Softwares de Simulação e Modelos de Válvulas

[Matec]

Tenho feito simulações de circuitos eletrônicos há bastante tempo, desde que adquiri alguns softwares para testes e que me convenci que seria vantajoso, em vez de ficar criando circuitos e queimando componentes, simplesmente simular os circuitos no computador.

Depois de testar vários programas, optei pelo que oferecia maior facilidade de criação dos esquemas, e também que tivesse uma resposta já esperada nos resultados. Esses itens são fundamentais para quem testa pelo menos uns 30 circuitos diferentes por mês, multiplicado por dezenas de mods para cada circuito.

Comecei aprovando o EWB32, que em relação aos outros programas da época, era bem avançado. Depois quando essa plataforma evoluiu para o Multisim, o negócio melhorou bastante. Anda hoje utilizo o Multisim 2001, o Multisim 10 e o Multisim 11. Sem grande diferença.

Porém em todos esses persiste o mesmo problema.
A simulação de Válvulas é sofrível.

O EWB32 só simula um modelo de tríodo genérico; os Multisim têm modelos baseados em uma visão simples das válvulas, e não funcionam corretamente se houver saturação em algum estágio. Para nossos valvulados que PRECISAM saturar, fica inútil também. A maioria das válvulas disponíveis na database, tem problemas em seus modelos, e impedem a simulação de iniciar. Pode-se dizer que as válvulas estão “queimadas de fábrica”. Talvez o problema já tenha sido resolvido em alguma versão mais atual, mas não estou mais à fim de pagar pra ver.

A linguagem que praticamente todos os programas de simulação utilizam, são baseados no SPICE, criado em Berkeley na década de 60 (sempre lá, que desânimo... ). Desde sua criação essa linguagem tem tido inúmeras variantes, dependendo do fabricante de softwares que a utilizam. Isso faz com que comandos de alguns desenvolvedores não sejam compatíveis com os outros. Mais um problema.

Eu procurei com o tempo entender algo sobre essa linguagem e também sobre a modelagem das válvulas, e consegui alguns avanços, se bem que não me considero nenhum especialista, e ainda tropeço em vários quesitos.

Como eu desconfio que não sou o único com esses problemas, e que várias pessoas tem algo à acrescentar sobre esse assunto, vamos tentar fazer algumas considerações por aqui.

 

[xformer]

Matec eu fiz algumas simulações de estágios de saída com aquele programa em Java que você  apresentou algumas vezes aqui (Model Paint).
Veja a análise do estágio de saída do meu amplificador com EL34 em PP:


O chato dele é que não tem como guardar ou gravar os parâmetros da válvula e nem a simulação.

[Matec]

O programa não guarda o arquivo carregado, isso é verdade.
Mas ele tem como guardar os valores do modelo descobertos sim. Através do botão Model acima à direita.
Apertando esse botão ele cria o arquivo do modelo Spice da válvula, que já está no formato do Programa LTspice.

P.S. Aumente o Ip max (também acima á direita) para 300mA para visualizar melhor o ponto que a linha de carga cruza a curva Vg=0.


 

[xformer]

Nossa, nem percebi que era um botão. Toda vez eu reentrava com os valores Spice da válvula.
Você não acha esse programa bom ?  Eu achei muito legal os recursos de alterar o porcentual de UL, inclinar a reta de carga, ampliar o sinal de entrada, cálculo das distorções, etc.

[Matec]

Sim eu acho o programa bom, assim como o Paint KiT (triodos), porém esse é um programa para você descobrir parâmetros e não observar o comportamento do circuito completo. Aí é que você pega esses parâmetros e cria os componentes para colocar no simulador.
Esse arquivo de saída por exemplo é para o LTspice, que não é exatamente compatível com o Multisim. Para eu utilizar, tenho que "traduzir" alguns comandos.

 

[xformer]

Bom, como tem uma listagem dos parâmetros para pelo menos as válvulas mais comuns, e não preciso ficar descobrindo os parâmetros de válvulas "exóticas", de forma que a utilidade para mim é ter uma ideia do comportamento do estágio simples e não de um amplificador completo (acho difícil conseguir fazer isso).

O procedimento de salvar os parâmetros não deu certo.     O arquivo gerado dá erro (é zipado) e fica com 0 bytes.

[Matec]

xformer

O programa estaria ainda em desenvolvimento, realmente existem falhas que não chegaram à ser sanadas.
Quanto à simulação de circuitos completos, disso eu tenho certeza, uma hora ou outra você verá que é muito interessante.

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Um modelo teórico de uma válvula é criado através da verificação do comportamento real da válvula. Esse comportamento é traduzido em fórmulas matemáticas.

O modelo SPICE representa esse modelo matemático de modo que possa ser utilizado pelo programa de simulação.

Um dos primeiros estudos sobre o comportamento dos Diodos a Vácuo foi feito pouco após sua “descoberta”, no início do século 20. Esse comportamento dos diodos pode ser traduzido de maneira satisfatória pela fórmula de Child-Langmuir.

Ip =  k*Vpk^1,5

O que pode ser traduzido como a Corrente de Placa Ip é proporcional á Tensão de Placa ao cátodo, Vpk,  elevada à 3/2, e multiplicada por uma constante k .
Essa fórmula vale para um valor de Vpk ≥ 0 ; No caso de Vpk < 0 então Ip = 0

Essa fórmula mostra uma corrente não linear em relação á tensão da placa.



Isso é mostrado pelo gráfico real de uma válvula comercial, a 5Y3 :




Traduzindo essa fórmula para uma linguagem  SPICE

V1= ((ABS(Vpk)+Vpk)/2)       =>   essa linha satisfaz a condição Vp ≥ 0 ou Vp<0
Ip= k*(V1)^1,5                     =>   essa linha fornece o valor de Ip

 

[Matec]

O circuito básico no qual se fazem medições dos parâmetros das válvulas, com o traçado de suas linhas, que representam seu comportamento dinâmico, poderia ser esse abaixo:



Esse circuito não possui nenhuma dificuldade, mas é tudo que se precisa para testar as válvulas.
No entanto para fazer as linhas como aparecem no teste, o osciloscópio tem que ter várias qualidades, principalmente capacidade de armazenamento de sinais.

Estou mostrando isso, pois todas as fórmulas citadas nesse tópico se referem aos resultados de testes como esse.

O principal a ser entendido é que ao se aplicar uma tensão na placa de uma determinada válvula, a corrente que vai passar entre a placa e o cátodo vai seguir um determinado padrão, que depende das características da válvula, da tensão e das características da grade de controle, e nos tétrodos e pêntodos da tensão (e características também) da grade de blindagem (screen).

Na criação de modelos, o que se tenta fazer é com que sua “válvula” virtual apresente um comportamento idêntico ao do correspondente real.

 

[Matec]

Uma fórmula para demonstrar o comportamento de um tríodo é um pouco mais complicada. Esta é uma fórmula baseada nos estudos de Child-Langmuir, no começo do século XX.

Onde:

Ip = k*( Vpk + μ*Vgk)^1,5

Essa fórmula vale para um valor de Vpk ≥ 0 ; No caso de Vpk < 0 então Ip = 0

Onde: μ = ganho de tensão do triodo e Vgk é a tensão entre grade e cátodo.
 A “tradução” dessa fórmula para o SPICE foi feita por W. Marshall Leach Jr e Scott Reynolds:

V2=V(p,k)+μ*V(g,k)
Ip=K*(pwr(V(2),1.5)+pwrs(V(2),1.5))/2

Aqui está o modelo SPICE completo para uma válvula 12AX7 de acordo com essa fórmula:

.SUBCKT 12AX7A P G K
BE1  2  0  v=45+v(P,K)+95.43*v(G,K)
R1  2  0  1.0K
BGp  P  K  i=1.147E-6*(pwr(V(2),1.5)+pwrs(V(2),1.5))/2
Cgk G  K  1.6P
Cgp G  P  1.7P
Cpk P  K  0.46P
.ENDS 12AX7A.

A criação de modelos de válvulas um método de tentativa e erro. Apesar do modelo Spice acima se aproximar de um modelo “genérico”, ele na verdade é pouco preciso. Há detalhes das curvas da válvula que não são representados com exatidão.

É claro que será impossível chegar à uma precisão absoluta. Para tanto precisaríamos partir para modelos individuais, o que não ajudaria um experimentador casual.
Mesmo assim existem pesquisadores que foram mais longe no estudo dos modelos.