Capitolo primo

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Analisi di circuiti in
corrente continua con PSpice
ANALISI DI UN CIRCUITO SERIE
Legge di Kirchhoff delle tensioni per circuiti serie
Un circuito serie ha un solo percorso per la corrente. Se una sorgente di tensione o di corrente viene collegata a un circuito serie, la corrente è la stessa lungo tutto il circuito. Per un
circuito siffatto, la legge di Kirchhoff delle tensioni afferma: “la somma algebrica delle
tensioni lungo il percorso chiuso descritto dal circuito è uguale a zero volt”. Ne consegue
che la potenza elettrica erogata dalla(e) sorgente(i) è uguale alla potenza assorbita dal(i)
resistore(i). Questa è una dimostrazione della legge di conservazione dell’energia applicata
ai circuiti elettrici.
Sorgenti ideali di corrente e tensione DC
Una sorgente ideale di tensione DC mantiene la tensione ai suoi terminali costante indipendentemente dal tempo e da qualunque elemento circuitale esterno vi sia connesso. Una sorgente ideale di corrente DC mantiene la corrente fra i suoi terminali costante indipendentemente dal tempo e da qualunque elemento circuitale esterno vi sia connesso.
Il resistore
Cominciamo la nostra analisi con circuiti puramente resistivi. Un resistore dissipa energia
elettrica nel tempo. L’energia dissipata nell’unità di tempo è la potenza fornita al resistore. Il
rapporto tra tensione e corrente nel resistore è definito resistenza del resistore, e viene misurato comunemente in ohm (Ω) o kiloohm (kΩ).
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Preparazione dello schema circuitale
Nuovo file
Nelle analisi che seguono, useremo PSpice Student Version Release 9.1, distribuito gratuitamente dalla Orcad e disponibile nel CD-ROM allegato a questo libro. Cominciamo l’analisi con la creazione dello schema circuitale. Il nostro circuito consiste di tre resistori in
serie. Le resistenze valgono 1 kΩ, 4 kΩ e 5 kΩ. Al circuito è collegata una sorgente di tensione DC da 20 V. Fare quanto segue:
1. Sul Desktop del computer, fare clic su Start, muovere il cursore fino a Programmi, a
destra fino a PSpice Student, muoverlo ancora a destra su Capture Student e fare clic
su questa voce. Si apre la schermata OrCAD Capture.
2. Fare clic su File, muovere il mouse su New, spostarsi su Project e fare clic; si apre la
finestra di dialogo New Project.
3. Nella casella Name, inserire il nome del circuito. L’autore ha usato Figura 101.
4. Nella casella Location, inserire il percorso completo in cui si vuole collocare il file (si
può anche usare il tasto Browse per selezionare una directory preesistente o crearne una
nuova).
5. Selezionare il wizard Analog or Mixed A/D facendoci clic sopra.
6. Confermare con OK. Si apre la finestra di dialogo Create PSpice Project.
7. Scegliere di creare un progetto vuoto (Create a blank project). Fare clic su OK. Appare la finestra OrCAD Capture - [/ - (SCHEMATIC1 : PAGE 1)]. Se la barra degli
strumenti (toolbar) non è visibile sul lato destro della pagina di Schematic, fate clic in
un punto qualunque interno alla finestra. La schermata è mostrata di seguito.
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Analisi di un circuito serie
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File esistente
Se si deve richiamare per la simulazione un file esistente:
1. Dal Desktop, fare clic su Start, muovere il mouse su Programmi, a destra su PSpice
Student, muoverlo ancora a destra su Capture Student e fare clic su questa voce. Si
apre la schermata OrCAD Capture.
2. Fare clic su File, muovere su Open, muovere su Project e rilasciare. Si apre la finestra
di dialogo Open Project.
3. Fare clic sul file desiderato e scegliere Apri (oppure Open). Si apre la schermata OrCAD
Capture.
4. Se la pagina di Schematic non dovesse essere visualizzata immediatamente, eseguire i
passi seguenti fino al 6: fare clic sul segno più [+] a sinistra del nome di file selezionato
(con estensione .dsn).
5. Fare clic sul segno più [+] alla sinistra della cartella SCHEMATIC1. Compare l’icona
PAGE1.
6. Fare doppio clic sull’icona PAGE1. Si apre OrCAD Capture - [/ - (SCHEMATIC1 :
PAGE 1)], che contiene lo schema circuitale desiderato.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Disposizione dei componenti
Prelievo del resistore
1. Portare il mouse sull’icona con il simbolo che ricorda una spina elettrica, o una porta
AND. È la seconda icona dall’alto nella barra degli strumenti sul lato destro della pagina
di Schematic. Apparirà brevemente la legenda Place part.
2. Fare clic sull’icona. Comparirà la finestra di dialogo Place Part.
3. Nel riquadro Libraries, fare clic su ANALOG. Se è la prima volta che usate Capture,
potrebbe essere necessario aggiungere la libreria facendo clic sul pulsante Add Library,
e scegliendo nella finestra di dialogo Browse File il file analog.olb.
4. Nella casella di testo Part, digitare R per resistore (oppure nella Part List scorrere fino
a R e selezionarla).
5. Confermare con OK. Sulla pagina di Schematic apparirà il simbolo di un resistore,
attaccato al mouse.
6. Trascinarlo fino alla posizione desiderata. Fate clic per piazzarlo.
7. Spostare il mouse nella posizione successiva per collocare il secondo resistore. Fate
clicper piazzarlo.
8. Ripetere la procedura per il terzo resistore.
9. Premere il tasto destro del mouse. Selezionare End Mode e fare clic sopra.
10. Deselezionare il terzo resistore collocando il puntatore del mouse in un qualunque punto
libero della pagina di Schematic e facendo clic.
Prelievo della sorgente di tensione
1. Fare clic sull’icona Place part. Comparirà la finestra di dialogo Place Part.
2. Nel riquadro Libraries, fare clic su SOURCE. Se è la prima volta che usate Capture,
potrebbe essere necessario aggiungere la libreria facendo clic sul pulsante Add Library,
e scegliendo nella finestra di dialogo Browse File il file source.olb.
3. Nella Part List, scorrere fino a VDC e selezionarlo. Fare clic su OK.
4. Trascinare VDC nella posizione desiderata. Fare clic per piazzarlo.
5. Premere il tasto destro del mouse. Selezionare End Mode e fare clic sopra.
6. Deselezionare VDC collocando il puntatore del mouse in un qualunque punto libero
della pagina di Schematic e facendo clic.
Cablaggio dei componenti
1. Sul lato destro dello schermo, nella barra degli strumenti, puntare alla terza icona dall’alto. Apparirà brevemente la legenda Place wire. Fare clic sull’icona.
2. Spostare il puntatore a croce fino al polo positivo della sorgente VDC. Fare clic sopra
una volta.
3. Senza tenere premuto il pulsante del mouse, spostare il puntatore a croce fino a uno dei
terminali (rappresentati da quadretti) del primo resistore. Fare clic sopra.
4. Spostare il puntatore a croce fino all’altro terminale del resistore, e fare clic su di esso
una volta.
5. Senza tenere premuto il pulsante, muovere il mouse fino a uno dei terminali del prossimo resistore, e fare clic sopra.
6. Ripetere la procedura sino a che i componenti non siano tutti collegati. Quando si desidera fissare un filo nella posizione rappresentata senza che tocchi un componente (ad
esempio per fare dei cambiamenti di direzione) fate clic una volta e rilasciare.
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7. Premere il tasto destro del mouse. Selezionare End Mode e fare clic sopra.
8. Deselezionare l’ultimo segmento di filo facendo clic in un punto libero della pagina di
Schematic.
Etichettatura dei nodi
Un nodo è un punto di connessione tra due o più elementi circuitali. Nel nostro circuito,
possiamo pensare ai cavi di connessione come a nodi allungati. Per identificare i nodi, assegneremo a ciascuno di essi un’etichetta.
1. Fare clic su un filo per selezionarlo.
2. Puntare alla quarta icona dall’alto, con il simbolo N1. Ha la legenda Place net alias.
Fare clic sopra.
3. Appare la finestra di dialogo Place Net Alias.
4. Nella casella Alias, digitare l’etichetta desiderata (per i nodi si tratta spesso di un numero). Fare clic su OK.
5. Trascinare il rettangolino fino al nodo (filo) prescelto. Farvi clic sopra: apparirà l’etichetta selezionata.
6. Usare il tasto destro per selezionare End Mode. Fare clic per terminare l’etichettatura
del nodo.
7. Ripetere per tutti gli altri nodi.
8. Importante: un nodo dev’essere etichettato zero (0)! È il nodo di massa.
Scelta dei valori di resistenza
Tutti i resistori collocati sulla pagina di Schematic hanno inizialmente un valore pari a 1 kΩ.
Per cambiarne i valori, se necessario, procedere come segue:
1. Fare doppio clic sul valore di resistenza del resistore scelto. Appare la finestra di dialogo
Display Properties.
2. Nella casella Value, inserire il valore di resistenza voluto. Fare clic su OK, quindi fate
clicper deselezionare.
3. Ripetere per ciascun resistore.
Cambiamento del nome dei resistori
Se dovesse essere necessario cambiare nome ai resistori, procedere come segue:
1. Fare doppio clic sull’etichetta di un resistore, per esempio R1. Apparirà la finestra di
dialogo Display Properties.
2. Nella casella Value, digitare il nome desiderato. Fare clic su OK. Il nome scelto apparirà al posto del nome precedente del resistore.
3. Fate clicin un punto qualunque dello schermo per terminare il procedimento.
Selezione della tensione di VDC
A seguire, regoliamo la tensione di V1 ai 20 V desiderati.
1. Fare doppio clic sulla tensione di V1. Appare la finestra di dialogo Display Properties.
2. Nella casella Value, digitare 20V (attenzione: non ci devono essere spazi tra il numero e
l’unità di misura). Fare clic su OK.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
3. Nella pagina di Schematic, fate clic per deselezionare V1. Apparirà la sua nuova tensione di 20 V.
Inserimento di testo sulla pagina di Schematic
1. Fare clic sull’icona A. È al fondo della barra degli strumenti. Si apre la finestra Place
Text.
2. Nella casella, digitare il testo desiderato. Fare clic su OK.
3. Trascinare il rettangolo fino alla posizione voluta sulla pagina di Schematic. Fate clic
per piazzarlo.
4. Selezionare End Mode con il tasto destro del mouse. Farvi clic sopra.
5. Fate clic nella pagina di Schematic per deselezionare il testo.
Al completamento di questa sezione lo schema circuitale apparirà come mostrato nella Figura 1.01. Di seguito, prepareremo il nostro circuito in modo che le sue tensioni e la sua corrente possano essere ricavate e visualizzate in forma sia numerica, sia grafica.
Figura 1.01
Generazione dei dati numerici di uscita
Durante la simulazione, PSpice produce un file di uscita (Output File), verificando la correttezza delle simulazioni, e genera un messaggio di errore nel caso vi siano problemi nella
sintassi del file che descrive il circuito. Nel file di uscita sono contenuti i valori delle variabili circuitali specificate.
Il potenziale di nodo: VPRINT1
Per stampare1 la tensione di un qualunque nodo rispetto alla massa, piazziamo VPRINT1 al
nodo d’interesse.
Si desidera ottenere la stampa dei valori di tensione ai nodi 2 e 3.
1. Fare clic sull’icona Place part.
1
Il termine “stampare” (print nell’originale americano) è un retaggio delle prime versioni di SPICE,
che in mancanza di unità di visualizzazione grafica fornivano realmente i risultati su tabulato cartaceo.
Oggi si continua a usarlo per ragioni storiche, ma ciò che si vuole intendere è che i dati di uscita
vengono messi in un file. In seguito il file può essere effettivamente stampato, oppure i dati possono
essere mostrati graficamente con un postprocessore come PROBE. [N.d.T.]
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Analisi di un circuito serie
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2. Nella casella Place Part, Libraries, selezionare SPECIAL. Se è la prima volta che si
usa Capture, potrebbe essere necessario aggiungere la libreria facendo clic sul pulsante
Add Library, e scegliendo nella finestra di dialogo Browse File il file special.olb.
3. Scorrere fino a VPRINT1, selezionarlo e confermare con OK.
4. Trascinare VPRINT1 al nodo 2 e fare clic per posizionarlo.
5. Trascinare VPRINT1 al nodo 3 e fare clic per posizionarlo.
6. Fare clic col tasto destro, selezionare End Mode e fare clic sopra.
7. Deselezionare VPRINT1 cliccando in un punto qualunque della pagina di Schematic.
La differenza di potenziale: VPRINT2
Per stampare la tensione tra due nodi qualunque del circuito, inserire VPRINT2 ai nodi
d’interesse. Si desidera ottenere la stampa del valore di tensione ai capi di R2.
1. Fare clic sull’icona Place part.
2. Nella casella Place Part, Libraries, selezionare SPECIAL.
3. Scorrere fino a VPRINT2, selezionarlo e confermare con OK. Nota: VPRINT2 ha due
terminali che devono essere collegati al circuito.
4. Trascinare VPRINT2 fino a posizionarlo poco sopra R2. Fare clic per piazzarlo, quindi
mediante Place wire eseguire le due connessioni con il resto del circuito.
5. Fare clic col tasto destro, selezionare End Mode e fare clic sopra.
6. Deselezionare VPRINT2 facendo clic in un punto qualunque della pagina di Schematic.
La corrente del circuito: IPRINT
Poiché la corrente in questo circuito è la medesima ovunque, il dispositivo IPRINT può
essere collocato nella posizione più comoda. Lo si inserisce in serie al circuito come un
amperometro.
1. Selezionare la sezione orizzontale del nodo 0 e premere il tasto Canc (o Del).
2. Fare clic sull’icona Place part.
3. Nella casella Place Part, Libraries, selezionare SPECIAL.
4. Scorrere fino a IPRINT, selezionarlo e confermare con OK.
5. Trascinare IPRINT sul segmento cancellato del nodo 0. Fare clic per piazzarlo, quindi
eseguire nuovamente le connessioni.
6. Fare clic col tasto destro, selezionare End Mode e fare clic sopra.
7. Riassegnare l’etichetta al nodo 0.
Attivazione dei dispositivi IPRINT e VPRINT
I dispositivi IPRINT e VPRINT devono essere attivati per ottenere la stampa dell’uscita.
Procedere come segue: fare doppio clic su VPRINT1. Si apre la pagina OrCAD Capture [Property Editor].
1. Scorrere a destra fino a che non appaia la casella DC. Fare clic su di essa e digitare Y.
2. Fare clic su Apply. Chiudere la schermata OrCAD Capture - [Property Editor].
3. Ripetere la procedura per gli altri dispositivi VPRINT1, VPRINT2 e IPRINT.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Alla fine di queste procedure, lo schema di Figura 1.01 apparirà come qui mostrato.
Figura 1.01
Simulazione
Regolazione del tipo di analisi (Analysis Type) e dei parametri di scansione (Sweep Parameters).
1. Dal menu PSpice, fare clic su New Simulation Profile. Si apre la finestra di dialogo
New Simulation.
2. Nella sua casella Name, scrivere 1. Per ogni circuito possono esserci diverse simulazioni.
3. Fare clic su Create. Si apre la finestra di dialogo Simulation Settings.
4. Nella casella a scelta multipla Analysis type, scegliere DC Sweep.
5. Tra le opzioni per la Sweep variable, controllare che sia selezionata Voltage source.
6. Nella casella Name, scrivere V1.
7. Mantenere Linear per lo Sweep type.
8. Nella casella Start value, digitare 20V (ricordare che non vanno mai inseriti spazi tra il
numero e l’unità di misura).
9. Nella casella End value, digitare 20V.
10. Nella casella Increment, digitare 1V.
11. Fare clic su OK per accettare tutti i valori.
Nota: non è indispensabile inserire l’unità di misura nelle ultime tre caselle. Il contenuto
della casella Increment rappresenta il passo con cui PSpice conta da Start value a End
value: poiché nel nostro caso il valore iniziale e quello finale sono identici, la scelta fatta per
Increment è assolutamente arbitraria. Mostriamo di seguito la finestra di dialogo Simulation
Settings compilata con tutti i valori richiesti.
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Analisi di un circuito serie
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Avvio della simulazione
1. Dal menu File, scegliere Save.
2. Dal menu PSpice, fare clic su Run per far partire la simulazione.
Visualizzazione dei risultati
Introduciamo l'uso del postprocessore grafico PROBE per rappresentare visivamente l'andamento delle variabili circuitali simulate.
Le tensioni e la corrente del circuito
1. A simulazione completata, si apre lo schermo di PROBE (inizialmente è una finestra
con sfondo nero e un sistema di assi cartesiani, senza alcun grafico).
2. Aprire il menu Trace. Facendo clic su Add Trace si apre la finestra di dialogo Add
Traces.
3. Fare clic su una variabile per selezionarla. L’autore ha scelto V(1). L’espressione corrispondente alla variabile selezionata apparirà nella casella Trace Expression.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
4. Fare clic su OK e la traccia di V(1) apparirà sullo schermo di PROBE.
5. Ripetere il procedimento per le altre variabili.
L’autore ha selezionato le tracce delle tensioni V(1), V(2) e V(3). I rispettivi valori sono
20 V, 18 V e 10 V, come mostrato sul grafico di PROBE.
L’asse X di PROBE riporta la tensione di V1 come variabile indipendente. Le tensioni V(1),
V(2) e V(3) sono a malapena visibili. Cambiamo l’asse delle ascisse in modo da riportare il
tempo. Per fare ciò, eseguiremo un’analisi in transitorio (transient analysis) del circuito.
Nella sintassi del programma PSpice, il termine transient sta a indicare un’analisi condotta
nel dominio del tempo. Questa non va confusa con l’analisi in transitorio nel senso classico
delle equazioni differenziali. In tale ambito, il termine indica la perturbazione nel tempo
delle variabili circuitali quando il circuito passa da un livello energetico iniziale a uno finale.
Procediamo come segue:
1. Passare alla finestra dello schema circuitale (OrCAD Capture - [/ - (SCHEMATIC1 :
PAGE 1)]).
2. Fare clic su PSpice, quindi su New Simulation Profile.
3. Nella finestra di dialogo New Simulation, inserire un numero che identifichi la nuova
simulazione.
4. Fare clic su Create. Si apre la finestra di dialogo Simulation Settings.
5. In Analysis type, scegliere Time Domain (Transient).
6. Fate clic nella casella Run to time: digitare 10s. Questo darà una scansione temporale di
10 secondi. Poiché il circuito è in corrente continua, il valore di durata temporale è
puramente arbitrario.
7. Fare clic sulla casella Maximum step size e digitarvi 1s. Per i circuiti in corrente continua, il valore massimo del passo di campionamento non è critico.
8. La finestra di dialogo Simulation Settings dovrebbe apparire come mostrata di seguito:
fare clic su OK per accettare tutti i valori.
9. Fare clic su PSpice e di seguito su Run per avviare la simulazione.
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Analisi di un circuito serie
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I risultati dell’analisi nel dominio del tempo (Transient) sono mostrati nel grafico di PROBE.
Sono state selezionate le tracce corrispondenti alle tensioni V(1), V(2) e V(3). L’aspetto
delle tracce è quello che si vedrebbe su di un oscilloscopio. È evidente come tutte le tensioni
del circuito siano indipendenti dal tempo. Ciò è sempre vero per correnti e tensioni DC.
Possiamo osservare il valore della corrente nel circuito scegliendo le tracce I(R1), I(R2) e
I(R3). I loro valori sono tutti identici (2 mA) come dev’essere per un circuito serie. La corrente attraverso la sorgente di tensione V1 è importante. La traccia relativa si chiama I(V1)
e ha un valore di –2 mA. Questo accade a causa della sintassi del programma PSpice, che
usa sempre la convenzione degli utilizzatori. Vengono considerate positive le correnti entranti nel polo positivo di un componente (il dispositivo sta assorbendo potenza). Le correnti
uscenti dal polo positivo di un componente vengono considerate negative (il dispositivo sta
cedendo potenza). La potenza ceduta ai resistori dalla sorgente V1 è uguale alla potenza
erogata da V1. Le tracce di corrente sono mostrate qui sotto.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
La sorgente di tensione V1 ha un segno più esplicito (il terminale positivo è univocamente
identificabile con facilità), mentre per i resistori la posizione del polo positivo è determinata
implicitamente. Vedremo nella Figura 1.02 che i resistori possono essere ruotati. La convenzione grafica usata da PSpice prevede che tutti i resistori ruotino attorno al loro terminale
positivo.
Potenza nel circuito
PROBE permette di diagrammare la potenza. I diagrammi di potenza si ottengono dal prodotto della tensione ai capi di un componente moltiplicata per la corrente attraverso il componente stesso. Le espressioni per la potenza di ciascun elemento del nostro circuito sono
mostrate al fondo della schermata. Le differenze di potenziale ai capi dei resistori sono racchiuse in parentesi tonde.
V1 sta erogando 40 mW di potenza al circuito, da cui il segno meno (ricordiamo ancora che
PSpice adopera sempre la convenzione degli utilizzatori). I resistori R1, R2 ed R3 stanno
assorbendo 4 mW, 16 mW e 20 mW rispettivamente, da cui i segni positivi. La somma algebrica
di tutte le potenze nel circuito è zero, come previsto. Questo risultato è conseguenza della
legge di conservazione dell’energia applicata ai circuiti elettrici – o se si preferisce, è conseguenza del teorema di Tellegen che discende direttamente dalle leggi di Kirchhoff.
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Analisi di un partitore di tensione resistivo
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Il file di uscita
Durante la simulazione, il programma PSpice genera un file di uscita (Output File). Per
richiamarlo, quando si apre la schermata di PROBE, fare clic su View, trascinare il mouse
su Output File e rilasciare. Si apre una finestra che visualizza il file di uscita. Quest’ultimo
contiene una lista delle analisi utilizzate, il file dei sinonimi (Alias File) e le stampe richieste. Per risparmiare spazio, mostriamo solo le tensioni e la corrente del circuito così come
appaiono nel file.
V_V1
V(3)
V(2,3)
V(2)
I(V_PRINT5)
2.000E+01
1.000E+1
8.000E+00
1.800E+1
–2.000E–03
Tutte le tensioni e la corrente sono espresse in notazione scientifica. Questi valori sono gli
stessi mostrati precedentemente sulle rispettive tracce di PROBE.
ANALISI DI UN PARTITORE DI TENSIONE RESISTIVO
La sezione precedente è stata di lunghezza considerevole perché il lettore doveva essere
introdotto a ciascun passo nella creazione e nell’analisi del circuito di Figura 1.01. Si consiglia di farvi riferimento anche nel seguito, se necessario.
Da qui in poi, verranno descritti solo i nuovi componenti, i nuovi tipi di analisi e i nuovi
procedimenti; il lettore li troverà elencati sotto il titolo Cosa c’è di nuovo? (Nota: Figura
1.01 è stato digitato come Figura 101 nella casella Name della finestra di dialogo New
Project. Se avessimo usato il punto decimale, il nome di file sarebbe stato troncato a
Figura 1.)
Cosa c’è di nuovo?
1. Una sorgente di tensione variabile
2. Rotazione di un componente
3. I cursori A1 e A2 di Probe
Il nostro circuito consta dei due resistori mostrati connessi a una sorgente di tensione DC
variabile V1 che può cambiare la sua tensione da 0 V a 18 V a passi di 1 V. Si desidera
tracciare la tensione ai capi di R2 in funzione di V1, definita come tensione d’ingresso. Il
circuito è denominato Figura 1.02.
Figura 1.02
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Per ruotare R2 fare quanto segue.
1. Selezionare R2 come nella sezione precedente e collocarla nella posizione prescelta.
2. Fare clicper piazzarla; fare clic col tasto destro del mouse per abbandonare la modalità
(End Mode).
3. Con R2 ancora selezionata, premere il tasto R sulla tastiera. R2 verrà ruotata di 90° in
senso antiorario.
4. Ripetere il passo precedente altre due volte, in modo che R2 termini in posizione verticale. Se il passo 3 è stato eseguito esattamente tre volte, il terminale positivo di R2 sarà
quello più in alto.
5. Completare la costruzione dello schema come nella sezione precedente.
Avvio della simulazione
1. Eseguire tutti i passi come nella sezione precedente.
2. Quando si apre la finestra di dialogo Simulation Settings, inserire i valori relativi a V1
come mostrato.
3. Al termine confermare con OK.
4. Dal menu PSpice, scegliere Run per lanciare la simulazione.
Visualizzazione dei risultati dell’analisi
Attivazione dei cursori
PROBE ha due cursori, A1 e A2. Operano sulla prima traccia elencata. Per attivarli fare
quanto segue:
1. Fare clic sull’icona dei cursori: ha l’aspetto di una parabola rossa disegnata su una coppia di assi cartesiani tratteggiati neri (si trova due icone più a destra rispetto all’icona
etichettata ABC).
2. Sulla tastiera, premere il tasto con la freccia orizzontale verso destra per muovere il
cursore A1 a destra; premere il tasto con la freccia orizzontale verso sinistra per muovere il cursore A1 a sinistra. In alternativa, trascinare il mouse con il tasto sinistro premuto.
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Un generatore di corrente applicato a un circuito serie
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3. Premere il tasto Shift (maiuscole) e quello con la freccia orizzontale verso destra per
muovere il cursore A2 a destra; premere il tasto Shift e quello con la freccia orizzontale
verso sinistra per muovere il cursore A2 a sinistra. In alternativa, trascinare il mouse con
il tasto destro premuto.
4. La finestra cursori (Probe Cursor) visualizza le coordinate dei due cursori.
A1 =
16.000,
A2 =
10.000,
2.2857
1.4286
dif=
6.0000,
857.143m
Nell’esempio mostrato, V(2) raggiunge 2.2857 V quando V1 è a 16.000 V. V(2) è a 1.4286 V
quando V1 è a 10.000 V. Le differenze di tensione tra le posizioni dei due cursori sono di
6.0000 V per V1 e di 857.143 mV per V(2).
Se vengono visualizzate due o più tracce, i due cursori possono essere impiegati per mostrare le coordinate di due punti sulla stessa traccia o di punti su tracce diverse. In ciascun caso,
viene indicata la differenza tra le posizioni dei due cursori. Nel caso di più tracce, quando i
cursori vengono attivati, il simbolo della prima traccia è racchiuso in un quadretto tratteggiato. Entrambi i cursori saranno attivi su quella traccia. Facendo clic col tasto destro del
mouse sul simbolo di un’altra traccia, il cursore A2 diventerà attivo su quella traccia. In
questo modo, si possono ricavare le differenze tra le tracce.
UN GENERATORE DI CORRENTE APPLICATO
A UN CIRCUITO SERIE
Cosa c’è di nuovo?
1. Applicazione di una sorgente di corrente IDC al circuito
2. Il comando Plot
3. Visualizzazione dell’Output File
I generatori di corrente stanno diventando sempre più diffusi nell’elettronica moderna, poiché molti dispositivi a semiconduttore possono essere modellati come sorgenti di corrente.
Analizzeremo il circuito mostrato in Figura 1.03. Il circuito si costruisce nella maniera solita. I dispositivi VPLOT sono nuovi. Si trovano nella libreria Special e si collocano usando
la stessa procedura dei dispositivi VPRINT.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Figura 1.03
Attivazione dei dispositivi VPLOT
1. Fare doppio clic sul dispositivo VPLOT1 per aprire la pagina OrCAD Capture - [Property
Editor].
2. Scorrere verso destra finché non appaia la casella DC. Farvi clic sopra e digitare Y
all’interno.
3. Fare clic su Apply. Chiudere la schermata OrCAD Capture - [Property Editor].
4. Ripetere la procedura per gli altri dispositivi VPLOT1 e VPLOT2.
Visualizzazione dei risultati dell’analisi
Scansione in DC (DC Sweep)
Il risultato di un’analisi DC Sweep ha prodotto l’Output File del quale viene mostrata di
seguito una porzione.
*Analysis directives:
.DC LIN I_I1 1mA 1mA 1mA
.PROBE
*Alias File:
**** INCLUDING fig103-SCHEMATIC1.net ****
* source FIG103
R_R3
1 2
1k
R_R4
2 3
4k
R_R5
3 0
5k
I_I1
1 0 DC 1mA
.PLOT
DC V([2])
.PLOT
DC V([3])
.PLOT
DC V([2],[3])
****
DC TRANSFER CURVES
TEMPERATURE =
27.000 DEG C
LEGEND:
*: V(3)
I_I1
(*)----------
V(3)
-8.0000E+00
-6.0000E+00
-4.0000E+00
-2.0000E+00
0.0000E+00
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Cap1A.pmd
16
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Un generatore di corrente applicato a un circuito serie
1.000E-03 –5.000E+00 .
.
*
17
.
.
.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - *: V(2)
I_I1
(*)----------
V(2)
-1.5000E+01
-1.0000E+01
-5.0000E+00
0.0000E+00
5.0000E+00
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
1.000E-03 –9.000E+00 .
.
*
.
.
.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
I_I1
(*)----------
V(2,3)
-6.0000E+00
-4.0000E+00
-2.0000E+00
0.0000E+00
2.0000E+00
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
1.000E-03 –4.000E+00 .
*
.
.
.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
I dati indicano che è stata eseguita un’analisi DC Sweep con la sorgente di corrente I1 tenuta
fissa a 1 mA. Il file elenca i resistori, le loro connessioni nodali e i comandi PLOT per le
tensioni selezionate. Venendo ai grafici, per prima è listata la tensione V(3) con un valore di
–5 V. Viene stampato il valore numerico, e in aggiunta c’è un diagramma lineare su un intervallo che parte da –8.0000E+00 V e arriva sino a 0.0000E+00 V. Oltre all’indicazione numerica, il valore di V(3) è mostrato con un asterisco. Le tensioni V(2) e V(2,3) sono
visualizzate in maniera analoga. Con ciascuna tensione, viene riportata la corrente circuitale
di 1 mA. Essa è determinata da I1 e non dipende da nessuno degli elementi esterni che vi
sono collegati.
Questo genere di grafico “testuale” è mostrato qui solo per ragioni di interesse storico,
per far comprendere al lettore gli sforzi degli autori originali di SPICE per rendere visibili le
variabili circuitali in anni in cui i terminali grafici non esistevano ancora, o avevano costi
proibitivi. Oggi la consultazione del file di uscita è resa obsoleta da strumenti come PROBE,
che vi accedono al posto dell’utente. Può essere tuttavia utile dal punto di vista didattico
farvi riferimento, ed è spesso un valido aiuto per comprendere gli errori commessi nella
costruzione del circuito quando la simulazione non parte.
Le tensioni riportate nel file sono negative perché I1 causa un passaggio di corrente nel
circuito in senso antiorario. La corrente entra nel polo negativo di ciascun resistore ed esce
dal polo positivo. Dato che per definizione la corrente uscente da un terminale positivo è
considerata negativa dal programma PSpice, ne segue che il prodotto di una tensione negativa ai capi del resistore per una corrente negativa dà come risultato una potenza positiva.
Resta così dimostrato che i resistori assorbono potenza elettrica, come dev’essere.
Analisi in transitorio (Transient Analysis)
È stata condotta un’analisi transient con una durata di dieci secondi. Il diagramma PROBE
risultante mostra che le tracce di tensione visualizzate sono consistenti con i dati DC Sweep.
La tensione ai capi della sorgente di corrente è determinata dagli elementi esterni che vi sono
connessi, nel nostro caso dai tre resistori. L’applicazione della legge di Kirchhoff delle tensioni al percorso chiuso descritto dal circuito mostra che la tensione ai capi di I1 è pari a
10 V.
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18
Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
ANALISI PSPICE DI UN CIRCUITO PARALLELO
Legge di Kirchhoff delle correnti per i circuiti parallelo
La tensione ai capi di ciascun elemento in un circuito parallelo è la medesima. La somma
algebrica delle correnti per un circuito siffatto è di zero ampere. In alternativa, si può dire
che la somma delle correnti assorbite da tutti gli elementi circuitali è pari alla corrente del
generatore. La corrente che scorre in ciascun resistore è inversamente proporzionale alla sua
resistenza. Pertanto, il resistore più piccolo porta la corrente più grande, mentre il resistore
più grande porta la corrente più piccola. Il lettore presti attenzione al fatto che nel posizionamento
dei resistori, il loro terminale positivo sia quello più in alto. Se il resistore viene ribaltato, la
corrente che lo attraversa risulterà negativa. Definiremo la conduttanza/resistenza equivalente di un circuito parallelo.
Analizzeremo il circuito di Figura 1.04. Tutte le procedure usate nella costruzione dello
schema (Schematic) e nell’analisi del circuito sono identiche a quelle delle sezioni precedenti.
Figura 1.04
Visualizzazione dei risultati dell’analisi in transitorio
I risultati di una transient analysis da 10 secondi sono mostrati nel diagramma PROBE che
segue. Le correnti attraverso i resistori R1, R2 ed R3 sono rispettivamente 72.7 mA, 20 mA
e 7.3 mA. La loro somma, 100 mA, è numericamente uguale, ma di segno opposto, alla
Cap1A.pmd
18
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Analisi PSpice di un circuito parallelo
19
corrente attraverso V1. Quindi, come richiesto dalla legge di Kirchhoff per i circuiti parallelo, la somma algebrica delle correnti è pari a zero milliampere. Come previsto, il resistore
più piccolo, R1, con una resistenza di 330 Ω porta la corrente maggiore, 72.7 mA, mentre il
resistore più grande, R3, porta la corrente minore pari a 7.3 mA.
Conduttanza/Resistenza equivalente di un circuito parallelo
La corrente erogata da V1 è:
I(V1) = I(R1) + I(R2) + I(R3) mA
In termini della tensione sul circuito, tale equazione può essere riscritta così:
I(V1) =
V(1) V(1) V(1)
+
+
mA
R1
R2
R3
Portando V(1) a fattor comune, otteniamo
1
1 
 1
+
+
 mA
 R1 R 2 R3 
I(V1) = V(1) 
La quantità tra parentesi è definita conduttanza totale del circuito parallelo, e si indica con
la lettera G. Le sue dimensioni sono dell’inverso di una resistenza. L’unità di misura è il
siemens, con simbolo S. Il calcolo della conduttanza totale di un circuito riveste particolare
importanza in molti circuiti elettronici. Per il nostro circuito,
Gtotale = G1 + G2 + G3 S
In questo caso, Gtotale vale 4.17 mS.
Cap1A.pmd
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20
Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Il suo reciproco è la resistenza totale del circuito. Il suo valore è 240 Ω. Tale resistenza
è quella vista dal generatore di tensione V1. Se i tre resistori di Figura 1.04 fossero sostituiti
da un unico resistore da 240 Ω, la corrente erogata da V1 sarebbe identica a quella del circuito originale. La dimostrazione di questo è lasciata, com’era immaginabile, al lettore.
UN CIRCUITO SERIE-PARALLELO
Cosa c’è di nuovo?
1. Un circuito serie-parallelo con più sorgenti
2. Verifica delle leggi di Kirchhoff delle correnti e delle tensioni
3. Analisi del punto di lavoro (Bias Point Analysis)
Man mano che la complessità dei circuiti cresce, i vantaggi di PSpice diventano presto evidenti. Circuiti con più generatori spesso richiedono tecniche analitiche avanzate come la
sovrapposizione degli effetti per ricavare una soluzione. Con PSpice, la complessità circuitale
crescente implica semplicemente uno Schematic più complicato. Analizziamo il circuito in
Figura 1.05.
Figura 1.05
Useremo un’analisi del punto di lavoro (Bias Point) per ricavare tutti i potenziali di nodo, le
correnti nei generatori e la dissipazione di potenza totale (total power dissipation) del
circuito. Dopo aver terminato di costruire lo schema circuitale, fare clic su PSpice e su New
Simulation Profile. Nella finestra New Simulation, inserire un numero e premere Create.
Nella finestra Simulation Settings, andare su Analysis type, scorrere sino a Bias Point e
selezionarlo. Nella casella Options, subito sotto ad Analysis type, selezionare Save Bias
Point. Nella casella di testo Save bias information in filename, inserire un nome per il file
in cui verranno salvati i risultati2, quindi confermare con OK. Dal menu PSpice, fare clic su
Run. Fare clic su View e a seguire su Output File. I risultati dell’analisi sono stampati nel
file visualizzato, di cui presentiamo qui un estratto:
****
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION
NODE
VOLTAGE
(
1)
12.0000
NODE
VOLTAGE
(
2)
4.7273
TEMPERATURE =
27.000 DEG C
NODE
VOLTAGE
(
3)
8.0000
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME
CURRENT
V_V1
-3.636E-02
2 Attenzione
a non confondere questo file, che contiene esclusivamente i potenziali di nodo, con il file
di uscita di cui si parla poco dopo, che contiene invece tutte le informazioni generate dalla simulazione. [N.d.T.]
Cap1A.pmd
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Sorgenti pilotate
21
V_V2
-1.091E-02
TOTAL POWER DISSIPATION
5.24E-01
WATTS
V(1) e V(3) sono i potenziali di nodo generati da V1 e V2. Il nodo 2 si trova a 4.7273 V.
Poiché questo potenziale è minore sia di quello del nodo 1 sia di quello del nodo 3, entrambe
le correnti di sorgente scorrono verso il nodo 2. La loro somma, 47.27 mA, scorre attraverso
R3 e dà luogo a una caduta di tensione di 4.7273 V. Questo conferma che la somma algebrica
delle correnti nel nodo 2 è pari a zero, come affermato dalla legge di Kirchhoff delle correnti.
Se consideriamo le tensioni lungo un qualunque cammino chiuso del circuito, la loro
somma algebrica deve risultare pari a zero volt. Cominciamo al nodo 0, saliamo attraverso
V1, di seguito andiamo dal nodo 1 al nodo 2, e dal nodo 2 torniamo al nodo 0.
Si ha: V(0) + V(0,1) + V(1,2) + V(2) = 0 V
Sostituendo: 0 V + (–12 V) + (12 – 4.727) V + 4.727 V = 0 V
Questo conferma la legge di Kirchhoff delle tensioni. Il lettore è invitato a provare altri
percorsi chiusi per verificare ulteriormente la legge. L’analisi è stata condotta a 27 °C
(27.000 DEG C). Vedremo successivamente come si possa cambiare questa temperatura e
influenzare il comportamento di un circuito.
SORGENTI PILOTATE
Una sorgente di tensione controllata in tensione
Cosa c’è di nuovo?
1. L’uso di un generatore di tensione pilotato in tensione
2. Rotazione e immagine speculare di una sorgente pilotata
Le sorgenti di tensione e corrente usate finora avevano tensioni e correnti ai morsetti indipendenti da qualunque elemento circuitale vi fosse connesso. Tali sorgenti vengono definite
indipendenti. Esistono sorgenti di tensione e corrente le cui tensioni e correnti dipendono da
qualche altra tensione o corrente in un punto diverso del circuito. Queste sorgenti vengono
definite dipendenti3. Ve ne sono di quattro tipi:
Nome della sorgente
Current-controlled current source (CCCS)
Sorgente di corrente controllata in corrente
Current-controlled voltage source (CCVS)
Sorgente di tensione controllata in corrente
Voltage-controlled current source (VCCS)
Sorgente di corrente controllata in tensione
Voltage-controlled voltage source (VCVS)
Sorgente di tensione controllata in tensione
3
Cap1A.pmd
Simbolo PSpice
F
H
G
E
Spesso, con identica valenza, vengono usati i termini pilotate, comandate, e controllate. [N.d.T.]
21
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
PSpice rende possibile un considerevole risparmio di tempo e di fatica nell’analisi dei circuiti contenenti generatori pilotati, rispetto all’uso dei metodi analitici tradizionali. Inoltre,
molti dispositivi allo stato solido possono essere modellati per mezzo di sorgenti dipendenti.
Pertanto, la modellazione di sorgenti dipendenti è uno strumento importante nell’analisi di
circuiti che contengano tali dispositivi. Cominciamo la nostra analisi con il circuito mostrato
in Figura 1.06.
Lo schema contiene una sorgente di tensione controllata in tensione. Notare la lettera E
vicino al simbolo della sorgente. La tensione di controllo è il potenziale del nodo 2. I terminali di controllo sono connessi ai capi di R4, proprio come si potrebbe collegare un voltmetro.
Il potenziale del nodo 3 è la tensione controllata. Il guadagno (GAIN) diretto di tensione
della sorgente E è definito come il rapporto adimensionato tra la tensione ai morsetti controllati e la tensione ai morsetti di controllo. In questo circuito, la sorgente E ha un guadagno
di tensione pari a 100. Poiché la tensione di pilotaggio vale circa 20 mV, dovremmo ottenere
circa 2 V per la tensione al nodo 3.
Figura 1.06
Per prelevare la sorgente E:
1. Nella finestra di dialogo Place Part, selezionare ANALOG dalla casella Libraries.
2. Fare clic nella casella Part e digitare E, oppure scorrere fino a E nella lista sottostante e
selezionarla.
3. Confermare con OK; il simbolo E apparirà sullo schermo.
4. Spostarlo nella posizione desiderata e fare clic per collocarlo sullo schema.
5. Fare clic con il tasto destro, quindi scegliere End Mode dal menu contestuale per terminare la collocazione.
6. Completare il circuito come da procedure descritte in precedenza.
Rotazione e immagine speculare della sorgente E
La sorgente E può essere ruotata nello stesso modo in cui vengono ruotati i resistori. In
aggiunta a ciò, se si desiderasse ottenere l’immagine speculare della sorgente E, procedere
come segue:
1. Fare clic sulla sorgente E per selezionarla.
2. Dal menu Edit, fare clic su Mirror. Compaiono le seguenti opzioni:
HORIZONTALLY
H
VERTICALLY
V
BOTH
Scegliere se si vuole riflettere il componente in senso orizzontale, verticale, o su entrambi
gli assi.
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Sorgenti pilotate
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Faremo girare un’analisi di Bias Point per ricavare tutti i potenziali di nodo, la corrente
di sorgente e la DISSIPAZIONE DI POTENZA TOTALE del circuito. Al termine della costruzione dello schema circuitale, aprire un nuovo profilo di simulazione (New Simulation
Profile), quindi scegliere Bias Point e Save Bias Point nella finestra Simulation Settings,
come mostrato di seguito.
Fare clic su OK. Avviare l’analisi. I dati prodotti sono riassunti qui sotto.
Potenziale del nodo 1
.02 V
Potenziale del nodo 2
.019 V
Potenziale del nodo 3
1.98 V
Potenziale del nodo 4
1.49 V
Corrente di sorgente
–.20 µA
DISSIPAZIONE DI POTENZA TOTALE
.004 µW
Dai dati notiamo che V(2) è .019 V mentre V(3) vale 100 volte tanto, a causa del guadagno
della sorgente E. La tensione ai capi di R2 vale
V(3)–V(4) = 1.98 V–1.49 V = .49 V
Ciò rende la corrente in R2 pari a .98 mA. Questa corrente è molto più grande di quella
erogata da V1. L’amplificazione di corrente è dovuta al guadagno di tensione della sorgente
E. Un simile aumento nella corrente è tipico dei circuiti di amplificazione contenenti transistori bipolari (BJT, Bipolar Junction Transistors). La sorgente E potrebbe rappresentare un
modello per tali dispositivi.
La DISSIPAZIONE DI POTENZA TOTALE di .004 µW elencata in tabella è quella di
V1. Moltiplicando la CORRENTE DI SORGENTE di .20 µA per gli .02 V di tensione di V1
si ottiene la potenza erogata da V1. Una DISSIPAZIONE DI POTENZA TOTALE positiva
sta a indicare che V1 sta cedendo potenza. Una DISSIPAZIONE DI POTENZA TOTALE
negativa significherebbe che V1 sta assorbendo potenza.
Cap1A.pmd
23
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24
Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Una sorgente di corrente controllata in corrente
Cosa c’è di nuovo?
1. L’impiego di un generatore di corrente comandato in corrente
2. L’uso di WATCH1
3. L’uso di più assi Y
Analizzeremo il circuito mostrato in Figura 1.07. La corrente attraverso R2 o R3 controlla la
corrente erogata dalla sorgente F verso il nodo zero. I morsetti di controllo e quelli controllati della sorgente F sono collegati nel circuito come quelli di un amperometro. Il guadagno
diretto di corrente della sorgente F è definito come il rapporto adimensionato tra la corrente
erogata dai morsetti controllati e la corrente nei morsetti di controllo. Nel nostro caso, poniamo tale rapporto pari a 100.
Figura 1.07
Il guadagno della sorgente F si regola (così come per la sorgente E già vista) facendo doppio
clic sul suo simbolo. Si apre la finestra di dialogo OrCAD Capture - [Property Editor]
mostrata più avanti. Scorrere sino alla casella GAIN e fare clic all’interno. Digitare 100.
Questo imposterà il guadagno della sorgente F. Senza cambiare la selezione, che deve restare sulla casella GAIN, fare clic su Display per aprire la finestra di dialogo Display Properties.
Fare clic su Name and Value, per scegliere di visualizzare accanto al simbolo della sorgente
F il nome e il valore del suo parametro GAIN. Confermare con OK; la finestra Display
Properties si chiude.
Cap1A.pmd
24
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Sorgenti pilotate
25
Nella finestra Property Editor, fare clic su Apply. Fare clic sulla X di chiusura nell’angolo
in alto a destra (non quella più in alto, che chiuderebbe l’intero programma Capture, ma
quella appena sotto) per uscire dal Property Editor. Sullo schema circuitale apparirà la
legenda GAIN = 100 accanto alla sorgente F1.
Il nuovo simbolo introdotto nella Figura 1.07, WATCH1, permette la stampa di sino a
tre tensioni circuitali in un’analisi DC Sweep, TRANSIENT oppure AC Sweep. Quest’ultima verrà trattata in capitoli successivi. Per collocare WATCH1, nella finestra di dialogo
Place Part, selezionare SPECIAL dalla lista Libraries. Fare clic su WATCH1 per selezionarlo, quindi su OK. Piazzare il dispositivo nelle posizioni desiderate.
Per attivare WATCH1, fare doppio clic sul suo simbolo. Si apre la finestra di dialogo
OrCAD Capture - [Property Editor]. Scorrere fino alla casella ANALYSIS. Inserire il
tipo di analisi richiesto, nel nostro caso digitare TRAN. Scorrere alle caselle LO e HI.
Inserire i valori estremi stimati per le tensioni da registrare. L’autore ha usato 0 V per LO e
–5 V per HI. Chiudere il Property Editor, e ripetere per gli altri due dispositivi. Avviare
l’analisi TRANSIENT. Condurremo un’analisi in transitorio della durata di 10 s. I risultati
generati dall’analisi sono mostrati nell’Output File4.
Nodo 1
.1000 V
Nodo 2
.0971 V
Nodo 3
.0583 V
Nodo 4
.0583 V
Nodo 5
–3.7888 V
Il nodo 1 mostra la tensione della sorgente V1. Il suo valore è .1 V. La tensione V(2) è
prossima a tale valore a causa del partitore di tensione quasi unitario formato dai resistori
(R7 // (R2 + R3)) e dal resistore R1. La tensione V(3) è ulteriormente diminuita dal partitore
di tensione formato da R3 ed R2. La tensione V(4) è identica a V(3) perché non c’è differenza di potenziale ai capi dei terminali di controllo della sorgente F. Di particolare interesse
risulta la tensione V(5). Il suo valore di –3.7888 V è determinato dalla corrente attraverso la
sorgente F e gli elementi circuitali che a essa sono connessi. Se la resistenza di R4, R5 o R6
dovesse cambiare, la corrente controllata attraverso la sorgente F non muterebbe: cambierebbe la tensione ai capi dei suoi terminali controllati. Il segno negativo di V(5) è dovuto al
verso della corrente, che esce dalla sorgente F e scorre verso il basso entrando nel nodo 0.
Questo forza la corrente nei resistori R4, R5 ed R6 a scorrere dal nodo 0 verso il nodo 5.
Possiamo visualizzare sia le tensioni nel circuito sia le correnti in un unico diagramma
di PROBE usando più assi delle ordinate. Per ottenere il secondo asse Y:
1. Fare clic su Plot.
2. Fare clic su Add Y Axis. L’asse Y aggiunto apparirà sul diagramma di PROBE. Il simbolo >> vicino a un asse delle ordinate denota quello attivo. Per cambiare l’asse Y attivo, fare clic su di un altro. Il simbolo >> si sposterà sull’altro asse delle ordinate.
4
Poiché sono stati usati i Watch, la simulazione si ferma più volte durante l’esecuzione per permettere
all’utente di ispezionare il contenuto delle variabili in osservazione (Watch Variables). A ogni pausa,
occorre farla ripartire usando i tasti Run (freccia blu diretta verso destra, come nel tasto Play dei
registratori) oppure Pause (doppia sbarretta rossa verticale, subito a destra del tasto Run) nella barra
degli strumenti della finestra SCHEMATIC1-1 - OrCAD PSpice A/D Demo. [N.d.T.]
Cap1A.pmd
25
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26
Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
3. Usare il menu Trace per selezionare le variabili che si desidera tracciare. Il grafico di
PROBE mostrato ha due assi Y. L’asse delle tensioni è indicato come 1 e l’asse delle
correnti come 2.
Le tensioni di nodo mostrate hanno gli stessi valori riscontrati nell’Output File. La somma
delle correnti attraverso i resistori R4, R5 ed R6 è pari alla corrente attraverso i terminali
controllati di F. Il suo valore è di –3.8835 mA, come si può determinare usando il cursore A1
piazzato per esempio a t = 4 s. La corrente attraverso i terminali di controllo è elencata
nell’Output File con il valore 3.884E-05 A. Pertanto il rapporto tra corrente controllata e
controllante è di 100, pari al guadagno di corrente della sorgente F.
EFFETTO DI CARICO DEI VOLTMETRI NEI CIRCUITI
Un voltmetro misura le tensioni sugli elementi circuitali, per esempio sui resistori. Collocando un voltmetro ai capi di un resistore, si crea un circuito parallelo nel quale la resistenza
del resistore è in parallelo alla resistenza d’ingresso o impedenza d’ingresso del voltmetro.
Idealmente, l’impedenza d’ingresso di un voltmetro dovrebbe essere infinita. Questo
assicurerebbe che la misura della tensione ai capi di un resistore non introduca nessun cambiamento nel circuito. In pratica, ci si può solo avvicinare a questo ideale. Tipicamente, i
tester o multimetri analogici (MMA)5 hanno una costante di sensibilità di 20000 Ω/V. Questo significa ad esempio che se si adopera la portata 10 V di un multimetro di questo tipo per
misurare una tensione, si collocherà una resistenza di 200 kΩ in parallelo all’elemento la cui
tensione è oggetto di misura.
Al contrario, i multimetri digitali (MMD)6 hanno un’impedenza d’ingresso di circa 10 MΩ
indipendentemente dalla portata impiegata. Useremo PSpice per ricavare l’effetto dei due
tipi di multimetro su circuiti con differenti valori di resistenza. Non sono richiesti nuovi
dispositivi, comandi o procedure di PSpice per le analisi che seguono.
5
6
Cap1A.pmd
Volt-ohm-ammeters, o per brevità VOM, in inglese. [N.d.T.]
Digital Multimeters, o DMM, in inglese. [N.d.T.]
26
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Effetto di carico dei voltmetri nei circuiti
27
Figura 1.08
Misure su circuiti a bassa resistenza con MMA e MMD
Per il circuito in Figura 1.08, si richiede di misurare la tensione su R2 prima con un MMA
quindi con un MMD. Per selezionare la scala corretta per il tester analogico, calcoliamo che
la tensione teorica ai capi di R2 è pari a 5 V a causa del partitore di tensione formato da R1
ed R2. Selezionando quindi la portata da 10 V per il tester si collocano 200 kΩ in parallelo
alla resistenza da 1 kΩ di R2. L’uso di un’analisi DC Sweep fornisce 4.98 V come valore di
tensione ai capi di R2.
In seguito sostituiamo l’MMA con un multimetro digitale. Qualunque sia la portata usata,
la sua impedenza d’ingresso è 10 MΩ. Questa resistenza va in parallelo alla resistenza da 1 kΩ di
R2. Facendo nuovamente girare l’analisi DC Sweep si ottengono 5 V per la tensione su R2.
Misure su circuiti ad alta resistenza con MMA e MMD
Misuriamo ora la tensione ai capi di R2 nella Figura 1.09. Di nuovo, il valore teorico è 5 V.
Scegliamo per l’MMA la portata da 10 V. La sua impedenza, o resistenza, d’ingresso di
200 kΩ è in parallelo ai 100 kΩ di R2. Usando un’analisi DC Sweep, otteniamo 3.64 V di
tensione ai capi di R2.
Figura 1.09
Sostituiamo quindi il tester analogico con uno digitale. La sua impedenza d’ingresso di 10 MΩ
va adesso in parallelo ai 100 kΩ di R2. Per mezzo di un’analisi DC Sweep troviamo il
valore di 4.96 V per la tensione ai capi di R2.
I risultati delle analisi sono riassunti nella tabella seguente:
Cap1A.pmd
Strumento usato
R2
V(2) ideale
V(2) misurata
Variazione %
MMA
MMD
MMA
MMD
1 kΩ
1 kΩ
100 kΩ
100 kΩ
5V
5V
5V
5V
4.98 V
5.00 V
3.64 V
4.96 V
–.4
0.0
–27.2
–.8
27
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28
Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Da questi dati, è evidente che quando i due multimetri sono stati usati per misurare la tensione su R2 nel circuito di Figura 1.08, l’errore di misura è stato trascurabile per il tester analogico e inesistente per quello digitale. Tuttavia, nella Figura 1.09, l’uso del multimetro analogico collocato in parallelo ai 100 kΩ di R2 ha dato come risultato una riduzione del 27.2 %
in V(2). Ciò è chiaramente inaccettabile. Di contro, l’errore di misura introdotto dal MMD è
stato limitato a una riduzione dello 0.8 %.
I circuiti elettrici di potenza hanno generalmente bassi valori di resistenza. Pertanto,
l’uso di voltmetri analogici dà luogo a errori di misura modesti. Tuttavia, i circuiti elettronici
hanno spesso valori di resistenza elevati; ne segue che un tester analogico non può essere
usato senza introdurre errori di misura inaccettabili. In tali circuiti, è indispensabile l’utilizzo di multimetri digitali con elevata impedenza d’ingresso.
ANALISI PARAMETRICA
Cosa c’è di nuovo?
1. L’uso di un resistore variabile Rvar con valori Rval
2. La scansione parametrica, Parametric Sweep
3. Grafici di PROBE selettivi
La Figura 1.10a rappresenta un partitore di tensione. Viene usato spesso per regolare la
tensione d’uscita di un sistema elettrico. Un esempio che viene subito in mente è il controllo
di volume degli apparecchi radio o TV.
La Figura 1.10b contiene un resistore variabile, etichettato Rval. Richiederemo che cambi
la sua resistenza da 100 Ω a 2100 Ω a passi di 400 Ω. Il programma PSpice eseguirà i calcoli
in maniera iterativa per ciascuno dei valori concordati in Rval. Dati il range di Rval e il
valore d’incremento scelto, PSpice dovrà eseguire sei simulazioni. A completamento dell’analisi, PROBE permette di visualizzare per una data variabile, come ad esempio V(2),
tutte le tracce corrispondenti a ciascun valore di resistenza di Rval. Possiamo anche specificare che il valore di V(2) sia diagrammato solo per una particolare simulazione.
Costruzione del circuito
1. Prelevare la sorgente di tensione V1 e piazzarla. Regolarne la tensione a 10 V. Prelevare
il primo resistore R1 e piazzarlo.
2. Sempre dalla libreria ANALOG, prelevare il secondo resistore R2 e piazzarlo.
3. Cablare il circuito ed etichettare i nodi.
4. Fare doppio clic sul valore di resistenza di 1 kΩ relativo a R2. Si apre la finestra Display
Properties.
5. In essa, rimpiazzare 1k con {Rval}. Le parentesi graffe7 sono obbligatorie! Confermare
con OK.
7
Sulle tastiere italiane dei PC attuali, dove di solito non sono indicate nelle serigrafie, le parentesi
graffe si possono ottenere premendo simultaneamente AltGr-Shift-[ per la graffa aperta, e AltGr-Shift] per la graffa chiusa (si noti infatti che AltGr-[ e AltGr-] danno rispettivamente la parentesi quadra
aperta e quella chiusa: aggiungendo ancora il tasto delle maiuscole, Shift, si hanno le parentesi graffe). Nel caso questo metodo non funzioni, si può ottenere il carattere “{” tenendo premuto il tasto Alt
e digitando 123 sul tastierino numerico, e il carattere “}” tenendo premuto il tasto Alt e digitando 125
sul tastierino numerico. [N.d.T.]
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Analisi parametrica
29
6. Dalla libreria SPECIAL, scegliere PARAM, fare clic su OK e collocarlo in un’area
libera dello schermo.
7. Farvi doppio clic sopra, aprendo il foglio Property Editor. Creare una nuova colonna
facendo clic su New Column.
8. Nella casella Name della finestra di dialogo Add New Column, digitare Rval senza le
parentesi graffe. Fare clic su OK. Nel foglio Property Editor appare una nuova colonna intestata Rval.
9. In questa colonna, inserire il valore iniziale di Rval, 100 Ω.
10. Senza muovere la selezione (non si deve premere Invio dopo aver digitato 100) fare clic
su Display.
11. Nella finestra Display Properties, selezionare Name and Value, confermando con OK.
12. Fare clic su Apply per aggiornare con tutti i cambiamenti apportati. Chiudere il foglio
delle proprietà Property Editor.
Figura 1.10a
Figura 1.10b
Dopo aver completato il passo 12, il circuito apparirà come mostrato nella Figura 1.10b.
Avvio dell’analisi
Useremo un’analisi parametrica combinata con un’analisi in transitorio della durata di
10 s. I parametri vanno inseriti come mostrato.
1. Dal menu PSpice, selezionare New Simulation Profile.
2. Nella casella di testo Name della finestra New Simulation, digitare parametrica. Fare
clic su Create. Si apre la finestra di dialogo Simulation Settings.
3. Inserire i parametri dell’analisi transient come mostrato di seguito.
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30
Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
4. Nella casella Options, sotto ad Analysis type, selezionare Parametric Sweep (accertarsi che compaia il segno di spunta nella casella rettangolare a sinistra).
5. In Sweep variable, fare clic su Global parameter.
6. Inserire i valori richiesti per la scansione parametrica come mostrato qui sopra.
7. Fare clic su OK per ritornare alla schermata di Schematic.
8. Dal menu PSpice, scegliere Run per lanciare l’analisi. Compare la lista delle simulazioni disponibili Available Sections.
9. Per vedere tutte le tracce (default), premere All.
10. Fare clic su OK. Si apre la finestra di PROBE.
11. Aggiungere la traccia di V(2) per vedere tutti i valori di V(2) corrispondenti ai diversi
valori di Rval.
Visualizzazione dei risultati dell’analisi
Il diagramma di PROBE mostra la tensione V(2) per ciascun valore di Rval.
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Analisi parametrica
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Abbiamo la possibilità di scegliere quali tracce devono essere disegnate. Per esempio, se
desiderassimo vedere solo il risultato della terza simulazione, scriveremmo V(2)@3 nella
casella Trace Expression della finestra di dialogo Add Traces. Sul diagramma di PROBE
apparirebbe soltanto questa traccia. Per confrontare la prima e l’ultima simulazione, scriveremmo V(2)@1 V(2)@6. Verrebbero disegnate solo queste due tracce.
Il file di uscita
Per comodità di riferimento, elenchiamo di seguito i valori di V(2) stampati nell’Output
File.
Rval (Ω)
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31
V(2) (V)
100
.90
500
3.33
900
4.73
1300
5.65
1700
6.29
2100
6.77
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
PROBLEMI
1.1 Il circuito raffigurato consiste di cinque resistori in serie. Trovare la tensione su ciascuno di essi e la corrente del circuito.
Problema 1.1
1.2 Il circuito mostrato rappresenta l’armatura di una macchina in corrente continua. Trovare e stampare le tensioni su tutti i resistori e le differenze di potenziale tra le coppie
di nodi 8-2 e 5-11. Trovare e stampare la corrente di armatura. Tutti i resistori hanno
una resistenza di .5 Ω.
Problema 1.2
1.3 Il voltmetro Simpson 260 ha portate di tensione di 10 V, 50 V e 100 V. Il voltmetro ha
una sensibilità di corrente pari a 50 µA o 20 kΩ/V. Si intende usare la portata 10 V
per misurare la tensione ai capi di R2. Determinare l’impedenza offerta dal voltmetro.
Calcolare il valore teorico di tale tensione. Eseguire un’analisi PSpice per ottenere la
tensione su R2. Confrontare il valore misurato con quello teorico; calcolare la differenza % tra i due, usando la tensione teorica come riferimento.
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Problemi
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Problema 1.3
1.4 Si usano ancora il voltmetro e il circuito del Problema 1.3. Tuttavia, per determinare
la tensione ai capi di R2 viene impiegata la portata 50 V del tester Simpson. Calcolare il nuovo valore dell’impedenza del voltmetro. Eseguire un’analisi PSpice per ricavare la tensione ai capi di R2. Confrontare la nuova lettura con quella ottenuta prima.
Quale delle due letture è più vicina alla tensione teorica ai capi di R2 e perché? Quale
delle due letture riflette un maggior “effetto di carico” del Simpson 260 sul circuito?
Problema 1.4
1.5 Il circuito disegnato è formato da due generatori fissi di tensione V1 e V2, le loro
resistenze di sorgente e un resistore di carico, tutti collegati in serie. Usare il programma PSpice per stampare tutte le tensioni sui componenti e i potenziali di nodo,
oltre alla corrente che scorre nel circuito.
Problema 1.5
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
1.6 Questo problema usa lo stesso circuito del Problema 1.5. Tuttavia, la sorgente di
tensione V2 cambia il suo valore da 138.6 kV a 138.2 kV a passi di 20 V. Usare PROBE
per stampare e tracciare tutte le tensioni e la corrente risultanti da tale variazione di
tensione. Per quale tensione V2 la corrente cambia verso? Come cambia il flusso di
potenza delle due sorgenti di tensione al variare della tensione V2? Il verso del flusso
di potenza ai resistori cambia?
1.7 V1 è una sorgente di tensione DC da 9 V e I1 è una sorgente di corrente. Può essere
variata da 1 A a 2 A con passo .1 A. Il resistore R1 ha una potenza massima dissipabile
di 20 W. Trovare la massima corrente permissibile in questo circuito sulla base del
dato di targa del resistore. Inoltre, per tale corrente, qual è la potenza trasferita a R1
da V1 e da I1?
Problema 1.7
1.8 Un resistore da 1200 Ω con una potenza massima di 1 W e un resistore da 470 Ω con
una potenza massima di .25 W sono collegati in serie a una sorgente di tensione DC
variabile. Per fare in modo che il resistore da 470 Ω non debba dissipare una potenza
eccessiva, la tensione massima ai suoi capi dev’essere contenuta entro i 10 V. Trovare
il massimo valore accettabile per la sorgente di tensione d’ingresso Vin.
Problema 1.8
1.9 Si realizza un voltmetro mettendo un movimento d’Arsonval con una sensibilità di
1000 Ω/V in serie a un resistore di scala da 9 kΩ. Progettare una simulazione PSpice
in grado di determinare la massima tensione che può essere misurata con questo voltmetro
(suggerimento: si ricordi che l’inverso della sensibilità espressa in Ω/V dà la corrente
massima sopportabile dal movimento).
1.10 Le sorgenti di tensione V1 e V2 e il resistore Rcarico sono connessi in serie. V1
cambia la sua tensione da 5 V a 20 V a passi di 1 V.
Usando PROBE, ricavare quanto segue:
a) Qual è la tensione ai capi di Rcarico per V1 = 5 V, 15 V e 20 V?
b) Confrontare modulo e verso della corrente delle sorgenti con modulo e verso
della corrente attraverso Rcarico.
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Problemi
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Problema 1.10
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
Che cosa indica il verso della corrente delle sorgenti?
Ricavare la potenza su Rcarico per V1 = 10 V, 15 V e 20 V.
La potenza sul resistore è sempre positiva?
Quand’è che tale potenza è massima, e quando è minima?
Ricavare il flusso di potenza da V1 e V2 per V1 = 10 V, 15 V e 20 V.
Per V1 < 15 V, quale sorgente di tensione eroga potenza, quale la assorbe?
Per V1 = 15 V, qual è la potenza di V1, V2 ed Rcarico?
Per V1 > 15 V, quale sorgente di tensione assorbe potenza, quale la eroga?
1.11 Per
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
il circuito raffigurato, determinare quanto segue:
La corrente che percorre ciascun resistore
La corrente totale del circuito
La conduttanza totale del circuito
La resistenza totale del circuito
La potenza dissipata da ciascun resistore
La potenza totale erogata dalla sorgente di tensione
Eseguire un bilancio energetico che metta a confronto la potenza impiegata dai
resistori con la potenza fornita dalla sorgente di tensione.
h) Quale resistore consuma la minor quantità di potenza?
i) Quale resistore consuma la maggior quantità di potenza?
Problema 1.11
1.12 Per il circuito mostrato, fare quanto segue:
a) Trovare la corrente in ciascun resistore.
b) Spiegare le convenzioni di segno per le correnti.
c) Verificare la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo.
d) Trovare la tensione del circuito e motivarne il segno.
e) Trovare la resistenza del circuito vista dalla sorgente di corrente.
f) Che nome si dà a tale resistenza?
g) Trovare la potenza trasferita a ciascun resistore e confrontarla con la potenza
erogata dalla sorgente di corrente I1.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Problema 1.12
1.13 La sorgente di corrente I1 può variare la sua corrente da 50 mA a 300 mA a passi di
10 mA. Tutti i resistori hanno una potenza massima di 2 W. Trovare la massima corrente permessa per I1. Suggerimento: il resistore più piccolo assorbirà la potenza più
elevata. Fare in modo che nessun resistore debba dissipare più della sua potenza massima. In corrispondenza alla massima corrente permessa per I1, qual è la tensione ai
capi dei resistori?
Problema 1.13
1.14 Nel circuito mostrato, la sorgente di tensione V1 può variare tra 0 V e 50 V a passo
1 V. Data la potenza massima dei resistori di .5 W, trovare la massima tensione
permissibile per V1. Quale resistore limita V1 a tale valore?
Problema 1.14
1.15 Dato il circuito mostrato:
a) Trovare la corrente in ciascuno dei resistori.
b) Trovare la potenza su ciascun resistore.
c) Verificare la legge di Kirchhoff delle correnti.
d) Il resistore R3 si guasta, diventando un circuito aperto. Trovare tutte le correnti
del circuito e la potenza su ciascun resistore.
e) Dopo che R3 è stato riparato, il resistore R1 va in cortocircuito. Trovare nuovamente tutte le correnti e la potenza su ciascuno dei resistori.
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Problemi
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Problema 1.15
1.16 Progettare un riscaldatore che fornisca una potenza termica totale di 1200 W. Il progetto deve consistere in un numero adeguato di resistori da 200 Ω, ciascuno in grado
di dissipare 200 W. Trovare la tensione di sorgente richiesta. Scegliere un fusibile
adatto che limiti la corrente totale a un valore di sicurezza (è sufficiente indicare la
corrente di rottura del fusibile). Usare PSpice per implementare e verificare il progetto.
Problema 1.16
1.17 I2 è una sorgente di corrente in grado di variare la sua corrente da 1 mA a 40 mA a
passi di 1 mA. I1 è una sorgente di corrente fissa con una corrente di 20 mA.
a) Trovare il valore delle correnti nei resistori al variare di I2 nel campo specificato.
b) Qual è il modulo delle correnti nei resistori quando I2 = 20 mA?
c) Come cambia il verso delle correnti nei resistori al variare di I2 nel campo specificato?
d) Qual è la minima potenza assorbita dai resistori?
e) In corrispondenza a che valore di corrente I2 si ha la potenza minima del punto
precedente?
f) Per quale valore di I2 la potenza su R2 risulta pari a 400 mW?
g) Quando la corrente attraverso I2 vale 20 mA, qual è la potenza erogata o assorbita da I1 e I2?
h) Qual è il verso della potenza (uscente o entrante) per le due sorgenti di corrente
quando I2 < 20 mA?
i) Qual è il verso della potenza per le due sorgenti di corrente quando I2 > 20 mA?
Problema 1.17
1.18 Un tester analogico progettato da uno studente ha una sensibilità di 1000 Ω/V e tre
portate da 15 V, 150 V e 1000 V. Viene impiegato per misurare la tensione ai capi di
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
un resistore da 180 kΩ. Usare PSpice per ricavare l’errore di misura, espresso come
deviazione percentuale, introdotto da questo strumento.
Problema 1.18
1.19 Per il circuito in figura, trovare tutte le tensioni nodali e la corrente attraverso ogni
resistore. Verificare la legge di Kirchhoff delle tensioni per un percorso chiuso appartenente al circuito. Per un nodo a scelta del lettore, verificare la legge di Kirchhoff
delle correnti. I dati d’uscita si possono ottenere sia dall’Output File sia da un diagramma PROBE.
Problema 1.19
1.20 Per il partitore di corrente mostrato, trovare tutti i potenziali nodali rispetto alla massa. Ricavare la corrente in ciascun resistore (ad esempio dalla rispettiva traccia PROBE).
Determinare la resistenza totale vista dalla sorgente di corrente I1.
Problema 1.20
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Problemi
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1.21 Questo circuito rappresenta l’equivalente dell’armatura di una macchina in corrente
continua. Trovare tutti i potenziali di nodo e le correnti attraverso ciascun resistore.
Da questi valori, calcolare la potenza totale erogata al circuito dalle quattro batterie.
Problema 1.21
1.22 Il circuito comprende sia una sorgente indipendente di tensione sia una di corrente.
Trovare la tensione di ciascun nodo, le differenze di potenziale su tutti i resistori e le
rispettive correnti. Quali sono le potenze erogate dalla sorgente di tensione e da quella di corrente?
Problema 1.22
1.23 Il circuito ha due sorgenti di corrente indipendenti. Trovare tutti i potenziali di nodo,
oltre alle tensioni e correnti di tutti i resistori. Ricavare l’assorbimento totale di potenza del circuito e la potenza erogata da ciascuna sorgente di corrente. Verificare la
legge di Kirchhoff delle tensioni per tutti i percorsi chiusi del circuito. Verificare la
legge di Kirchhoff delle correnti per almeno tre nodi a scelta.
Problema 1.23
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
1.24 V1 varia da –20 V a 20 V a passi di 1 V. Ricavare i dati di uscita numerici e grafici per
la tensione e la corrente di R3.
Problema 1.24
1.25 Il circuito dato contiene una sorgente di tensione fissa V1 e una sorgente di corrente
I1 che può variare la sua corrente da –20 mA a 20 mA in passi di 2 mA. Trovare tutti
i potenziali di nodo e diagrammare la tensione ai capi di R4 in funzione della corrente I1.
Problema 1.25
1.26 V1 è una sorgente di tensione fissa da 125 V. V2 è un generatore variabile che può
cambiare la sua tensione da 110 V a 130 V a passi di 1 V. Trovare il campo ammissibile della tensione V2 per mantenere la tensione ai capi di R6 tra 35 V e 36 V. Ricavare dati d’uscita grafici e numerici per tale tensione.
Problema 1.26
1.27 Il circuito ha una sorgente di tensione indipendente V3. La sua tensione è libera di
variare da 1 mV a 10 mV a passo 1 mV. Il circuito ha inoltre una sorgente di tensione
dipendente E1, con un guadagno di tensione diretto pari a 260. I suoi terminali controllati sono connessi ai capi della serie tra R3 ed R5. Trovare le tensioni di nodo
V(3) e V(4) quando la sorgente V3 vale 6 mV. Trovare il rapporto V(3)/V(2) per tale
valore di V3.
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Problemi
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Problema 1.27
1.28 V1 varia da 100 mV a 200 mV in passi di 5 mV. Una sorgente di corrente controllata
in tensione G1 con una transconduttanza (rapporto tra la corrente generata e la tensione di controllo) di 20 mS genera una corrente in risposta alla tensione ai capi di R3.
Questo circuito può essere usato come modello per un amplificatore, con la sorgente
G che rappresenta un BJT. Trovare quanto segue:
a) Il valore della corrente della sorgente G quando V1 = 100 mV, 160 mV e 200 mV.
b) Determinare il rapporto V(3)/V(1).
c) Che segno ha tale rapporto e perché?
Problema 1.28
1.29 Il circuito contiene una sorgente di tensione indipendente V1 e due sorgenti di tensione controllate in tensione. Entrambe hanno guadagno di tensione pari a 2. Trovare la
tensione nodale V(2) e le correnti in tutti i resistori.
Problema 1.29
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
1.30 Il circuito ha una sorgente di tensione indipendente V1 e una sorgente di corrente
controllata in corrente F1. Il guadagno diretto di corrente di quest’ultima è pari a
125. La corrente di controllo scorre attraverso V1. Trovare tutti i potenziali di
nodo e le correnti attraverso F1, R2 ed R3. Ricavare il guadagno di tensione di
questo circuito, definito come V(2)/V(1,3). Verificare che il guadagno di corrente
di F1 è 125.
Problema 1.30
1.31 Il circuito mostrato ha due sorgenti di tensione controllate in corrente, H1 e H2.
Entrambe sono pilotate dalla corrente attraverso V1 ed R1. H1 ha una transresistenza
(rapporto tra la tensione d’uscita e la corrente di controllo) di 100 Ω e H2 ha una
transresistenza di 50 Ω. Trovare tutte le tensioni di nodo e le differenze di potenziale,
comprese le tensioni sulle due sorgenti pilotate. Verificare la transresistenza dei due
generatori dipendenti H. Giustificarne il segno. In questo problema, è stato introdotto
il simbolo della massa. Per ottenerlo: dal menu Place scegliere Ground; nella lista
che viene presentata, scorrere fino a trovare il simbolo desiderato. Confermare con
OK. Spostare il simbolo di massa fino al punto voluto dello schermo. Fate clic per
piazzarlo, quindi fate clic col tasto destro per terminare la collocazione.
Problema 1.31
1.32 Il circuito ha una sorgente di tensione controllata in corrente H1 con una transresistenza
di 100 Ω. La corrente di controllo passa nel resistore R6. Ricavare la tensione sui
terminali controllati della sorgente H. Verificarne il valore di transresistenza all’istante
t = 6 ms.
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Problemi
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Problema 1.32
1.33 Il circuito mostrato contiene un generatore di tensione variabile V1 e un generatore di
corrente pilotato in corrente F1. V1 può variare la propria tensione da 10 mV a 100 mV
in incrementi di 1 mV. F1 ha un guadagno di corrente di 1000. La corrente di pilotaggio
passa nel resistore R3. R5 può dissipare ½ W. Ricavare il valore massimo ammesso
per V1.
Problema 1.33
1.34 Il circuito contiene due sorgenti di tensione pilotate in tensione, E1 ed E2. Il generatore E1 ha un guadagno di tensione pari a 5. È controllato dalla tensione ai capi di R4.
Il generatore E2 ha un guadagno di tensione di –.1. È controllato dalla tensione ai
capi di R5. Il circuito consiste di due maglie debolmente accoppiate in cui parte della
tensione ai capi di R5 viene riportata indietro (fed back in inglese) nella maglia contenente V1. Un circuito del genere viene detto circuito a retroazione negativa (negative feedback circuit). Ricavare i dati seguenti:
a) La tensione ai capi di R5 quando V1 = 80 mV e 40 mV
b) La tensione di controllo per E1 quando V1 = 80 mV e 40 mV
c) La tensione di controllo per E2 quando V1 = 80 mV e 40 mV
d) Verificare i guadagni di tensione delle due sorgenti E.
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Analisi di circuiti in corrente continua con PSpice
Problema 1.34
1.35 Impostare il guadagno della sorgente E2 a zero. Ricavare tutte le tensioni come nel
Problema 1.34. Calcolare la deviazione percentuale delle tensioni attuali in confronto
a quelle del Problema 1.34, usando le ultime tensioni ricavate come riferimento. Le
variazioni percentuali così calcolate rappresentano l’effetto della retroazione di tensione introdotta da E2.
1.36 Per questo circuito, Rval può cambiare da un minimo di 100 kΩ a 1 MΩ in passi di
100 kΩ. Trovare la tensione di nodo V(3) per ciascun valore di Rval. Ricavare un
diagramma di PROBE che mostri la seconda, la quarta e la sesta simulazione effettuata dal programma.
Problema 1.36
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