Messwerte der frequenzabhängigen Impedanz einer Spule in LTspice zu Simulationhinterlegen

[Philip (Gast)]

Guten Abend zusammen,

ich habe mit dem Messgerät Agilent 4294A das frequenzabhängige 
Impedanzverhalten verschiedener Spulen untersucht. Nun möchte ich die 
Werte entsprechend in die Simulation einpflegen. Die Spulen werden weit 
außerhalb der Sättigung betrieben, es geht um die Simulation anderer 
Effekte Berücksichtigung. Wisst ihr ob und wie die Umsetzung möglich 
ist? Ich freue mich sehr über eine Antwort.

[Helmut S. (helmuts)]

Hallo Philip,

es gibt die Möglichkeit von freq-tables. Die funktionieren hervorragend 
in der .AC Analyse, aber sie sie funktionieren schlecht in .TRAN in 
vielen SPICE-Programmen und auch schlecht in LTspice. Sprich mit .TRAN 
kann man das vergessen.

Ich habe dir ein Beispiel gemacht. Parallel dazu habe ich ein 
Ersatzschaltbild mit Skin-Effekt gemacht. Man könnte etwas ähnliches 
auch noch mit Laplace-Funktionen machen aber auch das hat das gleiche 
Problem bezüglich .TRAN. Völlig problemlos in .TRAN ist das hier 
gezeigte Näherungsmodell für Skin-Effekt.

Gruß
Helmut

[Philip B. (phibro)]

Hallo Helmut,
die Simulation soll tatsächlich als .AC Analyse betrieben werden.


- Kannst du eine verständliche Anleitung zur Erstellung von freq-tables 
empfehlen?
- Bzgl. des Skin effekt modell, hast du Erfahrungswerte genutzt oder 
kennst du einen allgemeinen Weg zur Approximation?


Ich habe nun eine weitere Frage und ich vermute, dass du schon mit 
dieser gerechnet hast :) Besteht die Möglichkeit, ebenfalls die 
Stromabhängigkeit zu Simulieren? Wie du sicher schon gesehen hast 
verhält sich die Spule von 0 bis 10 A gleich, danach verliehrt sie einen 
Teil der Induktivität. Den Stromverlauf habe ich in der Grafik der 
Induktivität ( zweite y-Achse) ergänzt. Des Weiteren habe ich den 
gemessenen ohmschen Widerstand hinzugefügt. Dieser macht nur einen 
kleinen Teil der Impedanz aus, aber würde eine weitere Verbesserung der 
Simulation bedeuten.

Beste Grüße,

Hochachtungsvoll,

Philip

[Philip B. (phibro)]

Noch eine kurze Erklärung zu den Grafiken: Ich habe die Spule mit 
verschiedenen DC Strömen gemessen um das Verhalten der Induktivität und 
des ohmschen Widerstandes bei unterschiedlichen Arbeitspunkte zu 
untersuchen.

[Helmut S. (helmuts)]

> nur AC

Wenn du nur .AC simulierst ließe sich die frequenzabhängige Induktivität 
auch mit einer Laplaceformel approximieren.


> Bzgl. des Skineffekt-Modells, hast du Erfahrungswerte genutzt oder
kennst du einen allgemeinen Weg zur Approximation?

Ich habe das einfach mal von Hand probiert.


Die Induktivität von Spulen mit Ferrit- oder Eisenkernen nimmt mit 
steigendem Strom ab. Das läßt sich beim normalen Spulenmodell mit einer 
Formel flux=523u*b*tanh(x/b) statt nur 523u einstellen. Allerdings ist 
da keine Frequenzabhängigkeit drin.

Die freq-tables sind ein reines AC-Modell. Da fällt mir auf Anhieb 
nichts ein die Spule zusätzlich stromabhängig zu machen.

[michael (Gast)]

Hi Philip

Interessante Messung! Könntest du noch verraten wie die Verkabelung des 
4294 und der Spule genau ist? Wo kommt der DC strom Offset her?

Danke
Michael

[Philip B. (phibro)]

Hallo Michael,

das Agilent 4294A habe ich zur Impedanzmessung verwendet, den DC Strom 
habe ich über ein HP 4284A (Precision LCR Meter 20 Hz – 1 MHz) 
eingestellt. Den Anschluss der Spule habe ich über den Test Fixture des 
Agilent vorgenommen. Bei weiten Fragen gebe ich gerne genauere Infos.

Liebe Kameraden, ich habe eine Idee wie man die Stromabhängigkeit in der 
Simualation realisieren könnte - da ich wenig Erfahrung im Bereich der 
Programmierung habe bräuchte ich euren Rat bzgl. der Umsetzbarkeit.

Da die Induktivität von 0 A bis 10 A homogen ist würde ich die 
Simulation in diesem Bereich mit den gemittelten Werten fahren. Da meine 
Schaltung im realen Versuch bis maximal 16 A betrieben wird würde ich 
mit dem Agilent und dem HP ebenfalls die Induktivität für 11, 12, 13, 
14, 15 und 16 A messen. Meine Idee wäre nun über eine "if" Schleife, die 
den Strom abfragt, die jeweilige frequenzabhängige Impedanz 
wiederzugeben. Kann man diese Bedingung in die freq-tablets intergieren? 
Weiterhin würde ich das gleiche mit dem ohmschen Anteil machen, lässt 
sich dieser auch über freq-tablets einstellen?

[Helmut S. (helmuts)]

Auf jeden Fall ist es möglich die freq-table in LTspice mit einem Faktor 
zu multiplizieren. Siehe Anhang.

Ganz verschiedene Tabellen könnte man mit einem Schalter SW auswählen.

[Philip B. (phibro)]

Hallo Helmut,

kannst du mir bitte die Zeilen deiner Programmierung erläutern? Außer:

+ Frequenz, {Induktivität*Frequenz*2*pi}, Phasenverschienbungswinkel

verstehe ich es nicht.

Ich habe die Werte der 10 Ampere Messung und der 15 Ampere Messung zu je 
einer Tabelle verarbeitet, den Syntax der if/else Befehle kennt LTspice 
jedoch nicht. Die Simulation soll mit einer U-Quelle durchgeführt 
werden.

[Helmut S. (helmuts)]

Mit zwei getrennten Quellen könnte man das machen. Eine von beiden hat 
dabei immer den Wert 0.
Achtung, ich habe IL<=10 genommen weil ich eigentlich verstanden habe, 
daß eine Kurve für 10A und die andere für 15A ist.
Außerdem haben da bei eingen Werten "u"(micro) gefehlt und bei der 2. 
Tabelle war bei 2137Hz ein Anstieg der Induktivität. Den Anstieg habe 
ich geändert.

[Philip B. (phibro)]

Hallo Helmut,

das hast du richtig verstanden, mir ging es erst mal um das Verständnis 
der Programmierung. Jetzt kommt die entscheidende Frage, lässt sich die 
Verwendung mehrer Quellen in einer gemischt Schaltung umsetzen, da es 
nicht um die isolierte Betrachtung der Spulen geht? Die Simulation und 
der Messaufbau enthalten nämlich drei verschiedene Spulen. Zum besseren 
Verständnis habe ich den gesamten Messaufbau in LTspice programmiert, 
inkl. des Lastwiderstandes der den Strom auf 16 A begrenzt. Die erste 
Spule mit ca 500uH (L2) haben wir bereits besprochen. Die zweite Spule 
(L3) habe ich mit mehreren Tabellen beschrieben, da diese stark 
stromabhängig ist, bzw. früh die Sättigungsmagnetisierung erreicht. Die 
dritte Spule (L4) hat nur eine geringe Abweichungen und kann mit den 
frequenzabhängigen Mittelwerten der Induktivität simuliert werden.

Beste Grüße,

Philip

[Helmut S. (helmuts)]

Ich habe dir mal die ganzen Fehler behoben.

1. Kurzschlüsse auf Grund gleicher Netznamen

2. Die Spulen L2, L3, L4 müssen zu Subcircuits gemacht werden.
Ctrl plus klick mit rechter Maustaste auf die Spule. L -> X siehe 
Bilder.

2. Reihenschaltung notwendig in Subcircuit LF3 statt Parallelschaltung

3. IF-cases korrigiert in Subcircit LF3

Noch ein Tipp. Schaltpläne lassen sich besser lesen, wenn der Signalfluß 
von links nach rechts geht, also links mit der Quelle beginnen.

[Philip B. (phibro)]

Lieber Helmut,

die Simulation bedient sich nun aber nicht der diskreten Werten der 
jeweiligen if- Bedingung sondern simuliert die Ströme und Spannungen mit 
allen Kombinationsmöglichkeiten der Tabellen, siehe Bild. Ich habe 
versucht die Spannungsquellen mit einer stromgeführten Stromquelle zu 
ersetzen die den Stromwert in den Subcircuit übertrgägt, dies hat jedoch 
auch nicht das gewünschte Ergebnis geliefert. Hast du eine Idee?

[Helmut S. (helmuts)]

Ich weiß nicht welche Schaltung du jetzt hast. Häng mal die .asc-Datei 
an.

[Philip B. (phibro)]

Das ist die gleiche Schaltung die du mir geschickt hast, mit dem 
Unterschied, dass die IL Werte nun alle bei .step parametrisiert sind 
und das zwei Widerstände mit Tabellen definiert wurden. Die Widerstände 
und die Spule L4 funktionieren wie programmiert, da diese nicht 
stromabhängig sind. Die Simulation gibt wegen der Interpretierebarkeit 
von L2 und L3  eine Kurvenschar für Strom- und Spannungsverläufe wieder. 
Ziel der Programmierung ist für jeden Augenblicks-wert des Stroms die 
entsprechende Tabelle bzw. Kurve der Induktivität der Spule zu 
simulieren.

[Helmut S. (helmuts)]

> Ziel der Programmierung ist für jeden Augenblicks-wert des Stroms die
entsprechende Tabelle bzw. Kurve der Induktivität der Spule zu
simulieren.

Das geht nicht. Ich hatte ja schon früher geschrieben, dass daß es bei 
Verwendung von Freq-Tabellen nur mit Parametern als Kriterium 
funktioniert aber nicht mit dem aktuellen Strom.


Damit sind wieder am Anfang der Diskussion.

Überhaupt kennt die .AC Simulation gar keinen DC-Strom. SPICE bestimmt 
bei nichtlinearen Schaltungen am Anfang den DC-Arbeitspunkt(Strom) und 
linearisiert dann die Schaltung für die .AC-Analyse. In der .AC Analyse 
ist es dann völlig egal ob du mit 1mA oder 1000A AC-Strom simulierst. 
Das sind dann nur entsprechende Multiplikatoren. Deshalb ist schon das 
Konzept der AC-analyse falsch angewendet, wenn man meint die 
Nichtlinearität der AC-Ströme in der .AC-Analyse simulieren zu wollen.

[Philip B. (phibro)]

Hallo Helmut,

ich habe mich nun entschlossen eine Spule auszuwechseln und dann die 
Tabellen mit Durchschnittswerten bei den gemessenen Frequenzen zu 
betreiben, da die Abweichung der Induktivität bei verschiedenen Strömen 
max. 1 % beträgt.

Um die neue Spule zu testen habe ich das CHAN Modell angewendet. Dort 
kommt allerdings etwas anderes raus als die Berechnungen mit den 
Datenblättern aussagen.

Ich habe zur Überprüfung des rechnerischen Vorgehens und des CHAN 
Modells die Daten der Spule L2 verwendet, da ich hier bereits den 
Induktivitätsverlauf gemessen habe (siehe weiter oben). Meine Rechnung 
geht auf, da die Spule  mit 494uH berechnet und dimensioniert wurde. 
(L=(ALWert)*(N=Anzahl der Windungen)² = 630E-6 * 28² = 494uH) Bei der 
Anwendung des CHAN Modells kommt hier jedoch 440 uH heraus. Ist dir 
dieses Problem bekannt?
Im Anhang schicke ich dir die Programmierung des ersten 
Induktivitätsmodells und des CHAN Modells sowie die markierten 
Datenblätter mit den Relevanten Informationen. Der Spulenkern ist ein 
PM-114/93 N-27 mit 28 Windungen. Die Tabellen des Hc,Br,Bs, A und Lm 
stammen aus dem Handbuch von Würth-Elektronik. Der Luftspalt Lg und der 
AL-Wert aus dem EPCOS Datenblatt.

Beste Grüße

Philip

[Helmut S. (helmuts)]

>  Meine Rechnung
geht auf, da die Spule  mit 494uH berechnet und dimensioniert wurde.
(L=(ALWert)*(N=Anzahl der Windungen)² = 630E-6 * 28² = 494uH) Bei der
Anwendung des CHAN Modells kommt hier jedoch 440 uH heraus.

> Ist dir dieses Problem bekannt?

Ich habe damit keine Erfahrung.
Die Frage ist natürlich auch ob die Werte im Würth-Buch so genau sind. 
Du könntest ja dem Buchauthor nach der Quelle der Parameter fragen.

[Philip B. (phibro)]

Die Parameter Hc Bs und Br entsprechen ebenfalls den Angaben aus der 
gegebenen Sekundärliteratur:

http://en.tdk.eu/blob/528850/download/4/pdf-n27.pdf

Abweichungen von 16% klingen viel, sind aber durchaus denkbar bei nicht 
linearen Bauteilen.

Ich habe eine weitere Frage bzgl. der Simulation des CHAN Modells. Kann 
das Chan Modell eine magnetische Sättigung in der AC Analyse darstellen, 
bzw. wie? Da die weiter oben angegebene Simulation mit dem CHAN model im 
.AC den gleichen Induktivitätswert über alle Frequenzen und Ströme 
hinweg konstant mit 440u angibt?

[Helmut S. (helmuts)]

Beim Beginn der .AC-Analyse wird zunächst der DC-Arbeitspunkt bestimmt 
und die Steigung bestimmt. Ab da wird die Schaltung für die AC-Analyse 
als linear betrachtet. Egal ob man 1mV oder 1kV Wechselspannung anlegt, 
das Ergebnis ist einfach proportional zur Eingangsspannung. Die Frage 
ist nun wo ist beim Chan-Modell der Arbeitspunkt bei der AC-Analyse. Ist 
es auf der Neukurve? Ich weiß es nicht. Du könntest das entweder durch 
probieren herausfinden oder du schreibst einfach dem Entwickler Mike 
Engelhardt. Er hat die email Adresse die in der Help->About von LTspice 
steht.