Transformer Model in English
Transformer Model in English

Spice-Modell eines Netztrafos

Für mei­nen Zis­ter­nen-Pe­gel­mes­ser woll­te ich auch das Netz­teil, in­klu­si­ve des Trans­for­ma­tors si­mu­lie­ren.

Es mag un­ge­wöhn­lich er­schei­nen, et­was der­art ein­fa­ches zu si­mu­lie­ren, ich ha­be je­doch ers­te Netz­teil-Ent­wür­fe aus mei­ner frü­hen Bas­tel­zeit in Er­in­ne­rung, in der die Span­nungs­reg­ler we­gen Über­hit­zung ab­ge­schal­tet ha­ben oder die Brumm­span­nung am Sieb­elko auf die 5 V durch­ge­schla­gen ist, weil die Span­nung vor dem Reg­ler mit ei­nem 6 V-Tra­fo halt et­was zu knapp war.

Viel­leicht konn­te man das noch durch ei­ne Ver­grö­ße­rung des Kon­den­sa­tors ret­ten, oder aber man muss­te den teu­er er­wor­be­nen Tra­fo durch ei­nen mit hö­he­rer Se­kun­där­span­nung er­set­zen...

Die Si­mu­la­tion kos­tet nicht viel (nur ein we­nig Zeit), kann aber man­chen Är­ger in der end­gül­ti­gen Schal­tung er­spa­ren. Man sieht, wie sich die Schal­tung bei 15 % Un­ter­span­nung ver­hält, man kann die Ver­lust­leis­tung bei 15 % Über­span­nung mes­sen, bei Leer­lauf und Ma­xi­mal­last, den evtl. nö­ti­gen Kühl­kör­per be­rech­nen etc.

Die größ­te Un­si­cher­heit da­bei ist der Netz­tra­fo, da bei die­sen nor­ma­ler­wei­se kei­ne Si­mu­la­tions­da­ten oder -Pa­ra­me­ter, ge­schwei­ge denn fer­ti­ge Spice-Mo­del­le zur Ver­fü­gung ste­hen.

Also müs­sen wir ihn selbst aus­mes­sen. In mei­ner Schal­tung ging es da­bei um ei­nen Gerth 387.15, ei­nen Print-Tra­fo mit 15 V und 3,6 VA.

Ausmessen des Trafos

Um ei­nen Tra­fo ge­nau aus­zu­mes­sen, wie hier be­schrie­ben, be­nö­tigt man ein Mess­ge­rät, das die AC-Wirk­leis­tung hin­rei­chend ge­nau mes­sen kann. Mir steht ein sol­ches lei­der nicht zur Ver­fü­gung, und ich woll­te mir da­für auch kei­nes kau­fen, denn gu­te Watt­me­ter lie­gen durch­wegs im vier­stel­li­gen €-Be­reich. Des­halb muss­te ich ein biss­chen im­pro­vi­sie­ren.

Für die Netz­teil-Ent­wick­lung rei­chen je­doch im We­sent­li­chen nur drei Pa­ra­me­ter des Tra­fos weit­ge­hend aus:

Ich ha­be noch den Wi­der­stand Rfe (der die Hys­te­re­se- und Wir­bel­strom­ver­lus­te dar­stellt) und Ck (die Kop­pel­ka­pa­zi­tät) hin­zu­ge­fügt, die mit mei­nen Stan­dard-Wer­ten je­doch un­be­deu­tend sind. Ck ha­be ich aus Sym­me­trie­grün­den auf zwei Kon­den­sa­to­ren auf­ge­teilt. Wenn Sie die­se mes­sen konn­ten, kön­nen Sie die­se na­tür­lich als Pa­ra­me­ter an­ge­ben.

Die Kup­fer­wi­der­stän­de kann man ganz ein­fach mit ei­nem Ohm­me­ter be­stim­men.

Das Über­set­zungs­ver­hält­nis ent­spricht im Leer­lauf Pri­mär­span­nung:Se­kun­där­span­nung, was man mit je­dem Mul­ti­me­ter mes­sen kann.

Die Be­stim­mung der In­duk­ti­vi­tät ist al­ler­dings et­was pro­ble­ma­tisch, da sie auf­grund von Sät­ti­gungs­ef­fek­ten kei­ne Kon­stan­te ist, son­dern auch von der Span­nung ab­hängt.

Mir ist kei­ne wirk­lich ge­naue Me­tho­de hier­für be­kannt, die mit Netz­teil, Mul­ti­me­ter und Os­zil­lo­skop, wie man sie nor­ma­ler­wei­se zur Hand hat, funk­tio­niert.

Ich ha­be die In­duk­ti­vi­tät der Pri­mär­wick­lung be­stimmt in­dem ich ei­nen 1 µF- Kon­den­sa­tor pa­r­al­lel ge­schal­tet ha­be, die­sen Schwing­kreis mit 12 V an­ge­sto­ßen ha­be und die Re­so­nanz­fre­quenz mit dem Os­zil­lo­skop be­stimmt ha­be.

Bei dem vor­ge­ge­be­nen Gerth 387.15 bin ich auf fol­gen­de Wer­te ge­kom­men:

Da sich die In­duk­ti­vi­tä­ten pro­por­tio­nal zum Qua­drat des Über­set­zungs­ver­hält­nis­ses ver­hal­ten, folgt da­r­aus LSec=182 mH (nicht ge­mes­sen).

HierSimulierte Schaltung des Transformators mei­ne si­mu­lier­te Schal­tung des Trans­for­ma­tors. Die Bau­teil­wer­te sind be­reits durch Pa­ra­me­ter an­ge­ge­ben, wie es für das spä­te­re Mo­dell nö­tig ist, um sie im über­ge­ord­ne­ten Schalt­plan än­dern zu kön­nen.

Die ohm­sche Last von 71 Ω ver­brät ziem­lich ge­nau 3,6 W, die Nenn­leis­tung des Tra­fos. Die ef­fek­ti­ve Se­kun­där­span­nung liegt bei 16 V. Die ge­mes­se­nen Pa­ra­me­ter kön­nen al­so nicht grob falsch sein...

Ich muss na­tür­lich sa­gen, mei­ne Me­tho­de ist nicht ide­al und man soll­te sie nicht bis auf's letz­te Pro­zent aus­rei­zen. Zu mei­ner Ent­schul­di­gung muss ich sa­gen, das ist nicht zu­letzt mei­ner un­zu­rei­chen­den Aus­rüs­tung zu­zu­schrei­ben. Ich ver­fü­ge we­der über ein ge­eig­ne­tes LCR-Me­ter noch über ein hin­rei­chend auf­lö­sen­des Watt­me­ter, aber das Er­geb­nis stimmt trotz­dem recht gut mit der Re­a­li­tät über­ein und soll­te für die meis­ten Fäl­le gut ge­nug sein.

Ab damit ins Modell...

Zu­nächst müs­sen wir den Schalt­plan ein­damp­fen, bis nur noch das üb­rig ist, was zum Mo­dell ge­hört. Die Span­nungs­quel­le, der Last­wi­der­stand und das Si­mu­la­tions­kom­man­do müs­sen weg, sie wer­den in spä­te­ren Si­mu­la­tio­nen im über­ge­ord­ne­ten Schalt­plan hin­zu­ge­fügt.

Ich möch­te mich hier nicht un­nö­tig wie­der­ho­len, bit­te se­hen sie un­ter Eigene Mo­del­le er­stel­len nach, um die De­tails der Pro­ze­dur zu se­hen.

Ich ha­be das Mo­dell hier nicht als .sub ge­spei­chert, son­dern als .lib (tat­säch­­lich macht die Er­wei­te­rung kei­nen funk­tio­na­len Unter­schied, sie ist nur ein Sym­bol), denn es ist ein Pro­to­typ für be­lie­bi­ge Trans­for­ma­to­ren mit je­weils ei­ner Primär- und Se­kun­där­wick­lung. Sie kön­nen ei­ge­ne Trans­for­ma­to­ren in der glei­chen Da­tei hin­zu pa­cken, mit den Pa­ra­me­tern, die Sie eben ge­mes­sen ha­ben.

Hier al­so mein Sym­bol und mei­ne Bi­blio­thek (bis­her be­stehend aus ei­nem ein­zi­gen Bau­teil 😆)

Wenn Sie Mo­dell und Sym­bol in Ihrem sub bzw. sym in­stal­liert ha­ben, kön­nen Sie die­se Test­schal­tung aus­pro­bie­ren.

Die Pa­ra­me­ter kön­nen Sie in Ihren Si­mu­la­tio­nen nach be­lie­ben än­dern, um Ihren spe­zi­el­len Tra­fo zu be­schrei­ben, oder Sie fü­gen ihn in die xfrm1p1s.lib ein, wie ich es mit dem Gerth ge­macht ha­be, und kön­nen ihn je­der­zeit mit sei­nem Na­men ab­ru­fen.

Ich ha­be die­se Si­mu­la­tion nach bes­tem Wis­sen er­stellt, kann je­doch nicht für die ab­so­lu­te Rich­tig­keit ga­ran­tie­ren. Die Ver­wen­dung er­folgt auf ei­ge­nes Ri­si­ko und Ver­ant­wor­tung.