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Philippe MISSIRLIU 1/23 Lycée Newton-ENREA Clichy 1 Présentation : 1.1 Public concerné : Les enseignants en électrotechnique qui souhaitent intégrer la simulation dans leur pratique professionnelle. Sont concernés aussi bien les professeurs de physique appliquée que ceux de génie électrique. L’utilisation de ce document suppose une connaissance préalable des fonctions de base de Pspice (des ressources sont proposées plus loin pour les débutants). 1.2 Pourquoi simuler ? Avec l’avènement de l’informatique pour tous les outils de simulation se sont répandus dans tous les secteurs d’activité. L’électrotechnique ne pouvait pas être épargnée. La simulation donne au technicien la possibilité de réaliser puis de tester un prototype virtuel. Les avantages sont évidents : économies de temps et d’argent. Pour l’enseignant la simulation s’impose pour les raisons suivantes : • Cette technique permet d’obtenir des résultats lorsque le matériel nécessaire manque : mesurer des courants, calculer la transformée de Fourier d’un signal. • Les étudiants étant ce qu’ils sont et non ce que nous voudrions qu’ils soient, de nombreux phénomènes sont trop complexes pour une étude théorique, la simulation permet de montrer ce que l’on n’a pas le temps d’expliquer. • La simulation est de plus en plus utilisée dans l’industrie, il faut donc y préparer nos étudiants. Les limitations du procédé ne doivent pas être oubliées : si complexe soit-il, un modèle n’est jamais la réalité. C’est pourquoi la simulation ne remplacera jamais totalement l’expérimentation. A l’usage la simulation paraît un bon complément aux TP et aux expériences de cours. 1.3 Pourquoi Pspice ? Nous avons choisi Pspice, produit par Microsim, pour les raisons suivantes : • Pspice est le logiciel de simulation le plus répandu dans l’industrie. • Il est basé sur le standard industriel SPICE et donne donc accès aux bibliothèques de modèles développées par les fabricants. • Il permet de mélanger sans aucun problème des composants numériques et analogiques. • La prise en main du logiciel est simple. • C’est un logiciel très complet puisqu’il permet de simuler tout les aspects des systèmes que l’on rencontre en électrotechnique : électronique de puissance, électronique de commande analogique et numérique, asservissements, mécanique. • Les limites de la version d’évaluation permettent son utilisation dans le cadre d’un lycée. Au moins deux autres outils de simulation sont répandus : Simulink et Psim : • Simulink est une extension de Matlab, un logiciel de mathématiques, destiné à la simulation des systèmes asservis. C’est un produit très puissant pour lequel des bibliothèques dédiées à l’électrotechnique ont été développées. Son inconvénient réside dans sa présentation très abstraite qui convient plutôt pour des universitaires ou des ingénieurs. SIMULER EN ELECTROTECHNIQUE AVEC PSPICE Philippe MISSIRLIU 2/23 Lycée Newton-ENREA Clichy • Psim est, comme Pspice un simulateur qui utilise des composants. C’est un outil très complet et orienté vers l’électrotechnique. Ses défauts sont que seule la simulation temporelle est disponible et que l’outil de visualisation des résultats est très rudimentaire. 1.4 Quelle version utiliser ? Le monde de l’informatique est en perpétuelle évolution. Au moment où ces lignes sont écrites la version 9.2 vient de sortir. Toutefois ce document a été réalisé avec la version 8. La différence essentielle entre la version 8 et la version 9 est le logiciel de saisie de schéma. Depuis la version 9 Microsim a été racheté par OrCad qui a intégré Pspice dans sa suite logicielle. Pspice est donc toujours disponible mais avec la saisie de schéma Capture (produite par OrCad) au lieu de la saisie de schéma Schematics (produite par Microsim). Ceci a provoqué une levée de bouclier des utilisateurs de Pspice qui voulaient continuer à utiliser la saisie de schéma Schematics qui est, de fait, bien supérieure à Capture. Le client est roi. En conséquence OrCad permet maintenant à ses utilisateurs de choisir au moment de l’installation du logiciel entre Schematics et Capture. En bref : • Vous possédez Pspice version 8 : Vous n’avez rien à modifier. Vous pouvez directement utiliser ce document. • Vous possédez Pspice version 9 : Il faut l’installer en choisissant l’option Schematics (attention : cette option n’est pas disponible avec toutes les sous-versions d’OrCad V9). • Vous ne possédez pas Pspice : Vous trouverez au §2.1 des indications pour télécharger gratuitement Pspice. 1.5 Pourquoi la version d’évaluation ? Comme beaucoup de fabricants de logiciel Microsim (maintenant OrCad) propose une version d’évaluation. Celle ci est entièrement gratuite, fonctionne sans clé, peut être installée sur autant de postes que l’on veut, être distribuée aux élèves et étudiants. Toute rose ayant ses épines, cette version d’évaluation est limitée. Mais la limitation est uniquement sur le nombre de composants. Toutes les fonctionnalités du logiciel sont disponibles. Les bibliothèques spécialisées et les méthodes présentées ici permettent de travailler avec la version d’évaluation de Pspice. 2 Les premiers pas : 2.1 Se procurer le logiciel : Deux ouvrages récents ont été publiés avec un cdrom inclus contenant Pspice version 8 : • Analyse et conception de circuits électriques avec Pspice/DesignLab Auteurs : Marc Bougeant et Thierry Royant Editeur : EYROLLES Cet ouvrage est par ailleurs une excellente initiation à Pspice que nous recommandons aux débutants. • La vitesse variable électrique Auteur : François Bernot Editeur : International Thomson Publishing Le site ressource (voir §2.6) associé à ce document donne des explications et des liens mis à jour pour télécharger gratuitement le logiciel. Philippe MISSIRLIU 3/23 Lycée Newton-ENREA Clichy 2.2 S’initier à Pspice : Pour ceux qui n’ont jamais utilisé Pspice, un document d’initiation rédigé par un collègue, Serge MONIN, est disponible sur le site ressource (voir §2.6). 2.3 Les limitations de la version d’évaluation : La version d’évaluation de Pspice présente les limitations suivantes : • Une bibliothèque de modèles réduite : 39 en analogique et 134 en numérique. • Schéma limité à 64 équipotentielles, ou 10 transistors ou 2 amplificateurs opérationnels ou 65 fonctions logiques. • Possibilité de configurer une seule bibliothèque supplémentaire comprenant 20 composants. Le premier point n’est pas trop gênant grâce à la possibilité de créer les composants dont on a besoin. D’autant que de nombreux fabricants mettent à la disposition des utilisateurs les modèles SPICE de leurs composants. Le deuxième point mérite développement. Il existe deux sortes de composants sous Pspice : • Les composants intrinsèques dont font partie les composants passifs, les sources, et certains composants actifs (diodes, transistors, IGBT). • Les sous-circuits dont font partie les thyristors, les ampli-op et tous les circuits intégrés. Bien qu’apparaissant sous Schematics comme des symboles ordinaires ils sont vus par Pspice comme des ensembles de composants. C’est ainsi qu’avec une poignée de thyristors ou quelques ampli-op on peut dépasser les limites de la version d’évaluation. Si l’on a compris que le problème vient des sous-circuits la solution apparaît. Il faut créer des modèles simplifiés des sous-circuits dont on a besoin. La bibliothèque jointe à ce document propose des modèles de thyristor, ampli-op, MCC conçus pour être économes en composants. 2.4 L’histoire de Pspice : Connaître l’histoire de Pspice permet de comprendre quelques particularités de ce logiciel. Dans les années 70, des étudiants en informatique de l’université de Berkeley en Californie mettent au point un algorithme destiné à la conception des circuits intégrés analogiques. Cet algorithme se nomme SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis). Par la suite différentes entreprises vont commercialiser des logiciels de simulation basés sur le noyau SPICE. L’évolution de l’informatique permettra de porter ces logiciels successivement sur station de travail puis, à la fin des années 80 sur micro-ordinateurs. La version de SPICE vendue par Microsim devient le standard de l’industrie sous le nom de Pspice. Microsim a ajouté au noyau Spice originel la simulation numérique et la possibilité de mélanger circuits numériques et analogique. Pspice a gardé de ses origines quelques caractéristiques : • Pas de distinction entre majuscules et minuscules. • Pas de caractères spéciaux (µ ou Ω). • Le logiciel de simulation proprement dit (Pspice) ne fonctionne qu’en mode texte. Il faut donc une interface d’entrée (Schematics) qui converti le schéma en texte. Par exemple un schéma tel que celui ci : Philippe MISSIRLIU 4/23 Lycée Newton-ENREA Clichy Devient le fichier texte : D_D1 $N_0001 $N_0002 D1N4007 R_R1 $N_0002 0 1k V_V1 $N_0001 0 SIN 0 325 50 0 0 0 • L’algorithme SPICE ne peut converger que si tous les courants et tensions sont des fonctions continues du temps. Pour obtenir cette continuité toutes les diodes possèdent une capacité parasite (comme les diodes réelles). Lorsque l’on crée un circuit avec des inductances ceci peut provoquer des oscillations parasites. • Toutes valeurs par défaut de paramètres tels que les valeurs max. des courants et tensions sont adaptées à la simulation de circuit intégrés analogiques c’est à dire ont des valeurs très faibles. 2.5 Le contenu du fichier reselecspi.zip : Le fichier compressé qui est joint à ce document contient les fichiers suivants : • enrea.lib : la bibliothèque de modèles. • enrea.slb : la bibliothèque de symboles. • Pd3m.sch et Pd3m.prb : les fichiers relatifs au thème n°1. • mcc_ind.sch, mcc_ind.prb, mcc_freq.sch, mcc_freq.prb : les fichiers relatifs au thème n°2. • ond_mono_pleinonde.sch, uploads/Litterature/ missirl1.pdf