LTspice, lose Kopplung von Schwingkreisen auf 2 parallelen Ferritstäben, K in Abstand umrechenbar

[Dieter P. (low_pow)]

Normalerweise ist K gedacht für Trafos und ist 1 oder fast 1 gesetzt.
Laut LTspicehilfe kann K zwischen 1 und -1 liegen.

Im Beispiel ist ein Kreis ein LC-Oszillator mit etwa 2,5kHz und etwa
640mV Spannung an L und C.
Der Zweite Kreis ist nicht exakt auf der gleichen Frequenz, was sich
auf die Spannung auswirkt.
Der Abstand beider Ferritstäbe ist veränderbar.

Die Frage wäre, kann man wenn man eine minimale Spannung
im uV-Bereich ansetzt irgendwie auf den Abstand der Ferritstäbe kommen,
als K-Wert ?


Wird K um eine Null kleiner, wird die Spannung um 10 kleiner.
Etwa bei K = 0.01 U = 40mV, bei K=0.001 U = 4 mV
Bei großem K beeinflussen sich beide Kreise.

Beispiel:
Kopplung von 2 Schwingkreisen auf Ferritstäben

Frequenz ca 2,5kHz

Abstand  m  Reihe  mV

0  640

0,50  2,4700
0,75  0,8010
1,00  0,3460
1,25  0,1770
1,50  0,1010
1,75  0,0630
2,00  0,0400
2,25  0,0270
2,50  0,0190
2,75  0,0130
3,00  0,0090


Kurve letztes Bild

Hintergrund des ganzen:
Ein Lawinenpiepser BJ ca 1980 erzeugt bei ca 2,275kHz Signale.
Diese Frequenz wird von diesen Geräten schon lange nicht mehr
verwendet.Der Gedanke war mal, einfach Sender und Empfänger dieser
etwa 35 Jahre alten Technik im Simulator zu probieren.Die
angegebene Entfernung von 8 .. 15m oder noch mehr dürfte einen
hohen Spannungsunterschied zwischen Sender und Empfänger erfordern.

[eProfi (Gast)]

Schau Dir in der LT-Hilfe mal an, wie der K-Wert definiert ist.
Du kannst Dir eine der Spulen  als  zwei serielle geschaltete und 
magnetisch ungekoppelte Spulen (Haupt- und Streuinduktivität) denken.

[B e r n d W. (smiley46)]

Hallo Dieter

Falls
- die Ferritantennen ohne Kondensator verschaltet werden
- die Verluste der Primärspule vernachlässigt werden
- die Sekundärspule nicht belastet wird (Oszi)
entspricht das Spannungsverhältnis direkt dem Koppelfaktor.

Bei Resonanz gibt es dann eine Resonanzüberhöhung. Die Überhöhung ist 
proportional zur Güte Q und kann durchaus Faktor 10...100 betragen. Die 
Güte beträgt hier ~63 und die Resonanzüberhöhung 36 dB.

Gruß, Bernd

[Dieter P. (low_pow)]

Ich möchte mich mal für die Antworten bedanken.

> eProfi (Gast)

Die Definition von K hab ich wohl überlesen.
Es war einfach ein Gedanke, K für den magnetischen Teil
vom Elekromagnetischen Feld zu verwenden, was dann
laut Definition falsch ist.


> B e r n d W. (smiley46)

Das ganze ist ein Schwingkreis mit Belastung.
Der LC-Oszillator dürfte schon so 200Vss haben.
Der gleiche Schwingkreis wird auch im Empfänger verwendet.
Das Gerät ist als Sender oder Empfänger in Betrieb.
Die Spule hat etliche mH  ( ca60mH ) und auch einige
Ohm an Serienwiderstand.Durch die große Windungszahl hat
die Spule wahrscheinlich auch einen Teil der Kapazität
des Schwingkreises.

Das ist deshalb so ungenau, weil ich sonst das Gerät zerstören
müsste.Die Angaben stammen von einem Pieps 1, ein Gerät eines
anderen Herstellers aus der selben Zeit.
Was als Empfänger wirklich eingebaut ist, nicht bekannt.
In dieser Zeit etwa 1.Stufe Emitterschaltung dann Emitterfolger,
Lautstärkeregler und 2 x Emitterschaltung.
Das Problem wenn man so will, das Signal aus dem Dreck ziehen.
Durch die hohe Verstärkung hilft die Güte vom Schwingkreis
bei den hohen 50Hz Störungen auch nicht.
Normaler Betriebsort war halt in den Bergen, nach Lawinenabgängen.

Neuere Geräte mit 457kHz treiben einen ganz erheblichen Aufwand
im Vergleich zu diesem Gerät.Bezeichnung dazu:LVS-Geräte.

Der Gedanke war, ob es eine Beziehung gibt zwischen den
Spannungsverhältnissen.Wenn ich mich richtig erinnere
gab es beim Elektrischen Feld doppelte Entfernung
mit vierfacher Leistung oder doppelter Spannung.

Eine andere Idee wäre noch, es als sehr lose Kopplung
zweier Spulen zu sehen, als Schwingkreis gibs dann nur mehr Spannung.
Die Empfangsgrenze setzten die Bauteile mit Rauschen, was bei LTspice
normalerweise ausgeschaltet ist.

Der für die Kurve verwendete Solver kann Quadratische
Gleichungen nicht.

[B e r n d W. (smiley46)]

> Die Frage wäre, kann man wenn man eine minimale Spannung
> im uV-Bereich ansetzt irgendwie auf den Abstand der Ferritstäbe kommen

Da muss ich nochmal rückfragen. Auf welche Weise wurde die Tabelle 
ermittelt? Ein Oszilloskop kann ja die Amplitude im Sub-mV Bereich nicht 
mehr anzeigen. Bei einer Gleichrichter-Diode zeigt das Diagramm eher den 
Logarithmischen Abfall der Gleichrichtung an. Mit einer 
doppelt-logarithmischen Skalierung ergibt die Kurve fast eine Gerade.

Die Wellenlänge des Signals beträgt ca. 130km. Also spielt sich schon 
prinzipiell alles im Nahfeld ab.

> Die Empfangsgrenze setzten die Bauteile mit Rauschen,
> was bei LTspice normalerweise ausgeschaltet ist.

LTspice kann auch eine Rauschsimulation durchführen, aber die Grenze 
hängt eher vom empfangenen Umwelt-Rauschen ab, falls beim Empfänger 
keine groben Schnitzer passieren.

Zitat aus Wikipedia:
Weltweit gibt es etwa 100 Blitzhauptentladungen pro Sekunde

[B e r n d W. (smiley46)]

Hallo Dieter P.

Meine Messung hat ähnliche Werte ergeben. Nachdem ich den Oszi-Tastkopf 
zwecks erhöhen der Empfindlichkeit auf 1:1 stellte, konnte ich mit der 
LW-Ferritantenne bei 250kHz eine starke Resonanz feststellen. Deshalb 
hab ich die Messung bei dieser Frequenz durchgeführt.

Open Office berechnet mir folgenden Zusammenhang:
Ua = 41m * Distanz^-1,814928

Die Messergebnisse habe ich übertragen auf die tiefere Frequenz. LTspice 
kann damit zwar nicht so einfach eine Kurve erzeugen, aber eine Kurve 
pro Entfernung (Kurvenschaar). Das Ausgangs-Signal bei 30m liegt in der 
Nähe von 100µV, also in der Nähe der vermuteten Nachweisgrenze.

Mit einem Sender in Resonanz läge bestimmt noch Faktor 10 drin. Aber die 
Leistung weiter zu erhöhen wäre ein Problem, denn beim Lawinensucher 
soll ja die Batterie solange halten, bis es keine Überlebenschancen mehr 
gibt.

> das Signal aus dem Dreck ziehen. Durch die hohe Verstärkung hilft die
> Güte vom Schwingkreis bei den hohen 50Hz Störungen auch nicht.

Eine gute Resonanz und eine hohe Sendeleistung und ein paar 
Trenn-Kondensatoren in der Schaltung helfen gegen die 50 Hz Störungen. 
Eine Resonanz beim Empfänger hebt das atmosphärische Rauschen mit an, 
macht aber den Empfänger zumindest schmalbandiger. Ansonsten hilft nur 
eine hohe Sendeleistung.

Unterhalb von 9 kHz sind keine Frequenzen zugewiesen und es wird auch 
nicht überwacht. Deshalb würde ich empfehlen, bei weiteren Experimenten 
auf ca. 8kHz zu wechseln.

Gruß, Bernd

[Dieter P. (low_pow)]

> B e r n d W. (smiley46)

Danke für die Bemühungen.

>Mit einem Sender in Resonanz läge bestimmt noch Faktor 10 drin.

Der Sender arbeitet dort mit Resonanz, Parallelschwingkreis.Anders
kann ich um die ca 200 VSS nicht erklären.
Mein Versuchssignal für die Kurve ist deutlich weniger.

>Auf welche Weise wurde die Tabelle ermittelt?

Die Tabelle wurde mit einem Schwingkreis als Antenne,
nachfolgend einem Verstärker mit etwa 100fach und einem
Digitalmultimeter ermittelt.
Das Erste DMM mit 3 1/2 Stellen lieferte Schrottwerte,
ein Zweites mit 2 1/2 Stellen die Werte für diese Kurve.
Störungen bei den kleinsten Werten sind ca 0,2 .. 0,3 mV am DMM.
Das ganze geht nur bei ausgeschaltetem Computer.
Das Signal kann man auch im PC über die Audiokarte anhören,
aber eben nur ohne Vorverstärkung, sonst sinds Störungen ohne Ende.
Galvanische Trennung mit NF-Trafo hilft dabei kaum weiter.

Eine LW-Spule sollte schon mal gehen, ca 5mH ?, so in dieser
Größe verwende ich auch, größere Induktivitäten liefern auch
mehr Störungen.

Das Signal des Gerätes ist bisher nach ca 5 .. 6m weg,
auffallend ist, die Tastung ist noch hörbar.

Ein Gedanke wäre noch, dass es eigentlich AM ist, und dann
demoduliert werden müsste.
Trägerfrequenz ca 2,275kHz und Modulation ca 0,7 Hz oder so,
etwas ausgefallene Frequenzen.
Ob man Tastklicks mit so niedriger Frequenz noch hört?
Bisher hab ich die Seitenbänder mit der FFT nicht gefunden,
der Aufwand war wohl zu wenig.

Mit Freqenzen knapp unter 9kHz machen schon einige Leute Versuche,
ich vermute, mit mehr Aufwand.

[B e r n d W. (smiley46)]

>> Mit einem Sender in Resonanz läge bestimmt noch Faktor 10 drin.
> Der Sender arbeitet dort mit Resonanz, Parallelschwingkreis.
> Anders kann ich um die ca 200 VSS nicht erklären.

Mein Funktionsgenerator mit 50 Ohm Ausgang liefert 20Vss im Leerlauf, 
also würde Faktor 10 passen.

> Trägerfrequenz ca 2,275kHz und Modulation ca 0,7 Hz

Ein Soundkarte mit FFT wird das schwer auflösen können. Am ehesten geht 
die Auflösung mit einer niedrigen Samplerate. Oft wird das Signal durch 
Phasenrauschen 1-2 Hz breit, dann sind die Seitenbänder nicht mehr 
sichtbar.

Ich vermute, im Empfänger wird ein BFO-Träger mit ~3kHz zugesetzt, 
wodurch das gepulste Signal hörbar wird. Ich habs zwar nicht probiert, 
vermute aber, dass meine Reichweite mit 200Vss Sendesignal detlich mehr 
als 30m betragen würde.

> Eine LW-Spule sollte schon mal gehen, ca 5mH

Meine haben 4mH, zusammen mit einem 1nF Kondensator liegen sie auf der 
DCF77 Frequenz.

Noch was, um das Verhalten einer Schaltung mit Rauschen zu simulieren, 
kann man der Empfangsspule eine Rauschquelle in Reihe schalten. Dazu 
würde ich für 50µV eine bv verwenden mit dem Parameter:
"V = white(357987*time) * 2.8 * 5e-5"

> Mit Freqenzen knapp unter 9kHz machen schon einige Leute Versuche,
> ich vermute, mit mehr Aufwand.

Mit 8 khz gehts jedenfalls besser, als mir 2 kHz.

[Dieter P. (low_pow)]

Ein paar Bilder von Versuchen..

Mein Testsignal ohne und mit Vorverstärker bei ca 1,6m Abstand,
ein Rauschteppich mit versteckten Nadeln.

Das Orginal Gerätesignal schön in 3D, Abstand ca 1,3m.
Und mit Vorverstärker in ca 5m Abstand in Draufsicht,
sonst wäre nichts mehr zu sehen.

[Klaus R. (klara)]

Hallo,
mein Beitrag ist zwar nicht direkt zu Suchen von Lawinenopfern geeignet, 
es geht aber hier um drahtlose Energieübertragung. TI bietet hier ein 
Design - Tool an mit denen man die Koppelspulen optimieren kann. 
Vielleicht bietet dies Denkanstöße.

http://www.ti.com/lsds/ti/analog/webench/inductive-sensing.page?keyMatch=pcb%20coil%20design&tisearch=Search-EN

mfg Klaus