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QSPICE, Analisi nel dominio transitorio. Un semplice alimentatore CC (parte 2)

da | 31 Mag, 24 | Design |

Nella puntata precedente del tutorial dedicato a QSPICE, il potente software di simulazione elettronica, abbiamo esplorato l’editor di schemi elettronici, apprendendo come creare e personalizzare i circuiti elettrici. In questa seconda parte, sarà approfondita la simulazione nel dominio transitorio, una funzionalità essenziale per comprendere il comportamento dei circuiti nel tempo. In particolare, sarà effettuata una simulazione di un alimentatore in corrente continua.

La progettazione di un semplice alimentatore CC

Un semplice alimentatore è fondamentale in un laboratorio. Esso fornisce una tensione continua costante e affidabile ai circuiti, garantendo un funzionamento ottimale. Può essere utilizzato per alimentare un grande numero di dispositivi come, ad esempio, radio, amplificatori, piccoli sistemi di illuminazione, schede embedded e circuiti a microcontrollore. La sua realizzazione si concretizza utilizzando componenti di semplice reperimento, come un trasformatore, un ponte di diodi, un condensatore ed, eventualmente, un regolatore di tensione. Il trasformatore converte l’energia di rete in una tensione alternata più bassa, il ponte di diodi la raddrizza in una tensione pulsante positiva, il condensatore la filtra per ridurre l’ondulazione e il regolatore di tensione la stabilizza a un valore fisso. La combinazione di questi componenti permette di ottenere un alimentatore stabilizzato che può essere utilizzato per alimentare i dispositivi elettronici in modo sicuro ed efficiente. La sua realizzazione è, sicuramente, il primo passo da compiere per gli appassionati di elettronica e offre un ottimo punto di partenza per progetti più complessi che richiedono alimentazioni di potenza. La progettazione presuppone una attenta analisi dello schema elettrico e, cosa ancor più importante, la determinazione delle caratteristiche elettriche desiderate. Le esigenze medie dell’alimentatore da progettare sono le seguenti:

    • tensione di alimentazione: circa 30 V;
    • corrente massima sul carico: circa 4 A;
    • frequenza del trasformatore: 50 Hz.

Lo schema elettrico di figura 1, creato con l’editor di QSPICE, mostra una soluzione molto semplice per la realizzazione dell’alimentatore. Esso non è stabilizzato e si limita a fornire una tensione continua di circa 30 V. Guardando lo schema, occorre focalizzare l’attenzione su molti elementi descrittivi estremamente importanti e sui componenti che fanno parte del circuito:

    • V2: è la tensione di rete elettrica alternata della presa di corrente. Essa ha un valore di picco di 325 V e, naturalmente, una tensione RMS di 230 V. La sua frequenza è di 50 Hz;
    • X1: è un trasformatore ideale di tensione, composto da 480 spire nel primario e 50 spire nel secondario. Esso è composto da due induttori accoppiati induttivamente. E’ possibile specificare ulteriori parametri operativi, ma per il momento è meglio lasciarli al loro valore di default;
    • D1, D2, D3, D4: è un ponte di diodi che ha lo scopo di convertire l’energia alternata in energia quasi continua. Il suo scopo principale è quello di raddrizzare un segnale alternato, cioè convertire un segnale che cambia costantemente di polarità in un segnale positivo. I quattro diodi utilizzati sopportano la corrente di 5 A e il loro modello è RFN5BM3S. I diodi sono stati ruotati di 45 gradi nello schema, opzione che pochi editor mettono a disposizione dell’utente;
    • C1, C2: sono condensatori di livellamento è servono per rendere il più possibile continua la tensione. Essi forniscono energia durante le semionde negative, quando il ponte non conduce corrente e si comportano come degli accumulatori di energia;
    • R1: è un carico resistivo da 22 ohm.

Figura 1 – Lo schema elettrico di un alimentatore creato con QSPICE.

 

Le direttive SPICE

Come si nota, lo schema elettrico non è composto solamente da componenti elettronici ma vi sono anche altri elementi testuali che costituiscono le direttive SPICE. Le direttive SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) sono comandi speciali utilizzati nei programmi di simulazione circuitale basati su SPICE. Esso è un linguaggio di simulazione ampiamente utilizzato per analizzare il comportamento dei circuiti elettronici. Le direttive SPICE sono inserite all’interno del file di input del simulatore e forniscono istruzioni specifiche per controllare il processo di simulazione. Queste direttive consentono di definire le caratteristiche dei componenti, le condizioni iniziali di funzionamento, le misure da effettuare e altre opzioni di simulazione. Esistono moltissime direttive SPICE ed esse consentono di personalizzare e controllare la simulazione in base alle specifiche esigenze del circuito da analizzare. Di seguito sono esaminate tutte le direttive SPICE utilizzate nello schema dell’alimentatore CC:

    • .model RFN5BM3S D(Is=1.8236E-9 N=1.3647 …: si tratta di una direttiva che descrive le caratteristiche elettriche del diodo RFN5BM3S, preso come modello esterno. I modelli possono essere reperiti su Internet oppure creati da sé, ma con grande lavoro di ricerca e analisi;
    • .tran 200m: tale direttiva è utilizzata per specificare le opzioni di simulazione transitoria. In particolare, essa indica al simulatore SPICE di eseguire un’analisi transitoria per un periodo di tempo specificato. Nel dettaglio, essa indica che la simulazione transitoria deve essere eseguita per un tempo di 200 millisecondi (ms). Questo significa che il simulatore calcola il comportamento del circuito nel corso di questo periodo di tempo. Durante l’analisi transitoria, il simulatore SPICE calcola come il circuito reagisce ai cambiamenti elettronici nel tempo, ad esempio alle variazioni delle tensioni o delle correnti nel circuito. Questo tipo di analisi è utile per comprendere il comportamento dinamico del circuito e per studiare il transitorio iniziale fino al raggiungimento di uno stato stabile. E’ importante notare che la precisione della simulazione dipende dall’eventuale passo di campionamento specificato nel comando di analisi transitoria. Ad esempio, se il passo di campionamento è 1 us (microsecondo), il simulatore calcolerà i valori del circuito ogni 1 us, nel periodo di 200ms;
    • .plot v(in),v(out),i(r1): questa direttiva SPICE è utilizzata per specificare le variabili da visualizzare nell’output grafico della simulazione (vedi grafici di output in figura 2). In particolare, essa indica al simulatore di tracciare i grafici delle tensioni e delle correnti di interesse durante l’analisi del circuito. Nel dettaglio, essa indica al simulatore di tracciare i grafici relativi a v(in), ossia il grafico della tensione di input del circuito nel tempo, a v(out), ossia il grafico della tensione di output del circuito nel tempo, e a i(r1), ossia il grafico della corrente che attraversa il carico “R1”. Tale direttiva è utilizzata, dunque, per visualizzare graficamente specifiche grandezze durante l’analisi del circuito. Tuttavia, è possibile specificare altre grandezze come tensioni, correnti, potenze, costanti e altri valori calcolati del circuito. Basta elencarle separandole da virgole all’interno di essa. L’output generato dal simulatore mostrerà i grafici delle grandezze specificate, consentendo di osservare il comportamento del circuito nel tempo e analizzare i dati risultanti dalla simulazione;
    • .meas vin rms(v(in)): questa direttiva serve per misurare il valore efficace (RMS) della tensione di ingresso del circuito durante la simulazione. Questo comando consente di calcolare e visualizzare il valore RMS della tensione in output. Il risultato di questa misurazione sarà quindi disponibile nell’output testuale della simulazione (vedi in figura 3). La misura RMS (Root Mean Square) rappresenta il valore efficace di una grandezza, che è una misura della sua ampiezza effettiva. Nel caso specifico, “rms(v(in))” calcola il valore efficace della tensione di ingresso “v(in)” nel circuito, dal momento che essa è una tensione alternata sinusoidale. La misurazione eseguita restituisce un valore RMS di circa 230 V;
    • .meas vout rms(v(out)): questa direttiva serve a misurare il valore efficace (RMS) della tensione di uscita del circuito durante la simulazione. Questo comando permette di calcolare e riportare il valore RMS della tensione di uscita come risultato dell’analisi. La misurazione eseguita restituisce un valore RMS di circa 31 V;
    • .meas CURR avg(i(r1)): questa direttiva serve a calcolare la media della corrente che attraversa il resistore “R1” durante la simulazione del circuito. Questo comando consente di ottenere il valore medio della corrente come risultato dell’analisi. La misurazione eseguita restituisce un valore RMS di circa 1.4 A.

Si consiglia di consultare in modo approfondito il manuale fornito con il programma, premendo il tasto F1.

Figura 2 – I grafici della simulazione prodotti con la direttiva “.plot v(in),v(out),i(r1)”

 

La simulazione

Per iniziare la simulazione del circuito è sufficiente cliccare il pulsante verde posizionato sulla barra degli strumenti in alto (RUN). La simulazione è molto veloce è si conclude con la visualizzazione dei grafici e dei dati misurati.

Figura 3 – La misurazione di V(IN), V(OUT) e I(R1) con la direttiva “.MEAS”.

 

Ritornando sul grafico generato dalla simulazione, si possono osservare tre segnali diversi:

    • il segnale di colore verde V(IN), con scala sulla sinistra, rappresenta la tensione sinusoidale di ingresso. Come si vede, il suo valore di picco è di 325 V;
    • il segnale di colore blu V(OUT), con scala sulla sinistra, rappresenta la tensione continua di uscita. Il suo valore è di circa 31 V;
    • il segnale di colore rosso I(R1), con scala sulla destra, rappresenta la corrente che attraversa il carico. Il suo valore è di circa 1.4 A.

Il grafico visualizza la griglia, attivabile con la pressione dei tasti CTRL+G. I valori minimi e massimi delle scale di visualizzazione possono essere modificati con la pressione del mouse destro sulla scala stessa. L’utente può anche effettuare uno zoom di una determinata area, utilizzando il mouse, come è possibile osservare in figura 4. In questo ingrandimento è possibile notare la presenza di un piccolo segnale di ripple sul segnale di uscita, dal valore di picco di circa 1.2 V. È possibile ridurre tale elemento di disturbo aumentando il valore del condensatore elettrolitico.

Figura 4 – Lo zoom sulla tensione di uscita evidenzia la presenza di un piccolo segnale di ripple.

 

Conclusioni

Con QSPICE è abbastanza semplice creare e simulare la maggior parte dei circuiti elettronici. I requisiti del computer devono essere adeguati al software ed è necessario avere installata una versione a 64 bit di Windows 10 o Windows 11. Si consiglia anche di utilizzare un processore potente e, eventualmente, una GPU. L’utilizzo massivo delle direttive SPICE consente al progettista di utilizzare al meglio il software di simulazione. Si ricorda che l’alimentatore CC proposto in questo articolo è caratterizzato da una tensione di uscita che dipende dal tipo di trasformatore utilizzato.

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