Ganz nah dran!

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Abb. 1: Schaltbild für Induktivität
29.03.2017 | SPICE-Bibliothek für stromkompensierte und lineare Drosseln von SCHURTER. Eine effiziente Schaltungsentwicklung setzt eine vorgängige Simulation voraus. Jede Simulation ist aber nur so gut wie die Daten, mit denen sie gefüttert wurde. SCHURTER stellt für einen Grossteil seines Drosselsortiments ausgereifte Simulationsmodelle zur Verfügung.

Schaltungssimulation ist ein wichtiger Bestandteil der Schaltungsauslegung und wird durch viele computergestützte Werkzeuge vereinfacht. Ein bewährtes Instrument hierfür ist SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). SPICE wurde erstmals 1973 an der University of California vorgestellt. Dieses Programm wurde in den letzten 40 Jahren konsequent weiterentwickelt und ist heute ein ausgereiftes und häufig verwendetes Programm, das es in verschiedenen Ausführungen und von unterschiedlichen Anbietern gibt. SPICE berechnet algorithmische Näherungslöungen von analogen und digitalen sowie auch gemischten Schaltungen. Dabei basieren die einzelnen Simulationskomponenten auf den physikalischen Modellbeschreibungen oder auch auf abstrakt formulierten Funktionen. Diese Komponentenmodelle werden in der Folge als Netzliste abgebildet und durch eine Vielzahl von Differentialgleichungen berechnet.

Möglichst realitätsnah
Das Ziel der Simulation ist eine möglichst präzise Abbildung des tatsächlichen Funktionsverhaltens in der Realität. Dazu müssen die Komponenten beispielsweise parasitäre Anteile oder auch thermisch bedingte Reduktionen berücksichtigen, was entsprechend komplexere Simulationsmodelle der einzelnen Komponenten voraussetzt und dementsprechend zu exakteren Simulationsergebnissen führt.

Die einzelnen Komponenten werden in Bibliotheken [1] zusammengefasst, welche einfach in die gängigen SPICE-Simulationswerkzeuge importiert werden können. Im Anschluss steht die ganze Produktfamilie für die Schaltungssimulation zur Verfügung und kann nach unterschiedlichen Parametern ausgewählt werden (z.B. Nennstrom). Mit den bereitgestellten Simulationsmodellen können die verschiedenen stromkompensierten Drosseln verglichen und deren Frequenzverhalten sowie deren Sättigungsverhalten analysiert werden. Diese vorgängige Analyse reduziert den zeitlichen und finanziellen Aufwand im Prototypenaufbau enorm.

Simulationsmodelle
Die nachfolgend vorgestellten Simulationsmodelle für lineare Drosseln wurden mehrfach mit realen Bauteilen verifiziert und dazu mit dem Freeware-Simulationstool LTSPICE [2] von linear Technologies überprüft. Die bereitgestellten Bibliotheken können aufgrund ihres Aufbaus aber auch mit anderen verfügbaren SPICE-Programmen verwendet werden.

In der Folge wird der Aufbau des Simulationsmodells der linearen Drossel erklärt. Ausgehend von einer einfachen Spule wird das Modell erweitert bis hin zum ausgereiften Modell, welches sämtliche parasitären Anteile wie auch die magnetische Sättigung berücksichtigt. Im Anschluss werden auch die Verifikationsmessungen den Simulationsresultaten gegenübergestellt, um die Präzision der vorgestellten Modelle darzustellen.

Grundlage Drossel
In den nachfolgenden Abbildungen werden die europäischen Ersatzschaltbilder für die Komponenten dargestellt, welche in den Simulationsinstrumenten ausgewählt werden. Ausgehend von einer linearen Drossel, also nur der Induktivität (Abb. 1). Die Induktivität wird mit der internationalen Abkürzung L symbolisch gekennzeichnet. Der Wert der Induktivität wird mit der Einheit Henry angegeben.


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Abb. 2: Ersatzschaltbild einer Spule mit parasitären Komponenten
Erweitertes Modells mit parasitären Anteilen
In der Realität erfolgen sämtliche elektrischen Übertragungen mit Verlusten. So besitzt beispielsweise die Spulenwicklung neben der Induktivität L auch einen ohmschen Widerstand R. Ebenso kommt es aufgrund der mehrfachen Wicklungen zu Kopplungskapazitäten C. Diese parasitären Eigenschaften können auch beim Schaltungsaufbau von aussen beeinflusst werden. Daher wird das Schaltungsmodell um diese Elemente entsprechend erweitert (Abb. 2).

Bereits hier ist ersichtlich, dass es sich bei diesem Ersatzschaltbild um einen Schwingkreis handelt, welcher ein spezifisches Frequenzverhalten und eine spezifische Resonanzfrequenz aufweist.


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Abb. 3: Sättigungsmodell der Drossel
Berücksichtigung der Sättigung
Zur Herstellung von Spulen mit höheren magnetischen Permeabilitätswerten werden Metallkerne verwendet. Je nach Übertragungsleistung und Frequenzbereich werden hier unterschiedliche Kernmaterialien eingesetzt.

Durch die Eigenschaften der ferromagnetischen Kernmaterialien können diese bei einem zunehmenden Strom die Magnetisierung nicht mehr erhöhen. In diesem Fall spricht man von der magnetischen Sättigung der Drossel. Hierdurch fällt bei einer bestimmten Stromstärke die Induktivität ab (Abb. 4 / Siehe beiliegendes PDF). Für diesen Fall wird das materialspezifische Sättigungsverhalten im Simulationsmodell (Abb. 3) in Funktion des magnetischen Flusses abhängig vom Nennstrom berücksichtigt.

Simulation Sättigung Lineardrossel
Die Simulation des Sättigungsverhaltens zeigt sich insbesondere bei einem Spannungssprung. Entsprechend wird das Simulationsmodell aus den beiden vorgestellten Detailmodellen kombiniert und berücksichtigt nun neben dem parasitären auch das sättigungsabhängige Verhalten (Abb. 5 / Siehe beiliegendes PDF). Das Verhalten wird nun in das lineare Modell integriert. Dafür werden die Induktivitäten gekoppelt und mit einer "unendlichen Induktiviät" versehen. Parallel zur Linearinduktivität wird die Magnetisierungsinduktivität geschaltet mit dem gewünschten Verhalten der Sättigung.

Damit die Simulation möglichst nah an das reale Verhalten herankommt, wurden vorab sämtliche Sättigungsströme ausgemessen und als Parameter im Term Isat im Modell berücksichtigt. Dieser Stromwert ist der Punkt, ab welchem die Drossel sättigt. Dieser muss für jede Drossel ausgemessen werden. Alle anderen Parameter können vom Standard-Drosselmodell übernommen werden und müssen nicht neu ausgemessen werden.

Modellverifikation mit ausgemessenen Spulen
Die nachfolgende Darstellung zeigt anhand einiger Messkurven die Annäherungspräzision der Simulationsmodelle mit der realen Spule anhand der vermessenen Referenzspule.

Fazit
Mit diesen detaillierten SPICE-Modellen besteht nun die Möglichkeit, stromkompensierte und lineare Drosseln zu simulieren, damit vorgängig die kernmaterialabhängigen Sättigungsprobleme erkannt werden können. Dies unterstützt den Schaltungsentwurf bereits in der Simulation, so dass die richtigen Spulen für den jeweiligen Einsatzbereich ausgewählt werden können.

SCHURTER bietet mit diesen detaillierten SPICE-Simulationsmodellen eine zuverlässige Unterstützung für eine sichere und kosteneffiziente Entwicklung von elektronischen Schaltungen, in welchen stromkompensierte oder lineare Drosseln eingesetzt werden. Die jeweiligen Dämpfungskurven und SPICE-Modelle stehen ebenso wie die mechanischen CAD-Modelle für diverse SCHURTER Produkte aus dem Drosselsortiment zur Verfügung.

Links
[1] SPICE-Bibliotheken von SCHURTER: http://
www.schurter.ch/de/
Dokumente?SearchText=spice

[2] LTSPICE: http://www.linear.com/designtools/
softwar
e

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