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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Glühlampe in LTSpice?


Autor: Daniel (Gast)
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hallo,

ich möchte eine (Halogen-)Lampe 12V/75Watt in LTSpice simulieren. dafür 
habe ich das angehängte Beispiel gefunden, aber ich verstehs nicht.
kann mir da jemand weiterhelfen was für Parameter man da einstellen 
muss, oder wie man das sonst simulieren kann?

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hallo,

hab mal selber auch ein Modell gemacht, aber das hier gefällt mir 
besser.

http://www.krucker.ch/DiverseDok/Parametrisierbare...

Bei ca. 70% der Seiten ist das Subcircuit für die Glühlampe.

Helmut

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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So ne interessante Nebenfrage wäre, wenn man nun eine Glühlampe zum 
Schutz eines Halbleiters benutzt, müßte die Lampe im Überlastfall ja 
schneller auf Temperatur kommen als der Halbleiter. Es hat also 
irgendwie mit der Wärmekapazität der beiden beteiligten Bauelemente zu 
tun. Außerdem mit der 'Grenztemperatur', also bis zu welcher Temperatur 
man das jeweiligen Bauelement aufheizen könnte.
Ich tippe mal darauf, das ein TO220-Halbleiter da positiv weg kommt.

Bis zu welcher Temperatur könnte man einen Glühfaden bei sporadischen 
Events überheizen? Also den Spielraum von Heiß-zu-Kalt von ca. 5:1 bis 
10:1 noch erweitern?

Oder ist das sinnlos und man kommt mit einem PTC oder so einer 
Carbon-Fuse besser weg?

Irgendwelche Ideen oder Einwände?

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Das von Daniel gepostete Modell [1] scheint mir aus zwei Gründen
wesentlich genauer als das im Link [2] von Helmut zu sein:

1. In [2] wird die in Tabelle 1 aus

     http://hypertextbook.com/facts/2004/DeannaStewart.shtml

   angegebene Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands von
   Wolfram durch ein Polynom 4. Grades approximiert. Dabei erweitert der
   Autor die Werte aus der Tabelle für die Temperaturen 200k, 100k und
   0K mittels einer — wie er schreibt — "linearen Extrapolation", die
   aber alles andere als linear ist, wenn man sich die Werte anschaut.
   Dadurch macht die Kurve bei tiefen Temperaturen einen seltsamen
   Bogen, der sicher nicht der Realität entspricht. Das wäre an sich
   kein großes Problem, da in der Praxis solch tiefe Tempraturen kaum
   auftreten werden. Dieser Bogen hat aber zur Folge, dass das Polynom
   insgesamt recht wellig wird und bei Temperaturen oberhalb von 3200K
   stark von den Messwerten abweicht.

   Die in [1] verwendete Funktion c·T^1,2 passt dagegen über den
   gesamten vermessenen Temperaturbereich sehr gut und hat auch bei 0K
   den theoretisch richtigen Wert, nämlich 0Ωm. Damit dürfte auch der
   Bereich tiefer Temperaturen recht gut approximiert sein.

2. In [1] wird berücksichtigt, dass ein großer Anteil der elektrischen
   Leistung als Strahlung abgeführt wird und damit nicht zur Erwärmung
   des Glühfadens beiträgt. In [2] wird nur die Wärmeleitung berücksich-
   tigt, was der Autor selbst als Mangel seines Verfahrens aufführt.

Die Parameter in [1] sind im Wesentlichen die gleichen wie in [2], des-
wegen kann [2] als Anleitung zur Parametrierung herangezogen werden. Bei
[1] kommt aber zusätzlich der Parameter Kf für Berechnung der Strahlung
hinzu. Dieser ist schwer zu messen, aber man könnte ihn evtl. indirekt
über die Lumen-Angabe der Glühlampe bei Nennleistung bestimmen.

@Daniel:
Wo hast du dieses Modell gefunden? Gibt es dort keine weiteren Informa-
tionen dazu?

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Öffnet man die Datei kommt man auf analog@ieee.org und das ist 
bekanntlich die Adresse des Authors von LTspice. Paßt auch zur 
Komplexität der Beschreibung.

Und das führte mich dann hier her:
Beitrag "ABM Spice Modell mit innerem Zustand erstellen (LTSpice)"

und weiter zu:
http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/message/3424

Hier liegen die Files:
http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/files/a...

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Abdul K. schrieb:
> Öffnet man die Datei kommt man auf analog@ieee.org und das ist
> bekanntlich die Adresse des Authors von LTspice.

Das ist jetzt aber total falsch.

analogspiceman ist aktives Mitglied in der LTspice Yahoo group.
Diese group hat keinerlei Verbindung zu Linear Technology.

Der Author von LTspice ist Mike Engelhardt.

Helmut
Moderator der LTspice Yahoo group.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hm. Wie auch immer. Die Adresse ist bekannt. Man kann ihn wegen des 
Lampenmodells anschreiben.

Autor: Daniel (Gast)
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genau, in der LTspice Yahoo group hab ich das Modell unter den Files 
gefunden. da gabs keine weiteren Informationen zu. den Beitrag 
http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/message/3424 hab ich noch gar 
nicht gesehen. verstehen tu ich aber nicht viel.
er schreibt halt: "You will have to change the model parameters to fit 
the characteristics of your lamp". aber was muss man unter "PARAMS:" 
angeben?


Abdul K. schrieb:
> Hm. Wie auch immer. Die Adresse ist bekannt. Man kann ihn wegen des
> Lampenmodells anschreiben.

meinst du damit analogspiceman (analog@ieee.org)? auch auf deutsch?

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Du meinst, du kannst das nicht auf Englisch hindengeln? Na, dann sag 
halt was du willst und einer übersetzt es. Mike Engelhardt versteht 
etwas Deutsch, aber der soll ja nicht dieser analog@i*.org sein.

Im Allgemeinen spielt man solange mit den Parametern, bis es hinkommt. 
Wenn man keinen direkten Weg kennt.


Eigentlich habe ich ja was anderes zu tun, aber nun gut. Schauen wir 
mal:
.param Kc=120 Kf=.7p CTf=5m RTf=10k
.param Ka=temp-kelvin; ambient temp in deg K

temp scheint eine interne Variable von LTspice zu sein. Die steht 
vermutlich auf 27°C. Kann man sich ausgeben lassen.
kelvin scheint eine interne Konstante in LTspice. Korrekturwert für 
Umrechnung der Skala von Grad Celsius nach Kelvin absolut.

Gerade mal SPICE Error Log aufgerufen. Ja, temp ist mit 27°C 
voreingestellt. kelvin kann ich dort nicht finden, also in Hilfe 
nachgeschaut. nada. Typisch LTspice.
Aber man findet das hier:
http://ltwiki.org/index.php5?title=Undocumented_LTspice

Tja, die erste Parameter-Zeile. Da würde ich ne echte Lampe nehmen und 
deren Sprungantwort auf einem DSO aufzeichnen und dann die Parameter 
entsprechend bespielen bis es paßt.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Das Teil scheint eine 120V stinknormale Birne zu sein. Die Testschaltung 
ist wohl extra umständlich beschrieben. 170V durch Wurzel 2 sind 120V. 
Für Waveform-Berechnungen ist es sinnvoll, die Aufzeichnung auf 
ganzzahlige Perioden auszulegen. Frequenz 60Hz. Stellt sich nur noch die 
Frage der Leistung der Birne. Fließen nach dem Aufheizen 0,8Arms, also 
eine 96W Birne.
Ob die Zeitkonstante für die Erwärmung stimmt, kann ich so nicht sagen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hallo Daniel,

Habe gerade entedeckt, dass ich bereits 2004 ein "frontend" für die 
Parameter geschrieben habe. Einfach rechter Mausklick auf die Lampe und 
Pn und Vn anpassen.

Gruß
Helmut

Tipp: Melde dich doch in der Yahoo group an.

http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/


http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/files/%...

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hallo Helmut -

Wie kommst du auf die ganzen Umrechnungen? Ich kann das nicht 
nachvollziehen.
Problem: Ich habe in deinem Frontend die gleichen Werte wie ich sie 
gerade aus dem Original von analogspiceman rausgezogen habe, eingesetzt, 
also Pn=96 Vn=120 .
Man sieht nun aber, das die Sprungantwort eine völlig andere ist.

Also stimmt irgendwas nicht.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Danke für die Rückmeldung.

Hab jetzt Ramb=Rn/16 gesetzt um auch auf 3000K Temperatur zu kommen.
Den Zeitkonstantenkondensator hab ich auf Ctf=50m halbiert.

Helmut

Autor: Daniel (Gast)
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danke mal soweit.
ich hab mir ne Simulation wie in dem Screenshot gemacht. ich schalte 
eine Sekunde ein, dann fünf aus und danach wieder ein. in 5Sek sollte 
doch eigentlich eine Glühlampe wieder abgekühlt/dunkel sein. der erneute 
Strom ist aber nur ein Bruchteil vom ersten Einschalten. mit welchem 
Wert kann man das anpassen?

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Rtf erhöhen. Das Produkt aus Rtf*Ctf konstant halten.
hohes Rtf verringert die Abklingzeitkonstante der Temperatur.

.param CTf=0.5m RTf=100k

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Daniel schrieb:
> ich schalte eine Sekunde ein, dann fünf aus und danach wieder ein. in
> 5Sek sollte doch eigentlich eine Glühlampe wieder abgekühlt/dunkel sein.

Wenn ich mir eine echte 100 Watt Birne anschaue, dann ist die nach 5s 
noch nicht kalt. Die Glühwendel hat bestimmt noch ein paar hundert Grad.

Autor: Daniel (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> Rtf erhöhen. Das Produkt aus Rtf*Ctf konstant halten.
> hohes Rtf verringert die Abklingzeitkonstante der Temperatur.
>
> .param CTf=0.5m RTf=100k

wenn ich RTf erhöhe und das Produkt konstant halte wird die fallende 
"Strom-Rampe" aber auch viel steiler :-(

> Wenn ich mir eine echte 100 Watt Birne anschaue, dann ist die nach 5s
> noch nicht kalt. Die Glühwendel hat bestimmt noch ein paar hundert Grad.

ok, du scheinst Recht zu haben. ich bin fälschlicherweise davon 
ausgegangen, dass der Wendel schon wieder Raumtemperatur hat sobald er 
nicht mehr glüht.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Wenn du im Control Panel die beiden Optionen anmachst, dann kannst du
in meiner Schaltung die Temperatur V(u1:tfilk) plotten.
Du musst natürlich die Schaltung mit dieser Option dann simulieren.

Control Panel
Save Defaults -> Save Subcircuit Voltages
Save Defaults -> Save Subcircuit Currents

Autor: Daniel (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> Wenn du im Control Panel die beiden Optionen anmachst, dann kannst du
> in meiner Schaltung die Temperatur V(u1:tfilk) plotten.
> Du musst natürlich die Schaltung mit dieser Option dann simulieren.
>
> Control Panel
> Save Defaults -> Save Subcircuit Voltages
> Save Defaults -> Save Subcircuit Currents

hab ich gemacht. wo wird die jetzt geplottet? und was hilft mir das?

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Da siehst du wie die Veränderung vo Rtf den Abfall der Temperatur 
verändert.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Helmut S. schrieb:
> Danke für die Rückmeldung.
>
> Hab jetzt Ramb=Rn/16 gesetzt um auch auf 3000K Temperatur zu kommen.
> Den Zeitkonstantenkondensator hab ich auf Ctf=50m halbiert.
>

Das sieht besser aus. Aber es ist immer noch sehr unterschiedlich. Habs 
mal angehangen.
Heiß zu kalt hatte ich bislang 10:1 bis 5:1 in Erinnerung.
Nach ner Stunde googeln muß ich sagen nix gefunden zu haben. Außer das 
das Verhältnis 20:1 sein kann.



Die Frage ist auch, wo die Masse des Glühdrahtes eingeht. Da gibts ja 
selbst bei gleicher Wattage anscheinend kräftige Unterschiede. 
Desweiteren die Frage, wie heiß das Teil betrieben wird.

Und wie ist der Strahlungskoeffizient eingegangen. Das wäre eine 
Konstante für Wolfram.

Da muß mal ein richtiger Physiker ran. Elektriker müssen wohl 
stundenlang recherchieren.


Und so ganz kleinlaut in der Ecke: Die Frage nach der Wärmekapazität des 
TO220 für meinen Beitrag zur PTC-Sicherung.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Aha. Editieren von Beitrag mit anschließendem Anhängen von Doks geht 
nicht!


Hier das Bild!


Achso: Ja, die Glühlampe brauch etliche Zeit zum kompletten Abkühlen. 
Das dürften sicherlich 10-20 Sekunden sein.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hah! Hab wohl Kalibrierkurven für unser Modell gefunden:
http://www.ee.bgu.ac.il/~pel/pdf-files/conf104.pdf

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hier sind aktualisierte Daten gemäß dem obigen pdf angepaßt. Die Kurven 
kommen ganz gut hin. Lampe ist eine H4 12V 60W für Autos. Die 
tatsächliche Betriebsspannung ist also 12,8V. Die Fadentemperatur habe 
ich auf 3500K gesetzt. Vielleicht finde ich auch noch bessere Angaben 
hierzu.

lampa.sub:
* curve-fitted to H4 automobile 12V 60W lamp by HK/20101107
* lamp1.asc based on analogspsiceman's lamp
* Keep this model file lampa.sub in the folder of your schematic.
.subckt lampa 1 2
.PARAM Pn=60
.PARAM Vn=12.8
.PARAM Rn=Vn*Vn/Pn
.PARAM Ramb=Rn/19.5
.PARAM Tamb=27
.PARAM Tambk=Tamb+273.15
.PARAM Tfilk=Tambk*(Rn/Ramb)**(1/1.2285)
.PARAM Kc=1/Ramb*Tambk**1.2285
.PARAM Kf=(Pn+(Tambk-Tfilk)/RTF)/(Tfilk**4-Tambk**4)
.param CTf=5m RTf=10k
BTf 0 Tfilk I=V(1,2)*I(BCf)-{Kf*(V(Tfilk)**4-V(tambk)**4)}
Cfa Tfilk Tambk {CTf} Rpar={RTf}
Va Tambk 0 {Tambk}
BCf 1 2 I=V(1,2)*Kc/V(Tfilk)**1.2
.ends lampa

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Soweit so gut. Leider scheint es ein Konvergenzproblem mit dem 
Lampenmodell zu geben.
Das Projekt ist angehangen.
1. Die Lampe ist eingebaut. Die Simulation ergibt nur wirre Kurven. 
Teils fehlen die vertikalen Achsen. Man beachte unterste Kurve!
2. Die Lampe wird rausgenommen, durch einen Draht ersetzt. Die 
Simulation funktioniert.
3. Der Draht wird durch einen Widerstand ersetzt, der den Wert der Lampe 
im Kaltzustand entspricht. Die Simulation läuft.
4. Die Lampe wird PARALLEL zum Widerstand eingebaut. Die Erwartung ist, 
das die Simulation läuft, tut sie aber nicht!

Helmut, eine Idee? Habe auch den Alternate-Solver ausprobiert, der tuts 
auch nicht.
Ich finde die ganze Simulation nicht sonderlich abenteuerlich. Wo ist da 
das Problem? Sollte man das Lampenmodell irgendwie ändern?

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Helmut, eine Idee?

Hallo Abdul,

Die Konvergenzprobleme kommen von der Spule mit der Sättigung.
Wenn die immer nur 1mH hat, dann läuft die Simulation. Du willst aber 
Sättigungsverhalten.

Lösung

1. Ändere R1 von 10k nach 1k, dann läuft die Simulation.

2. Zusätzlich solltest du noch 20uH Streuinduktivität einfügen. Damit 
wird es realistischer.

Flux={L*Is}*tanh(x/{Is})+20u*x

Helmut

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Ach, wenn ich dich nicht hätte. Du bist wirklich Gold wert. Danke!

Hast du das geraten oder gezielt ne Lösung gehabt?

Jedenfalls gehts erstmal.


Allerdings muß ich noch wegen der Streuinduktivitä fragen:
Wie soll ich die mir vorstellen? Ich kenne den Begriff eigentlich nur 
für Trafo/Übertrager.


Und weils so schön ist: Kennst du irgendeinen Hersteller von 
Fertigdrosseln, der nichtlineare Modelle anbietet?

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Leider gibts nun anscheinend andere Konstellationen, bei denen es 
wiederum nicht geht! Auch mit deiner Streuinduktivität.

Liegt das nicht viel mehr am Lampenmodell, weil dort 1/x und x**4 
vorkommen?

Bau einfach mal in die Spannungsquelle 10 Ohm Serienwiderstand ein, dann 
funzt nix mehr! Selbst wenn man mit der Spannung der Zenerdiode und 
durch Austausch des MOSFET spielt, bzw. bei BZX84C12L und IRF7821. R1 
ist 1K.

Ratlos! Scheinbar ist LTspice hier einfach überfordert.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Allerdings muß ich noch wegen der Streuinduktivitä fragen:
> Wie soll ich die mir vorstellen? Ich kenne den Begriff eigentlich nur
für Trafo/Übertrager.

Sorry, da hätte ich mich etwas missverständlich ausgedrückt.
Damit meinte ich die Indukivität die übrig bleibt, wenn der 
Kern(Magnetmaterial) voll in Sättigung ist. Das ist die Induktvität der 
Spule ohne Magnetmaterial.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Abdul K. schrieb:
> Und weils so schön ist: Kennst du irgendeinen Hersteller von
> Fertigdrosseln, der nichtlineare Modelle anbietet?

Ist zwar zwei Jahre her, aber evtl. ist hier etwas dabei?
http://www.we-online.de/web/de/index.php/show/medi...

Gruß
Axelr.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Danke.
Ist ja witzig. Die haben ihre Modelle verschlüsselt.
Ohne Not werde ich mir das nicht weiter ansehen.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Hätte ich nicht mit gerechnet, sieh an!

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Abdul K. schrieb:
> Soweit so gut. Leider scheint es ein Konvergenzproblem mit dem
> Lampenmodell zu geben.

>
> Helmut, eine Idee? Habe auch den Alternate-Solver ausprobiert, der tuts
> auch nicht.
> Ich finde die ganze Simulation nicht sonderlich abenteuerlich. Wo ist da
> das Problem? Sollte man das Lampenmodell irgendwie ändern?

Ich habs jetzt mit aktuellem LTspice nochmal laufen lassen und siehe da, 
JETZT kommen sinnvolle Kurven bei der damaligen Sim raus.

Die Sache mit den 10 Ohm in der Versorgungsleitung scheint aber 
weiterhin nicht korrekt simuliert zu werden.

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