção destes componentes, em vez de utilizar

a caixa de símbolos, active em alternativa os botões da barra de símbolos .

Qualquer elemento pode ser colocado sobre a página (instanciado) as vezes que se queira

premindo para tal, de cada vez, o botão esquerdo do rato. Com os botões de Zoom ou com a

roda do rato pode modificar as dimensões dos elementos. Com o botão cut pode eliminá-

los. A selecção de componentes pode ser desactivada se o botão direito for pressionado ou,

em alternativa, carregar na tecla Esc.

Disponha os elementos como indica a figura 2. Cada um dos elementos do circuito pode ser

ser seleccionado com o ponteiro do rato depois de activar o botão . Seguidamente pode

mover o elemento, rodá-lo no sentido directo e espelhá-lo deslocando o rato ou utilizando as

teclas Ctrl-R ou Ctrl-E respectivamente. Não necessita de obter a posição exacta dos

elementos bem como das correspondentes designações e valores. Posteriormente pode mover

ou arrastar esses elementos utilizando respectivamente os botões de movimento ou de

arrastamento . Se pretender obter uma grelha para a página de edição entre no menu View

e seleccione o botão Show Grid.

2.2 Desenho de ligações O passo a seguir é a ligação entre os diversos elementos. Para tal active o botão

“Wire” da barra de ferramentas. Marque o ponto inicial com o ponteiro do lápis premindo

o botão esquerdo do rato sobre o terminal do componente. Arraste o rato para o terminal do

componente que pretende ligar e marque-o também com o botão esquerdo. Se entretanto, e

enquanto arrasta o rato para traçar aa linha, desejar obter pontos de quebra em ângulo recto da

linha antes da ligação final, carregue no botão esquerdo do rato para obter esses pontos de

quebra. Se pretender traçar uma linha diagonal arraste o rato enquanto carrega na tecla Ctrl.

Para deixar de seleccionar o modo Wire basta pressionar o botão direito do rato ou a tecla

Esc.

Eventualmente, caso queira colocar sobre a página do esquema qualquer comentário

escreva o seu texto no interior da caixa que surge após activar o botão .

2.3 Atribuição de valores e alteração de designações

Para alterar valores dos elementos terá

que apontá-los com o rato e premir o botão

direito como se vê na figura. Por defeito os

geradores de tensão do Ltspice são de tensão

contínua, no nosso caso com o valor de 0.7V (na

notação anglo-saxónica o ponto substitui a

vírgula). Para mudar a natureza da fonte seria

necessário activar o botão advanced. Se quiser

apenas mudar a designação V1 (por exemplo

para Vs1) ou o valor V basta colocar o rato sobre esses rótulos, premir o botão direito e em

seguida proceder às alterações desejadas. Altere também os valores dos restantes geradores

bem como da resistência R1 e do condensador C1 para os valores indicados na Fig. 2.

3. Simulação 3.1 Determinação do ponto de operação em corrente contínua Entre no menu Simulate>Edit simulate cmd selecione o comando DC op pnt e na linha de

texto escreva o comando .op (note que na sintaxe do Spice qualquer directiva para o

simulador é precedida por um ponto). Escolha OK e desloque a caixa contendo a directiva

para a proximidade do esquema como se mostra na Fig.2. Active o botão da barra de

ferramentas para correr o programa Spice e verá de seguida a folha de resultados com as

correntes e tensões que circulam em cada elemento. Note que o Spice admite que os

elementos do circuito são sempre orientados com um sentido pré-fixado; o elemento vindo da

caixa de símbolos tem o terminal positivo em cima e o negativo em baixo. Pelo terminal

positivo deve entrar a corrente I e o terminal positivo é o que está a maior potencial V. Para I

e V positivos o elemento funcionará como um receptor de energia sendo positivo o ritmo de

Fig.4

absorção expresso em watt (W=J/s), dado pela potência P=V×I. A potência P posta em jogo

em cada elemento deve ser lida no rodapé na página do editor de esquemas após apontar esse

elemento com o rato. Preencha a tabela I que acompanha o Guia de Trabalho.

Para utilizar um modelo de díodo com parâmetros dum dispositivo real seleccione com o

botão direito do rato o díodo D1 com o modelo de defeito D do Ltspice e seguidamente active

o botão Pick New Diode e escolha o díodo 1N914 do fabricante ONSemi cujo modelo

aparece descrito na mesma linha na forma .model 1N914 D( Is=2.52n Rs=.568 N=1.752 ….).

Corra o programa e escreva na tabela II o correspondente ponto de operação bem como a

potência nele posta em jogo. Também poderá criar o seu próprio modelo de díodo. Para tal,

mude o nome do díodo de 1N914 para mydiode e em seguida active o botão de directivas

escrevendo, por exemplo, .model mydiode D(Is=1e-14 N=1) onde os parâmetros, por

acaso, até são os de defeito no modelo LTspice. Caso queira confirmar estes valores active o

menu Help>Help topics>Índice remissivo>D. Diode. Transponha para a página aquela

directiva e corra o programa. Complete a tabela II.

Elimine os geradores V2 e V3, altere o modelo do díodo para o modelo de defeito do Ltspice

e disponha o esquema eléctrico como se indica na Fig.6. Seguidamente active o botão e

poderá verificar que o ponto de operação de cada um dos elementos não se altera.

3.2 Análise do comportamento do circuito para corrente contínua

Elimine a directiva .op, entre no menu

Simulate>Edit simulate cmd, selecione

o comando DC sweep e preencha a

caixa da Fig.5 de modo que o gerador

V1 possa varrer o intervalo de valores

de tensão entre -.75V e +.75V com

incrementos de 10mV. Faça OK,

coloque essa directiva na página do

esquema e corra o programa . Em

seguida na barra de ferramentas do

visualizador de resultados que opera

sobre ficheiros do tipo *.raw active o menu e seleccione com o rato e com a tecla Shift as

correntes em C1, R1, e D1 como se indica na Fig. 6 e faça OK. Se quiser mudar as cores do

fundo do visualizador gráfico ou do traçado das curvas entre em Tools>Color preferences.

Também dentro deste menu poderá obter uma cópia dos gráficos em formato .bpm ou em

Fig.5

.wmf. Salve uma cópia do gráfico neste último formato para pasta que criou inicialmente. Em

seguida abra o programa Word e insira essa cópia no documento. Note que pode editar e

mudar as características dos traços do gráfico e do texto mas o mesmo não se verificaria se o

ficheiro de partida estivesse com o formato *.bmp.

3.3 Análise do circuito em regime transitório

Seleccione V1 com o botão direito do rato e na

caixa associada ao gerador active o botão advanced para

que V1 passe a simular um gerador da função seno com

as características que se apontam na figura e com as

propriedades que se apresentam em apêndice.

Seguidamente elimine a directiva de DC sweep, entre no

menu Simulate>Edit simulate cmd, seleccione o

comando Transient para uma análise no tempo que pare em tstop=60ms, tenha início em t0=0

e se realize em incrementos de tempo que não deverão ultrapassar os 10µs. Faça OK, corra o

programa .

3.3.a Seleção de gráficos

A partir da barra de ferramentas

Depois da execução do programa SPICE poderá entrar dentro do programa de

visualização gráfica das formas de onda (waveform viewer) activando o menu da caixa

de ferramentas. Visualize as correntes em R1 e C1 bem como o potencial no nó a (V(a)

utilizando um procedimento análogo ao tomado anteriormente para a análise das

características estáticas. Dentro deste programa mantêm-se os símbolos do editor de

Fig.6

Fig.7

esquemas. Assim se quiser apagar alguma onda deve aproximar selecionar o ícone que

transformará o ponteiro do rato numa tesoura, agora de cor amarela, aproximar do rótulo da

forma de onda (por exemplo, V(a) no caso do potencial em a) e carregar o botão esquerdo do

rato.

A partir do esquema

Outra forma de selecionar as formas de onda é colocando sondas sobre o esquema

como se indica no exemplo da Figura 9. Se quiser fazer este teste comece por apagar as

formas de onda presentes no visualizador de gráficos com o ponteiro do rato em forma de

tesoura. Depois de desactivar essa funcionalidade do rato com o respectivo botão direito,

regressou ao ponto de partida como se tivesse acabado de executar o programa SPICE.

Seguidamente aproxime o ponteiro do rato do nó cujo potencial quer visualizar. Logo que o

ponteiro do rato se transforma na sonda a vermelho deverá carregar no botão esquerdo para

fazer surgir no visualizador de ondas o andamento do potencial nesse nó. Para ver a corrente

deverá colocar o rato sobre o componente atravessado pela corrente cujo andamento pretende

ver. Logo que surja o símbolo representando as pinças amperimétricas que deveriam abraçar o

componente, carregue no botão esquerdo do rato.

Fig.8

3.3.b Funcionalidade matemáticas do programa

gráfico

Cursores

Aponte com o rato V(a) e pressione o

botão direito de forma a surgir o editor de

expressões que envolve V(a), seleccione o 1º

Fig. 9

cursor e faça OK. Arraste o cursor, meça a amplitude (valor máximo Vam) do sinal sinusoidal

V(a). Para ser mais preciso poderá utilizar as setas →do seu teclado. Para obter o valor médio

e eficaz de V(a), mantenha carregada a tecla Ctrl, aponte com o rato para V(a) e pressione

o botão esquerdo. Inicie o preenchimento da tabela III.

Edição de expressões do editor gráfico

Active novamente o editor de expressões relativas a V(a), faça entrar na caixa de

expressões para o traçado de gráficos a expressão d(V(a)) e faça OK. Para que o cursor 1

passe a estar agora associado a esta onda aponte com o rato d(V(a)) e pressione o

respectivo botão esquerdo. De igual modo, para determinar os valores médio e eficaz de

d(V(a)), mantenha carregada a tecla Ctrl, aponte com o rato para d(V(a)) e pressione o

seu botão esquerdo. Como o gráfico de V(a) foi substituído pelo de d(V(a)) active de novo o

seu traçado. Utilize procedimento idêntico para as restantes formas de onda presentes no

visualizador de gráficos e finalize o preenchimento da tabela III. Em alternativa à utilização

dos cursores para a determinação do máximo e também para ultrapassar as limitações

matemáticas do programa de visualização de ondas, pode também utilizar as funcionalidades

de medida do próprio programa SPICE como mostra a Fig.10. Nesta figura são adicionadas as

diretivas de medida (measurements) para as medidas dos valores máximos (amplitudes das

sinusoides) da tensão no nó a, V(a), e das correntes em R1 e C1, I(R1) e I(C1). A operação é

determinar o máximo (MAX) duma dada grandeza no intervalo de tempo em estudo, neste

caso de 0 a 60ms. Os resultados encontrados pelo programa e atribuídos às variáveis IR1max,

IC1max e Vamax podem ser vistos no ficheiro SPICE Error.Log que pode ser encontrado

entrando nas opções do menu View, como mostra a Fig, 10b.

Fig.10.a Fig. 10.b

3.4 Aplicações básicas de circuitos-Exemplos

Crie um novo esquema eléctrico (New Schematic), desenhe sobre ele os circuitos que

se indicam na Fig. 11 que correspondem respectivamente a um divisor de tensão, um

rectificador de meia onda e um filtro passa baixo. Como anteriormente e para simplificar é

utilizado apenas um só gerador de tensão sinusoidal ao qual se ligam todas as aplicações em

estudo.

Corra o programa e visualize V(a) e V(b), determine a razão entre as amplitudes

Vbm/Vam e responda às questões colocadas na folha de registos do guia. Determine os valores

de Vam e Vcm e valor médio de Vcm e calcule o valor da diferença de potencial VD1m=Vam-

Vcm. Se desejar ver a forma de onda diferença de potencial aos terminais do díodo, faça surgir

a sonda vermelha de potencial no nó a que está ligado o terminal positivo do díodo e arraste o

rato até ao nó negativo até ver surgir a sonda a preto correspondente à sonda de referência.

Determine Vdm quando as frequência de V1 são f1=50Hz e f2=500Hz.

Fig.11

Sinal sinusoidal Uma forma de onda sinusoidal é caracterizada pela sua amplitude, Xm, e pela sua frequência

f (medida em Hz), ou, de forma equivalente, pela sua frequência angular (pulsação),

ω (medida em rad/s), ou pelo seu período, T (medido em s).

2( ) sin(2 ) sin( ) sin( )m m mx t X ft X t X t

T

ππ ω= = =

Algumas propriedades da função sinusoidal

Função periódica: ( ) ( )x t x t T= +

Valor máximo : Xm (igual à amplitude)

Valor médio nulo: 0

1( ) ( ( )) ( ( )) ( ) 0

T

med avx t x t x t x t dtT

= = = =∫

Valor eficaz (rms): 2

0

1( )

2

Tm

ef rms

XX X x t dt

T= = =∫

t(s) T 2T T/2 2T

Amplitude Xm

T/2 t(s)

x(t)

x2(t)

Frequência de x2 é dupla da de x

2

2mX

mX