Nella scorsa puntata abbiamo illustrato il funzionamento e l’utilizzo dei principali tipi di generatori di tensione e di corrente. In questo articolo continuiamo l’esplorazione di essi, descrivendo altre tipologie di generatori, alcuni dei quali molto complessi e insostituibili.

Introduzione

I generatori visionati nella precedente puntata sono abbastanza semplici e forniscono livelli di tensioni e di corrente abbastanza costanti nel tempo, seguendo a volte determinati pattern ben programmati. In questo articolo andiamo ad applicare e usare, invece, sofisticati generatori in grado di produrre livelli di tensione e di corrente in modo personalizzato. Molto spesso il progettista ha bisogno di un segnale non costante e dall’andamento incerto, a volte casuale. Come si può osservare in figura 1, i generatori che esamineremo in questa puntata sono i seguenti:

• • Voltage Dependent Voltage Source;
  • Voltage Dependent Current Source;
  • Current Dependent Voltage Source;
  • Current Dependent Current Source;
  • Behavioral Voltage Source;
  • signal from file.

Si tratta di generatori prettamente programmabili dal progettista che possono fornire un livello di segnale personalizzato, secondo le proprie esigenze progettuali.

Figura 1 – I generatori dipendenti di tensione e di corrente

Voltage Dependent Voltage Source

Questo tipo di generatore segue la stessa filosofia degli altri generatori dipendenti, pertanto illustreremo solo questo dispositivo. Esso rileva una tensione tra i nodi d’ingresso e produce una tensione ai nodi di uscita. Quest’ultima è determinata dal parametro “gain”. L’esempio di figura 2 chiarisce ogni dubbio. In esso, un generatore V1 di 5 V alimenta il generatore E3 con un “gain” di 15. L’uscita di tale generatore è, dunque, di 5*15=75 V. Come si vede, lo schema elettrico di esempio comprende un generatore fisso di tensione continua (V1) e un generatore dipendente (E1). Quest’ultimo genera una tensione 15 volte più grande di V1, in qualsiasi configurazione di funzionamento. Si tratta, dunque, un componente che permette di generare una tensione in funzione di un’altra tensione o di una corrente all’interno del circuito.

Figura 2 – Il comportamento del generatore di tensione dipendente.

Behavioral Voltage Source

Anche in questo caso, questo tipo di generatore segue la stessa filosofia degli altri generatori di corrente della stessa classe, pertanto illustreremo solo tale dispositivo. Il Behavioral Voltage Source è un componente molto importante e, a differenza delle tradizionali sorgenti di tensione, consente di generare una tensione in base a una specifica formula matematica o relazione definita dall’utente. Questa relazione matematica può coinvolgere variabili, funzioni e parametri personalizzati, offrendo un alto grado di flessibilità nell’espressione delle tensioni generate. Grazie a questa caratteristica, tale generatore di tensione (o di corrente) è ampiamente utilizzato per modellare componenti elettronici complessi e sistemi dinamici, come amplificatori operazionali, generatori di segnali, circuiti di controllo, sensori e altro ancora. La possibilità di creare relazioni personalizzate tra le tensioni di input e output offre agli ingegneri elettronici un potente strumento per l’analisi e per l’ottimizzazione dei circuiti, consentendo simulazioni accurate e predittive delle risposte del sistema a varie condizioni operative. In altre parole, la tensione uscente da questo tipo di generatore è il risultato di una funzione matematica su una variabile indipendente. Si immagini, dunque, il suo vasto campo di applicazione che rende semplice la caratterizzazione di un sensore o di qualsiasi altro dispositivo. Dal momento che tale generatore è uno dei più utili e importanti, saranno effettuati diversi esempi, per comprendere pienamente il suo funzionamento e la sua applicazione pratica.

Behavioral Voltage Source: sine source

È possibile utilizzare questo componente per creare un generatore di tensione sinusoidale anche se, in questo caso, si può direttamente utilizzare quello più adatto disponibile nel software. La figura 3 mostra un semplice schema elettrico, costituito dal generatore Behavioral e da un carico resistivo da 1kOhm. Il primo attributo del componente contiene la formula per generare un segnale sinusoidale con una frequenza di 50 Hz e ampiezza zero picco di 1 V. Nella stessa figura, l’oscillogramma rappresenta il segnale sinusoidale sul nodo di uscita. La direttiva “.tran 0.1” permette di osservare tale tensione in un periodo di 100 mS, nel quale si susseguono cinque sinusoidi consecutive. Nel seguente elenco vi sono alcuni esempi di formule matematiche per generare segnali sinusoidali dalle diverse caratteristiche:

• • V=sin(2*PI*50*time): sinusoide di 50 Hz con una tensione zero picco di 1 V;
  • V=sin(2*PI*50*time)*325: sinusoide di 50 Hz con una tensione zero picco di 325 V;
  • V=sin(2*PI*80*time)*5: sinusoide di 80 Hz con una tensione zero picco di 5 V.

Nella formula, come si vede, è sufficiente specificare la frequenza e la tensione massima per ottenere la sinusoide desiderata. Si può notare che l’ascissa (asse x) è gestita dalla variabile “time”, che descrive il tempo della simulazione, espresso in secondi.

Figura 3 – Un generatore sinusoidale realizzato con il Behavioral Voltage Source.

Behavioral Voltage Source: triangular source

Modificando semplicemente la formula matematica, è possibile generare un segnale triangolare, con frequenza e ampiezza variabile in base alle proprie esigenze. È possibile cambiare la formula del generatore per ottenere la forma d’onda desiderata. Per esempio, la figura 4 mostra una tipica onda triangolare con un periodo di 10 mS e una ampiezza di 1 V. La formula per descrivere il segnale triangolare è la prima illustrata nella lista sottostante. La stessa descrive altre formule per la generazione di un segnale triangolare con caratteristiche differenti:

• V=1*abs(2*(time/10m-floor(1/2+time/10m))): segnale triangolare con periodo di 10 mS (100 Hz) e con una tensione di 1 V;
• V=12*abs(2*(time/50µ-floor(1/2+time/50µ))): segnale triangolare con periodo di 50 uS (20 kHz) e con una tensione di 12 V.

Figura 4 – Un generatore triangolare realizzato con il Behavioral Voltage Source.

Behavioral Voltage Source: sensor of temperature

Questo esempio è abbastanza complesso ma risulta di una utilità straordinaria. Occorre simulare, per esempio, un sensore di temperatura che ha acquisito, nell’arco di un giorno, una serie di temperature ambientali con una acquisizione ogni ora. Si tratta di un esempio teorico, effettuato con il sensore LM35, che restituisce una tensione analogica di 10mV per ogni grado Celsius, per cui leggendo la tensione si può calcolare facilmente la temperatura. Le misure rilevate dal sensore a ogni ora sono le seguenti:

I grafici della figura 5 mostrano le curve delle tensioni restituite dal sensore LM35, in relazione alla temperatura e la funzione interpolante dei punti. In colore rosso sono rappresentate le reali misurazioni della tensione restituita dal sensore mentre in colore blu è rappresentata una funzione che ben rappresenta l’andamento matematico del segnale, nel dominio del tempo:

Tale polinomio sarà inserito come base di dati all’interno del generatore di tensione di QSPICE.

Figura 5: il grafico delle reali misurazioni e del polinomio interpolante

Si crei, dunque, lo schema elettrico di cui alla figura 6, nel quale si può osservare un carico resistivo da 1K e un generatore Behavioral nel quale occorre inserire la seguente formula:

V=0.17778+1.4357e-5*time^4+1.9306e-11*time^8-8.56e-7*time^5

Come si può notare, la “x” è stata sostituita con la variabile “time” poiché il grafico è nel dominio del tempo ed essa rappresenta l’asse delle ascisse. Nello schema elettrico abbiamo i seguenti elementi:

• il generatore B1 che fornisce una tensione calcolata tramite la precedente formula, nel dominio del tempo (la variabile indipendente è “time”);
• il carico resistivo R1 è di 1K;
• la simulazione prevede l’osservazione dei primi 23 secondi, da 0 a 23 (direttiva “.tran 23”). Per semplicità le ore sono state trattate come secondi;
• il grafico mostra la tensione al nodo “Signal” tramite la direttiva “.plot v(Signal)”

Con questa tecnica è possibile realizzare un generatore capace di fornire qualsiasi tipologia di segnale, rappresentabile attraverso una equazione matematica. Il campo di applicazione è, pertanto, infinito. A ogni modo, se occorre proprio la sequenza esatta registrata dal sensore di temperatura, è possibile utilizzare la tecnica del PWL file, spiegata nel prossimo paragrafo.

Figura 6 – Lo schema elettrico di un Behavioral Voltage Source che rappresenta l’andamento della temperatura misurata nell’ambiente in 24 ore.

Conclusioni

In questa puntata del corso su QSPICE abbiamo esplorato ulteriori tipologie di generatori di tensione e di corrente, alcuni dei quali sono estremamente utili e sofisticati per il progettista. Abbiamo visto diverse categorie di generatori, ognuna con caratteristiche uniche e potenzialità specifiche. Il “Voltage Dependent Voltage Source,” un generatore che produce una tensione di uscita dipendente dalla tensione di ingresso, tramite il parametro di “gain.” Questo componente è utile per generare tensioni personalizzate in funzione di altre tensioni o correnti presenti nel circuito. Il “Behavioral Voltage Source” è un generatore altamente versatile che permette di creare tensioni in base a specifiche formule matematiche, consentendo una vasta gamma di possibilità delle tensioni generate. Questo tipo di generatore è fondamentale per modellare componenti elettronici complessi e sistemi dinamici. Con esso abbiamo provato a generare una tensione sinusoidale e una triangolare, assieme alla rappresentazione della tensione fornita da un sensore di temperatura. Questi esempi dimostrano l’ampia applicabilità e la potenza di questo componente nei progetti elettronici. Queste tecnologie contribuiscono alla realizzazione di circuiti elettronici avanzati e all’ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi.

Autore: Giovanni Di Maria