Baixe Análise de Circuitos Elétricos com Multisim: Interativa, DC, AC e Transiente e outras Exercícios em PDF para Circuitos Elétricos, somente na Docsity!
ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos PSI - EPUSP
PSI 3212 - LABORATÓRIO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS
Multisim
Profs. Ariana Serrano / Vitor Nascimento versão 20 20
CONTENTS
Simuladores....................................................................................................................................................... 2 Multisim – Utilização (1os passos) ........................................................................................................... 4 Criando um diagrama do seu circuito ................................................................................................ 4 Tipos de análise .......................................................................................................................................... 5 Interactive ................................................................................................................................................ 6 Análise DC................................................................................................................................................. 7 Análise AC ............................................................................................................................................... 10 Análise de Transitórios ..................................................................................................................... 15 Tutoriais sobre o Multisim ................................................................................................................... 17
Simuladores
O Multisim é um ambiente para simulação de circuitos eletrônicos, baseado no SPICE ( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ), um programa aberto desenvolvido originalmente na década de 1970 na Universidade da Califórnia, Berkeley, que continua sendo a base de muitos simuladores comerciais de hoje). Apesar de existirem diversas versões de código aberto para simulação de circuitos eletrônicos, vamos usar o Multisim principalmente pela disponibilidade de modelos de dispositivos e pela simplicidade de uso. O modelo de um resistor linear é muito simples, v(t) = R.i(t), mas para dispositivos mais complexos, como transistores e circuitos integrados o número de parâmetros é muito grande, e pacotes comerciais já vêm com modelos prontos para a maioria dos dispositivos que podem ser encontrados no mercado. Usando esses modelos, as simulações são muito mais realistas do que usando um modelo genérico. Para usar em casa: Para você utilizar a versão oficial do Multisim, você precisará estar com o endereço IP da USP. Logo, para utilizar a versão oficial em casa você deverá ativar o VPN da USP no seu computador. Isso poderá ser feito através do tutorial na aba “Multisim” desta disciplina no site Moodle que ensina passo a passo como instalar a VPN: “Tutorial - Instalação do VPN (fazer isso primeiro)”. Uma vez conectado via VPN, você pode baixar e instalar o software utilizando o segundo manual disponível (ainda na aba “Multisim” desta disciplina no site Moodle): “Tutorial - Instalação do MultiSim”. No Laboratório: Nos computadores das salas de laboratório C1-03 e C1-06, o Multisim já está instalado. Caso não queira ou possa usar a VPN nem ir ao laboratório, uma versão de demonstração completa do Multisim no site da National Intruments pode ser baixada deste site: http://www.ni.com/multisim/try/pt/ Simuladores Free: Você também pode usar simuladores de código aberto, se quiser, como: LTSpice (instruções de instalação e utilização na aba “LTSpice” desta disciplina no site Moodle); Ngspice http://ngspice.sourceforge.net/, um simulador linha-de-comando que é a base de muitos outros simuladores comerciais ou abertos; ou o Qucs - http://qucs.sourceforge.net/, um simulador de código aberto não baseado no Spice. Também há um simulador online baseado no NgSpice, muito fácil de usar e elegante, o PartSim (http://www.partsim.com). Aplicativos para celular: ElectroDroid - datasheet de microcontroladores, tabela ASCII, portas lógicas, tabelas verdades,
Multisim – Utilização (1os passos)
CRIANDO UM DIAGRAMA DO SEU CIRCUITO
Ao abrir o Multisim, uma janela é aberta com as ferramentas mostradas na Figura 1 : Figura 1. Tela inicial do Multisim Ao clicar no primeiro ícone da barra de ferramentas de componentes (com o símbolo de terra ), abrimos uma janela, como mostra a Figura 2 , que nos permite selecionar diversos tipos de fontes (DC, AC, pulsos, vinculadas, independentes, entre outras) e terra. Para um exemplo simples de um divisor resistivo, selecione uma fonte DC (DC_POWER) e clique em OK para coloca-la no projeto. Clique na área de projeto para colocar a fonte. Uma vez colocado no projeto, a janela de seleção de componentes reaparece. Aproveitamos agora para adicionar um terra (GROUND) ao projeto, como ilustra a Figura 2. Lembrem-se: TODOS OS CIRCUITOS NECESSITAM DE UM TERRA PARA A SIMULAÇÃO! Abrindo o menu GROUP na janela de seleção de componentes é possível selecionar outros tipos de componentes. No grupo BASIC podemos selecionar resistores, capacitores e indutores, além de vários outros componentes básicos. Selecione 2 resistores e coloque-os no projeto, como ilustra a Figura 3. Para girar componentes ou rebate-los, você pode seleciona-los e apertar Ctrl+R ou clicar com o botão direito do mouse sobre o componente e selecionar as opções de “Rotate” ou “F lip ”. Para adicionar os fios, aproxime o mouse do terminal que gostaria de conectar. Note que o mouse muda de formato (de uma seta para uma cruz com uma bola no centro). Neste momento, clique no terminal e arraste o fio para outro terminal que desejar. Podemos alterar o valor dos resistores, clicando duas vezes neles. Uma janela com informações sobre o componente se abre, conforme a Figura 3. Nela, podemos mudar o valor do resistor ou podemos também substituir esse componente por outro. Barra de Componentes Barra de Simulação Área de Projeto Barra de Instrumentos Barra de Pontas de prova (Probes)
Atenção: O simulador aceita apenas “.” e não “,” para indicar números não inteiros. Podemos alterar o nome dos componentes e fontes (R1, R2, V1) nessa mesma janela, na primeira aba chamada “Label”. Figura 2. Caixa de diálogo para selecionar componentes. Figura 3. Mudança de valor do componente ou substituição. TIPOS DE ANÁLISE Ao simular um circuito, é importante antes de mais nada pensar exatamente do que você precisa. Você tem um circuito complicado, mas com apenas alimentações DC? Ou precisa achar Mudar valor de resistência Substituir componente
de simulação deverá ser selecionado. Veja os exemplos a seguir:
ANÁLISE DC
Neste caso, todas as entradas do circuito (geradores independentes) são fixadas em seus valores médios (valores DC). As tensões e correntes obtidas nessas condições são o ponto de operação (ponto quiescente, de polarização) do circuito. O ponto de operação é usado como ponto de partida para as análises AC e transitória descritas a seguir, e é calculado automaticamente caso uma dessas análises seja solicitada. Ponta de prova: O jeito mais fácil de verificar o ponto quiescente é utilizando um PROBE (ponta de prova). Seguindo o exemplo do divisor resistivo iniciado na seção “Criando um diagrama do seu circuito”, posicione PROBEs a diferentes ramos do circuito para visualizar suas tensões e correntes instantâneas, como indicado na Figura 5. Figura 5. Simulação de divisor resistivo com pontas de prova de corrente e tensão (PR 1 , PR2 e PR3). Clique em “Run” (triângulo verde na Figura 5 ) na barra de simulação ou aperte a tecla do seu teclado para rodar a simulação. Verifique que o “PR2” mostra a tensão na fonte e, por se tratar de um divisor resistivo com resistências iguais, a tensão DC no “PR3” será a metade da tensão da fonte, enquanto a corrente é a mesma para todo o circuito. Lembrem-se: o PROBE mostra a tensão de um ponto com relação ao terra do circuito! Se você precisa medir a tensão entre dois pontos que não sejam terra, você pode utilizar o PROBE diferencial, uma das opções oferecidas na barra de PROBEs. Ou se quiser medir tensão e corrente com o mesmo PROBE, também tem opção - é só verificar na barra, você encontra diferentes PROBEs, explore! Análise: Existem diversos outros modos de se verificar o ponto quiescente do circuito. Podemos utilizar a análise “ DC operating point ” e escolher as tensões/correntes/potências que queremos calcular, clicando em “ Run ” (F5). Atenção: nesta janela, as tensões são colocadas em função dos nós (“ Net ”) numerados pelo próprio Multisim. Para verificar o mapeamento desses nós, abra o menu “ Options ”, selecione “ Sheet properties ” e, em “ Net names ”, selecione “ Show all ” (Figura 6 ) e clique em “OK”. Place probe toolbar Run (F5)
Você pode também mudar o nome do nó. Clique duas vezes no nó (fio); selecione a aba “ Net name” e em “ Preferred net name ” e coloque o nome que desejar, no exemplo “Saída”. Figura 6. Visualização dos nós no circuito. Instrumentação: Outra forma é utilizar instrumentos como multímetro ou osciloscópio, que nos mostram a tensão entre dois pontos quaisquer do circuito. (Mas repito aqui, é mais prático utilizar o PROBE diferencial , que dá a tensão entre dois pontos quaisquer que você queira do circuito, bem como um multímetro. Só que seu esquemático fica mais limpo. Compare a Figura 7 e a Figura 8 ). Basta selecionar o equipamento desejado na Barra de Instrumentos, tomando o cuidado de colocar o medidor de tensão em paralelo ao circuito a ser medido. Figura 7. Simulação de um divisor resistivo com ponta de prova diferencial (PR5).
Figura 9. Parâmetros para varredura DC. Figura 10. Resposta da varredura DC do divisor resistivo da Figura 3.
ANÁLISE AC
Na análise AC supõe-se que todos os geradores independentes forneçam sinais senoidais com exatamente a mesma frequência. O circuito é resolvido usando fasores, para uma faixa de frequências diferentes. No caso de circuitos não-lineares, a análise AC é uma aproximação válida para pequenas variações dos sinais em torno do ponto de operação. O simulador sempre Fonte V
V(PR3)
calcula o ponto de operação do circuito antes de realizar uma análise AC, e depois lineariza o circuito em torno do ponto de operação para realizar a análise. Para utilizar a Análise AC, montamos o circuito que queremos analisar, por exemplo, um circuito RC e colocamos uma fonte com excitação senoidal: Figura 11. Circuito RC com fonte AC. Ponta de prova: Você pode utilizar PROBEs de tensão para determinar o ganho DC, AC e a fase entre dois pontos do circuito em uma determinada frequência. Utilizando uma PROBE em cada ponto em questão (no sinal desejado e em sua referência), pode-se clicar com o botão direito na PROBE do sinal desejado, ir em “Properties”, ir na aba “Parameters” e verificar se o “V(gain_AC)” e o “V(phase)” estão como “yes” na columa “Show” – senão estiverem, troquem para “yes”. Em seguida, mude para a aba “General”, clique em “Gain/phase reference probe:” e escolha a PROBE que está no gerador (ou na referência desejada). Isso é muito útil especialmente para medição de fase, uma vez que os osciloscópios disponíveis não oferecem essa opção de medida direta. Atenção: Uma fase positiva mostrada na PROBE indica que o sinal está atrasado em relação à referência e uma fase negativa, que o sinal está adiantado em relação à referência. Confira, comparando a Figura 12 com a Figura 13 b) e a Figura 16. Figura 12. Probe de tensão PR2 com referência na probe PR1 mostrando ganhos e defasagem entre os dois sinais. Fontes Fontes de Alimentação Fonte AC V(gain_AC) = VPR2/VPR V(phase) = defasagem entre as probes
Figura 13. c) Simulação de um circuito RC medido com osciloscópio Tektronix. Curvas da Fonte e da Saída na frequência de 500 Hz. Análise: Outra forma de verificar este efeito é fazer a análise AC ( AC Sweep ). Para a análise AC, o Multisim calcula a relação entre os fasores (magnitudes e fases) do sinal desejado e da fonte de excitação do circuito para uma faixa de valores de frequências. ATENÇÃO : Para esta análise, todos os parâmetros da fonte AC são ignorados, exceto os parâmetros de magnitude e fase utilizados na simulação AC, conforme mostrado na Figura 14. Mesmo que seja uma fonte de tensão triangular, quadrada ou de qualquer outra forma, a simulação AC ignorará isso e utilizará uma fonte senoidal. Neste exemplo, deixamos a amplitude da fonte com 5 V e sua fase com 20º. Figura 14. Configuração de magnitude e fase da Fonte AC para a análise AC. Utilizando o mesmo circuito da Figura 13 , escolha a análise “ AC sweep ” (Figura 4 ). A janela “ AC Analysis ” abrirá (Figura 15 ). Na aba “Output” é possível selecionar o sinal desejado V(saída). Existe apena uma fonte de excitação no circuito, que será a referência da análise. Podemos especificar o valor de início da faixa de frequências ( Start frequency ), o final ( Stop frequency ), o tipo de varredura – por décadas, oitavas ou linear ( Sweep type ), o número de pontos por década/oitava/total ( Number of points per type ) e a escala vertical do gráfico ( Vertical scale ). c)
Clique em “ Run ” (F5) e a resposta da análise AC abre em uma janela como a Figura 16. Clique duas vezes no gráfico para poder alterar seus parâmetros de eixos, legenda, título etc. Figura 15. Parâmetros da análise AC. Os gráficos mostram como variam o módulo e a fase do fasor da variável de saída em função da frequência. Através do resultado da análise, podemos ver novamente que para baixas frequências, o sinal de saída tem amplitude 5 V e fase 20º, ou seja sua amplitude e fase são iguais à da fonte. Com o aumento da frequência, a relação de amplitude cai, pois o sinal de saída diminui e a defasagem entre as curvas aumenta. Os cursores da Figura 16 foram posicionados num ponto muito importante da curva, mostrando a frequência de corte do circuito. Esta pode ser calculada através do valor dos componentes do circuito como 𝑓𝑐 = 1 2 𝜋𝑅𝐶 (verifique). Neste ponto, a tensão analisada (no caso, a saída) cai √ 2 do seu valor inicial e a defasagem entre o sinal analisado e a fonte é igual a 45º Escolher
Figura 17. Circuito RC com excitação em degrau. Probe1 mostra a resposta do circuito estabilizado. Figura 18. Parâmetros da análise de transitórios. A resposta da análise, apresentada na Figura 19 , mostra em vermelho a curva do degrau de tensão e em verde, a tensão no capacitor que, inicialmente descarregado, começa a se carregar através da corrente que circula no circuito (verifique, adicionado ao gráfico a corrente do circuito!) até atingir 5V. Neste momento, o capacitor se carregou com a tensão fornecida, Fontes de sinal Degrau de tensão
não há mais passagem de corrente: o circuito se estabilizou. O tempo em que isso tudo aconteceu, para este circuito, foi de aproximadamente 5 ms. Na verdade, podemos calcular esse tempo considerando a constante de tempo do circuito, dada pela multiplicação de R e C. Após 5RC, o capacitor está praticamente carregado com a tensão da fonte (99,3% de V ), verifique! Figura 19. Resposta da análise de transitórios. TUTORIAIS SOBRE O MULTISIM Você pode encontrar muita informação sobre como usar o programa aqui: http://www.ni.com/multisim/gettingstarted/pt/
