Laborator 1. Prezentarea tematicii laboratorului. Prezentarea programului de simulare şi proiectare OrCAD si introducere in MatLab. Scopul lucrării - Cunoaşterea şi recunoaşterea simbolurilor elementelor de circuit; Interpretarea matematică a acestor simboluri electrice; Editarea unor scheme electronice in OrCad; Introducerea unei imagini in Matlab. Aparatura necesară - Staţii de lucru care au instalat Orcad9.2. si MatLab 7.1. Consideraţii teoretice Cele mai importante proprietăţi fizice ale componentelor de circuit electric care ne interesează sunt: rezistivitatea, inductivitatea şi capacitatea. Scopul acestei părţi a lucrării, este acela de a vă familiariza cu simbolurile celor mai importante elemente de circuit. Componente pasive Rezistorul, este componenta de circuit a cărei proprietate principala este rezistenţa electrică. Simbolul este R şi se măsoară în Ω (ohmi). a) Rezistorul liniar fix. Fig1. Simbolul rezistorului fix b) Rezistorul liniar variabil R1 POT R2 1k Fig2. Simbolul rezistorului variabil 1
Condensatorul, este componenta electronică pasivă a cărei principală proprietate este capacitatea electrică. Unitatea de măsură pentru capacitate este faradul (F). Pentru condensator se pot utiliza mai multe tipuri de simboluri. C1 1n C2 1n CMAX C3 C Fig3. Simbolurile condensatorului C4 1n Fig4. Simbolul condensatorului variabil Bobina (sau inductorul), este componenta electronică pasivă caracterizată prin inductanţa sa. Unitatea de măsură este H (Henry). 2 L1 10uH L2 L3 1 Fig5. Simboluri pentru bobine Transformatorul, este componenta de circuit cu ajutorul căreia putem schimba parametrii unui sistem de curent alternativ, frecvenţa rămânând neschimbată. Simbolul acestuia este reprezentat în figura de mai jos. TX1 Fig6. Simbolul transformatorului cu o înfăşurare primară şi o înfăşurare secundară TX2 Ls 1 Lp Ls 2 Fig7. Transformator cu priză mediană Transformatorul se gaseste in biblioteca Breackout.olb din OrCad si are denumirea de XFEM. 2
Componente active Dioda semiconductoare, este un dispozitiv electronic care prezintă conducţie electrică unilaterală. Fără a intra în detalii de fizica semiconductorilor amintim că o diodă este o structură semiconductoare de tip pn, aşa cum este schematic reprezentat în figura următoare: Fig8. Structura fizică a unei diode Simbolul este: D1 DIODE Fig9. Dioda semiconductoare Diodele se gasesc in biblioteca Diode.olb a OrCad-ului si au prefixul D. (ex D1N4001) Tranzistoarele Din punct de vedere al materialului semiconductor prin care circulă curentul, există două categorii principale: - Unipolare la care curentul circulă printr-un singur tip de material semiconductor (tip n sau tip p). - Bipolare la care curentul circulă prin ambele tipuri de material semiconductor în serie. Tranzistoarele bipolare reprezintă cea mai importantă clasă de dispozitive electronice, deoarece au proprietatea de a amplifica semnalele electrice. Acesta este un dispozitiv cu trei borne: baza (b), emitor (e) şi colector (c). c c b b e e NPN PNP Fig10. Tranzistorul bipolar NPN şi PNP Prefixul tranzistoarelor bipolare pe care il le gasim in OrCad au prefixul Q. (ex.q2n2222a) Tranzistoarele unipolare se mai numesc şi tranzistoare cu efect de câmp (TEC) Pentru desemnarea tranzistoarelor cu efect de câmp, se utilizează adesea prescurtarea FET (Field Effect Transistor). - TEC cu joncţiune (sau cu grilă joncţiune) TECJ (JFET); - TEC cu grilă izolată, sau TEC metal izolator semiconductor TECMIS (MISFET), TEC metal oxid semiconductor TECMOS (MOSFET). 3
Simbolurile pentru acestea sunt: a b Fig11. a.tranzistor JFET cu canal N. b. Tranzistor JFET cu canal P Tiristorul a b Fig12. a.tranzistor MOSFET cu canal N. b. Tranzistor MOSFET cu canal P Numit şi diodă controlată (în limba engleză se foloseşte frecvent prescurtarea SCR - Silicon Controlled Rectifier), tiristorul este un dispozitiv cu trei borne (Fig13). ANODE GATE CATHODE Fig13. Tiristorul Triacul Triacul, care are simbolul din Fig14, este un dispozitiv cu trei terminale, care are o funcţionare similară cu aceea a tiristorului. MT2 GATE MT1 Fig14. Triacul Interpretarea matematică a unor simboluri electrice De cele mai multe ori, în proiectarea circuitelor electrice nu e suficientă cunoaşterea fizică a componentelor unui circuit. Aceste elemente de circuit trebuie interpretate din punct de vedere matematic, trebuie cunoscută funcţionarea şi rolul care îl pot avea în conexiunile pe care le fac cu celelalte elemente. 4
Rezistorul: Ştiind că principala proprietate a rezistorului este de a se opune trecerii curentului electric prin el şi de a genera căldură prin efect Joule, relaţiile care descriu funcţionarea acestuia sunt: U R I Q R I - Legea lui Ohm 2 t P t - Legea lui Joule Unde: - U căderea de tensiune; - I curentul prin rezistenţă; - Q- cantitatea de caldură degajată; - t timpul; - P puterea. Crearea unui proiect OrCad Lansarea programului se va face din meniul Windows-Start-Program Files-Orcad 9.2-Capture CIS. Aplicaţia Capture CIS este un integrator al modulelor pachetului de programare OrCAD: Express şi Layout pentru editarea circuitelor electronice şi proiectarea cablajelor; Pspice cu componentele: o Pspice AD - simulatorul Pspice; o Pspice Model Editor editorul de modele Pspice; o Pspice Optimizer programul de optimizare a circuitelor electronice; o Pspice Stimulus Editor editorul de stimuli ai programului Pspice. Aceste fişiere au ca punct comun fişierul schematic al circuitului electronic, care se editează cu componenta Express şi generează un fişier de legături specific fiecărui modul al pachetului OrCAD. Pentru a crea un proiect de simulare Pspice, din meniul principal al aplicaţiei OrCAD Capture se va selecta File-New-Project. Fig15. 5
În fereastra de dialog, care va apare în urma selectării opţiunii de creare a unui nou proiect, se va specifica numele acestuia, tipul şi calea directorului unde se va salva acesta: Fig16. Pentru tipul proiectului se poate observa că există mai multe categorii. Primul se referă la editarea de scheme electronice şi simulare, a doua este exclusiv pentru proiectarea cablajelor imprimate, a treia pentru simulare de circuite digitale, iar a patra pentru realizarea unui proiect fără o anumită specificaţie. Astfel, pentru a obţine un proiect de simulale este obligatorie specificaţia Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard. Specificarea acestor date determină lansarea în execuţie a unui modul Express modificat pentru editarea şi simularea circuitelor care are meniul principal ca în figura 17.b: Fig17.a Fig17.b 6
Editarea circuitelor electronice Pentru editarea schemei electrice este nevoie de cunoaşterea câtorva etape: Plasarea pe suprafaţa de lucru a simbolurilor specifice componentelor; Căutarea unor componente în bibliotecile programului; Adăugarea sau eliminarea unor biblioteci; Editarea proprietăţilor componentelor; Trasarea firelor de legătură între componente; Operaţii speciale. Suprafaţa de lucru se prezintă ca o zonă caroiată, pe care se vor amplasa simbolurile corespunzătoare componentelor dorite, asa cum putem observa în figura 18. Fig18. Pentru amplasarea unui simbol se va alege din meniul principal opţiunea Place-Part Fig19. sau, de pe bara de instrumente din dreapta, simbolul corespunzător operaţiei Place-Part, ca în figura 19. 7
Pentru plasarea unei componente se va specifica numele şi biblioteca necesară din fereastra de dialog a operaţiei Place-Part. Fig20. Aşa cum am arătat în prima parte, fiecare componentă are un anumit prefix de identificare cu ajutorul caruia le vom căuta: R pentru rezistoare; C pentru condensatoare; L pentru bobine; V pentru surse de tensiune; I pentru surse de curent; GND pentru masa analogică (0/SOURCE); Q pentru tranzistoare bipolare; D pentru diode. Pentru alte componente se vor folosi codurile specificate de producător. Pentru adăugarea sau eliminarea unei biblioteci din lista de căutare se vor folosi butoanele Add/Remove Library. Căutarea unei componente se va realiza selectând butonul Part Search. Fig21. 8
Pentru editarea proprietăţilor unei componente amplasate pe suprafaţa de lucru, se va selecta Edit Properties după ce a fost selectata componenta şi s-a executat un click dreapta pe ea. Fig22. Pentru componente, apare fereastra din figura următoare. Fig23. Desfasurarea laboratorului: 1. Se vor crea resursele schematice (fişierul ce conţine schema electrică). 2. Se vor încărca în proiect câteva din librăriile disponibile, cum ar fi: analog, source, diode, bipolar. 3. Se va edita schema circuitului din lucrare. Se lanseaza programul OrCad din meniul Windows Start-Program Files-Orcad 9.2-Capture CIS. Se creaza un proiect nou si se salveaza in folderul numit semnificativ STUDENT, aici fiind locul unde va fi salvată munca din timpul semestrului. Înainte de a incepe proiectul, se presupune cunoscută schema care doriţi să o realizaţi. 9
Pentru acest laborator aveţi de realizat schema electrica pentru circuitul care urmeaza: R1 C3 VOFF = 0 VAMPL = 5 FREQ = 16 V1 10k 1u C4 1u R2 10k 0 Fig24. Pentru desenarea circuitului trebuie sa cunoastem ce componente trebuie sa plasăm pe zona de lucru. Astfel, prin simpla privire vedem că avem nevoie de: 2 rezistente; 2 condensatoare nepolarizate; 1 sursa sinusoidala; Aceste componente vor fi selectate din meniul Place-Part sau prin apăsare pe butonul corespunzător al meniului care se observă în dreapta figurii 5. Fig25. 10
Fereastra care apare va fi: Fig26. Se vor alege componentele şi se vor aşeza pe zona de lucru. După această etapă vom modifica valorile fiecărei componente în parte. De exemplu, R1 are valoarea de 1K şi trebuie modificată la 10K. Acest lucru se realizează prin efectuarea unui dublu click pe valoare şi moficarea ei aşa cum putem vedea în figura 27. Fig27. 11
După modificarea tuturor elementelor de circuit, ele se vor aranja după cum sunt aranjate în schemă urmand apoi sa se realizeze legaturile intre acestea prin selectarea sau apasarea butonului Place Wire. Fig28. Pentru ca un circuit sa functioneze acesta trebuie sa fie alimentat de o sursa de tensiune si in acelasi timp sa existe o masa analogică a circuitului, pentru schemele electrice care dorim să le simulam sau doar sa le editam in OrCad, aceasta va fi 0/SOURCE. Fig29. 4. Se salveaza schema sub forma unei imagini schema.jpg. Salvarea schemei electrice în unul din formatele BMP, JPG, etc., în OrCAD este posibila prin selectarea schemei electrice, selectarea din meniul Edit a comenzii Copy (Ctrl+C), deschiderea de exemplu a programului Paint, copierea pozei prin selectarea comenzii Paste din meniul Edit (Ctrl+V) şi salvarea în formatul dorit. De asemenea o astfel de schema poate fi copiata şi direct în Word. 5. Se deschide programul Matlab si se creaza un fisier nou de tip M-FILE. Se lanseaza programul MatLab din meniul Windows Start-Program Files-MatLab7.1 Se creaza un fisier nou de tipul M-FILE si se salveaza in folderul numit semnificativ STUDENT, aici fiind locul unde va fi salvată munca din timpul semestrului. 12
Fig.30 Odata ce am creat un astfel de fisier se obtine o fereastra de lucru in care se pot scrie diferite functii pentru realizarea proiectului propus. Se creaza o figura noua dupa modelul de mai jos: clear all; close all; Fig=figure('Name','Figura Noua Matlab',... %---Numele ferestrei---% 'Units','normalized',... %---Se folosesc valori normale pentru imagine-% 'NumberTitle','off'); %---Numarul ferestrei nu se atribuie---% Rezultatul acestor instructiuni: Fig.31 13
6. Se introduce in fisierul creat imaginea schemei salvate in urma editari acesteia cu ajutorul OrCad-ului. Introducerea unei imagini in Matlab se realizeaza folosind una din functiile : x = imread('schema.jpg'); image(x); %---citirea imaginii---% Rezultatul: Fig. 32 w = imread('schema.jpg'); %---citirea imaginii---% imshow(w,'initialmagnification',150) Cele 3 functii care s-au invatat in acest laborator se gasesc detaliate in HELP. Tema pentru acasa 1. Sa se editeze cu ajutorul OrCad-ului schemele din figurile urmatoare. 2. Sa se creeze o noua figura in MatLab cu numele Tema pentru acasa in care sa se deschida folosind cele 2 metode imaginea schemei editate anteror. 3. Rezultatul imagini din MatLab sa contina titlu, axele sa nu fie vizibile atunci cand se foloseste functia image, sa se scrie pe axa X schema editata in OrCad si pe axa Y Laborator Gragica. 4. Intelegerea parametrilor functiilor figure, imread, imshow din help-ul MatLab-ului. 14
con 2 con 2 con 2 Fig.33 Fig.34 15