O livro Fonte Chaveada é uma obra singular para profissionais e entusiastas da eletrônica, especialmente para quem deseja entender e dominar a manutenção de fontes chaveadas. Com uma abordagem prática e repleta de informações detalhadas, este livro é resultado de um estudo contínuo e aprofundado que abrange desde conceitos fundamentais até detalhes técnicos avançados.

Organizado em três partes, o livro começa com uma introdução geral à eletrônica, incluindo explicações sobre acrônimos e conceitos essenciais. Em seguida, aborda todos os aspectos do funcionamento das fontes chaveadas, oferecendo ao leitor uma base teórica sólida para atuar com segurança na manutenção e no diagnóstico desses circuitos. Na terceira e última parte, o livro se torna ainda mais prático, explorando casos específicos de fontes e trazendo informações preciosas para a manutenção e reparo de fontes chaveadas reais.

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Referências e aprimoramento constante

O conteúdo do Fonte Chaveada é baseado em diversas fontes e referências renomadas, com obras de grandes autores e engenheiros do setor. Aqui estão alguns dos livros que compõem a base teórica e prática da obra:

• Switching Power Supplies A-Z – Sanjaya Maniktala
• Projetos de fontes chaveadas – Ivo Barbi
• Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters – Marian K. Kazimierczuk
• SMPS AC/DC Reference Design User’s Guide – Microchip Technology Inc.
• Switch Mode Power Supply Handbook, Third Edition – Keith Billings, Taylor Morey
• Reparando fuentes conmutadas – Salvador Amalfa
• Fuentes de Alimentacion Conmutadas en la Practica – Eugenio Nieto
• Switch-mode power supply design – P.R.K. Chetty
• Switch-Mode Power Supply Simulation Designing with SPICE 3 – Steven M. Sandler
• Switch-Mode Power Supply Spice Cookbook – Christophe P. Basso
• Switch−Mode Power Supply Reference Manual – ON Semiconductor
• Switching Power Supply Design, Third Edition – Abraham I. Pressman
• DC Power Supplies: Power Management and Surge Protection for Power Electronic Systems – Nihal Kularatna

Essas referências fornecem uma base para consultas rápidas, mas o Fonte Chaveada vai além: à medida que a obra evolui, novas edições incluirão conteúdos práticos aprofundados, como o design de fontes chaveadas, detalhando medições e sinais de circuitos reais. Assim, ao adquirir o livro, você passa a fazer parte de um projeto em crescimento, que busca aprimorar continuamente o conhecimento na área.

Indicado tanto para iniciantes quanto para quem já possui experiência, o Fonte Chaveada se torna um recurso essencial para quem deseja se destacar na manutenção de fontes chaveadas, com atualizações constantes e a possibilidade de interagir diretamente com a comunidade.

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Este tutorial mostrará como modelar e simular um transformador no LTspice, com foco na definição das indutâncias do primário e secundário, além de como calcular essas indutâncias com base na frequência de operação e em transformadores reais.

Passo 1: Definindo as Indutâncias

Para configurar um transformador no LTspice, o primeiro passo é definir as indutâncias dos enrolamentos primário e secundário. Essas indutâncias são calculadas com base na quantidade de espiras e na relação entre os enrolamentos, conforme a fórmula:

\[
\frac{L1}{L2} = \left(\frac{N1}{N2}\right)^2
\]

Essa fórmula mostra que a indutância de cada enrolamento está relacionada ao quadrado da proporção do número de espiras. Além disso, é possível calcular a indutância do primário com base na frequência de operação do transformador.

1.1 Calculando a Indutância Baseada na Frequência de Operação

A indutância de um enrolamento depende diretamente da frequência de operação e da impedância desejada. Para determinar a indutância do primário em função da frequência, usamos a fórmula da reatância indutiva:

\[
X_L = 2 \pi f L
\]

Onde:

• \(X_L\) é a reatância indutiva (em ohms),
• f é a frequência de operação (em hertz),
• L é a indutância (em henrys).

Rearranjando para calcular a indutância:

\[
L = \frac{X_L}{2 \pi f}
\]

Exemplo 1: Cálculo da Indutância Baseada na Frequência

Vamos calcular a indutância do primário para um transformador operando a 50 kHz com uma reatância indutiva de 500 Ω.

\[
L = \frac{500}{2 \pi \times 50 \times 10^3} \approx 1,59 \text{ mH}
\]

Portanto, a indutância do primário seria aproximadamente 1,59 mH.

1.2 Definindo as Indutâncias de um Transformador Real

Em transformadores reais, as indutâncias podem ser determinadas de acordo com as especificações do fabricante. Por exemplo, para um transformador de ferrite com uma relação de espiras de 1:4, se o primário tiver uma indutância de 2 mH, a indutância do secundário será:

\[
L2 = \frac{L1}{\left(\frac{N1}{N2}\right)^2} = \frac{2}{\left(\frac{1}{4}\right)^2} = 32 \text{ mH}
\]

Passo 2: Implementando as Indutâncias no LTspice

Agora que conhecemos os valores de indutância, podemos inseri-los no LTspice. Vamos usar o exemplo de um transformador operando a 50 kHz com indutâncias de 1,59 mH no primário e 32 mH no secundário. Além disso, incluímos a resistência interna do primário (1 mΩ):

L1 1 0 1.59mH Rser=1m
L2 2 0 32mH
K1 L1 L2 1

• L1 representa o enrolamento primário com 1,59 mH de indutância e 1 mΩ de resistência série.
• L2 representa o enrolamento secundário com 32 mH de indutância.
• K1 define o acoplamento magnético perfeito (K=1) entre os enrolamentos.

Passo 3: Configurando a Simulação

Agora que o transformador está configurado, podemos adicionar uma fonte de tensão alternada e realizar a simulação transiente:

V1 1 0 AC 10
.tran 0 10m

Essa configuração aplica uma fonte AC de 10V ao primário e executa a simulação por 10 milissegundos.

Passo 4: Analisando os Resultados

Após executar a simulação, você pode analisar as formas de onda de tensão e corrente nos enrolamentos primário e secundário, verificando se os valores de tensão no secundário seguem a relação de espiras esperada.

Exemplo de Cálculo da Indutância Baseado em um Transformador Real

Suponha que você esteja simulando um transformador real usado em uma fonte chaveada operando a 100 kHz. O fabricante especifica que a indutância do primário é de 2,5 mH. Usando a relação de espiras de 1:2, a indutância do secundário será:

\[
L2 = \frac{L1}{\left(\frac{N1}{N2}\right)^2} = \frac{2.5 \text{ mH}}{\left(\frac{1}{2}\right)^2} = 10 \text{ mH}
\]

No LTspice, você configuraria esse transformador da seguinte forma:

L1 1 0 2.5mH Rser=1m
L2 2 0 10mH
K1 L1 L2 0.98

Aqui, usamos K=0.98 para simular um pequeno grau de perdas magnéticas, típico de transformadores reais.

Conclusão

Este tutorial mostrou como calcular as indutâncias de um transformador com base na frequência de operação, além de como aplicar esses valores no LTspice. Usar valores realistas para indutâncias e resistências série permite simular o comportamento real de transformadores em diversas aplicações. Se precisar de mais detalhes sobre a simulação ou ajustes avançados, estou à disposição!

Referências:

1. LTspice: Simulando Transformadores – Analog Devices【9†source】【12†source】.
2. Electronics Believer – Transformer Model in LTspice【10†source】.
3. LTwiki – Transformer Model【11†source】【13†source】.

Este tutorial mostrará como modelar e simular um transformador no LTspice, com foco na definição das indutâncias do primário e secundário, além de como calcular essas indutâncias com base na frequência de operação e em transformadores reais.

Passo 1: Definindo as Indutâncias

Para configurar um transformador no LTspice, o primeiro passo é definir as indutâncias dos enrolamentos primário e secundário. Essas indutâncias são calculadas com base na quantidade de espiras e na relação entre os enrolamentos, conforme a fórmula:

[
\frac{L1}{L2} = \left(\frac{N1}{N2}\right)^2
]

Essa fórmula mostra que a indutância de cada enrolamento está relacionada ao quadrado da proporção do número de espiras. Além disso, é possível calcular a indutância do primário com base na frequência de operação do transformador.

1.1 Calculando a Indutância Baseada na Frequência de Operação

A indutância de um enrolamento depende diretamente da frequência de operação e da impedância desejada. Para determinar a indutância do primário em função da frequência, usamos a fórmula da reatância indutiva:

[
X_L = 2 \pi f L
]

Onde:

• X_L é a reatância indutiva (em ohms),
• f é a frequência de operação (em hertz),
• L é a indutância (em henrys).

Rearranjando para calcular a indutância:

[
L = \frac{X_L}{2 \pi f}
]

Exemplo 1: Cálculo da Indutância Baseada na Frequência

Vamos calcular a indutância do primário para um transformador operando a 50 kHz com uma reatância indutiva de 500 Ω.

[
L = \frac{500}{2 \pi \times 50 \times 10^3} \approx 1,59 \text{ mH}
]

Portanto, a indutância do primário seria aproximadamente 1,59 mH.

1.2 Definindo as Indutâncias de um Transformador Real

Em transformadores reais, as indutâncias podem ser determinadas de acordo com as especificações do fabricante. Por exemplo, para um transformador de ferrite com uma relação de espiras de 1:4, se o primário tiver uma indutância de 2 mH, a indutância do secundário será:

[
L2 = \frac{L1}{\left(\frac{N1}{N2}\right)^2} = \frac{2}{\left(\frac{1}{4}\right)^2} = 32 \text{ mH}
]

Passo 2: Implementando as Indutâncias no LTspice

Agora que conhecemos os valores de indutância, podemos inseri-los no LTspice. Vamos usar o exemplo de um transformador operando a 50 kHz com indutâncias de 1,59 mH no primário e 32 mH no secundário. Além disso, incluímos a resistência interna do primário (1 mΩ):

L1 1 0 1.59mH Rser=1m
L2 2 0 32mH
K1 L1 L2 1

• L1 representa o enrolamento primário com 1,59 mH de indutância e 1 mΩ de resistência série.
• L2 representa o enrolamento secundário com 32 mH de indutância.
• K1 define o acoplamento magnético perfeito (K=1) entre os enrolamentos.

Passo 3: Configurando a Simulação

Agora que o transformador está configurado, podemos adicionar uma fonte de tensão alternada e realizar a simulação transiente:

V1 1 0 AC 10
.tran 0 10m

Essa configuração aplica uma fonte AC de 10V ao primário e executa a simulação por 10 milissegundos.

Passo 4: Analisando os Resultados

Após executar a simulação, você pode analisar as formas de onda de tensão e corrente nos enrolamentos primário e secundário, verificando se os valores de tensão no secundário seguem a relação de espiras esperada.

Exemplo de Cálculo da Indutância Baseado em um Transformador Real

Suponha que você esteja simulando um transformador real usado em uma fonte chaveada operando a 100 kHz. O fabricante especifica que a indutância do primário é de 2,5 mH. Usando a relação de espiras de 1:2, a indutância do secundário será:

[
L2 = \frac{L1}{\left(\frac{N1}{N2}\right)^2} = \frac{2.5 \text{ mH}}{\left(\frac{1}{2}\right)^2} = 10 \text{ mH}
]

No LTspice, você configuraria esse transformador da seguinte forma:

L1 1 0 2.5mH Rser=1m
L2 2 0 10mH
K1 L1 L2 0.98

Aqui, usamos K=0.98 para simular um pequeno grau de perdas magnéticas, típico de transformadores reais.

Conclusão

Este tutorial mostrou como calcular as indutâncias de um transformador com base na frequência de operação, além de como aplicar esses valores no LTspice. Usar valores realistas para indutâncias e resistências série permite simular o comportamento real de transformadores em diversas aplicações. Se precisar de mais detalhes sobre a simulação ou ajustes avançados, estou à disposição!

Referências:

• LTspice: Simulando Transformadores
• Analog Devices.Electronics Believer – Transformer Model in LTspice​
• LTwiki – Transformer Model​

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Os transformadores são componentes fundamentais em projetos de eletrônica de potência e circuitos analógicos, amplamente utilizados para modificar tensões, isolar circuitos ou ajustar impedâncias. Entender o comportamento desses dispositivos é crucial para técnicos, engenheiros e makers que desejam projetar ou diagnosticar circuitos de forma eficiente. No entanto, realizar testes práticos de transformadores pode ser trabalhoso devido ao custo e à complexidade envolvida. É aqui que as ferramentas de simulação, como o LTspice e outros softwares que utilizam o SPICE como motor de simulação, se tornam indispensáveis.

O LTspice é um dos simuladores de circuitos mais populares entre profissionais e hobbistas, permitindo a modelagem precisa de transformadores, facilitando o estudo das características elétricas sem a necessidade de montar um circuito físico. Ele oferece a oportunidade de analisar interações entre componentes e prever o comportamento em situações variadas, como transitórios e diferentes condições de carga.

Neste artigo, exploraremos o processo de simulação de transformadores especificamente no LTspice. Começaremos revisando os conceitos teóricos sobre indutância e relação de espiras, aplicando-os ao ambiente de simulação. A partir disso, será possível criar e validar modelos de transformadores no LTspice, além de ajustar parâmetros do núcleo e calcular o número de espiras ideal para diferentes aplicações.

Ao final deste artigo, você terá o conhecimento necessário para simular transformadores de maneira eficaz, aplicando as equações de indutância e espiras dentro do LTspice e em outros softwares baseados em SPICE.

Ótimo! Agora vamos seguir para a próxima seção, onde detalharemos a teoria por trás dos transformadores e o uso de indutância e espiras, que são essenciais para configurar a simulação no LTspice.

Teoria Básica de Transformadores: Indutância e Relação de Espiras

Antes de mergulharmos na simulação, é importante revisar alguns conceitos teóricos que serão fundamentais na configuração de um transformador no LTspice. O comportamento de um transformador é determinado principalmente pela relação entre o número de espiras nos enrolamentos do primário e do secundário, além da indutância associada a cada enrolamento.

Indutância e Suas Implicações

A indutância é uma propriedade fundamental de qualquer enrolamento de um transformador e define a sua capacidade de armazenar energia em um campo magnético quando uma corrente elétrica circula. Ela depende de fatores como o número de espiras, o material do núcleo, a área da seção transversal do núcleo e o comprimento do caminho magnético do campo no núcleo. A equação para indutância ( L ) de um enrolamento é:

\[
L = \frac{\mu N^2 A}{l_m}
\]

Onde:

• \( L \) é a indutância,
• \( N \) é o número de espiras,
• \( \mu \) é a permeabilidade magnética do material do núcleo,
• \( A \) é a área da seção transversal do núcleo,
• \( l_m \) é o comprimento do caminho magnético.

Esse relacionamento nos mostra que, ao aumentar o número de espiras de um enrolamento, a indutância cresce proporcionalmente ao quadrado do número de espiras. Por exemplo, se dobrarmos o número de espiras de um enrolamento, sua indutância quadruplicará.

Relação de Espiras e Indutância

A relação de espiras entre o primário e o secundário define como a tensão será transformada. A razão \( n \) entre o número de espiras do primário \( N_p \) e do secundário \( N_s \) é dada por:

\[
n = \frac{N_p}{N_s}
\]

A partir dessa razão, também podemos definir como as tensões e correntes variam entre os enrolamentos:

• Tensão: A razão das tensões \( V_p \) e \( V_s \) é diretamente proporcional à relação de espiras: \[
  \frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}
  \]
• Corrente: A razão das correntes \( I_p \) e \( I_s \) é inversamente proporcional à relação de espiras: \[
  \frac{I_p}{I_s} = \frac{N_s}{N_p}
  \]

Além disso, as indutâncias do primário \( L_p \) e do secundário \( L_s \) também estão relacionadas pela razão do quadrado do número de espiras:

\[
\frac{L_p}{L_s} = \left( \frac{N_p}{N_s} \right)^2
\]

Por exemplo, se o transformador tiver 4 H de indutância no primário e 16 mH no secundário, a relação de espiras será:

\[
\frac{N_p}{N_s} = \sqrt{\frac{4}{0,016}} = \sqrt{250} \approx 15,81
\]

Isso significa que o número de espiras no primário é aproximadamente 15,81 vezes maior que no secundário. Este é um dado fundamental na configuração do transformador para simulação.

Importância da Permeabilidade do Núcleo

Outro fator importante é a permeabilidade magnética do núcleo. Núcleos com alta permeabilidade permitem uma maior indutância para um dado número de espiras, o que é crítico para transformar com eficiência a energia entre os enrolamentos. O material do núcleo afeta diretamente o comportamento magnético e, consequentemente, a eficiência do transformador.

Como Simular um Transformador no LTspice

O LTspice é uma poderosa ferramenta de simulação que permite modelar transformadores com precisão. Embora o software não tenha um componente específico de “transformador” em sua biblioteca, ele permite a criação de transformadores a partir de indutores (bobinas) acoplados magneticamente. Para configurar um transformador, é necessário utilizar as equações de indutância e relação de espiras que discutimos anteriormente e aplicar esses valores aos indutores simulados.

Passo 1: Definindo os Enrolamentos com Indutores

No LTspice, um transformador é representado por dois ou mais indutores acoplados. Para começar, siga estes passos:

1. Crie um novo circuito no LTspice.
2. Adicione dois indutores ao seu diagrama de circuito. No LTspice, os indutores podem ser encontrados no menu de componentes como “L”. Estes indutores representarão os enrolamentos primário e secundário do transformador.
3. Nomeie os indutores para manter a organização. Por exemplo, você pode nomear o indutor do primário como L1 e o do secundário como L2.

Passo 2: Configurando os Valores de Indutância

Com base na relação de espiras e na indutância desejada, você deve definir os valores dos indutores.

1. Se o primário tem uma indutância \( L_p \) de 4 H e o secundário uma indutância \( L_s \) de 16 mH, insira esses valores nos parâmetros dos indutores.

• Clique com o botão direito em cada indutor e insira os valores de indutância. Para o primário (L1), insira 4H, e para o secundário (L2), insira 16mH.

Passo 3: Definindo o Acoplamento Magnético

Depois de definir as indutâncias, você deve dizer ao LTspice que os dois indutores estão acoplados magneticamente, ou seja, que eles formam um transformador. Isso é feito usando o parâmetro de fator de acoplamento.

1. Adicionar acoplamento: Na área de texto do circuito (ou no editor), adicione a seguinte linha para definir o acoplamento entre os dois indutores:

   K1 L1 L2 1

Aqui, K1 é o nome do acoplamento, L1 e L2 são os indutores que você deseja acoplar, e o valor “1” indica um acoplamento perfeito (fator de acoplamento ( k = 1 ), ou seja, sem perdas magnéticas). Se quiser simular um núcleo com perdas, você pode usar um valor menor que 1, como 0,99.

Passo 4: Ajustando a Relação de Espiras

A relação de espiras \( n = \frac{N_p}{N_s} \) é diretamente proporcional à raiz quadrada da razão entre as indutâncias dos dois enrolamentos. Para simular adequadamente a relação de espiras que calculamos anteriormente \(( n \approx 15,81 )\), você deve ajustar as indutâncias de acordo com essa relação. No caso do exemplo de 4 H no primário e 16 mH no secundário, o LTspice fará a transformação correta com os valores já inseridos, pois a indutância define a relação de espiras indiretamente.

Se precisar ajustar o número de espiras diretamente para outro projeto, você deve calcular as indutâncias com base na relação ( n^2 ).

Passo 5: Alimentando o Transformador

Agora que o transformador está configurado, você pode alimentar o primário e observar o comportamento do secundário. Para isso:

1. Adicione uma fonte de tensão AC no primário (L1). Configure-a com a amplitude e frequência desejadas. Por exemplo, uma fonte de 10V a 60Hz.
2. No lado secundário (L2), conecte uma carga (por exemplo, uma resistência ou outro circuito que você queira alimentar).

Passo 6: Executando a Simulação

1. Defina o tipo de simulação: Para simular o comportamento no domínio do tempo (transitório), escolha uma simulação “Transient” no menu de simulação.
2. Configure o tempo de simulação (por exemplo, 1 segundo) e execute a simulação.
3. Analisando os resultados: Após rodar a simulação, você pode observar as tensões e correntes no primário e secundário. Se a relação de espiras foi configurada corretamente, a tensão no secundário será reduzida ou aumentada conforme esperado. Por exemplo, se você aplicou 10V no primário com a relação de espiras de 15,81:1, a tensão no secundário deverá ser de cerca de 0,63V.

Passo 7: Refinando o Modelo com Núcleo

Se você quiser adicionar características de núcleo, como saturação ou perdas, pode utilizar o modelo de núcleo magnético dentro do LTspice, ajustando os parâmetros de permeabilidade e perdas. Isso permite simular de forma ainda mais precisa o comportamento real de transformadores com núcleos de ferro, ferrite ou outros materiais.

Ótimo! Agora que o transformador foi configurado e a simulação foi executada, vamos para a análise dos resultados da simulação. Nesta seção, vamos focar em como interpretar as formas de onda e os dados gerados pela simulação, destacando os aspectos importantes que devem ser verificados ao simular transformadores no LTspice.

Analisando os Resultados da Simulação no LTspice

Após configurar e rodar a simulação no LTspice, o próximo passo é interpretar os resultados para validar o comportamento do transformador. O LTspice gera gráficos de tensões e correntes para os componentes do circuito, permitindo uma análise detalhada do comportamento dinâmico do transformador. Aqui, vamos explorar o que deve ser analisado e como interpretar as formas de onda no primário e secundário.

Passo 1: Observando a Tensão no Primário

Após a execução da simulação, o LTspice permite que você visualize a tensão aplicada ao enrolamento primário (L1). Esta tensão deve corresponder à fonte de alimentação que você conectou ao circuito. Por exemplo, se foi aplicada uma fonte AC de 10V a 60 Hz, a forma de onda que aparecerá será uma senoide com amplitude de 10V.

• Como verificar: Clique no nó do indutor primário (L1) para visualizar a tensão aplicada. Certifique-se de que a amplitude e a frequência da forma de onda estejam corretas.

Passo 2: Analisando a Tensão no Secundário

A tensão no enrolamento secundário (L2) é a principal saída do transformador e deve ser proporcional à relação de espiras que você configurou. Se você configurou o transformador com uma relação de espiras de 15,81:1, a tensão no secundário será cerca de 15,81 vezes menor (ou maior, dependendo se o transformador é step-down ou step-up) que a tensão no primário.

• Exemplo prático: Se aplicou 10V AC no primário e a relação de espiras é 15,81:1, a tensão esperada no secundário será de aproximadamente 0,63V AC.
• Como verificar: Clique no nó do indutor secundário (L2) para visualizar a tensão. Compare a amplitude da forma de onda com o valor esperado, usando a relação de espiras calculada.

Passo 3: Verificando a Corrente no Primário e Secundário

A corrente em um transformador se comporta de forma inversamente proporcional à relação de espiras. Portanto, se o número de espiras no primário for maior que no secundário, a corrente no primário será menor que no secundário. O LTspice permite observar essas correntes diretamente nos enrolamentos.

• Como verificar: Clique com o botão direito sobre o indutor (L1 ou L2) e selecione “Plot Current”. Isso vai exibir a corrente que circula pelos enrolamentos primário e secundário.
• Exemplo prático: Se a carga no secundário for resistiva, a corrente no secundário será maior que a do primário, conforme a relação inversa de espiras.

Passo 4: Confirmando a Relação de Espiras

Um aspecto crucial da análise de transformadores é garantir que a relação de espiras está funcionando corretamente. Para isso, compare as tensões e correntes medidas com os valores teóricos. A relação de espiras ( n ) foi calculada como 15,81:1, e você pode usar essa relação para confirmar que:

\[
\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}
\]

E:

\[
\frac{I_s}{I_p} = \frac{N_p}{N_s}
\]

Se as tensões e correntes no primário e no secundário estão dentro dos valores esperados, isso indica que a simulação do transformador está corretamente ajustada. Caso contrário, pode ser necessário revisar os valores de indutância ou o fator de acoplamento magnético.

Passo 5: Avaliando Perdas e Ineficiências (Opcional)

Embora a simulação básica não inclua perdas, é possível ajustar o fator de acoplamento ( k ) para simular um transformador real, onde ( k < 1 ) representa perdas magnéticas e acoplamento imperfeito. Isso pode ser útil para projetos que exigem uma simulação mais realista, como em transformadores com núcleos de ferrite ou de materiais com maiores perdas.

• Como ajustar: No LTspice, modifique o valor de ( k ) na linha de acoplamento:

  K1 L1 L2 0.98

Isso diminuirá a eficiência do transformador, e você verá uma queda na tensão secundária e, possivelmente, um aumento de corrente para compensar as perdas.

Passo 6: Verificando o Efeito de Diferentes Cargas no Secundário

A carga conectada ao secundário também afeta o comportamento do transformador. Se o secundário estiver conectado a uma carga resistiva, indutiva ou capacitiva, a corrente e a tensão no secundário serão diferentes. O LTspice permite que você varie as cargas e observe o efeito diretamente no circuito.

• Como testar: Conecte diferentes tipos de cargas ao enrolamento secundário e execute a simulação novamente. Observe como a tensão e a corrente mudam com diferentes valores de resistência ou reatância.

Exemplo de Interpretação dos Resultados

Vamos considerar um exemplo concreto. Suponha que você configurou o transformador com 1581 espiras no primário e 100 espiras no secundário, o que resulta na relação de espiras de aproximadamente 15,81:1. A simulação com uma fonte de 10V AC no primário deve gerar aproximadamente 0,63V AC no secundário. Se a corrente medida no secundário for 15,81 vezes maior que a corrente no primário, isso indica que a simulação do transformador foi bem-sucedida.

Considerações Finais

A simulação de transformadores no LTspice é uma poderosa ferramenta para projetistas e técnicos que desejam validar seus projetos sem a necessidade de protótipos físicos. Com uma boa compreensão da relação entre indutância e número de espiras, e utilizando as ferramentas de análise do LTspice, é possível modelar com precisão o comportamento de transformadores em diversas condições.

Perfeito! Vamos agora para a última seção, onde faremos a conclusão do artigo, destacando os principais aprendizados e recomendações para o uso do LTspice em simulações de transformadores. Também podemos incluir algumas sugestões para expandir os estudos e melhorar as simulações.

Conclusão

Simular transformadores no LTspice e em outros softwares baseados no motor SPICE é uma técnica valiosa para técnicos, engenheiros e makers que desejam estudar o comportamento desse componente essencial sem precisar construir circuitos físicos. A capacidade de modelar transformadores utilizando indutores acoplados e ajustar parâmetros como a indutância, relação de espiras e acoplamento magnético permite uma compreensão profunda do funcionamento de transformadores, mesmo em cenários complexos.

Neste artigo, revisamos os conceitos teóricos fundamentais para configurar um transformador, como a relação entre a indutância e o número de espiras. Também detalhamos o passo a passo para implementar essa teoria dentro do LTspice, utilizando indutores acoplados para modelar o transformador e configurando corretamente as tensões e correntes para simular o comportamento real.

Os principais pontos destacados incluem:

• Indutância e Relação de Espiras: O número de espiras influencia diretamente a indutância de um enrolamento, e a razão entre as espiras do primário e do secundário determina como as tensões e correntes serão transformadas.
• Configuração no LTspice: O transformador é modelado através de indutores acoplados magneticamente, e o fator de acoplamento ( k ) pode ser ajustado para simular perdas ou ineficiências no núcleo.
• Análise dos Resultados: Após a simulação, as tensões e correntes no primário e secundário devem ser analisadas com base na relação de espiras, garantindo que os resultados estejam de acordo com a teoria.

Expansão dos Estudos

Para quem deseja se aprofundar ainda mais, há várias maneiras de refinar a simulação de transformadores no LTspice:

1. Modelagem de Núcleo Não Ideal: Simular efeitos como saturação do núcleo e perdas por histerese pode aproximar ainda mais os resultados da realidade. Isso pode ser feito utilizando bibliotecas de núcleos magnéticos disponíveis para o LTspice.
2. Transformadores com Múltiplos Enrolamentos: Em alguns casos, transformadores possuem mais de dois enrolamentos (primário e secundário). O LTspice permite a simulação de transformadores com enrolamentos terciários ou secundários múltiplos, o que pode ser explorado em circuitos mais complexos.
3. Análise de Transitórios: A simulação de condições de regime permanente é importante, mas a análise de transitórios, como correntes de inrush e respostas a chaveamentos rápidos, também pode ser crítica para certos projetos de transformadores.

Recomendações Finais

Ao trabalhar com simulações de transformadores no LTspice, é fundamental sempre revisar os valores de indutância e acoplamento para garantir a precisão da simulação. A variação de parâmetros, como o tipo de carga conectada ao secundário e o fator de acoplamento magnético, pode fornecer insights valiosos sobre o desempenho do transformador em diferentes condições.

Por fim, as simulações oferecem uma maneira eficiente de validar projetos e reduzir o tempo de desenvolvimento antes de partir para a construção física. Aproveitar essa ferramenta de maneira eficaz pode melhorar significativamente o processo de design de transformadores em qualquer aplicação de eletrônica de potência.

Referências

1. Analog Devices – LTspice: Basic Steps for Simulating Transformers
   Artigo técnico da Analog Devices que apresenta os passos básicos para a simulação de transformadores no LTspice, abordando desde a configuração de indutores até a análise de resultados. Disponível em:
   https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/ltspice-basic-steps-for-simulating-transformers.html
2. LTspice Wiki – Transformer Model
   Página da LTspice Wiki com informações detalhadas sobre o modelo de transformador no LTspice, incluindo a modelagem de indutores acoplados e exemplos práticos de simulação. Disponível em:
   https://ltwiki.org/LTspiceHelpXVII/LTspiceHelp/html/Transformer_Model.htm

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Este artigo explora a modelagem de transformadores em simulações no LTspice, focando no cálculo da capacitância paralela (Cpar), resistência paralela (Rpar), e resistência em série (Rser) do transformador. Tais parâmetros são essenciais para simular com precisão o comportamento de transformadores, especialmente em circuitos de alta frequência. Além disso, discutiremos como obter a frequência de ressonância e o fator de qualidade (Q) do transformador, o que nos permitirá prever o desempenho do componente de forma mais realista. Esta primeira parte abordará os conceitos teóricos fundamentais, enquanto a segunda parte tratará da implementação prática no LTspice.

Introdução

Transformadores são componentes cruciais em sistemas eletrônicos, com aplicações que variam desde fontes de alimentação até dispositivos de comunicação. Embora o comportamento ideal de um transformador seja amplamente conhecido, as imperfeições físicas, como capacitância entre os enrolamentos e a resistência dos fios, afetam o desempenho, principalmente em frequências mais altas. Modelar essas características no LTspice ajuda a prever o desempenho do transformador em condições reais, permitindo ajustes no projeto para minimizar perdas ou melhorar a eficiência.

Capacitâncias parasitas e resistências em série são dois parâmetros críticos em simulações de alta frequência. Este artigo apresenta uma abordagem passo a passo para calcular a capacitância e as resistências do transformador, além de explicar como determinar a frequência de ressonância e o fator de qualidade. O foco aqui será na parte teórica, preparando o terreno para a parte prática.

Capacitância Paralela (Cpar)

Definição

A capacitância paralela, referida aqui como \(C_{\text{par}}\), representa a capacitância distribuída entre as espiras do mesmo enrolamento e entre os enrolamentos primário e secundário. Ela surge naturalmente devido à proximidade física dos condutores no transformador.

Como Estimar

A capacitância paralela pode ser estimada usando fórmulas empíricas que consideram a geometria física do transformador, como a distância entre os enrolamentos, a área das espiras, e as propriedades do material isolante. Uma fórmula básica é:

\[
C_{\text{par}} = \frac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}{d}
\]

Onde:

• \( \varepsilon_0 \) é a permissividade do vácuo \((8.854 \times 10^{-12} \, F/m)\),
• \( \varepsilon_r \) é a constante dielétrica relativa do material entre os enrolamentos,
• \( A \) é a área de sobreposição entre os enrolamentos,
• \( d \) é a distância entre os enrolamentos.

Os valores exatos podem ser medidos ou estimados a partir de dados fornecidos pelo fabricante ou de medições experimentais.

Efeitos da Capacitância Paralela

Em altas frequências, \(C_{\text{par}}\) pode formar um circuito ressonante com a indutância do enrolamento, resultando em ressonância indesejada que pode distorcer o desempenho. Portanto, é essencial modelar essa capacitância corretamente para prever o comportamento do transformador, especialmente em circuitos de alta frequência.

Resistência Paralela (Rpar)

Definição

A resistência paralela, \(R_{\text{par}}\), representa as perdas no núcleo do transformador e em outros componentes passivos do circuito. Essas perdas são predominantemente dependentes do material do núcleo e das propriedades magnéticas em alta frequência.

Como Estimar

\(R_{\text{par}}\) está associada à condutividade do material do núcleo e à dissipação de energia em forma de calor. Em muitos casos, os fabricantes fornecem especificações de perdas no núcleo, que podem ser usadas para estimar \(R_{\text{par}}\). Caso esses dados não estejam disponíveis, é possível estimar empiricamente com medições práticas.

Efeitos da Resistência Paralela

Uma resistência paralela alta reduz as perdas no transformador, aumentando a eficiência, enquanto uma \(R_{\text{par}}\) baixa pode levar a uma maior dissipação de energia em forma de calor e afetar a performance em frequências mais altas.

Descobrindo a Cpar com o Osciloscopio

Com base na prática que fizemos usando o osciloscópio para descobrir a capacitância ou indutância de um componente podemos faze-lo para descobrir a \(C_{par}\) do transformador, meça a indutância com o multímetro digital ou a ponte LCR se tiver. Então faça o procedimento para obter a capacitância que será resultado da formula:

\[
C_{par} = \frac{1}{(2\pi f_r)^2 L}
\]

No final deste artigo está o vídeo no youtube que demonstra o uso do osciloscópio para obter a \(C_{par}\).

Resistência em Série (Rser)

Definição

A resistência em série, \(R_{\text{ser}}\), representa a resistência ôhmica dos enrolamentos de fio condutor do transformador. Essa resistência inclui a resistência DC (corrente contínua) e as perdas adicionais causadas pelo efeito pelicular e pelo efeito de proximidade em frequências mais altas.

Como Estimar

A resistência ôhmica DC pode ser calculada pela fórmula:

\[
R_{DC} = \frac{\rho \cdot l}{A}
\]

Onde:

• \( \rho \) é a resistividade do material condutor (por exemplo, \(1.68 \times 10^{-8} \, \Omega \cdot m\) para cobre),
• \( l \) é o comprimento do fio,
• \( A \) é a área da seção transversal do fio.

Para frequências elevadas, onde o efeito pelicular se torna relevante, a resistência AC pode ser significativamente maior que a DC, devido à diminuição da área efetiva de condução. Essa resistência adicional deve ser considerada no modelo.

Frequência de Ressonância

Cálculo

A frequência de ressonância de um transformador pode ser calculada pela fórmula clássica de ressonância LC:

\[
f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{L C_{\text{par}}}}
\]

Onde:

• \( L \) é a indutância do enrolamento,
• \( C_{\text{par}} \) é a capacitância paralela entre os enrolamentos.

A frequência de ressonância é um ponto crítico no comportamento de alta frequência do transformador, pois a impedância do circuito atinge seu valor mínimo, resultando em aumento de corrente e dissipação de potência.

Fator de Qualidade (Q)

Cálculo

O fator de qualidade ( Q ) de um circuito ressonante determina a eficiência da ressonância e é dado por:

\[
Q = \frac{\omega L}{R_{\text{ser}}}
\]

Onde \( \omega = 2\pi f_r \), ( L ) é a indutância do enrolamento, e \( R_{\text{ser}} \) é a resistência em série. Um fator de qualidade alto indica que a ressonância é mais “pura”, com menores perdas, enquanto um ( Q ) baixo indica uma ressonância mais “amortecida” devido às perdas resistivas.

Com esses conceitos teóricos em mente, estamos prontos para passar para a parte prática, onde veremos como aplicar esses cálculos no LTspice para modelar e simular o comportamento do transformador.

Resumo – Parte Prática

Nesta segunda parte do artigo, aplicaremos os conceitos teóricos discutidos anteriormente na prática, utilizando o LTspice para simular um transformador com capacitância paralela (Cpar), resistência paralela (Rpar), e resistência em série (Rser). Vamos montar um modelo de transformador básico, calcular sua frequência de ressonância, e analisar o fator de qualidade (Q) para avaliar o desempenho do transformador em diferentes condições de frequência. Ao final, o leitor será capaz de configurar e simular um transformador com precisão, utilizando as ferramentas e parâmetros adequados.

Introdução

Agora que entendemos os conceitos teóricos de capacitância paralela, resistência paralela e em série, é hora de implementar esses componentes em um simulador prático. O LTspice é uma ferramenta poderosa para esse tipo de simulação, permitindo que verifiquemos como esses parâmetros afetam o desempenho do transformador. Nesta seção, seguiremos um passo a passo para modelar o transformador no LTspice e simular seu comportamento em diferentes frequências, incluindo a identificação da frequência de ressonância e do fator de qualidade.

Montando o Circuito no LTspice

Para começar, precisaremos configurar um circuito de transformador básico no LTspice com os seguintes componentes:

• Uma fonte de tensão AC para realizar a análise de resposta em frequência.
• Dois indutores \(L_1\) e \(L_2\) para modelar os enrolamentos primário e secundário do transformador.
• Capacitância paralela \(C_{\text{par}}\) conectada em paralelo ao enrolamento \(L_1\).
• Resistência paralela \(R_{\text{par}}\) conectada também em paralelo ao enrolamento \(L_1\).
• Resistência em série \(R_{\text{ser}}\) conectada em série com \(L_1\) para modelar as perdas do enrolamento.

Exemplo de Código no LTspice:

* Circuito de Simulação de Transformador no LTspice
* L1 = Indutância do primário
* L2 = Indutância do secundário
* Cpar = Capacitância paralela
* Rpar = Resistência paralela
* Rser = Resistência em série

Vin N001 0 AC 1 0 ; Fonte de tensão para análise AC
L1 N001 N002 100u ; Indutância primária (100uH)
Rser N002 N003 0.1 ; Resistência em série (0.1 Ohm)
Cpar N003 N004 1n ; Capacitância paralela (1nF)
Rpar N003 N004 1k ; Resistência paralela (1k Ohm)

* Acoplamento magnético entre L1 e L2
K1 L1 L2 1 ; Coeficiente de acoplamento magnético = 1 (acoplamento perfeito)

* Indutância secundária
L2 N004 0 10u ; Indutância secundária (10uH)

* Simulação de Análise AC
.ac dec 100 10 1MEG ; Varredura de frequência de 10 Hz a 1 MHz
.end

Configurando a Simulação

1. Inserindo o Circuito:

• No LTspice, insira os componentes conforme o código acima. Você pode configurar a fonte de tensão (Vin) para realizar a varredura de frequência.
• Para o acoplamento magnético entre \(L_1\) e \(L_2\), adicione um componente de acoplamento magnético usando o comando K (como mostrado no código) e defina o fator de acoplamento.

1. Análise de AC:

• Para realizar a análise de resposta em frequência, vá para Simulate > Edit Simulation Cmd.
• Selecione AC Analysis, configure uma varredura de 10 Hz a 1 MHz com 100 pontos por década (para capturar detalhes na resposta).
• Execute a simulação clicando no ícone de “corrida” de simulação.

Visualizando a Frequência de Ressonância

Após a simulação, você poderá visualizar o gráfico de resposta em frequência. A ressonância aparecerá como um pico claro no gráfico da amplitude de tensão ou corrente.

Identificando a Frequência de Ressonância

A frequência onde esse pico ocorre é a frequência de ressonância \(f_r\). Você pode utilizar o cursor no gráfico para identificar exatamente o valor da frequência correspondente ao pico.

Como mencionado na parte teórica, a frequência de ressonância \(f_r\) é dada por:
\[
f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{L C_{\text{par}}}}
\]

Cálculo do Fator de Qualidade (Q)

Agora que temos a frequência de ressonância, podemos calcular o fator de qualidade (Q). Para isso, precisamos do valor de \(R_{\text{ser}}\), que é a resistência em série no enrolamento \(L_1\), e da indutância \(L_1\).

Fórmula para Q:

\[
Q = \frac{\omega L}{R_{\text{ser}}}
\]
Onde \( \omega = 2\pi f_r \).

Exemplo de Cálculo:

• Suponha que a frequência de ressonância medida seja \(f_r = 500 \, \text{kHz}\), \(L_1 = 100 \, \mu H\), e \(R_{\text{ser}} = 0.1 \, \Omega\).
• Primeiro, calculamos \( \omega \):
  \[
  \omega = 2\pi \times 500 \times 10^3 = 3.14 \times 10^6 \, \text{rad/s}
  \]
• Agora, podemos calcular (Q):
  \[
  Q = \frac{3.14 \times 10^6 \times 100 \times 10^{-6}}{0.1} = 3.14 \times 10
  \]
  Portanto, \(Q = 31.4\).

Ajustes Finais

Se o fator (Q) ou a frequência de ressonância não estiverem nos valores desejados, você pode ajustar os valores de \(C_{\text{par}}), (R_{\text{ser}}\), e \(R_{\text{par}}\) no circuito para ver como eles afetam a resposta do sistema.

Conclusão

Nesta segunda parte, vimos como configurar e simular um transformador no LTspice, incorporando capacitância e resistências em paralelo e em série. Identificamos a frequência de ressonância e calculamos o fator de qualidade (Q) para avaliar o desempenho do transformador. Essas ferramentas permitem prever como o transformador se comportará em frequências mais altas, oferecendo insights importantes para o projeto e otimização de transformadores em aplicações práticas.

Vídeo que apresenta como obter a Capacitância com base em circuito ressonante.

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Ao projetar transformadores e dispositivos de indutância mútua para simulação em ambientes como o LTspice, é fundamental compreender a relação entre as indutâncias primárias, secundárias e a indutância de fuga, bem como o coeficiente de acoplamento. O comportamento de um transformador é altamente influenciado por esses parâmetros, que determinam a eficiência do acoplamento magnético entre os enrolamentos e, consequentemente, a transferência de energia.

O coeficiente de acoplamento ( K ), que varia de 0 a 1, indica o quão bem os enrolamentos de um transformador estão acoplados. Um valor de ( K ) próximo a 1 indica que a maior parte do fluxo magnético gerado no primário é transferido ao secundário, enquanto valores mais baixos indicam maior dispersão de fluxo, caracterizada pela indutância de fuga \( L_{\text{leak}} \).

Nas simulações de transformadores no LTspice, o cálculo preciso dessas indutâncias é essencial para replicar o comportamento real do componente no circuito. Para isso, usamos duas equações inter-relacionadas:

1. \( K = \sqrt{1 – \frac{L_{\text{leak}}}{\sqrt{L_1 L_2}}} \)
2. \( L_{\text{leak}} = \sqrt{L_1 L_2}(1 – K^2) \)

Essas equações fornecem o relacionamento entre a indutância de fuga, o coeficiente de acoplamento e as indutâncias primária \(( L_1 )\) e secundária \(( L_2 )\). Na prática, o engenheiro pode medir diretamente a indutância de fuga com um medidor LCR, com os enrolamentos do transformador em curto-circuito, e então ajustar o coeficiente de acoplamento no LTspice para refletir essa condição.

Esse processo de ajuste é crucial, pois a precisão da simulação depende da correta representação dos efeitos de acoplamento e de fuga magnética no transformador. Com o coeficiente de acoplamento ajustado adequadamente, as simulações no LTspice fornecerão resultados mais próximos do comportamento real, permitindo a análise e otimização do desempenho do transformador em diversas condições operacionais.

Ao dominar esses cálculos, os engenheiros podem não apenas ajustar transformadores, mas também modelar outros componentes de indutância mútua no LTspice com maior fidelidade, permitindo a simulação de circuitos como conversores, inversores e fontes de alimentação com maior precisão.

A equação em questão apresenta uma dependência mútua entre o coeficiente de acoplamento ( K ) e a indutância de fuga \( L_{\text{leak}} \). Para entender como resolver esse conjunto de equações e o que elas efetivamente te dão, vamos analisar mais de perto.

Fórmulas envolvidas:

1. \( K = \sqrt{1 – \frac{L_{\text{leak}}}{\sqrt{L_1 L_2}}} \)
2. \( L_{\text{leak}} = \sqrt{L_1 L_2}(1 – K^2) \)

O que elas representam:

• \( K \) é o coeficiente de acoplamento entre os enrolamentos.
• \( L_{\text{leak}} \) é a indutância de fuga medida entre os enrolamentos.
• \( L_1 \) e \( L_2 \) são as indutâncias dos dois enrolamentos primário e secundário, respectivamente.

Solução passo a passo:

A forma mais prática de resolver isso é separar o que você deseja medir e o que você deseja ajustar.

1. Meça a indutância de fuga \(( L_{\text{leak}} )\):

• Quando você realizar a medição da indutância de fuga com o medidor LCR (curto-circuitando todos os enrolamentos menos um), terá uma estimativa direta de \( L_{\text{leak}} \).

1. Calcule o coeficiente de acoplamento ( K ):

• Com \( L_{\text{leak}} \), \( L_1 \), e \( L_2 \) medidos, você pode usar a primeira equação para calcular ( K ):
  \[
  K = \sqrt{1 – \frac{L_{\text{leak}}}{\sqrt{L_1 L_2}}}
  \]
  Isso lhe dará uma medida direta de como os enrolamentos estão acoplados, variando de ( 0 ) (nenhum acoplamento) a ( 1 ) (acoplamento perfeito).

1. Validação usando a segunda equação:

• Agora que você tem o valor de ( K ), pode usar a segunda fórmula para validar o valor de \( L_{\text{leak}} \):
  \[
  L_{\text{leak}} = \sqrt{L_1 L_2}(1 – K^2)
  \]
  O valor obtido deve ser o mesmo que o medido anteriormente, indicando que o cálculo está correto.

Resumo:

• O resultado principal que essas fórmulas fornecem é o coeficiente de acoplamento ( K ).
• Você deve começar medindo \( L_{\text{leak}} \) diretamente, e então usar a primeira fórmula para calcular ( K ).
• A segunda fórmula é usada como uma verificação para garantir que o valor de \( L_{\text{leak}} \) está consistente com ( K ) e as indutâncias \( L_1 \) e \( L_2 \).

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Este tutorial detalhado aborda como configurar e usar o NGSpice em conjunto com o OpenVAF para simular componentes analógicos modelados em Verilog-A. Vamos explicar como configurar o ambiente, converter modelos Verilog-A para um formato que o NGSpice pode entender, além de explicar o papel e funcionamento de cada ferramenta, incluindo o OSDI.

Ferramentas Utilizadas

1. NGSpice: Um simulador de circuitos analógicos, digitais e mistos baseado no SPICE. Ele simula circuitos elétricos descritos em linguagem SPICE. Para simular modelos Verilog-A, o NGSpice utiliza o OSDI.
2. OpenVAF: O Open Verilog-A Frontend (OpenVAF) é uma ferramenta que converte arquivos Verilog-A em um formato especial (.osdi) que o NGSpice pode simular diretamente com o OSDI ativado.
3. Verilog-A: Uma linguagem de descrição de hardware voltada para a modelagem de componentes analógicos, como resistores, capacitores, transistores, e outros dispositivos de circuitos elétricos contínuos.

O que é OSDI?

OSDI (Open Simulation Data Interface) é uma interface no NGSpice que permite simular modelos Verilog-A e outros componentes analógicos. O OSDI habilita o NGSpice a interpretar diretamente os modelos descritos em Verilog-A. Ele funciona como um intérprete para essas descrições, permitindo que os arquivos .osdi gerados pelo OpenVAF sejam usados diretamente nas simulações SPICE.

Função do OSDI:

• Integração de Modelos Verilog-A: O OSDI permite que modelos analógicos descritos em Verilog-A sejam integrados ao fluxo de simulação SPICE. O OpenVAF converte o código Verilog-A em um arquivo OSDI, e o NGSpice simula esse modelo através da interface OSDI.
• Processamento de Circuitos Mistos: O OSDI pode ser usado para combinar a simulação de circuitos analógicos (Verilog-A) com lógica digital e circuitos SPICE, permitindo simulações complexas de sistemas mistos.

O OSDI é ativado no NGSpice com a flag --enable-osdi durante a configuração e é uma parte crítica do processo para simular modelos Verilog-A gerados pelo OpenVAF.

Passo 1: Instalar Dependências

Primeiramente, instale as bibliotecas e ferramentas necessárias para compilar e configurar o NGSpice e o OpenVAF. Execute o seguinte comando no Ubuntu:

sudo apt-get update
sudo apt-get install libxaw7-dev libtool automake autoconf bison flex libreadline-dev libreadline6-dev gperf cmake

Passo 2: Baixar e Compilar o NGSpice com Suporte ao OSDI

Agora, vamos configurar e compilar o NGSpice com suporte ao OSDI, que permitirá a integração dos arquivos gerados pelo OpenVAF.

a) Baixar o NGSpice

Baixe o código-fonte do NGSpice:

git clone https://git.code.sf.net/p/ngspice/ngspice ngspice
cd ngspice

b) Configurar o NGSpice com Suporte ao OSDI

Para habilitar o OSDI no NGSpice, configure-o com o seguinte comando:

./autogen.sh
mkdir release
cd release
../configure --with-x --enable-osdi

• --with-x: Habilita o suporte à interface gráfica (opcional).
• --enable-osdi: Ativa o OSDI, permitindo que o NGSpice simule arquivos Verilog-A convertidos para o formato OSDI.

c) Compilar o NGSpice

Compile o NGSpice com o seguinte comando:

make -j$(nproc)

Esse comando compila o NGSpice com todos os recursos ativados, incluindo o OSDI.

Passo 3: Baixar e Compilar o OpenVAF

Agora, precisamos baixar e compilar o OpenVAF, que converterá nossos arquivos Verilog-A para o formato OSDI.

a) Baixar o OpenVAF

Baixe o OpenVAF usando o comando wget:

wget https://openvaf.semimod.de/download/openvaf-v1.0.0.tar.gz

b) Descompactar e Compilar o OpenVAF

Descompacte o arquivo baixado e compile o OpenVAF com os seguintes comandos:

tar -xvzf openvaf-v1.0.0.tar.gz
cd openvaf-v1.0.0
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j$(nproc)
sudo make install

Isso instala o OpenVAF no sistema, permitindo que você o use para converter arquivos Verilog-A.

Passo 4: Criar e Converter um Arquivo Verilog-A com OpenVAF

Agora que o OpenVAF está instalado, vamos criar um arquivo Verilog-A e convertê-lo para o formato OSDI usando o OpenVAF.

a) Criar o Arquivo Verilog-A

Crie um arquivo Verilog-A chamado res_model.va (evitando o uso de palavras reservadas como resistor) com o seguinte conteúdo:

`include "disciplines.vams"

module res_model(p, n);
    inout p, n;
    electrical p, n;
    parameter real r = 1k;  // Resistência de 1k ohm

    analog begin
        V(p, n) <+ I(p, n) * r;  // Lei de Ohm: V = I * R
    end
endmodule

b) Converter o Arquivo Verilog-A com o OpenVAF

Agora, use o OpenVAF para converter o arquivo Verilog-A em um arquivo .osdi:

openvaf res_model.va

O OpenVAF gera um arquivo .osdi (neste caso, res_model.osdi) no mesmo diretório.

Passo 5: Integrar o Arquivo .osdi no NGSpice

Agora que o arquivo .osdi foi gerado, podemos integrá-lo no NGSpice para simulação.

a) Criar o Netlist SPICE

Crie um arquivo test.cir que utiliza o arquivo .osdi gerado:

* Teste de modelo de resistor convertido pelo OpenVAF

osdi res_model.osdi  ; Incluir o arquivo OSDI gerado pelo OpenVAF

V1 p 0 dc 1          ; Fonte de 1V
X1 p 0 res_model     ; Instanciar o modelo convertido

.control
    tran 1n 10n      ; Simulação no domínio do tempo por 10ns
    print V(p)       ; Mostrar a tensão no nó p
.endc

.end

Aqui, a diretiva osdi carrega o arquivo .osdi gerado pelo OpenVAF, e o modelo res_model é instanciado no circuito.

Passo 6: Executar a Simulação no NGSpice

Agora, execute a simulação no NGSpice:

./src/ngspice test.cir

O NGSpice processará o arquivo .osdi gerado pelo OpenVAF e executará a simulação, mostrando a tensão no nó p, que será de 1V (de acordo com a Lei de Ohm para um resistor de 1kΩ).

Explicações Adicionais

1. Por que evitar palavras reservadas?
   Usar palavras como resistor pode causar conflitos, pois essas palavras podem já estar reservadas no Verilog-A ou no NGSpice. Para evitar problemas, optamos por um nome alternativo como res_model.
2. O que é OpenVAF?
   O OpenVAF é um frontend que processa arquivos Verilog-A e os converte em um formato (.osdi) que o NGSpice pode simular diretamente. Ele elimina a necessidade de ferramentas de conversão externas.
3. O que é OSDI?
   OSDI (Open Simulation Data Interface) é uma interface no NGSpice que permite a simulação de componentes descritos em Verilog-A. Ele processa diretamente os arquivos .osdi gerados pelo OpenVAF, permitindo simulações analógicas e mistas.

Conclusão

Seguindo este tutorial, você agora pode usar o NGSpice com suporte ao OSDI e ao OpenVAF para simular diretamente componentes modelados em Verilog-A. Além disso, explicamos o papel do OSDI como a interface que integra a simulação de modelos Verilog-A ao fluxo SPICE, permitindo simulações mistas e complexas.

Este tutorial detalhado aborda como configurar e usar o NGSpice em conjunto com o OpenVAF para simular componentes analógicos modelados em Verilog-A. Vamos explicar como configurar o ambiente, converter modelos Verilog-A para um formato que o NGSpice pode entender, além de explicar o papel e funcionamento de cada ferramenta, incluindo o OSDI.

Ferramentas Utilizadas

1. NGSpice: Um simulador de circuitos analógicos, digitais e mistos baseado no SPICE. Ele simula circuitos elétricos descritos em linguagem SPICE. Para simular modelos Verilog-A, o NGSpice utiliza o OSDI.
2. OpenVAF: O Open Verilog-A Frontend (OpenVAF) é uma ferramenta que converte arquivos Verilog-A em um formato especial (.osdi) que o NGSpice pode simular diretamente com o OSDI ativado.
3. Verilog-A: Uma linguagem de descrição de hardware voltada para a modelagem de componentes analógicos, como resistores, capacitores, transistores, e outros dispositivos de circuitos elétricos contínuos.

O que é OSDI?

OSDI (Open Simulation Data Interface) é uma interface no NGSpice que permite simular modelos Verilog-A e outros componentes analógicos. O OSDI habilita o NGSpice a interpretar diretamente os modelos descritos em Verilog-A. Ele funciona como um intérprete para essas descrições, permitindo que os arquivos .osdi gerados pelo OpenVAF sejam usados diretamente nas simulações SPICE.

Função do OSDI:

• Integração de Modelos Verilog-A: O OSDI permite que modelos analógicos descritos em Verilog-A sejam integrados ao fluxo de simulação SPICE. O OpenVAF converte o código Verilog-A em um arquivo OSDI, e o NGSpice simula esse modelo através da interface OSDI.
• Processamento de Circuitos Mistos: O OSDI pode ser usado para combinar a simulação de circuitos analógicos (Verilog-A) com lógica digital e circuitos SPICE, permitindo simulações complexas de sistemas mistos.

O OSDI é ativado no NGSpice com a flag --enable-osdi durante a configuração e é uma parte crítica do processo para simular modelos Verilog-A gerados pelo OpenVAF.

Passo 1: Instalar Dependências

Primeiramente, instale as bibliotecas e ferramentas necessárias para compilar e configurar o NGSpice e o OpenVAF. Execute o seguinte comando no Ubuntu:

sudo apt-get update
sudo apt-get install libxaw7-dev libtool automake autoconf bison flex libreadline-dev libreadline6-dev gperf cmake

Passo 2: Baixar e Compilar o NGSpice com Suporte ao OSDI

Agora, vamos configurar e compilar o NGSpice com suporte ao OSDI, que permitirá a integração dos arquivos gerados pelo OpenVAF.

a) Baixar o NGSpice

Baixe o código-fonte do NGSpice:

git clone https://git.code.sf.net/p/ngspice/ngspice ngspice
cd ngspice

b) Configurar o NGSpice com Suporte ao OSDI

Para habilitar o OSDI no NGSpice, configure-o com o seguinte comando:

./autogen.sh
mkdir release
cd release
../configure --with-x --enable-osdi

• --with-x: Habilita o suporte à interface gráfica (opcional).
• --enable-osdi: Ativa o OSDI, permitindo que o NGSpice simule arquivos Verilog-A convertidos para o formato OSDI.

c) Compilar o NGSpice

Compile o NGSpice com o seguinte comando:

make -j$(nproc)

Esse comando compila o NGSpice com todos os recursos ativados, incluindo o OSDI.

Passo 3: Baixar e Compilar o OpenVAF

Agora, precisamos baixar e compilar o OpenVAF, que converterá nossos arquivos Verilog-A para o formato OSDI.

a) Baixar o OpenVAF

Baixe o OpenVAF usando o comando wget:

wget https://openvaf.semimod.de/download/openvaf-v1.0.0.tar.gz

b) Descompactar e Compilar o OpenVAF

Descompacte o arquivo baixado e compile o OpenVAF com os seguintes comandos:

tar -xvzf openvaf-v1.0.0.tar.gz
cd openvaf-v1.0.0
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j$(nproc)
sudo make install

Isso instala o OpenVAF no sistema, permitindo que você o use para converter arquivos Verilog-A.

Passo 4: Criar e Converter um Arquivo Verilog-A com OpenVAF

Agora que o OpenVAF está instalado, vamos criar um arquivo Verilog-A e convertê-lo para o formato OSDI usando o OpenVAF.

a) Criar o Arquivo Verilog-A

Crie um arquivo Verilog-A chamado res_model.va (evitando o uso de palavras reservadas como resistor) com o seguinte conteúdo:

`include "disciplines.vams"

module res_model(p, n);
    inout p, n;
    electrical p, n;
    parameter real r = 1k;  // Resistência de 1k ohm

    analog begin
        V(p, n) <+ I(p, n) * r;  // Lei de Ohm: V = I * R
    end
endmodule

b) Converter o Arquivo Verilog-A com o OpenVAF

Agora, use o OpenVAF para converter o arquivo Verilog-A em um arquivo .osdi:

openvaf res_model.va

O OpenVAF gera um arquivo .osdi (neste caso, res_model.osdi) no mesmo diretório.

Passo 5: Integrar o Arquivo .osdi no NGSpice

Agora que o arquivo .osdi foi gerado, podemos integrá-lo no NGSpice para simulação.

a) Criar o Netlist SPICE

Crie um arquivo test.cir que utiliza o arquivo .osdi gerado:

* Teste de modelo de resistor convertido pelo OpenVAF

osdi res_model.osdi  ; Incluir o arquivo OSDI gerado pelo OpenVAF

V1 p 0 dc 1          ; Fonte de 1V
X1 p 0 res_model     ; Instanciar o modelo convertido

.control
    tran 1n 10n      ; Simulação no domínio do tempo por 10ns
    print V(p)       ; Mostrar a tensão no nó p
.endc

.end

Aqui, a diretiva osdi carrega o arquivo .osdi gerado pelo OpenVAF, e o modelo res_model é instanciado no circuito.

Passo 6: Executar a Simulação no NGSpice

Agora, execute a simulação no NGSpice:

./src/ngspice test.cir

O NGSpice processará o arquivo .osdi gerado pelo OpenVAF e executará a simulação, mostrando a tensão no nó p, que será de 1V (de acordo com a Lei de Ohm para um resistor de 1kΩ).

Explicações Adicionais

1. Por que evitar palavras reservadas?
   Usar palavras como resistor pode causar conflitos, pois essas palavras podem já estar reservadas no Verilog-A ou no NGSpice. Para evitar problemas, optamos por um nome alternativo como res_model.
2. O que é OpenVAF?
   O OpenVAF é um frontend que processa arquivos Verilog-A e os converte em um formato (.osdi) que o NGSpice pode simular diretamente. Ele elimina a necessidade de ferramentas de conversão externas.
3. O que é OSDI?
   OSDI (Open Simulation Data Interface) é uma interface no NGSpice que permite a simulação de componentes descritos em Verilog-A. Ele processa diretamente os arquivos .osdi gerados pelo OpenVAF, permitindo simulações analógicas e mistas.

Conclusão

Seguindo este tutorial, você agora pode usar o NGSpice com suporte ao OSDI e ao OpenVAF para simular diretamente componentes modelados em Verilog-A. Além disso, explicamos o papel do OSDI como a interface que integra a simulação de modelos Verilog-A ao fluxo SPICE, permitindo simulações mistas e complexas.

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Welcome to our group dedicated to engineers and technicians in electronics who use SPICE-based simulation tools, such as NGspice, LTspice, Qspice, PSpice, and others. This space was created for the exchange of experiences and knowledge about electronic circuit simulation, exploring all the features these tools offer, including simulations with C++, Verilog, and Verilog-A.

Our group is community-driven, and everyone is welcome to share questions, solutions, and best practices. To ensure a productive and respectful environment, we ask that all members follow basic netiquette:

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This group is for mutual learning and growth. Your active participation is highly valued!

Note:

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Neste tutorial, vamos aprender a importar e utilizar modelos de componentes de terceiros no QSpice, com base em um vídeo do Mike Engelhardt. Este processo é extremamente útil para trabalhar com modelos que não vêm incluídos no software, especialmente durante a fase beta.

Passo 1: Importando um Modelo com Declaração .model

• Encontre o Modelo: Suponha que você encontrou um modelo de diodo, como o 1N4148, na internet.

1N5711;DI_1N5711;Diodes;Si;  70.0V  15.0mA  1.00ns   Diodes Inc. 
.MODEL DI_1N5711 D  ( IS=315n RS=2.80 BV=70.0 IBV=10.0u<br>+ CJO=2.00p  M=0.333 N=2.03 TT=1.44n )

*SRC=1N5711W;DI_1N5711W;Diodes;Si;  70.0V  15.0mA  1.00ns   Diodes Inc. -
.MODEL DI_1N5711W D  ( IS=315n RS=2.80 BV=70.0 IBV=10.0u<br>+ CJO=2.00p  M=0.333 N=2.03 TT=1.44n )

*SRC=1N5711WS;DI_1N5711WS;Diodes;Si;  70.0V  15.0mA  1.00ns   Diodes Inc. 
.MODEL DI_1N5711WS D  ( IS=315n RS=2.80 BV=70.0 IBV=10.0u<br>+ CJO=2.00p  M=0.333 N=2.03 TT=1.44n )

*SRC=1N6263W;DI_1N6263W;Diodes;Si;  60.0V  15.0mA  1.00ns   Diodes Inc. Schottky 
.MODEL DI_1N6263W D  ( IS=1.82u RS=2.80 BV=60.0 IBV=200n <br>+ CJO=2.65p  M=0.333 N=1.70 TT=1.44n )

• Copie o Texto do Modelo: Selecione o texto do modelo no site ou no arquivo que você baixou e pressione Ctrl+C.
• Cole no QSpice: Abra o QSpice e na área de trabalho do software, pressione Ctrl+V para colar o modelo.
• Confirmação de Símbolo: O QSpice perguntará se deve criar um símbolo para o modelo. Clique em “Sim”. O modelo será importado e o símbolo será automaticamente gerado.

Passo 2: Importando um Modelo de Subcircuito

• Localize um Subcircuito: Como exemplo, vamos importar o modelo de um amplificador operacional LM741. O subcircuito geralmente é definido por uma declaração .subckt e inclui várias linhas de texto.

*-----------------------------------------------------------------------------
* connections:   non-inverting input
*                | inverting input
*                | | positive power supply
*                | | | negative power supply
*                | | | | output
*                | | | | |
.subckt uA741    1 2 3 4 5
*
c1   11 12 8.661E-12
c2    6  7 30.00E-12
dc    5 53 dy
de   54  5 dy
dlp  90 91 dx
dln  92 90 dx
dp    4  3 dx
egnd 99  0 poly(2),(3,0),(4,0) 0 .5 .5
fb    7 99 poly(5) vb vc ve vlp vln 0 10.61E6 -1E3 1E3 10E6 -10E6
ga    6  0 11 12 188.5E-6
gcm   0  6 10 99 5.961E-9
iee  10  4 dc 15.16E-6
hlim 90  0 vlim 1K
q1   11  2 13 qx
q2   12  1 14 qx
r2    6  9 100.0E3
rc1   3 11 5.305E3
rc2   3 12 5.305E3
re1  13 10 1.836E3
re2  14 10 1.836E3
ree  10 99 13.19E6
ro1   8  5 50
ro2   7 99 100
rp    3  4 18.16E3
vb    9  0 dc 0
vc    3 53 dc 1
ve   54  4 dc 1
vlim  7  8 dc 0
vlp  91  0 dc 40
vln   0 92 dc 40
.model dx D(Is=800.0E-18 Rs=1)
.model dy D(Is=800.00E-18 Rs=1m Cjo=10p)
.model qx NPN(Is=800.0E-18 Bf=93.75)
.ends

• Copie o Subcircuito: Selecione todo o texto do subcircuito e pressione Ctrl+C.
• Cole no QSpice: No QSpice, pressione Ctrl+V para colar o subcircuito. Assim como no passo anterior, o QSpice perguntará se deve criar um símbolo. Clique em “Sim”.

• Ajuste os Pinos: Como o QSpice gera um símbolo padrão em forma de caixa, os pinos não estarão organizados de maneira intuitiva. Consulte a documentação do modelo para identificar quais pinos correspondem às entradas, saídas e alimentações.
• Você pode rearranjar os pinos arrastando-os ou mudando a justificativa clicando nos pontos vermelhos ao lado dos pinos.
• O nome dos pinos não deve ser alterado, pois isso poderia causar problemas na associação dos pinos com as portas do subcircuito.

Passo 3: Editando o Símbolo no Editor de Símbolos

• Abra o Editor de Símbolos: No QSpice, vá para “Arquivo” > “Novo” > “Símbolo” para abrir o editor de símbolos.
• Cole o Símbolo Base: Cole o símbolo gerado automaticamente no editor (Ctrl+C e Ctrl+V).
• Personalize o Símbolo: Substitua a caixa padrão por um símbolo gráfico mais representativo, como um triângulo para um amplificador operacional.
• Ocultar Nomes dos Pinos: Para ocultar os nomes dos pinos, clique duas vezes no nome de um pino e selecione a justificativa central (ponto vermelho do meio) para torná-lo invisível.
• Adicione Símbolos: Adicione sinais de “+” e “-” para as entradas não inversora e inversora do amplificador operacional, usando o comando de texto do editor.

• Finalize o Símbolo: Copie o símbolo finalizado para a área de trabalho do QSpice (Ctrl+C no editor de símbolos e Ctrl+V no QSpice).

Passo 4: Simulação do Circuito

1. Monte o Circuito: Conecte o modelo importado em um circuito e adicione os elementos necessários, como fontes de alimentação, resistores e fontes de sinal.
2. Execute a Simulação: Configure a simulação conforme necessário e observe os resultados, como a resposta em frequência ou a resposta ao degrau.
3. Ajuste se Necessário: Se o símbolo ou o modelo não estiverem funcionando corretamente, revisite os passos anteriores para ajustar.

Considerações Finais

Este tutorial mostrou como importar e ajustar modelos de terceiros no QSpice, tanto para modelos simples quanto para subcircuitos. Com esses passos, você pode expandir as capacidades do QSpice usando modelos de componentes específicos que não vêm nativamente com o software.

Referências

1. QSpice Official Documentation: A documentação oficial do QSpice, que oferece orientação sobre como importar modelos e utilizar outras funcionalidades avançadas do software. Você pode acessar a documentação completa aqui: QSpice Documentation.
2. Modelo 1N4148 no ON Semiconductor: O diodo 1N4148 é amplamente utilizado e o modelo SPICE pode ser encontrado no site do fabricante ON Semiconductor. Veja o modelo SPICE aqui: 1N4148 SPICE Model.
3. Modelo LM741 no Texas Instruments: O amplificador operacional LM741 é um componente clássico, e seu modelo SPICE oficial está disponível no site da Texas Instruments. Acesse o modelo aqui: LM741 SPICE Model.
4. Editor de Símbolos no QSpice: A ferramenta de edição de símbolos no QSpice permite criar e modificar símbolos para melhor representar componentes personalizados. Saiba mais sobre o editor de símbolos no site oficial: QSpice Symbol Editor.
5. Vídeo Tutorial QSpice por Mike Engelhardt: Este vídeo no YouTube, apresentado por Mike Engelhardt, demonstra como importar modelos de terceiros no QSpice, incluindo exemplos práticos e dicas para edição de símbolos. Assista ao vídeo aqui: Importing Third-Party Models into QSpice.

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Este tutorial ensina como incluir código C++ e Verilog-A em simulações no QSpice, abordando desde a criação dos blocos até a execução das simulações. Você aprenderá a integrar funcionalidades complexas, permitindo simulações de circuitos digitais e analógicos, independentemente da complexidade.

Objetivo

Instruir engenheiros e desenvolvedores na integração de módulos de código C++ e Verilog-A em simulações no QSpice, facilitando a criação de modelos de circuitos digitais e analógicos complexos.

Requisitos

• QSpice instalado.
• Conhecimento básico de programação em C++ e Verilog-A.

Passo 1: Desenhar o Bloco Inicial

Desenhe o Bloco Inicial:

Este bloco será configurado para representar uma DLL, com suporte a funções digitais e analógicas.

No QSpice, desenhe um bloco que conterá o código usando Draw Hierarchical Entry.

Passo 2: Configuração do Bloco

Configuração do Bloco:

Clique com o botão direito no bloco desenhado no QSpice e selecione Show Symbol Properties.

No campo Symbol Type, altere para ∅, indicando que o bloco será tratado como uma DLL.

Adicionar Portas

Identifique o tipo de dado da porta, como iremos lidar com valores analógicos selecione Float 64 bits.

Adicione as portas de entrada e saída organize de forma a ficar coerente com suas funções.

Nomeie cada porta, Entrada e Saída.

Selecione o tipo de porta.

É importante a ordem que se adiciona as portas, portanto comecei pela porta de entrada, e então a de saída.

Nomeação:

• Nomeie o bloco de forma clara, como “ModuloAnalise”.

Passo 3: Escrever e Compilar Código C++

Abertura da Interface C++

Se necessário, crie um template.

Clique com o botão direito no bloco e selecione C++ Interface > Open C++ Source.

Ele irá te perguntar se deseja criar o arquivo com base num template padrão, neste caso responda sim.

Selecionando as Estruturas de código

Selecione as três primeiras opções.

Explicando o Código C++

Vamos explicar a estrutura do código C++ gerado para o QSpice e como ele interage com o circuito simulado.

• Struct sMEUPRIMEIROCOMPONENTE: O struct sMEUPRIMEIROCOMPONENTE é uma estrutura de dados que serve como um contêiner para armazenar o estado interno do componente durante a simulação. Ele é usado para preservar informações entre as diferentes chamadas da função meuprimeirocomponente. O opaque, que é um ponteiro para esta estrutura, permite que a função mantenha e manipule o estado do componente entre as simulações.
• Union uData: A union uData permite acessar diferentes tipos de dados usando a mesma área de memória. No QSpice, uData mapeia as variáveis de simulação para os tipos corretos, como double para valores de Entrada e Saída.
• Função meuprimeirocomponente: Esta função avalia o módulo de simulação, recebendo um ponteiro para sMEUPRIMEIROCOMPONENTE, o tempo t, e um array data de tipo uData, que mapeia as portas:
  cpp extern “C” __declspec(dllexport) void meuprimeirocomponente(struct sMEUPRIMEIROCOMPONENTE **opaque, double t, union uData *data) { double Entrada = data[0].d; double &Saida = data[1].d;
• Uso de uData: Permite que o código C++ acesse as portas do componente independentemente do tipo de dado subjacente.
• Inicialização de opaque: Se opaque não estiver inicializado, ele é alocado e zerado usando a função bzero:
if(!*opaque) {
*opaque = (struct sMEUPRIMEIROCOMPONENTE *) malloc(sizeof(struct sMEUPRIMEIROCOMPONENTE));
bzero(*opaque, sizeof(struct sMEUPRIMEIROCOMPONENTE));
}
• Bloco de Inicialização com bzero: A função bzero zera a memória alocada para sMEUPRIMEIROCOMPONENTE, garantindo que todos os campos comecem com valores definidos.

Escrever o Código C++

Após a inicialização do ponteiro opaque, o código que implementa a lógica do componente deve ser inserido logo após essa verificação e alocação. Este código representa a função principal do módulo, onde a lógica de simulação é implementada.

Por exemplo, se o módulo deve aplicar um ganho a um sinal de entrada, o código seria inserido da seguinte forma:

const float gain = 2.3;  // Definindo o ganho internamente
Saida = Entrada * gain;  // Aplicando o ganho à entrada

Neste trecho, o sinal de Entrada é multiplicado pelo valor fixo de gain para produzir o sinal de Saída. Esse código deve ser colocado logo após a inicialização do ponteiro opaque, dentro da função meuprimeirocomponente.

Compilar o Código

• Compile o código clicando com o botão direito no bloco e selecionando Compile.

Passo 4: Escrever e Compilar Código Verilog-A

Duplicar o Bloco:

• Copie o bloco criado no Passo 1 e renomeie-o para usá-lo com código Verilog-A.

Abertura da Interface Verilog-A:

• Clique com o botão direito no novo bloco e selecione Verilog Interface > Open Verilog Source.
• Crie um template Verilog-A se necessário.

Declarar Parâmetros e Portas no Verilog-A:

• Ordem das Portas e Parâmetros: A ordem das portas no código Verilog-A deve coincidir com a ordem no esquemático do QSpice para garantir o correto mapeamento dos sinais.
• Parâmetros Internos: Parâmetros como threshold, high_value, e low_value são fixos durante a simulação. Para modificá-los, pare a simulação, ajuste os valores no código, recompile e reinicie:
  module analog_module(input real vin, output real vout);
parameter real threshold = 0.5;
parameter real high_value = 1.0;
parameter real low_value = 0.0;

always @(vin)
vout = (vin > threshold) ? high_value : low_value;
endmodule
• Ajuste dos Parâmetros em Tempo de Simulação: Para ajustar os parâmetros durante a simulação, externalize-os através de portas:
  module analog_module(input real vin, input real vthresh, output real vout);
real high_value = 1.0;
real low_value = 0.0;
always @(vin)
vout = (vin > vthresh) ? high_value : low_value; endmodule

Compilar o Código:

• Compile o código Verilog-A. Após corrigir eventuais erros, o QSpice confirmará a criação da DLL.

Passo 5: Configurar e Executar a Simulação

Configuração da Simulação:

• Conhecimento em SPICE: Para configurar a simulação corretamente, é necessário um entendimento básico do SPICE, pois o processo envolve a construção de um circuito utilizando fontes de tensão e elementos de interconexão, como resistores e capacitores.
• Adicionar Fontes de Tensão: Insira uma fonte de tensão no circuito, de preferência uma senoidal, arbitrária ou exponencial, que forneça um sinal variável. Este sinal deve ser conectado à porta de Entrada de cada bloco X1 e X2.
• Adicionar Ground: Conecte o terminal negativo da fonte de tensão a um nó de ground (terra). Este passo é fundamental, pois o SPICE exige a presença de um nó de ground como referência para realizar as simulações.
• Conexão das Portas de Saída: A porta de Saída de cada bloco deve ser conectada a um fio (wire) que não se conecta a lugar algum. Isso é necessário para que, durante a simulação, os valores nas portas de saída possam ser medidos corretamente.

Execução da Simulação:

• Execute a simulação e observe as formas de onda na Entrada e Saída dos blocos. Verifique se os resultados obtidos estão de acordo com o comportamento esperado do circuito.

Análise dos Resultados:

• Verifique se o comportamento do circuito está de acordo com as expectativas. Ajuste parâmetros e recompile, se necessário.

Exemplos Avançados

Explore o exemplo Practical Switch Mode Power Supply no QSpice:

• Navegue até File > Open Demo.
• Estude o exemplo para aprender como integrar modelos complexos com C++ e Verilog-A.

Dicas Avançadas

• Simulação Mista: Combine circuitos analógicos e digitais dentro do QSpice para criar simulações complexas.
• Automatização com Scripts: Use C++ para automatizar processos dentro das simulações, como detectar estados específicos e ajustar parâmetros dinamicamente.

Referências

• Engelhardt, M. (2023). How to Include C++ and Verilog in QSpice Simulations. YouTube.
• Accellera Systems Initiative. (2019). Verilog-AMS Language Reference Manual Version 2.4. Accellera.

Este tutorial foi elaborado para guiá-lo na integração de C++ e Verilog-A em suas simulações no QSpice. Se você quiser ver este tutorial em ação, convido você a assistir ao vídeo no YouTube. Não deixe de visitar o canal, inscrever-se, curtir o vídeo e comentar com suas dúvidas e sugestões. Sua participação é muito importante!

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Introdução

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) é uma ferramenta essencial no desenvolvimento e análise de circuitos, amplamente utilizada por engenheiros eletrônicos e técnicos. Desde sua criação na Universidade da Califórnia, Berkeley, na década de 1970, SPICE se tornou o padrão-ouro para a simulação de circuitos devido à sua precisão e versatilidade.

História do SPICE

SPICE foi criado por Laurence Nagel e seu professor Donald Pederson no início dos anos 1970, na Universidade da Califórnia, Berkeley. Originalmente uma ferramenta educacional, rapidamente ganhou popularidade na indústria devido à sua precisão. O lançamento do SPICE 2, em 1975, solidificou sua posição como padrão para a simulação de circuitos, levando ao desenvolvimento de diversas versões comerciais e open-source.

Ferramentas Comerciais

HSPICE: Desenvolvido pela Synopsys, é altamente preciso e amplamente usado na indústria para validar circuitos. HSPICE

PSpice: Parte do OrCAD, permite análises detalhadas de circuitos analógicos e digitais, utilizado no design de eletrônicos. PSpice

LTspice: Gratuito e de alta performance, facilita a simulação e análise de circuitos em diversas condições. LTspice

Spectre: Oferece simulação de circuitos analógicos, RF e mistos com alta precisão. Spectre

TINA-TI: Simulador gratuito que permite simulações de DC, transitório e frequência. TINA-TI

Saber: Utilizada para simulações precisas de circuitos analógicos, digitais e mistos. Saber

Mentor Graphics Eldo: Plataforma para simulações analógicas e de sinais mistos, oferecendo alta precisão. Mentor Graphics Eldo

Ferramentas Gratuitas e Open-Source

Ngspice: Simulador SPICE open-source avançado. Ngspice

XSPICE: Extensão para simulações de sinais mistos e circuitos analógicos. XSPICE

Qucs-S: Suporta simulações de circuitos analógicos e digitais com interface gráfica intuitiva. Qucs-S

Gnucap: Simulador de circuitos com extensibilidade através de plugins. Gnucap

KiCad: Suíte de software EDA para design de PCB e simulação de circuitos, suportando SPICE. KiCad

Ferramentas Especializadas

ADIsimPE: Combina SPICE com bibliotecas específicas da Analog Devices. ADIsimPE

MultiSim: Ferramenta de simulação e análise utilizada na educação e indústria. MultiSim

OrCAD PSpice Designer: Plataforma robusta para simulações SPICE e design de PCB. OrCAD PSpice Designer

Ferramentas Acadêmicas

SPICE3: Desenvolvido na Universidade da Califórnia em Berkeley, usado em pesquisas e educação. SPICE3

HSPICE: Também utilizado em universidades para pesquisas avançadas. HSPICE

Ferramentas EDA que Utilizam SPICE

Proteus: Combina SPICE com design de PCB e simulação de microcontroladores. Proteus

Altium Designer: Integra SPICE para simulação de circuitos dentro do design de PCB. Altium Designer

Cadence Allegro: Oferece simulação de circuitos com SPICE no design de PCB. Cadence Allegro

OrCAD PCB Designer: Inclui PSpice para simulação de circuitos e design de PCB. OrCAD PCB Designer

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