Práctica 7

PRÁCTICA 7:  Análisis de Circuitos en Alterna

PRÁCTICA 7

En esta práctica realizaremos circuitos en corriente alterna, y (en la primera parte) comprobaremos el comportamiento de éstos en este tipo de corrientes. En la segunda parte los analizaremos con más detalle, utilizando el tipo de análisis AC Sweep.

1. Comportamiento de R,L,C en alterna

1.1 Comportamiento resistivo

Dibujaremos el siguiente circuito:

Para ello introduciremos una fuente de tensión alterna (Place >> Part >> VSIN), localizada en la librería SOURCE. La señal alterna generada por la fuente es V(t) = 5*cos(100*2pi*t)(V), es decir en los campos de la fuente pondremos los datos: VOFF=0, VAMPL=5, FREQ=100, PHASE=0, y dejaremos el campo AC por defecto. También cambiaremos el valor de R1=10 Ω, y los conectamos, como muestra la imagen anterior.

Un dato importante en el circuito anterior es no olvidarnos añadirle la conexión a tierra con PLACE >> GROUND, sino no funcionará nuestro circuito.

Para simularlo usaremos un análisis tipo TIME DOMAIN ( TRANSIENT), realizando la simulación durante 40 ms (RUN TO TIME = 40 ms).

Para comprobar el comportamiento de la resistencia en el circuito mediremos los valores de ésta en cuanto a tensión, colocando los MARKETS correspondientes:

Y al ejecutar dicho circuito comprobaremos mediante el PSpice AD los resultados obtenidos, obteniendo la siguiente gráfica:

Ahora, igual que antes, comprobaremos el comportamiento de la resistencia midiendo los valores de intensidad, colocando el CURRENT MARKET :

Y obtenemos la siguiente gráfica en PSpice AD:

Comparando ambas gráficas podemos comprobar que no se produce ningún desfase entre corriente y tensión en la resistencia al aplicar la tensión CA: cuando la señal de tensión llega al maximo (la cresta de la señal), la corriente tambien llega al maximo en es mismo instante.

1.2 Comportamiendo Inductivo

En este apartado comprobaremos el comportamiento de un circuito en corriente alterna al añadirle una bobina; comprobaremos como circula la corriente y la tensión a través de ésta viendo cómo se produce un desfase entre éstos.

Para ello primero dibujaremos el siguiente circuito, dándole los valores adjuntos en la imagen:

Como en el circuito anterior, la señal alterna generada por la fuente es V(t) = 5*cos(100*2pi*t)(V). Simulamos el circuito en el PSpice y utilizamos un análisis tipo TIME DOMAIN (TRANSIENT). Realizamos la simulacion durante 60 ms (Run to time = 60ms).

Posteriormente, visualizaremos el comportamiento de la tensión y de la corriente en la bobina mediante el PSpice AD. Primero visualizaremos la corriente en la bobina, seleccionando dicho análisis en ADD TRACER:

Y a continuación veremos su gráfica:

Realizaremos el mismo paso para ver cómo se comporta la tensión en la bobina:

Y obtenemos su gráfica:

Al comparar ambas gráficas, V1(L1) y I1(L1) observamos como se produce un desfase entre la tensión y la corriente en la bobina:

Esto ocurre en la bobina debido a que dicho componente es capaz de “almacenar energia”, por lo que la corriente no llega al maximo cuando la señal de tension esta en su maximo, es decir, va atrasada. Esta variacion en el tiempo es lo que se denomina desfase o desfasaje. En ésta se produce un fenómeno de auto-inducción (se opone a la variación del flujo) primero aparece la tensión y 90º después la corriente. Básicamente es una oposición a la variación de la corriente provocando una "inercia" eléctrica.

1.3 Comportamiento capacitivo

En el siguiente apartado comprobaremos el comportamiento de un condensador en un circuito de CA.

Como anteriormente, dibujaremos el circuito adjunto, introduciendo los valores en los componenetes. La señal de alterna generada por la fuente es V(t)=5*co(100*2pi*t)(V).:

Simulamos el circuito realizando un análisis tipo TIME DOMAIN (TRANSIENT) durante 60ms (RUN to time = 60ms).

Igual que en el ejercicio anterior, utilizando el comando ADD TRACE del PSpice AD, seleccionamos los valores a observar, en este caso I(C1) y V(C1), obtenemos sus gráficas y comparamos sus comportamientos:

Observando las gráficas vemos como la tensión se retrasa 90º con respecto a la corriente, es decir, la señal de tensión lleva un desfase de (π/2) respecto de la señal de corriente.

2.- Análisis de circuitos en alterna: AC Sweep

Para realizar este tipo de análisis hay que seleccionar la opción AC Sweep/Noise de la ventana de diálogo Simulation Settings:

Este tipo de análisis calcula la respuesta en frecuencia del circuito para un rango dado de frecuencias. En la parte superior derecha de la ventana de diálogo (AC Sweep Type) se selecciona el tipo de barrido a realizar: linear (Linear) o logarítmico (Logarithmic). Start Frecuency permite fijar la frecuencia de comienzo y End Frecuency permite fijar la frecuencia de finalización del análisis. Total Points es el número de puntos en los que deseamos que calcule los datos.

A continuación, para aprender cómo se realiza y configuran los datos en el PSpice, realizaremos un ejemplo de análisis para un circuito dado.

Primero dibujaremos el circuito adjunto. El componente utilizado para la fuente de tensión es VAC (librería SOURCE), cuyos atributos debemos cambiar: en ACMAG = 200 y en ACPHASE=0, como se muestra en la figura adjunta.

Una vez dibujado el circuito habrá que indicarle qué tipo de análisis hay que realizar, en este caso análisis AC Sweep, seleccionando en AC Sweep Type: Linear, Total Points = 1, Start Frecuency = 15.915, End Frecuency = 15.915, como vemos en la figura adjunta:

Tras configurar el análisis habrá que indicarle al programa qué valores deseamos visualizar en el fichero de salida. Para ello introducimos un nuevo componente llamado IPRINT (dentro de la librería SPECIAL). IPRINT mide la intensidad en la rama donde se conecta y se conecta en serie.

Para visualizar el módulo y fase de la corriente en el fichero de salida Output, debemos poner un 1 en los atributos de IPRINT referidos al módulo y la fase, es decir, AC=1, MAG=1, PHASE=1.

Una vez realizados todos los pasos anteriores, ejecutaremos la simulacion y observaremos el fichero de salida (Output File).

Observando dicho fichero, al final de éste tenemos la información que hemos solicitado mediante el elemento IPRINT:

IM = magnitud de la corriente = 2.025E -01 = 0.202 (A)

IP = fase de la corriente = 8.335E+01 = 83.3º

Ejercicios para la práctica

Para afianzar todos los conceptos adquiridos anteriormente, realizaremos tres ejercicios planteando el enunciado y posteriormente su realización:

2.3 Ejercicio de análisis AC

Para realizar el circuito anterior, primero lo dibujamos en PSpice. Para la fuente de CA utilizaremos también el componente VAC (librería SOURCE), y para la fuente de corriente IAC (librería SOURCE), con sus correspondientes valores, como vemos en la figura adjunta. También usaremos el componente VPRINT para indicarle al programa qué valores deseamos visualizar (en este caso, el módulo y la fase: AC=1, MAG=1, PHASE=1) con respecto a la tensión en el fichero de salida.

A continuación ejecutaremos la simulacion mediante el comando PSpice >> RUN o pulsando F11 y cambiaremos los valores del tipo de análisis optando por el AC Sweep/Noise, Linear, Start Frecuency= 15915.49, End Frecuency= 15915.49 y Total Points = 1 y aceptamos

Los valores de frecuencia los hemos obtenido de la fórmula:  w=2π·f y el resultado que obtenemos en el fichero de salida (PSpice >> Wiew Output File) es el siguiente:

2.4 Ejercicio 2 de análisis AC

Como anteriormente, primero dibujamos el circuito, añadiendo los componentes necesarios y los valores que nos proporcionan

Realizamos, como anteriormente, una simulación de tipo AC Sweep, con una frecuencia w=2π·f , cuyo resultado nos da 400Hz.

Y obtenemos los siguientes datos en el archivo de Salida (PSpice >> Wiew Output File)

2.5 Ejercicio 3 análisis AC

Dibujamos el circuitos y le damos los valores correspondientes y añadimos un marcador de tensión para visualizar los resultados.

La simulación la realizaríamos como en los anteriores ejercicios, únicamente cambiando los valores de Start Frecuency = 50,  End Frecuency = 300 y Total Points = 100

Y ejecutando la simulación obtendríamos la siguiente gráfica

En la gráfica anterior podemos observar que el valor máximo de la tensión se alcanza para 160Hz aproximadamente, debido a que esta es la frecuencia de resonancia del circuito.