Kettenleitermodell in LT Spice

[Christoph (Gast)]

Hallo und einen schönen Tag,


ich versuche in LT Spice ein Kettenleitermodell zu realisieren um ein 
Feldsteuersystem zu simulieren (siehe Anhang 1). Dafür habe ich für 
jedes Glied des Leitermodells ein Subcircuit erstellt. Für eine bessere 
Übersichtlichkeit habe ich hier nur 4 Elemente dargestellt. Das Modell 
besteht aus einer leitfähigen Schicht mit linearen Materialeigenschaften 
(hier AGS genannt), welche nach einer gewissen Wegstrecke in ein 
nichtlineares Material (hier EGS genannt) übergeht. Das EGS Material 
besitzt einen Feldstärke abhängigen Widerstand und soll durch einen 
spannungsabhängigen Widerstand angenähert werden. Im Anhang 5 ist der 
Subcircuit für das EGS Leiterstück dargestellt. Der nichtlineare 
Widerstand wird durch die Spannungsdifferenz aus P2 und P1 dargestellt 
(repräsentativ für die Feldstärke in X-Richtung). Nach der Berechnung 
kommt ein Ergebnis heraus, welches plausibel ist. Anhang 2 zeigt einen 
entsprechenden Spannungsverlauf zwischen den Subcircuits X3 und X4.

Wird zusätzlich die Spannungsdifferenz aus P3 und P2 hinzugenommen 
(siehe Anhang 3) um den Betrag der Feldstärke zu ermitteln kommt ein 
unerwartetes Ergebnis heraus (siehe Anhang 4). Aus Messungen bzw. 
anderen Simulation  weis ich, dass die Spannungsform weiterhin ähnlich 
zu Anhang 2 aussehen sollte.
Aus irgendeinen Grund scheint die Berechnung nicht richtig abzulaufen.

Wird das Kettenleitermodell verlängert, werden die Ergebnisse 
unverständlicher. Im Anhang 6 ist der Spannungverlauf im EGS für ein 
langes Kettenleitermodell dargestellt.


Hat jemand von euch einen Tip, wodurch dieses Problem auftritt? Gibt es 
ibn LT Spice Einstelltmöglichkeiten zum Ablauf der iterativen 
Berechnung?

Beste Grüße Christoph

[Helmut S. (helmuts)]

Hallo Christoph,

kannst du mal die Dateien (.asc, .asy) anhängen?

Gruß
Helmut

[Christoph (Gast)]

Hallo Helmut,

im Anhang befindet sich die Programversion mit dem langen 
Kettenleitermodell.

Beste Grüße Christoph

[Abdul K. (ehydra)]

Dieses Monster ist 20-fach geprüft? So auf den ersten Blick kommen mir 
Zweifel bei der Einheitengleichung:
R=a*exp(b*sqrt(pwr(V(P3,P2)/dHaupt,2)+pwr(V(P2,P1)/lEGS,2)))*lEGS/(dEGS* 
bEGS)+1

Könnte sowas wie eine Reflektion vom Leitungsende sein. Es steigt halt 
keiner durch deine komplizierten Gleichungen. Vielleicht vereinfachen 
und dann erstmal testen. Mangelnde Zeitauflösung scheint es jedenfalls 
nicht zu sein. Division durch Null und sowas checken.

LTspice hat auch noch ein lineares RC-Kettenleiter Modell. Vielleicht 
damit anfangen...

[Christoph (Gast)]

Danke für die schnelle Rückmeldung! Das LT Spice Modell wurde noch nie 
überprüft. Bisher wurde eine FEM Software zur Lösung des Modells 
genutzt. Bei Sinus Anregung (so wie hier) funktioniert das Ganze mit FEM 
ohne Probleme. Allerdings möchte ich nun ein Rechtecksignal auf das 
System geben, um zu schauen wie es reagiert. Da die Antiegszeit im 
Nanosekundenbereich liegen soll, bei einer Periodendauer im 
Mikrosekundenbereich, ist die Auswertung per FEM schwierig. Daher wollte 
ich LT Spice nehmen, da es offenbar eine dynamische 
Zeitschrittweitenanpassung nutz. Doch zunächst muss ich das Modell für 
Sinus Anregung zum Laufen bekommen.

Es kann durchaus sein, dass die Gleichung für den nichtlinearen 
Widerstand falsch ist! Ich habe die Gleichung selbst aufgestellt und bin 
bisher davon ausgegangen das diese richtig ist. Es ist durchaus möglich, 
dass mir ein Fehler unterlaufen ist!

Daher werde ich hier kurz einmal Erklären was diese lange Gleichung 
ausdrücken soll. Möglicherweise erkennt ja dann jemand von euch den 
Fehler, der hier vorliegt.

Zur Hilfe kann der Anhang genommen werden.

Bei dem System handelt es sich um eine Feldsteuersystem. Ein 
Hochspannungs -Koaxialbabel (Schirm auf Erde / Innenleiter auf 
Hochspannung) soll ohne Schirm weiter geführt werden. Damit es zu keinen 
Entladungen an der gekappten Schirmkante kommt, soll ein nichtlineares 
Feldsteuersystem auf der Hauptisolierung aufgetragen werden (EGS), 
welches das Potential langsam auf in der Hauptisolierung aufbaut (siehe 
Abbildung 1). Das EGS Material besitzt dafür einen nichtlinearen 
spezifischen WIderstand der von der lokalen Feldstärke abhängig ist. 
Umso höher die Feldstärke, desto niedriger der spezifische Widerstand 
des EGS Materials (siehe Abbildung 2).
Für eine einfache Berechnung kann das System in ein 1D Fall überführt 
werden (LT Spice Modell / siehe Abbildung 3).
Da LT Spice keine Feldgrößen berechnet, muss man gewisse Vereinfachungen 
machen, damit die Berechnung trotzdem stimmt. In Abbildung 4 ist die 
Gleichung dargestellt, die ich LT SPice verwende. Der Widerstand des EGS 
wird über die Basisformel R=sigma*l/A berechnet. Der spezifische 
Widerstand sigma wird durch die Gleichung aus Abbildung 2 ersetzt. Für 
die Feldstärke wird der Betrag aus den Feldstärkekomponenten Ex und Ey 
genommen. Die Feldstärke wird aus dem Gradient der Spannung für die 
jeweilige Feldkomponente ermittelt.

Wenn ich das Modell also nur für die Ex Komponente 
sqrt(pwr(V(P2,P1))/lEGS,2) löse kommt ein pausibles Ergebnis heraus. Wie 
Abdul richtig erkannt hat, kann für die eine Komponente auch der 
abs()-Befehl genutzt werden.
Die Feldsteuereigenschaft ist in diesem Beispiel zu schwach, da nicht 
der Betrag der Feldstärke verwendet wurde. Wird die y Komponente hinzu 
genommen, kommt es zu den besagten "Berechnungartefakten".

Daher gehe ich momentan primär davon aus, dass LT SPICE die Gleichung 
nicht so berechnet wie ich es möchte.

Sorry für die lange Erklärung. Ich hoffe, dass diese ein bisschen mehr 
Licht ins Dunkel bringt.

Beste Grüße Christoph

[Abdul K. (ehydra)]

Tut mir leid, ich finde keinen Fehler. Wenn man die Kette verkürzt, ist 
der Effekt irgendwann weg. Warum?
Rumspielen mit den LTspice SPICE-Einstellungen brachte auch nix.

[Helmut S. (helmuts)]

Hallo Christoph,

ich habe auch mit verschiedenen Einstellungen keine anderen Ergebnisse 
bekommen. Vielleicht fehlt da irgendwas bei der Umsetzung der FEM 
Analyse zu einer Formel.

Gruß
Helmut

[Christoph (Gast)]

Hi Abdul,

vielen Danke für deine Hilfe!
Wie gesagt, ich denke das in dem Modell möglicherweise ein bisschen 
zuviel voneinander abhängt und die nummerische Berechnung durcheinander 
kommt. Wenn man nur die y-Komponente pwr(V(P3,P2))/dHaupt,2 berechnet, 
kommen auch starke Artefakte in den SPannungskurven hinzu. Das weist 
zumindestens auf einen instabilen Berechnungsablauf hin. Mich wundert 
nur, dass es dann überhaupt zu einer Lösung kommt.

Ich könnte mir vorstellen, dass man durch die Änderung der nummersichen 
Lösungmethode was ändern könnte. Während der Lösung erscheint ein 
Hinweis, dass das Newton-Raphson-Verfahren verwendet wird. Zusätzlich 
steht da was von "Fill-ins" (was auch immer das ist). Gibt es eine 
Einstellmöglichkeit die Anzahl der Iterationen bzw. die 
Konvergenzkriterien zu bestimmen? Oder möglicherweise ein anderes 
Zeitschrittverfahren?
Da ich mit LT SPICE bisher nicht viel zu tun hatte, sind mir die 
möglicherweise vorhandenen Solvereinstellungen nicht bekannt.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass über diese Stelle was positiv geändert 
werden könnte.

Beste Grüße Christoph

[Abdul K. (ehydra)]

Sorry, ich bin mir ziemlich sicher das das nichts bringt. Aus Erfahrung. 
Es gibt nur ganz wenige Konstellationen wo man wirklich bei einem 
gescheiten Modell trotzdem an den Einstellungen spielen muß.

Normalerweise ist deine Sim für LTspice auch nicht sonderlich komplex. 
Da habe ich schon ganz andere Sachen gesehen.

Du könntest es an den Meister persönlich senden. Vielleicht hat er Lust 
reinzuschauen. Man weiß ja nie, er hat die Tools und Möglichkeiten. Vor 
langer Zeit hat er auch die interne Transformatormodellierung ändern 
müssen. Also sowas kommt vor.

Bei einem linearen Kettenleiter ohne Induktivitäten kann es meiner 
Meinung nach nicht zu Überhöhungen kommen, die durch Reflexionen 
verursacht werden. Deine Widerstände sind aber nichtlinear. Da fehlts 
mir an Mathekenntissen, ob das eventuell die Ursache ist.
Was sagt denn die Realität in Form einer Messung?

[Abdul K. (ehydra)]

Ich dachte mir, vielleicht wird R negativ? Daher mal ins Subcircuit 
reingeschaut. Da sieht man zumindest, daß der Doppelpuls sich einmal in 
V und einmal in I aufteilt. Vielleicht hilft dir das weiter.

[Abdul K. (ehydra)]

Mal ne Frage an Helmut:
Kann man den Wert von R dynamisch plotten lassen? Bzw. geht das generell 
in LTspice? Also direkt, nicht über R=dV/I berechnet.

[Helmut S. (helmuts)]

Abdul K. schrieb:
> Mal ne Frage an Helmut:
> Kann man den Wert von R dynamisch plotten lassen? Bzw. geht das generell
> in LTspice? Also direkt, nicht über R=dV/I berechnet.

Hallo Abdul,

R kann man im allgemeinen Fall nur über R=U/I anzeigen.

Wenn man eine entspechende Testschaltung mit einer Konstantstromquelle 
hat, dann kann ist die Spannung proportional zum Widerstand. U=R*Iconst

Gruß
Helmt

[Abdul K. (ehydra)]

Da haben wir doch tatsächlich ne Lücke in LTspice gefunden. Das könnte 
man noch einbauen für alle Elemente.

[Helmut S. (helmuts)]

Abdul K. schrieb:
> Da haben wir doch tatsächlich ne Lücke in LTspice gefunden. Das könnte
> man noch einbauen für alle Elemente.

So einfach ist das nicht. Wenn an einem Widerstand dann 0V anliegt, dann 
müsste man durch 0 dividieren. Das ginge garantiert schief.

[Abdul K. (ehydra)]

Nein, ich meine einfach den aktuellen Wert eines Elements plotten 
können. Hier in diesem Beispiel wäre es sinnvoll. Vermutlich kann man 
auch noch andere Beispiele bringen. Ja, z.B. berechnete C und L. Könnte 
man auch auf die parasitären Werte eines Elements erweitern. Vielleicht 
geht das jetzt schon. Habe an der Syntax rumgespielt, aber es kam nur 
Mist raus.

[spiceguru (Gast)]

Hallo Chris, Abdul, Helmut - und alle Mitleser

Ja, das ist schon so eine Sache mit dem plotten in LTs...

Habe bisher auch keine Lösung gefunden, um die gesweepten
Kapazitätswerte einer VariCap (Varactor) im Plot anzeigen zu
Lassen. Die Anzeige der (Sweep-) Spannung Vka in der Hori-
zontalen wird ja auch schön angezeigt, aber statt des Kapazi-
tätswertes wird nur ein dB-Wert von -206...-228dB angezeigt...

Da ich mit LTs eigentlich nur meine Entwicklungen für die Ton-
Studiotechnik und Effektgeräte simuliere und für meine A.Funk-
Schaltungen bisher QucsStudio verwendet habe, wollte ich das
auch mal mit LTs machen, da hier vieles einfach schneller geht...

Aber wie Abdul schon erwähnte, gibt es leider (noch) ein paar
kleine Lücken in LTs. - War ja eigentlich für Schaltnetzteile...

Sorry, hat nix mit dem Ur-Thread zu tun...
Ich wollte nur meinen "Senf" dazu beisteuern, aber falls Interes-
se besteht, könnt ich das .asc zur verfügung stellen...

Gruß: Frank aus NRW

[Hp M. (nachtmix)]

Christoph schrieb:
> Damit es zu keinen
> Entladungen an der gekappten Schirmkante kommt, soll ein nichtlineares
> Feldsteuersystem auf der Hauptisolierung aufgetragen werden (EGS)

Warum den Schirm einfach kappen, anstatt ihn trichterförmig zu 
erweitern?
Nennt sich Goubau-Leitung. https://de.wikipedia.org/wiki/Goubau-Leitung

[Helmut S. (helmuts)]

>Die Anzeige der (Sweep-) Spannung Vka in der Hori-
zontalen wird ja auch schön angezeigt, aber statt des Kapazi-
tätswertes wird nur ein dB-Wert von -206...-228dB angezeigt

Man kann doch in der Anzeige wählen zwischen Linear, Logaritmic und 
Decibel.

Ansonsten häng mal die Schaltplandatei(.asc) an deine Antwort.