LTSpice: Sprung im Strom durch Diode

[Michael (Gast)]

Hallo

Ich habe von einem Elektroniker ein Schaltbild für einen 
Spannungswandler bekommen. Er hat die Schaltung selbst aufgebaut und am 
Ausgang 64V gemessen.

Ich versuche nun, diese Schaltung in LTSpice aufzubauen, um sie als Teil 
eines Projektes benutzen zu können. Leider erreicht die Schaltung in der 
Simulation nicht annähernd die in der Realität gemessene Spannung und 
bei der Suche nach der Ursache bin ich auf Dinge gestoßen, die ich mir 
nicht erklären kann.

1. Der Strom, der durch die Diode fließt macht nach ca. 100ms einen 
unerklärlichen Sprung.

2. Wenn ich die Sekundärwicklung des Trafos offen lasse wird eine 
Wechselspannung erreicht, die dem Windungsverhältnis von 1:10 und der 
Primärspannung von 10V halbwegs entspricht. Sobald die restlichen 
Bauteile hinzu kommen, stimmt nichts mehr.

Auf dem Bild:
Rot ist der Strom durch die Diode, blau ist die Spannung über die Diode 
und grün ist die Spannung am Ausgang, die eigentlich bei 64V liegen 
sollte.

Hat jemand eine Idee, was bei mir falsch sein könnte?


Danke

[Gerd E. (robberknight)]

Eine 1N4007 ist zu langsam für einen Schaltwandler. Nimm eine schnellere 
Diode. Entweder Schottky oder eine UF...

[Michael (Gast)]

Ich habe schon verschiedene andere Dioden probiert. Das Problem 
verschwindet nicht, die Werte ändern sich nur etwas.
Der angehängte Screenshot zeigt die Schaltung mit einer UF4007.

[Student (Gast)]

Der Kondensator ist irgendwann voll, der Spannungsabfall über der Diode 
fällt in die Nähe der Schwellspannung, der Strom durch die Diode 
sinkt...?

[Michael (Gast)]

Student schrieb:
> Der Kondensator ist irgendwann voll, der Spannungsabfall über der
> Diode
> fällt in die Nähe der Schwellspannung, der Strom durch die Diode
> sinkt...?

Passiert das denn so sprungartig?
Hier mal ein Blick auf den Moment, an dem der Strom sich ändert.

Ich habe auch den Eindruck, dass die Diode im ersten Teil der Simulation 
aus irgendeinem Grund nicht richtig sperrt. Strom sollte ja nur in eine 
Richtung fließen. Aber warum ändert sich das plötzlich? Die Spannung 
über die Diode ändert sich ja am Übergangspunkt nicht.

[Student (Gast)]

Michael schrieb:
> Student schrieb:
>> Der Kondensator ist irgendwann voll, der Spannungsabfall über der
>> Diode
>> fällt in die Nähe der Schwellspannung, der Strom durch die Diode
>> sinkt...?
>
> Passiert das denn so sprungartig?
Je nach Dioden-Art schon...
Guckstu auf den Knick unten rechts in der Kennlinie:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/diagramm/02011131.gif

> Ich habe auch den Eindruck, dass die Diode im ersten Teil der Simulation
> aus irgendeinem Grund nicht richtig sperrt. Strom sollte ja nur in eine
> Richtung fließen. Aber warum ändert sich das plötzlich? Die Spannung
> über die Diode ändert sich ja am Übergangspunkt nicht.
Dioden haben einen geringen Leckstrom, und im Moment des Umschaltens 
(von Leiten nach Nicht-Leiten) leiten sie sogar für kurze Zeit viel 
Strom. Daher braucht man für so etwas eine Diode mit geringer 
Reverse-Recovery-Zeit.

[Michael (Gast)]

Mit Schottky-Dioden tritt der Sprung im Strom nicht mehr auf.
Anscheinend sind die Modelle für herkömmliche Dioden ziemlich 
pessimistisch ausgelegt und beim Versuchsaufbau hat es funktioniert, 
weil die 1N4007 wohl eine besonders gute 1N4007 war.

Leider besteht das zweite Probem weiter: Die Ausgangsspannung erreicht 
nicht annähernd die gemessenen 64V. Könnte an meinem Trafomodell etwas 
falsch sein? Das Datenblatt des Trafos gab leider nicht viel her. Ich 
habe Widerstand und Induktivität beider Wicklungen eingegeben. Mehr 
Infos waren nicht da.

Der Trafo wird im Versuchsaufbau mit 7kHz beschickt, weil das seine 
gemessene Resonanzfrequenz ist. Ich habe keine Ahnung, ob LTSpice das 
selbst erkennt und berücksichtigt.

[hinz (Gast)]

Michael schrieb:
> Er hat die Schaltung selbst aufgebaut

Woher hat er die ideale Spannungsquelle bezogen?

[Achim S. (Gast)]

Michael schrieb:
> Könnte an meinem Trafomodell etwas
> falsch sein?

Ja: die Orientierung der Spulen. Wenn du primär eine positive Spannung 
am "punktierten" Ende der Spule anlegst, wird auch sekundär das 
punktierte Ende positiv. Dreh in der Simu mal entweder L1 oder L2 um.

Michael schrieb:
> Der Trafo wird im Versuchsaufbau mit 7kHz beschickt, weil das seine
> gemessene Resonanzfrequenz ist.

Was für ein Trafo benutzt du denn?

[Michael (Gast)]

Auf Primärseite war ein Funktionsgenerator angeschlossen, der 
eingestellt war auf:

- Rechteck-Impuls (unipolar mit 50% an, 50% aus)
- 10V
- 7kHz

[Michael (Gast)]

Achim S. schrieb:
>> Könnte an meinem Trafomodell etwas
>> falsch sein?
>
> Ja: die Orientierung der Spulen. Wenn du primär eine positive Spannung
> am "punktierten" Ende der Spule anlegst, wird auch sekundär das
> punktierte Ende positiv. Dreh in der Simu mal entweder L1 oder L2 um.

Ich hatte das ganz am Anfang mal hin und her gedreht und es schien 
relativ egal zu sein. Ich habe nochmal einen Screenshot mit gedrehter 
Sekundärwicklung gemacht.

>> Der Trafo wird im Versuchsaufbau mit 7kHz beschickt, weil das seine
>> gemessene Resonanzfrequenz ist.
>
> Was für ein Trafo benutzt du denn?

GT Elektronik SV1-505A. Datenblatt hängt an.

[Achim S. (Gast)]

Michael schrieb:
> Ich hatte das ganz am Anfang mal hin und her gedreht und es schien
> relativ egal zu sein.

Lustig, wenn ich es mit einer annähernd idealen Quelle simuliere steigt 
bei mir die Spannung am Elko auf 90V (sofern die Spulen richtig gepolt 
sind).

Wenn ich es mit einer Quelle mit Innenwiderstand simuliere, steigt die 
Spannung natürlich nicht gar so hoch: der Innenwiderstand der Quelle 
wird ja mit den transformierten 1kOhm belastet - je nachdem, welchen 
Innenwiderstand du ansetzt bleibt nicht mehr viel Spannung für die 
Induktion übrig.

[Michael (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Michael schrieb:
>> Ich hatte das ganz am Anfang mal hin und her gedreht und es schien
>> relativ egal zu sein.
>
> Lustig, wenn ich es mit einer annähernd idealen Quelle simuliere steigt
> bei mir die Spannung am Elko auf 90V (sofern die Spulen richtig gepolt
> sind).

Und was passiert, wenn du meine ASC-Datei nimmst?

[Michael (Gast)]

Hier nochmal die Schaltung für LTSpice mit gedrehter Wicklung und 
schneller Diode.

[Achim S. (Gast)]

Michael schrieb:
> Und was passiert, wenn du meine ASC-Datei nimmst?

oh die hängt ja mit an (hatte ich übersehen).

Dann limitieren vor allem die 4,6Ohm der Primärspule die 
Ausgangsspannung (die 340Ohm der Sekundärspule machen sich auch 
bemerkbar, aber aufgrund des Übersetzungsverhältnis nicht so stark).

[Michael (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Michael schrieb:
>> Und was passiert, wenn du meine ASC-Datei nimmst?
>
> oh die hängt ja mit an (hatte ich übersehen).
>
> Dann limitieren vor allem die 4,6Ohm der Primärspule die
> Ausgangsspannung (die 340Ohm der Sekundärspule machen sich auch
> bemerkbar, aber aufgrund des Übersetzungsverhältnis nicht so stark).

Das kuriose ist ja, dass es mit echten Teilen aufgebaut weitgehend 
funktioniert hat. 64V am Ausgang ist zwar schlechter als theoretisch 
möglich, aber immer noch viel besser als meine simulierten 20V.

[Achim S. (Gast)]

und die 64V hast du in der Realität auch mit 1kOhm belastet?

[Michael (Gast)]

Achim S. schrieb:
> und die 64V hast du in der Realität auch mit 1kOhm belastet?

Laut dem jenigen, von dem ich die Schaltung habe, hat er alles exakt so 
aufgebaut. Die Last war dran, der Funktionsgenerator war genau so 
eingestellt und am Ausgang lagen mit Last stabile 64V an.
Ich war aber nicht dabei.

[Achim S. (Gast)]

Michael schrieb:
> Laut dem jenigen, von dem ich die Schaltung habe, hat er alles exakt so
> aufgebaut. Die Last war dran, der Funktionsgenerator war genau so
> eingestellt und am Ausgang lagen mit Last stabile 64V an.
> Ich war aber nicht dabei.

Dann würde ich zunächst mal der Beschreibung misstrauen. 64V an 1kOhm 
machen 4W. Wenn der Fkt-Generator 50Ohm Ausgangswiderstand haben sollte 
(wie jeder Generator mit dem ich bisher gearbeitet habe), kann er diese 
Leistung bei der beschriebenen Spannung überhaupt nicht abgeben.

Falls der Generator niederohmiger ist, will ich nicht ausschließen, dass 
irgendwelche Resonanzeffekte des Trafos zu den berichteten Werten 
führen. (Wie wurde denn die Messung durchgeführt, aus der die 7kHz als 
Resonanzfrequenz bestimmt wurden?) Diese "unbekannten Resonanzeffekte" 
sind allerdings in der Simu nicht berücksichtigt, und so wird in dem 
Fall die Simu wenig über das reale Verhalten aussagen.

[Michael (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Dann würde ich zunächst mal der Beschreibung misstrauen. 64V an 1kOhm
> machen 4W. Wenn der Fkt-Generator 50Ohm Ausgangswiderstand haben sollte
> (wie jeder Generator mit dem ich bisher gearbeitet habe), kann er diese
> Leistung bei der beschriebenen Spannung überhaupt nicht abgeben.

Zu dem Generator weiß ich leider keine Details.

> Falls der Generator niederohmiger ist, will ich nicht ausschließen, dass
> irgendwelche Resonanzeffekte des Trafos zu den berichteten Werten
> führen. (Wie wurde denn die Messung durchgeführt, aus der die 7kHz als
> Resonanzfrequenz bestimmt wurden?) Diese "unbekannten Resonanzeffekte"
> sind allerdings in der Simu nicht berücksichtigt, und so wird in dem
> Fall die Simu wenig über das reale Verhalten aussagen.

Die Resonanz wurde bestimmt, indem an der Sekundärwicklung ein 
Oszillokop angeschlossen war und dann am Frequenzgenerator der 
Frequenzbereich durchlaufen und der Punkt gesucht wurde, an dem der 
Pegel auf dem Oszilloskop plötzlich ansteigt und ein Maximum erreicht.

[hinz (Gast)]

Michael schrieb:
> - Rechteck-Impuls (unipolar mit 50% an, 50% aus)
> - 10V
> - 7kHz

Also 5V DC-Anteil. Kern in Sättigung...

[Michael (Gast)]

hinz schrieb:
> Michael schrieb:
>> - Rechteck-Impuls (unipolar mit 50% an, 50% aus)
>> - 10V
>> - 7kHz
>
> Also 5V DC-Anteil. Kern in Sättigung...

Dass bei diesem Signal das Magentfeld im Kern nicht die Polarität 
wechselt, sondern einseitig seine Stärke ändert, ist mir klar. Aber 
wieso DC-Anteil?