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Veja como utilizar o LTSpice, da Linear Technologies, uma ferramenta alternativa útil no momento de produzir e simular seus projetos

Softwares de simulação existem para todas as áreas da engenharia e diversas conquistas do homem não seriam possíveis sem eles. No caso da eletrônica, podemos trabalhar sem tais softwares, mas certamente eles facilitam nossa vida. Spice é a definição para os softwares de simulação de circuitos elétricos no PC. Normalmente esses softwares são onerosos, porém, temos uma alternativa chamada LTSpice, da Linear Technologies.

O LTSpice é uma ferramenta de simulação desenvolvida pela empresa citada que possibilita a simulação de seus CIs, e também a simulação de milhares de outros circuitos. Esta ferramenta é gratuita e pode ser baixada no próprio site do fabricante - www.linear.com.

Para explicar o funcionamento do LTSpice vamos simular alguns circuitos bem conhecidos e úteis na eletrônica, os filtros utilizando componentes passivos: o filtro passabaixa, passa-alta e passabanda.

LTSpice e o circuito

O filtro passabaixa é aquele onde as frequências abaixo da frequência de corte do filtro passam e as frequências acima são atenuadas. Em um filtro utilizando um resistor e um capacitor, a frequência de corte é calculada pela fórmula:


Agora vamos ao LTSpice para montar o circuito. Observe a figura 1. No LTSpice irei fazer a explicação de alguns botões básicos devido ao objetivo do artigo ser demonstrar como simular circuitos nele.


Clicando no “Novo Arquivo” abrirá uma janela com o nome default do programa, salve o arquivo na pasta desejada com o nome “passabaixa”. Agora, devemos colocar os componentes, para isso vamos ao atalho “component tool” onde se encontram todos os componentes das bibliotecas padrões que vêm com o LTSpice. Devemos colocar um resistor (res), capacitor (cap) e a fonte (voltage) Figura 2.


Uma dica: para girar os componentes como o R1 é preciso que o componente seja escolhido (“component tool”) e antes de colocá-lo, clique no botão “rotate” no canto superior direito da tela.

Agora devemos unir o circuito utilizando o botão “Wire Tool”, e colocar a referência no botão “Ground”. Veja na figura 3.


Portanto, nós temos nosso filtro passabaixa montado. O próximo passo é configurar os valores dos componentes. Clicando com o botão direito em cima do componente podemos modificar seu valor. Pela equação 1, para R1 = 10k ohms e C1 = 1µF temos uma frequência de corte de 15,91 Hz, então vamos configurar para V1 gerar um onda quadrada de 1 kHz e com R2 = 10 k ohms. Figura 4.


Para a configuração de V1 não é tão simples como a configuração de Rx e Cx, então clicamos com botão direito em V1 e no botão “Advanced”. Para obtermos a onda quadrada de 1 kHz, devemos configurar os valores de acordo a figura 5.


Para gerar a onda quadrada utilizamos o tipo de onda “Pulse”. “Vinitial [V]” é a tensão inicial do sinal, “Von [V]” é a tensão no segundo momento, “Tdelay [s]” é o delay inicial da onda, “Trise [s]” é o tempo para a onda ir de Vinitial a Von, Tfall [s]” é oposto ao Trise, “Ton [s]” é o tempo em que a tensão ficará no valor de Von, “Tperiod [s]” é o período da onda e “Ncycles” é o número de vezes que o pulso será repetido. Para o nosso caso usamos um valor alto de modo a gerar o pulso quadrado e repetidas vezes, produzindo assim nossa onda quadrada.

Simulação, Transiente

Para rodar a simulação devemos configurar o tipo de simulação em “Simulate -> Edit Simulation Cmd”. Agora iremos fazer a simulação do tipo Transiente, e configurarmos de acordo com a figura 6, onde representamos a duração da simulação.


Agora podemos rodar a simulação do filtro passabaixa, para isto clique no botão “run” (simulação).

Na primeira vez que rodarmos a simulação, não irá aparecer nada na janela da simulação. Para podermos ver os sinais é necessário passar o mouse em cima das conexões do circuito para aparecer o probe da medição de tensão, e ao clicar, irá surgir a forma de onda na janela da simulação. Também é possível passar o mouse nos componentes e irá aparecer o probe de corrente, então irá mostrar a onda da corrente no componente durante a simulação.

Na figura 7, na janela de simulação a V(n001) é a tensão medida de V1 e a V(n002) é a tensão em R2, onde podemos ver como se comporta nosso filtro. Porém podemos modificar estes nomes para ficar mais fácil de compreender nossa simulação e, para isso, clicamos no botão “Label Net” e vamos colocar dois labels, Vin como a tensão em V1 e Vout como tensão no R2.


Rodamos novamente a janela e colocamos os probes em Vin e Vout e poderemos ver uma janela igual a figura 8, agora fica mais fácil de compreender o circuito. Essa opção é útil quando nosso circuito fica complexo, isto ajuda na análise da simulação.


Agora você já tem o circuito básico de um filtro passabaixa, então pode mexer nos valores para ajustar um filtro de acordo com sua aplicação, como por exemplo, diminuir o ripple ajustando R1 e C1.

Simulação, Análise em AC

Outro tipo de simulação muito interessante é o tipo “AC analysis”, ou análise em AC. Com este tipo de simulação podemos ver a resposta em frequência do nosso filtro. Para isso, na opção de configurações da simulação devemos ir em “AC analysis” e configurar de acordo com a figura 9.


A configuração “type of sweep” é a configuração do eixo das frequências e normalmente quando analisamos a resposta em frequência utilizamos a escala em décadas, “Number of points per decade” é a resolução do eixo de frequências, “Start Frequency” é a frequência incial de análise e a “Stop Frequency” é a frequência final de análise. Para nossa análise, sendo o sinal da onda quadrada 1 kHz, vamos analisar de 1 Hz a 100 kHz.

Após clicar em “Ok”, o mouse ficará com a configuração para você colocar em algum lugar da tela. Depois de colocá-la, você deverá deletar o comando do LTSpice “.trans 50m” que era referente a análise de transientes.

Se rodarmos agora a simulação, o LTSpice apresentará uma janela de falha porque não configuramos o V1 para este tipo de análise, então devemos clicar com botão direito em V1 e configurar de acordo a figura 10, ou seja, configuração da onda foi retirada, “none”, e em “AC Amplitude” colocamos 5 V, sendo que esta configuração é responsável pela análise AC.

Depois de feitas estas configurações, o circuito deverá ficar igual a figura 11.


Porém, na figura 11, não podemos tirar muita informação porque o que desejamos saber é a relação entre amplitude de Vout e Vin, para isso selecionamos a janela de simulação, apertamos delete, o mouse ficará em formato de uma tesoura, agora deletamos o Vout. O Vin deve ser configurado: para isso clicamos com o botão direito em Vin e colocamos a seguinte expressão V(vout)/V(vin). Rodamos a simulação e teremos o resultado da figura 12.


A linha sólida é a amplitude do sinal e a linha tracejada é a fase do sinal. Algumas informações do gráfico: nossa frequência de corte calculada é de 15,89 Hz, podemos ver que o filtro atenua pouco o sinal na frequência de corte comparado com os seus valores iniciais, isto é devido ao valor de R1 ser alto, o que atenua o sinal em frequência menor do que a de corte. Experimente alterá-lo para 1 kW, o que irá mudar a frequência de corte para 159 Hz, resultando em uma atenuação de -3 dB nesta frequência.

Para podermos ver os valores de magnitude de sinal e fase desta curva com maior precisão, clicamos com o botão esquerdo no nome da curva, e abrirá uma janela que informa os valores da curva no local do cursor do mouse.

Conclusão

Demonstrei como fazemos para gerar os tipos de simulações de transiente e AC, e passei algumas informações que podemos obter com estas simulações em nosso filtro passabaixa. Depois do ajuste do nosso filtro de acordo com a aplicação desejada, então é hora de ir para o teste no mundo real, porém já ganhamos muito tempo sem a necessidade de “sujar nossas mãos”.