UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIASEDE SECCIONAL SOGAMOSO ESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICAELECTRONICA I

MANEJO DE SOFTWARE DE SIMULACION

Laboratorio Electrnica I Pgina 1

RESUMEN: En este informe se realizar, analizar y ejecutar algunas de las herramientas ofrecidas por los paquetes de software de simulacin de circuitos elctricos, OrCAD y Proteus, as mismo como una breve comparacin con resultados tericos, y de esta manera poder concluir la importancia de estos software como una herramienta para concretar conceptos, y tener un apoyo a la hora de analizar circuitos electrnicos.

PALABRAS CLAVE: software, herramientas, anlisis, corriente, voltaje.

1. INTRODUCCIN

Este informe se basa en el aprendizaje y uso de las herramientas que nos ofrece el mundo actual para la simulacin de circuitos electrnicos. Especficamente el aprendizaje del software de OrCAD, OrCAD Capture, OrCAD PSpice y el paquete ofrecido por Lab Center Electronics Proteus Professional.La simulacin de un circuito precisa dar al computador un conjunto de datos referentes al comportamiento de sus componentes respecto de ciertos parmetros fsicos, tipo de simulaciones que desean realizarse, seales de estmulo, etc. Adems se puede expresar eficazmente de forma grfica la forma de las conexiones. Es importante resaltar que el uso de los programas de simulacin deben utilizarse como herramienta complementaria para determinar las posibles variaciones entre el comportamiento terico y el comportamiento real de los circuitos.[1].

2. OBJETIVOS. Conocer caractersticas y aplicaciones de algunos de los paquetes de simulacin de circuitos electrnicos. Aplicar el software al anlisis y simulacin de circuitos elctricos y electrnicos.

3. MATERIALES Y EQUIPOS. Computador Software de OrCAD instalado. Software Isis Proteus instalado.

4. MARCO TEORICO.4.1 OrCADOrCAD ofrece una solucin total para las tareas bsicas de diseo, simulacin analgica, digital o mixta; y el diseo de la placa de circuito impreso.[2]

El programa SPICE, (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis), proporciona una herramienta muy til e interesante para poder determinar el funcionamiento de circuitos elctricos y electrnicos tanto analgicos como digitales, sin necesidad de tener que recurrir a su montaje en laboratorio. Desarrollado en la Universidad de California-Berkeley, en los aos setenta, fue mejorndose hasta aparecer en 1984 el programa PSpice, versin disponible para PC.[1]

4.2 PROTEUSProteus VSM, conocido simplemente como Proteus, para mayor facilidad, es un sistema de diseo electrnico basado en la simulacin analgica, digital o mixta de circuitos, que brinda la posibilidad de interaccin con muchos de los elementos que integran el circuito. Incluye componentes animados para la visualizacin de su comportamiento en tiempo real, adems de un completo sistema de generacin y anlisis de seales. Tambin cuenta con un mdulo para el diseo de circuitos impresos.Las siglas VSM significan Virtual System Modelling, que en espaol podemos traducir como sistema de modelado virtual, ya que Proteus VSM permite modelar de forma virtual en la computadora prcticamente cualquier circuito. La caracterstica principal que hace de Proteus VSM uno de los simuladores es la posibilidad de simular circuitos que incluyen microprocesadores o microcontroladores. [3]5. PROCEDIMIENTO

5.1. Disee un circuito elctrico resistivo de por lo menos cuatro mallas, con mnimo siete resistencias y dos fuentes de voltaje DC. El valor de una de las fuentes utilizadas debe ser de (X+3) Voltios, donde X es el ltimo dgito del primer integrante de grupo en la lista.

Cdigo primero en lista: 201120934B1 =7vB2 = 5VR1 = 6KR2 = 1KR3 = 100R4= 540R5= 660R6= 100R7= 1KR8= 1K

Figura (Circuito en proteus ).

1. Circuito diseado bajo los parmetros de la gua. (ISIS PROTEUS)

5.2 Realice analticamente los clculos para conocer el valor del voltaje, la corriente y la potencia sobre cada elemento.

Luego de realizar el anlisis del circuito por mtodo de mallas, se ha obtenido el siguiente sistema de ecuaciones: (3)

Donde, los resultados de corriente de malla son:

Tabla 1.Datos obtenidos del circuito diseado en el apartado 5.1 de forma analtica.

RESANALITICO

VIP

R111.454 V1.909mA21.866mW

R24.677 V4.677mV21.874mW

R3-0.3225V-3.225mA1.04mW

R40.2467 V0.457mA0.113mW

R50.3016 V0.457mA0.138mW

R60.1452 V1.452mA66.8uW

R70.726 V0.726mA0.5270mW

R80.726 V0.726mA0.5270mW

5.3. SOFTWARE DE SIMULACION DE CIRCUITOS.

5.3.1 Realice la simulacin del circuito diseado en el apartado 4.1 utilizando tanto Orcad (Bias point) como ISIS Proteus (voltmetros y Ampermetros) para obtener los valores de voltaje, corriente y potencia en cada elemento. Incluya en el informe los resultados de las simulaciones.

Figura 2. Circuito diseado en el apartado 5.1 en OrCAD.

Figura 3. Circuito diseado en el apartado 5.1 en OrCAD. Anlisis Bias Point. Corrientes.

Figura 4. Circuito diseado en el apartado 5.1 en OrCAD. Anlisis Bias Point. voltage.

Figura 5. Circuito diseado en el apartado 5.1 en OrCAD. Anlisis Bias Point. Potencia.

En la Figura 2, vemos el circuito diseado bajo los parmetros de la gua, en la presentacin dada en OrCAD Capture CIS, donde es evidente la facilidad a la hora representar circuitos, y haciendo ms sencillo su anlisis, (BIAS POINT) como se observa en las figuras 3, 4 y 5, donde bajo un rotulo se puede ver los valores de voltaje, corriente y potencia respectivamente.

En la Figura1. Vemos la presentacin de el mismo circuito diseado anteriormente, en el software ISIS, del paquete de simulacin de Proteus.

Figura 6. Circuito diseado con los voltmetros para tomar Voltaje (DC VOLTEMETER, una de las herramientas de este software.

Nota: dado a la mala presentacin de esta forma, ya que la figura queda saturada y no es posible identificar con claridad los resultados se proceder de otra forma. Vase Figura 7 y Figura 8.

. Parte del circuito diseado. Voltaje tomado del instrumento virtual (DC VOLTEMETER, una de las herramientas de este software sobre la R1.

Nota: para obtener el valor del voltaje sobre cada elemento del circuito, se procede a colocar y conectar el instrumento virtual de manera paralela, como en la prctica real. Se repiti el mismo procedimiento sobre cada elemento del circuito. Solo se presentara la figura 7. Ya que es nos pareci innecesario repetir las imgenes. Los resultados se presentaran en la Tabla 2.

Figura Parte del circuito diseado. Corriente tomado del instrumento virtual (DC AMMETER), una de las herramientas de este software entre los elementos R4 y R5 conectados en serie.

Nota: para obtener el valor de la corriente en cada elemento del circuito, se procede a colocar y conectar el instrumento virtual en serie, como en la prctica real. Se repiti el mismo procedimiento sobre cada elemento del circuito. Solo se presentara la figura 8.

5.3.2 Adicione los valores analticos y los resultados obtenidos en simulacin (Orcad y Proteus) en una tabla como la tabla.

Tabla 2. Resultados en OrCADOrCAD

VIP

7V1.909Ma21.86mW

4.667V4.677mA21.88mW

(-)0.3226V3.226mA1.041mW

0.2468V457.0uA112.8uW

0.30153V457.0uA137.8uW

1.564V1.452mA210uW

0.726V725.8uA526.8uW

0.726V725.8uA526.8uW

Tabla 3. Resultados en Isis Proteus.PROTEUS

VIP

11.5 V1.91mA21.96mW

4.68 V4.68mA21.902mW

(-)0.32V(-)3.23mA1.062mW

0.25 V0.46mA0.115mW

0.30 V0.46mA0.138mW

0.15 V1.45mA0.2175mW

0.73 V0.73mA0.532mW

0.73 V0.73mA0.532mW

Nota: la tabla sugerida por la gua, se presentara en Anexos, dado al tamao.

5.3.3. Realice un anlisis de los resultados obtenidos en la tabla 1 y concluya.

Como logramos ver, luego del riguroso anlisis, tanto terico, como el presentado por las simulaciones realizadas en OrCAD y Proteus, vemos la variacin en algunos resultados, y aunque es mnima del orden de las milsimas, podemos concluir: Las herramientas de simulacin ofrecidas por estos paquetes, corroboran los conceptos, siendo una gran ayuda a la hora de realizar un trabajo. Las variaciones en los resultados son mnimas, y dependen de las cifras significativas, con las que se programen. Los resultados que presentan las herramientas del Paquete de OrCAD son ms aproximadas al anlisis realizado.

5.4. MANEJO DE ORCAD.

Utilizando el software ORCAD, realice los siguientes ejercicios:

5.4.1 Realice el montaje del circuito de la figura 1(gua). Colocando un marcador de voltaje diferencial sobre la resistencia de 100 (R9) y un marcador de corriente sobre la resistencia de 1k (R8), haga un barrido a la resistencia de 100 (R9) de 1 a 1 K con incrementos de 1 (manteniendo en la celda value en el editor de propiedades de PARAM, el valor de 100 , y haciendo visible esta propiedad sobre el esquemtico). Visualice y anexe los resultados adecuadamente desplegando una ventana para cada cursor.

Figura Circuito implementado en OrCAD, correspondiente a la figura 1 de la gua de laboratorio.

Figura Voltaje diferencial sobre R10 en el circuito de la figura 8.

Figura Corriente sobre la R11 del circuito mostrado en la figura 8.

5.4.2 Manteniendo las condiciones, realice ahora un barrido en la fuente de voltaje DC de 12V (V3) de 5 a 40V con incrementos de 0.1V y visualice de la misma manera (con los mismos cursores).

Figura Voltaje diferencial sobre la resistencia R10, haciendo el barrido a la fuente DC de 12 V como lo indica el numeral 5.4.2.

Figura Corriente sobre la resistencia R10, haciendo el barrido a la fuente DC de 12 V como lo indica el numeral 5.4.2.

5.4.3 Para ambos casos anteriores, realice las grficas nuevamente, pero ahora mustrelas sobre la misma ventana pero con diferente eje.

Figura Voltaje diferencial y corriente, barrido de resistencia R10,en la misma grfica y diferente eje vertical, como lo pide el numeral 5.4.3.

Figura Voltaje diferencial y corriente, barrido de la fuente VDC 12V ,en la misma grfica y diferente eje vertical, como lo pide el numeral 5.4.3.5.4.4 Implemente un circuito donde maneje una fuente sinusoidal y un transformador lineal y muestre en una grfica, las seales en el primario y el secundario del transformador.

Figura Circuito con un transformador lineal y una fuente sinusoidal.

Figura Muestra las formas de onda al aplicar un voltaje sinusoidal a un transformador, como lo indica la figura .

5.4.5 Para el circuito de la figura 2, realice un barrido de frecuencia de 1 Hz hasta 1Ghz con 100 puntos/dcada en la fuente de voltaje VAC, colocando un marcador de voltaje sobre la resistencia de 1k y un marcador de corriente sobre la de 1.2 k. Visualice las grficas sobre la misma ventana con diferente eje vertical.

Figura Circuito implementado en OrCAD, correspondiente a la figura 2 de la gua de laboratorio.

Figura. Muestra la respuesta del circuito de la figura La corriente en rojo y el voltaje en verde, como lo indica la gua, sobre la misma grafica pero en diferente eje vertical.

5.5 MANEJO DE ISIS PROTEUS

5.5.1 Implemente en Proteus un circuito conformado por una fuente sinusoidal de voltaje, un condensador no polarizado, un resistor y un osciloscopio para visualizar la forma de onda de la fuente de tensin y la onda sobre el resistor. Asigne a la fuente de voltaje una amplitud de 11 V, una frecuencia de 60 Hz y offset de 0V. Coloque al condensador C1 un valor de 9uF y a la resistencia R1, un valor de 9.7 K.

Figura Circuito implementado en Isis Proteus, una fuente sinusoidal, capacitor resistencia y el instrumento virtual ofrecido por el paquete, OCILOSCOPE, segn especificaciones de la gua.

Nota: las formas de onda de este circuito se ven en la figura 20.

5.5.2 Utilizando el osciloscopio visualice las formas de onda y obtenga valores de amplitud y periodo. Utilizando sus conocimientos de circuitos elctricos explquelos resultados obtenidos. Existe algn desfase entre las ondas?

Figura Forma de onda resultante del circuito implementado (figura 19) en ISIS Proteus, graficas exportadas del mismo programa de simulacin. No presenta desfase.Tras realizar el anlisis de la malla conformada por el generador, el capacitor y el resistor, obtenemos, que el valor del voltaje de la resistencia es el siguiente

y tenemos, donde Podemos ver que si existe un desfase pequeo, de la seal medida sobre la resistencia, con respecto a la seal generada que alimenta el circuito. Aunque no es muy evidente en la figura 20. Al realizar los clculos respectivos, se puede notar la pequea diferencia dada por el angulo = 1.7403.

5.5.3 Ahora, cambie el valor de C1 a 2.2 uF y analice nuevamente las formas de onda. Qu cambios sucedieron? Por qu? Al realizar nuevamente los clculos, pero ahora con un valor de C= 2.2uf, obtenemos los siguientes resultados

Figura Circuito implementado segn la gua, con C1 = 2.2uF.

Figura Forma de onda resultante del circuito implementado (figura 21) en ISIS Proteus, graficas exportadas del mismo programa de simulacin. Presenta desfase.

, donde

Podemos ver que el ngulo de desfase aumento, esto debido al valor en el capacitor, ya que disminuyo con respecto al numeral anterior, y por las caractersticas de almacenamiento, y naturaleza de este dispositivo, se puede notar la diferencia.5.5.4 Cambie la fuente V1 por un generador de seal colocando con este nuevamente, una onda sinusoidal de 11 V de Amplitud, 50Hz y offset de 0V sobre el circuito. Mantenga C1 con un valor de 2.2 uF.

Figura 23. Circuito implementado segn la gua, con C1 = 2.2uF y generador de seales.Figura 24. Configuracin del generador de seales utilizado en el circuito de la figura 23, f=50hz.

5.5.5 Cambie el valor de la frecuencia de la onda sinusoidal a 5Hz y concluya. Qu efecto tiene el condensador sobre la seal en la resistencia?

Tras realizar los anlisis correspondientes, obtuvimos los siguientes resultados, luego

Segn los resultados, el ngulo de desfase y la amplitud, podemos ver que el condensador tiene un efecto de Desfasadores de lnea (Correccin del "factor de potencia"): En un circuito AC (de corriente alterna de 50 de 60 Hz) [4]

5.5.6 Cambie el valor de la frecuencia de la onda sinusoidal a 5Hz y concluya. Qu efecto tiene el condensador sobre la seal en la resistencia?

Nota: para este numeral, se us el mismo circuito implementado en ISIS Proteus, mostrado en la Figura 23.

Figura Configuracin del generador de seales como lo pide el apartado 5.5.5. Circuito mostrado en la figura 23.Figura Forma de onda resultante sobre la resistencia del circuito mostrado en la figura 23. Bajo los parmetros establecidos por la gua, frecuencia de 5 Hz.5.5.7 Cambie ahora el valor de la frecuencia de la onda sinodal a 5 kHz y concluya. Qu efecto tiene ahora el condensador sobre la seal en la resistencia?

Luego de realizar las modificaciones sugeridas en la gua, se obtuvo que

Podemos notar, que el condensador no tiene un efecto muy notable sobre el voltaje en la resistencia, y mucho menos en el angulo de desfase que debera estar modificando, por el contrario, este ngulo es tan pequeo, tiende a 0.Con estos resultados, podemos concluir: El condensador en un circuito RC tiene un efecto desfasador, lo cual sirve para mejorar un factor de potencia en circuitos elctricos. El efecto de los capacitores es ms notorio a bajas frecuencias de seales alternas. A frecuencias muy altas, el capacitor no tiene mayor efecto.Nota: para los anlisis del numeral 5.5 Manejo de ISIS Proteus, se us la expresin , para realizar los clculos fasoriales y .5.6 GENERACION Y OPERACINES ENTRE SEALES.

Realice en OrCAD cada una de las grficas mostradas en la gua bajo las siguientes condiciones: Amplitud A: 4V (de acuerdo con el ltimo digito del cdigo del primer integrante del grupo en la lista. 201120934 ) Periodo T: 4ms (mili-segundos) (de acuerdo al ltimo digito del ultimo integrante del grupo en la lista 201120934.)

Para obtener las seales que la gua pide, se implement un circuito en el software OrCAD, conformado por una fuente del tipo VPULSE, conectada en serie a una resistencia de 1K, la seal mostrada ser entonces el voltaje sobre dicha resistencia.

Figura 27. Circuito implementado para obtener la forma de onda de la seal A, mostrada en la figura 29.

Figura 29. Forma de onda de la seal A de la gua, con amplitud A= 4V y periodo T= 4ms.Nota: el circuito implementado para obtener las formas de onda de la figura 30 y figura 32 es el mismo presentado en la figura 27.

Figura 30. Especificaciones de la VPULSE usada en el circuito implementado en la figura 27 para obtener la forma de onda de la seal B

Figura . Forma de onda de la seal B de la gua, con amplitud A= 9V y periodo T= 9ms.

Figura Especificaciones de la VPULSE usada en el circuito implementado en la figura 27 para obtener la forma de onda de la seal C.

Figura . Forma de onda de la seal C de la gua, con amplitud A= 4V y periodo T= 4ms.

5.6.2 En una grfica dibuje cada una de las seales y su operacin de acuerdo con la tabla 4. Los literales hacen referencia a las seales de las Figuras 29, 31 y 33.

Tabla 4. Operaciones a realizar con las seales mostradas en las figuras 29, 31 y 33.SEALESOPERACIN

A y BA*B

C y AC-A

AAVG(A)

B y CRMS(B*C)

A continuacin se mostraran las formas de onda resultantes al realizar las operaciones indicadas en las Tabla 4.seal correspondiente c-a.seal correspondiente avg aseal correspondiente b*cNota: las operaciones y formas de onda se realizaron mediante el uso del Software de simulacin OrCAD y su mdulo PSpice AD.Nota: el termino AVG usado por el software de simulacin, no es otra cosa que el promedio, en este caso de la seal A.

valor eficaz, en este caso, es el valor eficaz de la operacin B*C.

12. CONCLUSIONES El software de simulacin es una herramienta muy eficiente a la hora de comparar los resultados, ya que permiten corroborar los resultados obtenidos de forma analtica y experimental, con los modelos que plantean sus cdigos de programacin. Las herramientas que ofrece cada paquete de simulacin trabajado en este laboratorio, con sus mdulos de simulacin, deslumbran de cierta manera y hacen ms eficiente el aprendizaje de conceptos y reafirman el conocimiento terico. Al desarrollar analticamente los circuitos y compararlos con los resultados de las simulaciones, vemos que la diferencia es casi nula, que por lo general se debe a incluir o excluir variables que normalmente no se usan en la forma analtica, por cuestiones de comodidad, pero que los simuladores si lo toman en cuenta, lo cual nos lleva a tener una confianza en estos programas a la hora de implementar circuitos.

14. REFERENCIAS

[1] Guia de Usuario. World Wide Web OrCAD Design Network (ODN) http://www.orcad.com/odnhttp://www.orcad.com.Traduccion: Next-For, S.A.

[2] Simulacin analgica con ORCAD-PSPICE: Introducci. Univeridad de Alcala. Dpto. Electronica, Espaa, 2002-2003.[3] Introduccin a proteus, www.redusers.comhttp://img.redusers.com/imagenes/ebook/lpcu239/notagratis.pdf

[4] Giordano J L2010Cmo funcionan las cosas: Elcondensador elctrico(Santiago:http://www.profsica.cl)http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=36(Consulta: Abril 23, 2008) [5]Control Toolbox (6.0), Users Guide, The Math Works, 2001, pp. 2-10-2-35.

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