Spule im Gleichstromkreis Anfänger

[Krisi (Gast)]

Hallo,

ich habe Fragen zum Stromverlauf durch die Spule im Gleichstromkreis. In 
der Abbildung 1 steigt der Strom durch die Spule beim Einschalten des 
Stromes bzw. bein Anlgenen einer Spannung langsam exponentiell an. Ich 
habe versucht die Schaltung in LTspice zu simulieren (Abbildung2). Wie 
aus dieser zu entnehmen ist, steigt der Strom nicht exponentiell an. Ich 
kann mir die Stromverläufe nicht erklären.
Der Strom durch den Widerstand beträgt -3 A und durch die Spule 3A ???


VG

[voltwide (Gast)]

Doch das geht. Du siehst nur nichts, weil Deine Messzeit viel zu lang 
ist, so dass nur der eingeschwungene Zustand erscheint.
Miss mal über wenige msec.

[Helmut L. (helmi1)]

Dann rechne dir mal die Zeitkonstante aus die R und L bilden. Zu dem 
Zeitraum wo du schaust ist schon alles vorbei und der Strom wird nur 
noch durch den R bestimmt.

[Theor (Gast)]

Es empfiehlt sich in solchen Fällen die zeitlichen Verhältnisse 
zumindest grob zu überschlagen.

Bei R = 4 Ohm und L = 1mH ergibt sich ein Tau von 250us. Nach etwa dem 
fünffachen Tau wird der Zustand stationär. Das sind 1,25 Millisekunden. 
Also etwa ein Hundertstel des Abstandes Deiner Skala für die Zeit.

Einfach mal hineinzoomen oder die Simulationsparameter ändern, wäre mein 
erster Rat.

[Michael B. (laberkopp)]

Krisi schrieb:
> Der Strom durch den Widerstand beträgt -3 A und durch die Spule 3A ???

Versuche erst mal, die Bauteile richtigrum zu drehen.

Eine Spule im Gleichstromkreis ist nichts anderes als ein Draht.

Nur beim Einschalten zeigt sich ein kleiner Effekt, aber da wechselt die 
Spannung ja auch, ist also kein Gleichstrom.

[Krisi (Gast)]

> Eine Spule im Gleichstromkreis ist nichts anderes als ein Draht.
>
> Nur beim Einschalten zeigt sich ein kleiner Effekt, aber da wechselt die
> Spannung ja auch, ist also kein Gleichstrom.

Das verstehe ich jetzt nicht. Warum ist es kein Gleichstrom?

Ich muss mich entschuldigen dafür, was jetzt kommt. Ich verwende gerade 
zum ersten Mal LTspice. Ich habe jetzt die Zeitachse verändert und ich 
habe immernoch den gleichen Verlauf.

[Erwin D. (Gast)]

Krisi schrieb:
> Ich habe jetzt die Zeitachse verändert und ich
> habe immernoch den gleichen Verlauf.

Du musst auch bei Null loslaufen lassen.
.tran 1ms startup

Dann funktioniert's.

[THOR (Gast)]

Krisi schrieb:
>> Eine Spule im Gleichstromkreis ist nichts anderes als ein Draht.
>>
>> Nur beim Einschalten zeigt sich ein kleiner Effekt, aber da wechselt die
>> Spannung ja auch, ist also kein Gleichstrom.
>
> Das verstehe ich jetzt nicht. Warum ist es kein Gleichstrom?

Gleichstrom heisst stationärer, also eingeschwungener Zustand. Im 
Einschaltmoment (also wenn die Simulation losläuft) ist der Zustand noch 
nicht eingeschwungen.

An der Stelle weise ich auf die DGL hin die die Schaltung beschreibt:

Ul = L *di/dt
Ur = i(t) * R

ergibt in deiner Schaltung: V1 = Ul+Ur = i(t)*R + L * di/dt

DGL lösen ergibt die bekannte e-Funktion (PT1-Glied) und Werte einsetzen 
ergibt Zeitkonstante (63% Punkt).

[Michael B. (laberkopp)]

Krisi schrieb:
>> Eine Spule im Gleichstromkreis ist nichts anderes als ein Draht.

> Das verstehe ich jetzt nicht. Warum ist es kein Gleichstrom?

Es ist in deiner Simulation Gleichstrom, das Ergebnis passt doch auch.

>> Nur beim Einschalten zeigt sich ein kleiner Effekt, aber da wechselt die
>> Spannung ja auch, ist also kein Gleichstrom.

Du hast nicht den Einschaltmoment protokolliert, sondern eben eine Spule 
im Gleichstrom.

Willst du, daß der Wechsel von 'aus' auf 'ein' anzeigt wird, musst du 
deine Spannungsquelle wechseln lassen (pulse) von 0V auf 12V

In diesem Moment ist es aber kein Gleichstrom, sondern einmalig 
wechselnder Strom.

[Erwin D. (Gast)]

Michael B. schrieb:
> In diesem Moment ist es aber kein Gleichstrom, sondern einmalig
> wechselnder Strom.

Der wechselt doch nicht, der steigt nur an!

[Theor (Gast)]

Erwin D. schrieb:
> Michael B. schrieb:
>> In diesem Moment ist es aber kein Gleichstrom, sondern einmalig
>> wechselnder Strom.
>
> Der wechselt doch nicht, der steigt nur an!

Michael B.s Beiträge darf man nicht auf die Goldwaage legen: Er meinte 
einen sich ändernden Strom. Wechselstrom ändert seine Richtung.

Aber das führt ohnehin vom Thema weg. Darin geht es ja um die 
Simulation. Und Erwin D. hat ja schon die Lösung genannt. Ohne 
"Startup"-Option startet die Simulation von Anfang an mit 12V 
Ausgangsspannung. Und aus dieser Situation ändert sich der Strom nicht 
mehr. LTSpice nimmt an, dass dieser Zustand von Anfang an stationär ist 
und sich Änderungen durch das Verhalten der Bauteile aus diesem Zustand 
heraus, aber nicht dem Verhalten der Stromversorgung ergibt.

Das wird aber zu verwickelt, wenn man das noch anfängt zu thematisieren.

[Michael B. (laberkopp)]

Erwin D. schrieb:
> Der wechselt doch nicht, der steigt nur an!

Ein klarer Wechsel der Spannung.

Theor schrieb:
> Michael B.s Beiträge darf man nicht auf die Goldwaage legen: Er meinte
> einen sich ändernden Strom. Wechselstrom ändert seine Richtung.

Doch, gerade deswegen betone ich hier den Wechsel in der Spannung.

Damit nicht irgendein Depp glaubt, das wäre in dem Moment 
Gleichspannung.

Die Fouriertransformation der Flanke mit ihren Freqeunzanteilen lasse 
ich als Begründung weg, denn wer nicht mal Gleich- und Wechselspannug 
kennt, kann mit den physikalischen Grundlagen dahinter sowieso nichts 
anfangen.

[Krisi (Gast)]

THOR schrieb:
> eichstrom heisst stationäre

Vielen Dank. Ich hätte noch zwei Fragen.

1) Abbildung4: Warum steigen die Spannungen (vor und hinter dem 
Widerstand), kein Einschaltmoment, bis 20us erstmal an?

2) Abbildung 5 Spule in AC-Kreis :(Quellle: 
https://www.eal.ei.tum.de/fileadmin/tueieal/www/courses/LGUS/tutorial/03_-_Kommutierung_Vortrag.pdf) 
.

Warum wird die zweite Welle (negativ) durch die Diode nicht gesperrt? 
Wenn L unendlich ist, dann ist doch der komplexe Widerstand unendlich 
und wir haben Leerlauf-Fall?

Lg

[Erwin D. (Gast)]

Michael B. schrieb:
> Erwin D. schrieb:
>> Der wechselt doch nicht, der steigt nur an!
>
> Ein klarer Wechsel der Spannung.

Eine klare Änderung der Spannung, aber kein Wechsel.

[Theor (Gast)]

Krisi schrieb:


> [...]
> Ich hätte noch zwei Fragen.
>
> 1) Abbildung4: Warum steigen die Spannungen (vor und hinter dem
> Widerstand), kein Einschaltmoment, bis 20us erstmal an?

Das ist das Verhalten durch das simulierte "Einschalten" der 
Stromversorgung. Die Spannung beginnt bei 0V, wird eingeschaltet und 
steigt innerhalb von 20us auf den Endwert.

> 2) Abbildung 5 Spule in AC-Kreis :(Quellle:
> 
https://www.eal.ei.tum.de/fileadmin/tueieal/www/courses/LGUS/tutorial/03_-_Kommutierung_Vortrag.pdf)
> .
>
> Warum wird die zweite Welle (negativ) durch die Diode nicht gesperrt?
> Wenn L unendlich ist, dann ist doch der komplexe Widerstand unendlich
> und wir haben Leerlauf-Fall?

Ich empfehle Dir sehr Dich zunächst auf ein Thema zu beschränken. Das 
sind idealisierte Betrachtungen für einen speziellen Fall, dessen 
Grundlagen Du noch nicht kennst.

[Erwin D. (Gast)]

Michael B. schrieb:
> Erwin D. schrieb:
>> Der wechselt doch nicht, der steigt nur an!
>
> Ein klarer Wechsel der Spannung.
>
> Theor schrieb:
>> Michael B.s Beiträge darf man nicht auf die Goldwaage legen: Er meinte
>> einen sich ändernden Strom. Wechselstrom ändert seine Richtung.
>
> Doch, gerade deswegen betone ich hier den Wechsel in der Spannung.
>
> Damit nicht irgendein Depp glaubt, das wäre in dem Moment
> Gleichspannung.
>
> Die Fouriertransformation der Flanke mit ihren Freqeunzanteilen lasse
> ich als Begründung weg, denn wer nicht mal Gleich- und Wechselspannug
> kennt, kann mit den physikalischen Grundlagen dahinter sowieso nichts
> anfangen.

Okay, dann lies dir mal die Definition einer Wechselspannung durch:

Wechselspannung nennt man eine elektrische Spannung, deren
Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt, deren
zeitlicher Mittelwert aber gemäß Normung[1][2] null ist.

Wie sieht es nun bei einer ansteigenden Gleichspannung aus?
- Wechselt die Polarität regelmäßig?
Nein!
- Wechselt die Polarität überhaupt?
Nein!
- Ist der zeitliche Mittelwert null?
Nein!

Und du sagst:
> Damit nicht irgendein Depp glaubt, das wäre in dem Moment
> Gleichspannung.
Doch! Das ist Gleichspannung.

Und jetzt überleg dir nochmal deine Aussage:
laberkopp schrieb:
> wer nicht mal Gleich- und Wechselspannug kennt, kann mit
> den physikalischen Grundlagen dahinter sowieso nichts anfangen.

[Krisi (Gast)]

Hallo,

nun versuche ich die Grundlagen auszurbeiten. In der Abbildung ist der 
zeitliche Verlauf (Schaltvorgänge einer Spule) dargestellt.

Ich habe gelesen, dass beim Abschalten einer induktiven Last, 
Spannungsspitzen entstehen können. Entspricht die Spannungsspitze den 
negativen Sprung der Spannung? Entsteht die Spannungsspitze durch die 
Selbsinduktion der Spule?

[Helmut S. (helmuts)]

Kurze Erklärung zu .TRAN


Normalerwesie wird am Anfang der Arbeitspunkt mit den angegebenen Werten 
der  Spannungs- und Stromquellen bestimmt. Da kommt bei deiner Schaltung 
gleich der Endwert I=4A heraus. Da ändert sich dann gar nichts mehr über 
die Zeit.

.tran 1m



Man kann die "einfachen" unabhängigen Quellen von 0 ansteigen lassen. 
Dabei beträgt die Anstiegszeit 20us.

.tran 1m startup


Und hier die Funktion die du erwartet hast. Hier wird gar kein 
Arbeitspunkt  am Anfang bestimmt. Alles beginnt bei 0 und die einfachen 
unabhängigen Quellen springen bei t=0+ schlagartig auf ihren Wert.

.tran 1m uic


Nachtrag
Wer es dann ganz genau haben will setzt noch einen maximalen Zeitschritt 
von z. B. 1us und schaltet die Datenkompression ab.

.tran 0 1m 0 1u
.options plotwinsize=0

Natürlich kann man das noch mit startup oder uic erweitern.


.tran 0 1m 0 1u startup
.options plotwinsize=0

.tran 0 1m 0 1u uic
.options plotwinsize=0

[Krisi (Gast)]

Danke für die Antwort. Aber Vorerstmal versuche ich die Grundlagen zu 
verstehen.

[Helmut S. (helmuts)]

Noch ein Nachtrag falls du mal mit sehr kleinem Vorwiderstand arbeitest 
oder eine ideale Spule benötigst.

Spulen haben in LTspice standardmäßig einen internen Serienwiderstand 
von 1mOhm. Um den wegzubekommen, Rechtsklick auf die Spule und dann im 
Dialogfenster im Feld "Series Resistance" 0 eintragen.

[Nase (Gast)]

Helmut S. schrieb:
> .tran 1m uic
Das ist eigentlich der Kern der ganzen Sache.

Die anfängliche Verwirrung hat garnix mit irgendwelchen Spannungen zu 
tun, die irgendwie ansteigen oder der Zeitauflösung.

Es liegt einfach daran, dass Spice vor der schrittweisen Simulation 
den Arbeitspunkt der Schaltung berechnet (.op-Datei) und von dort erst 
lossimuliert. Und im Arbeitspunkt ist die Spule an Gleichspannung halt 
ein Stück Draht.

[Theor (Gast)]

Nase schrieb:
> Helmut S. schrieb:
>> .tran 1m uic
> Das ist eigentlich der Kern der ganzen Sache.
>
> Die anfängliche Verwirrung hat garnix mit irgendwelchen Spannungen zu
> tun, die irgendwie ansteigen oder der Zeitauflösung.
>
> Es liegt einfach daran, dass Spice vor der schrittweisen Simulation
> den Arbeitspunkt der Schaltung berechnet (.op-Datei) und von dort erst
> lossimuliert. Und im Arbeitspunkt ist die Spule an Gleichspannung halt
> ein Stück Draht.

Nein. Das ist nicht der Kern der Sache und liegt auch nicht "einfach" 
daran.

Schon elektrisch besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen der 
Situation, dass 0V anliegen und 0A Strom durch die Spule fliessen und 
der, dass 12V anliegen und (rund) 3A Strom fliessen. Ein Anstieg auf 12V 
(bzw. im zweiten Fall, das weiter konstante anliegen von 12V) bewirkt 
nämlich nur im ersten Fall überhaupt eine Veränderung. Also kommt es 
eben darauf, entgegen Deiner Aussage, an!

Startup berechnet den initialen Arbeitspunkt mit einer definierten 
Spannung (von 0V) während "uic" diesen Schritt schlicht auslässt - und 
entweder Programm-defaults oder Benutzervorgaben für den initialen 
Zustand der Schaltung benutzt.
Und der Programm-default für die Spannungsquellen ist - Tusch! - 0V.

Effektiv bewirken also "uic" und "startup" in genau dieser Art von 
Schaltung keinerlei Unterschied, aber "startup" ist dem Sinne nach die 
angemessene Option, in dem es explizit von 0V anfängt, während "uic" 
(ohne weitere Angaben) lediglich von defaults ausgeht, die hier nur 
unbeabsichtigt zutreffen - hauptsächlich deshalb weil gerade mit "uic" 
die Absicht besteht, dem Benutzer zu ermöglichen eigene 
Initalbedingungen anzugeben und nur weil und falls er das nicht 
tut Defaults verwendet werden.
Das ist ein wesentlicher Unterschied ob eine Option ein bestimmte 
Bedingung in ihrer Definition beinhaltet weil sie genau das bewirken 
soll, oder nur als Nebeneffekt der fehlenden Angaben des Benutzers.

Wer sich selbst über diese Aussage und meine Erklärung dazu eine Meinung 
bilden will, mag etwas hier: 
http://ltwiki.org/index.php5?title=Simulation_Command nachlesen. man 
beachte auch den grün hinterlegten "ExtraHint" im Abschnitt "uic".

[Michael B. (laberkopp)]

Krisi schrieb:
> 1) Abbildung4: Warum steigen die Spannungen (vor und hinter dem
> Widerstand), kein Einschaltmoment, bis 20us erstmal an?

Weil du startup angegeben hast.

[HildeK (Gast)]

Statt .startup  kann man auch einfach einen Spannungspuls nehmen, der 
mit Verzögerung angelegt wird.
Siehe Anhang mit 1ms Delay.