Spule in LTSpice simulieren

[Le_Beginner (Gast)]

Hallo,
ich bin schon häufig durch Google-Suchen auf dieses Forum aufmerksam 
geworden und es hat mir dabei auch recht häufig geholfen - deshalb 
versuche ich es nun mit meiner Frage hier, da ich im Internet und in 
Büchern nicht weiter gekommen bin...

Mein Problem ist folgendes:
Ich habe eine Spule, die ich nun in LTSpice möglichst gut simulieren 
möchte. Gemessen habe ich an der Spule zum einen die Induktivität und 
zum anderen den Impedanzverlauf bis 12MHz.

Interessant für meine Simulation ist eigentlich ausschließlich das 
Verhalten bei einer bestimmten Frequenz. Mein Ansatz war, dass ich die 
Impedanz und den gemessenen Widerstandswert bei genau dieser Frequenz 
eingebe - allerdings bin ich mir nicht sicher, ob das so richtig ist und 
falls ja, ob der Widerstand als Parallel- oder Reihenwiderstand zu 
nehmen ist und was in die anderen Felder eingegeben werden muss/kann? 
Sollte ich noch weitere Messungen an der Spule machen um weitere Angaben 
in LTSpice machen zu können?

Vielen Dank schonmal im Voraus für die Hilfe!

[Klaus R. (klara)]

Hallo  Le_Beginner,
wenn Du den Impedanzverlauf bis 12MHz kennst, dann kannst Du sicher auch 
die Eigenresonanz der Induktivität ermitteln. Die Induktivität selber 
ist Dir sicher auch bekannt. Aus der Eingenresonanz kannst Die 
Parallelkapazität errechnen. Den ohmschen Widerstand, Serienwiderstand, 
kann man messen. Der Parallelwiderstand dürfte normaler Weise sehr hoch 
sein, habe ich noch nicht benötigt. Der Peek Strom ist nur informativ.
mfg klaus

[Helmut S. (helmuts)]

Zeig doch mal den Impedanzverlauf deiner Spule.

[Achim S. (Gast)]

Le_Beginner schrieb:
> Verhalten bei einer bestimmten Frequenz. Mein Ansatz war, dass ich die
> Impedanz und den gemessenen Widerstandswert bei genau dieser Frequenz
> eingebe - allerdings bin ich mir nicht sicher, ob das so richtig ist und
> falls ja, ob der Widerstand als Parallel- oder Reihenwiderstand zu
> nehmen

Mit welchem Messgerät hast du den Impedanzverlauf gemessen? Die meisten 
können die Messgröße im Serienersatzschaltbild (R_S, L_S) oder als 
Parallelersatzschaltung (R_P, L_P) ausgeben. Wenn das Gerät einfach nur 
R ausgibt, dann dürfte bei der Angabe der Impedanz damit der 
Serienwiderstand R_S gemeint sein. Wenn du die komplexe Impedanz hast, 
dann entspricht ihr Realteil dem R_S.

Wenn du ohnehin nur bei einer festen Frequenz arbeitest, sind beide 
Ersatzschaltbilder völlig gleichwertig und man kann vom einen ins andere 
umrechnen. Nur beim Betrachten unterschiedlicher Frequenzen merkt man, 
dass bei einem ESB die Messwerte halbwegs konstant sind, beim anderen 
variieren die Werte stark. (Meist liefert bei Spulen das Serien-ESB die 
konstanteren Werte).

[Le_Beginner (Gast)]

Vielen Dank schonmal für die schnellen Antworten.

Im Anhang habe ich jetzt mal den Impedanzverlauf angehängt.

@Klaus:
Richtig, die Impedanz habe ich gemessen - 230mH. Verstehe ich das 
richtig, dass die Eigenresonanz bei etwa 110kHz liegt (siehe Bild).
Damit müsste die Kapazität doch so sein:

C=1/(4*pi^2*(110kHz)^2*230mH)
C~=9,1pF

Der Serienwiderstand ist dann mein gemessener Wert im Gleichstromfall - 
212 Ohm?

@Achim
Ich habe das Messgerät leider zur Zeit nicht verfügbar, aber ich meine 
mich zu erinnern, dass einfach ein Wert in Ohm angezeigt wurde - demnach 
R_S!?!

Achim S. schrieb:
> Wenn du ohnehin nur bei einer festen Frequenz arbeitest, sind beide
> Ersatzschaltbilder völlig gleichwertig und man kann vom einen ins andere
> umrechnen. Nur beim Betrachten unterschiedlicher Frequenzen merkt man,
> dass bei einem ESB die Messwerte halbwegs konstant sind, beim anderen
> variieren die Werte stark. (Meist liefert bei Spulen das Serien-ESB die
> konstanteren Werte).

Dem entnehme ich, dass ich für meinen Fall in LTSpice als 
Serienwiderstand meine 8kOhm (bei 22kHz) einstelle und bei 
Parallelwiderstand entweder default lasse oder etwas sehr großes 
Einstelle.


Im Anhang habe ich nochmal meine Spule in LTSpice angehängt. So würde 
ich sie nun mit den neuen Erkenntnissen simulieren. Vielen Dank nochmal 
für die hilfreichen Antworten - wenn jemand noch 
Ergänzungen/Korrekturen/... hat, gerne noch posten ;)

[Achim S. (Gast)]

die Berechnung der Parallelkapazität passt.

Ob der Serienwiderstand R_S mit dem DC-Widerstand übereinstimmt hängt 
davon ab, wie viele zusätzlich (Wirk)verluste bei höheren Frequenzen 
dazukommen. Bei Luftspulen mag der DC-Widerstand mit dem R_S bei 22kHZ 
halbwegs übereinstimmen. Wenn du z.B. Eine Spule mit Eisenkern hättest 
(rein hypothetisch), dann wäre R_S bei 22kHz viel größer und von 
Wirbelstromverlusten dominiert. Und L wäre bei 22kHz viel kleiner als 
bei 50Hz, weil bei der Freuquenz nur noch die äußerste Schicht deines 
Eisenkerns magnetisiert würde.

Le_Beginner schrieb:
> Ich habe das Messgerät leider zur Zeit nicht verfügbar, aber ich meine
> mich zu erinnern, dass einfach ein Wert in Ohm angezeigt wurde - demnach
> R_S!?!

die 8kOhm sind die angezeigte Impedanz bei 22kHz? Dann darfst du das 
natürlich nicht mit R_S gleichsetzen.

Im Endeffekt brauchst du immer eine Angabe mit zwei Parametern bei der 
gewünschten Frequenz (als R_S, L_S oder R_P,L_P oder komplexes Z oder 
komplexes Y). Wenn du nur eine Angabe hast, dann kannst du diese Angabe 
nicht in Wirk- und Blindwiderstand auseinanderfieseln.

Dass du beide Messwerte bei 22kHz wirklich explizit nachmessen musst 
sieht man auch daran, dass deine Induktivitätsangabe (230mH) und die 
Impedanzangabe bei 22kHz (8kOhm) nicht zusammenpassen.

230mH müssten bei 22kHz mindestens eine Impedanz von 32kOhm ergeben. 
Sowohl R_S als auch C_P können diese Impedanz nur vergrößern, nicht 
verkleinern.

Also ist entweder dein Messwert für L=230mH zu groß, oder du hast einen 
Kern, der bei 22kHz schon so in die Knie geht, so dass L bei 22kHz 
gebenüber niedrigren Frequenzen schon deutlich abnimmt.

[Le_Beginner (Gast)]

Aaah, entschuldigt bitte - ich glaube ich habe mit Informationen 
gegeizt...
Also ja, die Spule hat einen Eisenkern - es handelt sich praktisch um 
ein Relais, welches ich durch eine PWM leistungsreduziert ansteuern 
möchte.


Achim S. schrieb:
> die 8kOhm sind die angezeigte Impedanz bei 22kHz? Dann darfst du das
> natürlich nicht mit R_S gleichsetzen.

Ja.


Achim S. schrieb:
> Im Endeffekt brauchst du immer eine Angabe mit zwei Parametern bei der
> gewünschten Frequenz (als R_S, L_S oder R_P,L_P oder komplexes Z oder
> komplexes Y). Wenn du nur eine Angabe hast, dann kannst du diese Angabe
> nicht in Wirk- und Blindwiderstand auseinanderfieseln.

Bleibt mir dann noch eine andere Möglichkeit, oder sehe ich das richtig, 
dass ich ohne weitere Messungen keine vernünftige Simulation hinbekommen 
werde?

[Achim S. (Gast)]

Le_Beginner schrieb:
> Bleibt mir dann noch eine andere Möglichkeit, oder sehe ich das richtig,
> dass ich ohne weitere Messungen keine vernünftige Simulation hinbekommen
> werde?

ohne weitere Messung wird es schwierig.

Und selbst mit weiterer Messung wird die Simu nur halbwegs richtig: beim 
Eisenkern hängen L und R stark von der Frequenz ab. Mit den 
Messergebnissen bei einer Frequenz ist dann lediglich das Verhalten bei 
dieser Frequenz genau beschrieben, aber für die Oberwellen (PWM) wird es 
schon wieder ungenau.

Für eine genaue Simu müsstest du außerdem darauf achten, dass die 
Messwerte im richtigen Schaltzustand des Relais gemessen wurden (der 
magnetische Kreis hängt stark von der Größe des Luftspalts ab). Und der 
Gleichanteil des Stroms kann dich auf der Magnetisierungskennlinie ein 
ganzes Stück nach oben schieben, wo sich die Parameter auch schon wieder 
ändern (Eisen ist  bezüglich seiner Magnetisierung nicht besonders 
linear).

Eine genaue Simulation einer Relaisspule ist also gar nicht so ohne. 
(Aber so genau braucht man es bei der Anwendung eigentlich selten).

[Klaus R. (klara)]

Le_Beginner schrieb:

> Also ja, die Spule hat einen Eisenkern - es handelt sich praktisch um
> ein Relais, welches ich durch eine PWM leistungsreduziert ansteuern
> möchte.
>
Der Eisenkern, vermutlich sogar Vollkern, ändert natürlich alles. Bei 22 
kHz würde er glühen wenn genug Leistung im Spiel wäre. Also die 
Kernverluste sind beträchtlich. Aber ..., Du setzt ja eine PWM ein. 
Deren Gleichanteil baut das gewünschte Magnetfeld auf. Ich weiss noch 
nicht was Du eigentlich analysieren möchtest.
klaus

[Paul O. (le_beginner)]

Achim S. schrieb:
> Eine genaue Simulation einer Relaisspule ist also gar nicht so ohne.
> (Aber so genau braucht man es bei der Anwendung eigentlich selten).

Also könnte ich zunächst (bis ich evtl eine weitere Messmöglichkeit 
gefunden habe) die Spule so simulieren, wie weiter oben bereits gezeigt? 
Das würde zumindest mehr oder weniger genaue Ergebnisse liefern?

Klaus R. schrieb:
> Ich weiss noch
> nicht was Du eigentlich analysieren möchtest.

Ich habe eine Simulation, in der ich aus 230V AC (durch Gleichrichter, 
PWM-Modul & Transistor) ein gepulstes Signal auf die Spule geben möchte, 
welches diese verträgt ohne zu verglühen. Ziel dieser Simulation ist es 
also, eine Schaltung zu haben, die der Spule eine Leistung von etwa 0,5W 
liefert. Das ganze würde natürlich auch einfacher gehen, indem ich die 
Leistung in einem Vorwiderstand verbrenne - allerdings würde dieser dann 
vermutlich im wahrsten Sinne des Wortes "verbrennen"...

[Achim S. (Gast)]

du willst eine Relaisspule, die wahrscheinlich für 12V DC gebaut ist, 
mit Nadelpulsen von einigen 100V ansteuern? Auf sowas würde ich mich im 
Normalfall nicht einlassen sondern irgendeine Alternativlösung suchen 
(es gibt immer eine ;-)

Wenn du wirklich Induktivität und Impedanz (oder besser gesagt: 
Scheinwiderstand) bei 22kHz gemessen hast, dann sind Real- und 
Imaginärteil daraus schon berechenbar: mit zwei unabhängigen Messwerten 
ist alles festgelegt.

Welchen Wert hast du denn für L bei 22kHz bekommen? Hoffentlich nicht 
die oben genannten 230mH, die zum Scheinwiderstand bei der Frequenz so 
gar nicht passen wollen.

[Paul O. (le_beginner)]

Achim S. schrieb:
> du willst eine Relaisspule, die wahrscheinlich für 12V DC gebaut ist,
> mit Nadelpulsen von einigen 100V ansteuern?

Eigentlich ist es noch etwas extremer: Ich möchte eine 230V-Relaisspule 
(bisher bistabil, also kurzzeitig belastet) dauerhaft gedrosselt 
betreiben. Sie verträgt also problemlos kurzzeitig hohe Spannungen - 
allerdings dauerhaft nur deutlich weniger...

Achim S. schrieb:
> Welchen Wert hast du denn für L bei 22kHz bekommen? Hoffentlich nicht
> die oben genannten 230mH

Ich habe die Induktivität nur allgemein gemessen - meinem bisherigen 
Kenntnisstand nach verändert sie sich doch auch nicht mit der Frequenz, 
oder?

[Achim S. (Gast)]

Paul O. schrieb:
> Ich habe die Induktivität nur allgemein gemessen - meinem bisherigen
> Kenntnisstand nach verändert sie sich doch auch nicht mit der Frequenz,
> oder?

Sie ändert sich dramatisch mit der Frequenz: bei 50Hz wird 
wahrscheinlich der gesamte Querschnitt des Eisenkerns magnetisiert (und 
du bekommst eine entsprechend hohe Induktivität). Bei 22kHz tragen nur 
noch ein paar µm an der Oberfläche des Eisenkerns zu Magnetisierung bei 
(das Innere ist durch die Wirbelströme abgeschirmt). Das L bei 50Hz und 
das L bei 22kHz haben wahrscheinlich nicht mal die selbe Größenordnung.

[eProfi (Gast)]

Bei PWM musst du den Gleichstrom- und Wechselstromanteil getrennt 
betrachten. Idealerweise ist der Wechselstromanteil klein und fällt gar 
nicht ins Gewicht.

> ich glaube ich habe mit Informationen gegeizt...
Das ist Dein Nachteil, denn es macht mir/uns wenig Freude, alle Details 
aus der Nase kitzeln zu müssen.
Welche Nenndaten hat das Relais?
Welche PWM-Frequenz strebst Du an?
Was ist der Hintergrund, warum willst Du ein bistabiles Relais 
dauer-befeuern??

[Helmut S. (helmuts)]

Der Spule mit 230mH sind die 22kHz doch egal. Die zieht strommäßig 
keinen Wechselsstrom bei dieser Frequenz. Es stellt sich einfach ein 
mittlerer Strom ein. Somit ist das Ersatzschaltbild der Spule mit 230mH, 
Rser und Cpar völlig ausreichend.
Für Rser nimmst du den Gleichstromwiderstand den du mit einem Ohmmeter 
messen musst.