1 Uebung LTSpice Tutorial PDF

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Sommersemester...

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Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen TU Braunschweig

ANGEWANDTE LEISTUNGSELEKTRONIK Übung – Organisatorisches Übungsleiter Günter Tareilus

Niklas Langmaack

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Im Sommersemester 2021 wird die Übung unter Stud.IP im Bereich "Courseware" jeweils als Videostream bereitgestellt. Die Übungsunterlagen (Skripte, LTSpice-Beispiele ...) werden unter Stud.IP im Bereich "Dateien" zur Verfügung gestellt.

1. ÜBUNG S CHALTUNGSSIMULATION MIT LTSPICE

Inhalte:

 Grundlagen LTSpice  Erste Schritte o Erstellen eines einfachen Simulationsmodells o Festlegung sinnvoller Simulationseinstellungen o Simulieren und Auswerten o Transiente Simulation und FFT  Beispiel: Simulation galvanische Kopplung  Transiente und harmonische Simulation o Erstellen des Simulationsmodells eines Schwingkreises o Harmonische Simulation und Auswertung des Frequenzganges o Transiente Simulation und FFT

2

1 Grundlagen LTSpice (Wiederholung aus Übung zur Vorlesung "Grundschaltungen der Leistungselektronik") Das Programm LTSpice ist eine Software, mit der man (leistungs-) elektronische Schaltungen zunächst per Schaltplaneditor entwerfen und anschließend simulieren kann. Da diese Software extrem leistungsfähig und trotzdem kostenlos ist, ist sie mittlerweile sehr weit verbreitet, was wiederum dazu geführt hat, dass viele Hersteller von elektronischen Bauteilen LTSpice-Modelle ihrer Komponenten für dieses Programm zur Verfügung stellen. Deshalb werden auch in der Übung zur Vorlesung "Grundschaltungen der Leistungselektronik" diverse Schaltungsauslegungen durch Simulationen mit LTSpice untersucht. Die Software kann unter dem Link: http://www.linear.com/designtools/software/#LTspice heruntergeladen werden. Eine Schnellanleitung gibt es unter: https://www.analog.com/media/en/simulation-models/spicemodels/LTspiceGettingStartedGuide.pdf

Die Vorgehensweise bei der Verwendung des Programms (für unsere Zwecke) ist folgende:  Zunächst Erstellung eines Schaltplans mit allen benötigten Bauteilen/Komponenten: Platzieren der Elemente und Verbinden der Anschlusspins durch Ziehen von Leitungen (Wire)  Zuweisung der Bauteileigenschaften (Widerstands-, Kapazitäts-, Induktivitätswerte) und Werte der Strom- und Spannungsquellen  Benennen interessierender Potentiale (Spannungsmesspunkte) mit eindeutigen Bezeichnungen bzw. 'Label'.  Festlegen der Simulationsparameter, wie Simulationsdauer, Schrittweite, ... Beim Zuweisen von Zahlenwerten werden Potenzen mit folgenden Buchstaben zugewiesen: T

= t

= terra

=

1012

G

= g

= giga

=

109

Meg = meg = mega =

106

K

= k

= kilo

=

103

M

= m

= milli

=

10-3

U

= u

= mikro =

10-6

N

= n

= nano

=

10-9

P

= p

= pico

=

10-12

F

= f

= femto =

10-15

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Übersicht Befehle Schaltplaneditor

Widerstand einfügen

Kondensator einfügen

Netzbeschriftung einfügen

Induktivität einfügen Diode einfügen

Masse (GND) einfügen

Bauteilbibliothek öffnen

Leitungen ziehen

Element verschieben Mit Verbindungen verschieben

Löschen Duplizieren

Aktion Rückgängig

Einfügen Suchen

Aktion Wiederholen Element drehen Element spiegeln Kommentar einfügen SPICE-Befehl einfügen

2 Erste Schritte In diesem Kapitel wird ein einfaches Simulationsmodell aufgebaut und simuliert.

2.1 Simulationsmodell RC-Glied Komponenten platzieren ('component' - Icon) und Verbindungen zeichnen ('wire' – Icon)

Komponenten parametrieren, Signalnamen (ein, aus) zuordnen und Massepotential definieren; Beispiel: Pulsförmige Spannungsquelle mit Periodendauer T = 1 ms (=>1 kHz Grundfrequenz) und Einschaltdauer ti = 100 µs (Tastverhältnis ti/T = 10%)

Simulationsbefehl konfigurieren

Simulation und Erstellen erster Plots

2.2 Mögliche Fehler Fehlender Masseknoten

6

Unnötig kleine Schrittweite

Unnötig lange Simulationszeit

2.3 Funktionen der Darstellung Nutzung mehrerer Achsen, Anzeige von Differenzspannungen und Strömen

Eigene Funktionen plotten, Mittelwert und Integral bestimmen (STRG+Trace anklicken)

7

2.4 Transiente Simulation und FFT Transiente Simulation und Darstellung im Zeitbereich

Durchführen einer Fourieranalyse (FFT)

8

Darstellung der Simulationsergebnisse als FFT im Frequenzbereich

Anpassen der Darstellung: Y-Achse

X-Achse

=> Amplituden-Betragsspektrum des Rechteckimpulses für ein Tastverhältnis ti/T = 10% bis zum 30en Vielfachen der Grundfrequenz von 1 kHz (vgl. auch Vorlesungsskript)

9

3 Beispiel: Simulation galvanische Kopplung In diesem Beispiel wird zur praktischen Anwendung der Schaltungssimulation das zuvor erstellte Simulationsmodell einer getakteten Schaltung kombiniert mit einer typischen analogen Signalquelle (z.B. das Sensorsignal eines Drehgebers/Resolvers zur Rotorlageerfassung einer rotierenden elektrischen Maschine: 2polig, Drehzahl = 6000 U/min = 100 Hz; Der SensorAusgangsspannungsbereich von +/- 2,5 V entspricht einer Rotor-Umdrehung, also 360°. Die Auflösung für einen Winkelschritt von 1° mech. entspricht 5V/360° = 13,8 mV.

Analog/DigitalWandler

Sensor

D

Schaltnetzteil

A

Welle

VSensor

Motor

Platine GND

ideal: real:

Werden beide Schaltungen auf einer Platine untergebracht, muss bei Nutzung einer gemeinsamen Masseleitung berücksichtigt werden, dass jede Leiterbahn/Leitung im ungünstigsten Fall eine Eigeninduktivität von 0,1 ... 1 µH/m besitzt. Bei 10 cm gemeinsam genutzter Masseleitung sind dann 10 ... 100 nH Leitungsinduktivität zu berücksichtigen:

10

Eigeninduktivität Masseleitung

Die resultierende eingekoppelte Störspannung auf dem Sensorsignal beträgt ca. +/- 70 mV, 70 mV  5 Grad . entsprechend einem möglichen Winkel-Messfehler von 13,8 mV / Grad Neben der Größe der Kopplungselemente ist die Steilheit der Störsignale die zweite entscheidende Größe für die Höhe der eingekoppelten Störspannungen. Die Flankensteilheit der Pulsspannung ( trise = tfall = 1 µs ) betrug du/dt = 7 V/µs bzw. di/dt = 7 A/µs. Werden die Schaltzeiten auf die für diesen Spannungs-/Strombereich eher üblichen Werte von trise = tfall = 0,1 µs reduziert, wird der Störspannungseinfluss noch deutlicher:

11

4 Transiente und harmonische Analyse Für Systeme, bei denen insbesondere das Verhalten über den Frequenzbereich interessiert, kann eine harmonische Analyse durchgeführt werden.

4.1 Simulationsmodell Parallelschwingkreis Schaltplan mit parametrierten Komponenten

Simulationskommando

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Ergebnis als Bode-Diagramm logarithmisch

Ergebnis y-Achse linear und x-Achse logarithmisch skaliert

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4.2 Verwenden von Parametern und Parametervariation Um den Einfluss einzelner Bauteilwerte auf das Systemverhalten zu untersuchen, kann eine automatisierte Parametervariation durchgeführt werden. Durch die SPICE-Anweisung ".step param RV LIST 0.1 1 10 100" werden nacheinander 4 Simulationsläufe durchgeführt und dabei für den Widerstand R1 die unterschiedlichen Werte 0,1 , 1 , 10  und 100  eingesetzt.

4.3 Transiente Simulation und FFT Umgearbeitetes Simulationsmodell und Darstellung im Zeitbereich

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Durchführen einer FFT

Die Darstellung der Simulationsergebnisse als FFT im Frequenzbereich zeigt z.B., wie das Frequenz- und Amplitudenspektrum des Eingangssignals V(ein) auf die Ausgangsseite V(aus) übertragen wird.

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