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QSPICE episode 3: the various types of power source (part 1)

da | 7 Giu, 24 | Design |

Nell’ambito delle simulazioni elettroniche, QSPICE offre una vasta gamma di opzioni per modellare e testare diverse sorgenti di alimentazione. In questo articolo, esploreremo i vari tipi di sorgenti di alimentazione disponibili e come esse possono essere utilizzati nell’analisi dei circuiti. Benché i generatori di energia dei simulatori siano ideali e perfetti, è possibile aggiungere manualmente alcuni comportamenti reali di diversa natura.

Introduzione

QSPICE è una suite di strumenti illimitata, distribuita gratuitamente e continuamente supportata e sviluppata, che può essere utilizzata per tutti i progetti analogici. È necessario, ovviamente, includere almeno uno o più generatori di energia in uno schema elettrico, per poter procedere alla sua corretta simulazione. Nel linguaggio SPICE, i generatori di tensione e di corrente sono componenti che forniscono segnali di tensione o corrente all’interno di un circuito simulato. Questi generatori sono ampiamente utilizzati per modellare le sorgenti di alimentazione o altri segnali di input nel circuito. Per la natura dei software, essi sono ideali, ossia privi di effetti parassiti e di difetti ma con alcuni accorgimenti il loro funzionamento può essere reso molto simile alla realtà. Come si può osservare in figura 1, QSPICE mette a disposizione del progettista diverse tipologie di sorgenti di energia e alcune delle più importanti sono le seguenti:

    • Behavioral Voltage Source;
    • Behavioral Current Source;
    • Voltage Dependent Voltage Source;
    • Current Dependent Current Source;
    • Current Dependent Voltage Source;
    • Current Source;
    • Independent voltage source;
    • Independent voltage source drawn as Pulse;
    • Independent voltage source drawn as Sinewave;
    • Independent voltage source drawn as Piecewise linear;
    • Independent voltage source drawn as an Exponential.

Naturalmente, esistono anche numerosi altri metodi per generare energia all’interno di un simulatore. Tuttavia, è importante sottolineare che i componenti precedentemente elencati rivestono un’importanza particolare. Nel seguito dell’articolo, saranno presentati alcuni di questi generatori mediante semplici schemi applicativi, accompagnati dai relativi grafici di tensione o di corrente. Questi esempi aiuteranno a illustrare in modo chiaro e conciso il funzionamento e le caratteristiche di tali generatori, nel contesto della simulazione circuitale.

Figura 1 – I generatori di tensione e di corrente disponibili in QSPICE.

 

Independent voltage sources

La trattazione dei generatori di energia, nel presente corso, inizia dai più semplici tra essi, ossia gli “Independent voltage source”. Come dice la stessa parola, essi sono componenti che generano una tensione costante o variabile all’interno del circuito. Questi tipi di sorgenti di tensione non dipendono dalle altre grandezze del circuito ma sono completamente indipendenti. E’ proprio il progettista a decidere i relativi comportamenti statici e dinamici. In una simulazione elettronica, i progettisti hanno il vantaggio di poter utilizzare sorgenti di tensioni e di correnti molto elevate, senza alcun pericolo per la propria vita o il rischio di danneggiare alcun componente elettronico. Essi, infatti, possono implementare, per esempio, batterie dal potenziale elettrico di migliaia di Volt o generatori che eroghino milioni di ampere, senza alcun problema. Questa caratteristica consente loro di esplorare scenari e condizioni estreme, al fine di valutare il comportamento del circuito in situazioni ai limiti dell’immaginazione. La simulazione offre un ambiente controllato in cui è possibile testare la reattività dei componenti e analizzare le prestazioni del circuito con tensioni e correnti elevate, senza preoccuparsi dei rischi reali associati a tali livelli di tensione. Ciò fornisce ai progettisti un’opportunità preziosa per ottimizzare il design, garantendo la massima affidabilità e sicurezza del sistema elettronico in condizioni di funzionamento reale. Nel software QSPICE la classe dei generatori di energia comprende i seguenti componenti:

    • Independent voltage source;
    • Independent voltage source drawn as Pulse;
    • Independent voltage source drawn as Sinewave;
    • Independent voltage source drawn as Piecewise linear;
    • Independent voltage source drawn as an Exponential.

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

I semplici schemi elettrici applicativi sono mostrati in figura 2 e l’utilizzo di tali sorgenti di alimentazione elettrica presentano infinite possibilità di funzionamento e di soluzioni. Lo schema elettrico contiene cinque sistemi diversi che alimentano un carico resistivo di 470 ohm. Le direttive SPICE per il suo funzionamento grafico, nel dominio del tempo, sono le seguenti:

    • .tran 2: questa direttiva indica al simulatore di eseguire una simulazione transitoria del circuito per un periodo di tempo di 2 unità (ad esempio, secondi). Durante questa simulazione, il simulatore calcolerà il comportamento del circuito nel tempo, tenendo conto delle variazioni delle tensioni e delle correnti;
    • .plot v(out1): questa direttiva indica al simulatore di generare un grafico della tensione nel punto di uscita “out1” del circuito durante la simulazione transitoria. Il grafico mostrerà come cambia la tensione nel tempo per quel punto specifico;
    • .plot v(out2): questa direttiva indica al simulatore di generare un grafico della tensione nel punto di uscita “out2” del circuito durante la simulazione transitoria. Il grafico mostrerà come cambia la tensione nel tempo per quel punto specifico;
    • .plot v(out3): questa direttiva indica al simulatore di generare un grafico della tensione nel punto di uscita “out3” del circuito durante la simulazione transitoria. Il grafico mostrerà come cambia la tensione nel tempo per quel punto specifico;
    • .plot v(out4): questa direttiva indica al simulatore di generare un grafico della tensione nel punto di uscita “out4” del circuito durante la simulazione transitoria. Il grafico mostrerà come cambia la tensione nel tempo per quel punto specifico;
    • .plot v(out5): questa direttiva indica al simulatore di generare un grafico della tensione nel punto di uscita “out5” del circuito durante la simulazione transitoria. Il grafico mostrerà come cambia la tensione nel tempo per quel punto specifico.

L’utilizzo di differenti direttive “plot”, in righe diverse, consente di ottenere cinque oscillogrammi indipendenti. Con l’implementazione della seguente direttiva cumulativa, e simile alla precedente, il software genera cinque oscillogrammi, tutti nello stesso grafico:

.plot v(out1), v(out2), v(out3), v(out4), v(out5)

Figura 2 – Independent voltage sources.

 

Il carico resistivo, come si può notare, è alimentato da diverse sorgenti di tensioni, che danno luogo agli oscillogrammi di figura 3. Andiamo a esaminare, in dettaglio, le varie tipologie di alimentazioni.

La prima sezione dello schema elettrico contiene un generatore DC di 12 V (V1) che crea, nella NETLIST, la seguente direttiva:

V1 out1 0 12V

Essa definisce una sorgente di tensione continua, chiamata “V1” e collegata tra il nodo “out1” e il nodo di riferimento “0”. Il valore della tensione della sorgente è di 12 volt. Il numero “0” rappresenta il nodo di riferimento o la massa del circuito, mentre “out1” rappresenta un altro nodo del circuito a cui è collegata la sorgente di tensione. Il segnale visibile sull’oscillogramma è misurato sul nodo “out1”.

La seconda sezione dello schema elettrico contiene un generatore impulsivo che crea, nella NETLIST, la seguente direttiva, corrispondente a un segnale PWM del 25%:

V2 out2 0 PULSE 0 5 1 0 0 25mS 100mS

Essa definisce una sorgente di tensione che pulsa “V2”, collegata tra il nodo “out2” e il nodo di riferimento “0”. I suoi parametri sono i seguenti:

    • “0” rappresenta il valore iniziale della tensione della sorgente;
    • “5” rappresenta il valore massimo della tensione della sorgente;
    • “1” rappresenta il tempo di ritardo, prima che il segnale assuma il valore massimo (5V);
    • “0” è il “Rise time”;
    • “0” è il “Fall time”;
    • “25mS” è il tempo del segnale in cui il segnale rimane in stato ON;
    • “100mS” rappresenta il periodo totale della forma d’onda.

Questo tipo di sorgente di tensione è spesso utilizzato per simulare segnali impulsivi o forme d’onda pulsanti in un circuito. Il segnale visibile sull’oscillogramma è misurato sul nodo “out2”.

La terza sezione dello schema elettrico contiene un generatore sinusoidale che crea, nella NETLIST, la seguente direttiva:

V3 out3 0 SIN 0 7 12

Essa definisce una sorgente di tensione sinusoidale chiamata “V3”, collegata tra il nodo “out3” e il nodo di riferimento “0”. I suoi parametri sono i seguenti:

    • “0” rappresenta l’offset della tensione sinusoidale, ovvero la componente continua della forma d’onda;
    • “7” rappresenta l’ampiezza (zero picco) della tensione sinusoidale;
    • “12” rappresenta la frequenza della tensione sinusoidale in Hertz (Hz), che indica il numero di cicli completati dalla forma d’onda in un secondo.

In pratica essa crea una sorgente di tensione sinusoidale con un offset di 0V, un’ampiezza di 7V e una frequenza di 12Hz. Questo tipo di sorgente di tensione è spesso utilizzato per simulare segnali alternati sinusoidali in un circuito, come onde audio o segnali di alimentazione della rete elettrica a 230V o 110V. Il segnale visibile sull’oscillogramma è misurato sul nodo “out3”.

La quarta sezione dello schema elettrico contiene un generatore personalizzato che crea, nella NETLIST, la seguente direttiva:

V4 out4 0 PWL 0.4 5 0.9 4 1.5 7

e la sua sintassi generale è la seguente:

Vnnn N+ N- PWL(t1 v1 t2 v2 t3 v3…)

I parametri della direttiva “PWL” specificano una sequenza di coppie di valori tempo-tensione che definiscono la forma d’onda della sorgente di tensione. Questo tipo di sorgente di tensione o di corrente è spesso utilizzato per rappresentare forme d’onda non lineari o segnali complessi che richiedono una descrizione dei vari valori di tensione in intervalli di tempo specifici all’interno di una simulazione di circuito.

Infine, la quinta sezione dello schema elettrico contiene un generatore personalizzato che crea, nella NETLIST, la seguente direttiva:

V5 out5 0 EXP 5 8 100m 1 50m 1

Essa specifica un generatore di tensione di tipo “EXP” (Exponential pulse wave) collegato tra il nodo “out5” e il nodo di riferimento “0” (terra). I suoi parametri sono i seguenti:

    • Vinitial[V]: LOW level voltage value;
    • Vpulsed[V]: Maximum value of HIGH level;
    • Rise Delay[V]: Delay time until waveform rises;
    • Rise Tau[s]: Rise time constant of waveform;
    • Fall Delay[s]: Delay time until the waveform falls;
    • Fall Tau[s]: Fall time constant of waveform.

Figura 3 – Gli oscillogrammi sulla tensione del carico sono differenti per la tipologia di tensione applicata.

 

Conclusioni

QSPICE offre una vasta gamma di opzioni per modellare e analizzare diversi tipi di sorgenti di alimentazione nel contesto dell’analisi dei circuiti elettronici. Dalla semplice sorgente DC alle sorgenti sinusoidali, di impulsi o di rumore, QSPICE consente agli ingegneri elettronici di valutare il comportamento dei circuiti in diverse condizioni e scenari. Sfruttando la potenza del simulatore SPICE, è possibile studiare l’interazione tra le sorgenti di alimentazione e i componenti del circuito, compresi gli effetti transitori e le risposte in frequenza. La corretta scelta e configurazione delle sorgenti di alimentazione è fondamentale per la progettazione e l’ottimizzazione dei circuiti elettronici e QSPICE si rivela uno strumento prezioso in questo processo. I generatori di tensione lavorano con la stessa filosofia dei generatori di corrente. Nella prossima puntata saranno analizzate altre tipologia di generatori di energia, con funzionalità molto importanti e utili.

Autore: Giovanni Di Maria

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