Drehstromverbraucher in Stern- und Dreieckschaltung

Simulation von phasenverschobener Wechselspannung

Um die phasenverschobene Wechselspannung zu simulieren, muss zunächst eine Spannungsquelle platziert werden. Mit einem Rechtsklick auf die Spannungsquelle öffnet sich ein Fenster, in dem diverse Werte eingestellt werden können. Um eine Wechselspannung zu simulieren, muss oben im Fenster erst auf SINE umgestellt werden. Relevant für die Simulation von phasenverschobener Wechselspannung sind die Punkte Amplitude(V), Freq(Hz) und Phi(deg). Unter Amplitude gibt man den Scheitelwert der Spannung an, in einem Wechselstromnetz üblicherweise 325V und die Frequenz (Freq) 50Hz. In einem handelsüblichen Stromnetz sind die Phasen um 120° versetzt, daher muss diese Verschiebung auch hier eingestellt werden. Die erste Spannungsquelle lässt man unberührt, die zweite Spannungsquelle ändert man auf 120° und die dritte ändert man auf 240°. Somit sind die drei Wechselspannungen zu 120° versetzt.

Beispiel:

Abbildung 1: Einstellung zur phasenverschobenen Wechselspannung

Nutzung der Simulationsmethode „Transient“

Die Simulationsmethode „Transient“ nutzt man, um nichtlineare algebraische Differentialgleichungen einer Schaltung zu lösen, z.B. Schwingungen. Hierbei wird vor dem Einschalten immer erst der Arbeitspunkt berechnet.

Um diese Simulationsmethode auszuwählen muss man, nachdem man eine Schaltung gebaut hat, auf Run klicken. Es öffnet sich dann folgendes Fenster.

Abbildung 2: Einstellung der Simulationsmethode Transient

In den oberen Feldern kann man die gewünschten Parameter eingeben oder man gibt es direkt ins untere Feld ein.

Beispiel:

Bei Stop time: 40m erscheint im unteren Feld automatisch .tran 40m.

Um gekehrt funktioniert dies auch.

Aufbau in Stern- und Dreieckschaltung

Den Aufbau der Stern- bzw. Dreieckschaltung kann man in den folgenden Bildern erkennen.

Abbildung 3: Aufbau der Sternschaltung

Abbildung 4: Aufbau der Dreieckschaltung

Netze bezeichnen („Label net“, hier: L1, L2, …)

Um Netze zu bezeichnen, benutzt man die Funktion Label net. Diese ruft man auf, indem man auf dem zu bezeichnenden Pfad mit der rechten Maustaste klickt. In dem geöffneten Fenster findet man die Funktion Label net. Hier kann man das ausgewählte Netz bezeichnen. Nach dem Bestätigen positioniert man die Bezeichnung an dem gewünschten Platz.

Neutralleiterstrom bei symmetrischem und asymmetrischen Verbraucher im Drehstromnetz

Zu betrachten ist die Sternschaltung, Abb.3. Hierbei handelt es sich um einen symmetrischen Verbraucher, da die Widerstände R4, R5 und R6 gleich groß sind. Somit sind die Ströme die durch die Widerstände fließen gleich groß und heben sich durch die Phasenverschiebung im Sternpunkt auf.

Abbildung 5: Ströme beim symmetrischen Verbraucher

Die Ströme I4, I5 und I6 heben sich zu jedem Zeitpunkt auf und resultieren im Strom I7.

Um jetzt einen unsymmetrischen Verbraucher zu simulieren, muss die Schaltung ein bisschen geändert werden. Beispielsweise wurden nun die Widerstände geändert sowie zusätzlich eine Induktivität und Kapazität verbaut.

Abbildung 6: Aufbau der Sternschaltung mit unsymmetrischen Verbrauchern

Und die Ströme haben sich wie folgt geändert.

Abbildung 7: Ströme beim unsymmetrischen Verbraucher

Durch die unterschiedlichen Ströme (I4, I5, I6) ist der resultierende Strom (I7) nicht mehr Null.

Betrieb von 2 Dioden an Wechselspannung

Mit unserem Video geben wir eine kleine Einführung mit dem Programm LTSpice anhand einer Schaltung von 2 Dioden und 3 Widerständen mit Wechselspannung.

Im Video wird häufig von Messungen gesprochen. Da es sich jedoch um berechnete Simulationsergebnisse handelt, sollte man den Begriff „Messung“ im Zusammenhang mit LTSpice nicht verwenden.

Schaltvorgänge an Kapazitäten

In der folgenden Kurzanleitung in Form eines Screencasts (Kurzvideo) wird anhand des Beispiels „Schaltvorgänge an Kapazitäten“ die Simulationssoftware LTSpice erklärt.

In dem Kurzvideo wird u. a. das Erzeugen einer Rechteckspannung mit der Spannungsquelle im Modus „Pulse“ zur Simulation von Schaltvorgängen, die Nutzung von „Label Net“ zur Bezeichnung von Leitungsabschnitten, die Nutzung der Simulationsmethode „Transient“ und die Darstellung der Verläufe in mehreren „Plot Panes“ beschrieben. Unter dem Kurzvideo befindet sich eine Erläuterung des Lade- und Entladevorgangs von Kondensatoren.

Im Video wird häufig von Messungen gesprochen. Da es sich jedoch um berechnete Simulationsergebnisse handelt, sollte man den Begriff „Messung“ im Zusammenhang mit LTSpice nicht verwenden.

Der Transistor als Schalter

Erläuterung der elektrotechnischen Hintergründe •  Kurzeinführung in das Programm LTSpice • Simulation der Schaltung
Der Transistor

Der Transistor (Kurzform für transfer resistor) ist ein elektronisches Bauteil, das aus der modernen Elektronik nicht mehr wegzudenken ist.

Transistoren werden z. B. in Computern und Smartphones eingesetzt und haben die Aufgabe elektrische Signale zu schalten, zu regeln oder zu verstärken.

Transistoren „schalten“ ohne mechanische Bewegung.

NPN Transistor als Schalter

Der NPN  Transistor wird in dieser Übung als Schalter verwendet.

Er setzt sich aus drei Halbleiter Schichten zusammen: Die mittlere Schicht weist eine positive, die beiden äußeren Schichten eine negative Dotierung auf.

Aufbau NPN Transistor (vereinfacht)

 

Schaltbild NPN Transistor

 

Sobald eine Spannung an der Basis (B) anliegt, wird der Transistor (die Kollektor-Emitter-Strecke) leitfähig und ein Strom kann vom Kollektor (C) zum Emitter (E) fließen.

Damit der Transistor als geschlossener Schalter funktionieren kann, muss er „voll durchgesteuert“ sein (auf der Kollektor-Emitter-Strecke kann so der maximale Strom fließen).

Um dies zu erreichen, wird der Transistor im Sättigungsbereich betrieben – die Spannung an der Basis muss dazu mindestens 0,7 V betragen.

Transistoren lassen sehr hohe Schaltfrequenzen zu (100 MHz und mehr).

Die Funktion des Transistors anhand einer einfachen Schaltung dargestellt

 

Wird eine Spannung, erzeugt von V1, an die Basis des Transistors Q1 gelegt, schaltet dieser die Kollektor-Emitter-Strecke durch. Liegt keine Spannung an sperrt der Transistor diese wieder. Letztlich ist die Spannung jedoch nur indirekt für das Schalten des Transistors verantwortlich. Die Spannung V1 sorgt dafür, dass ein Basisstrom (gelb dargestellt) zum Emitter fließen kann.

Ist der Transistor durchgeschaltet kann also ein Strom vom Kollektor zum Emitter fließen.

Somit ist der Stromkreis vom Pluspol der Spannungsquelle V2 zum Minuspol der Spannungsquelle V2 geschlossen, der Widerstand R2 wird bestromt.   

Wird die Spannungsquelle V1 abgeschaltet, sperrt der Transistor Q1 wieder und im Stromkreis der Spannungsquelle V2 fließt kein Storm mehr.

Kurzeinführung in das Programm LTSpice und Simulation der Schaltung

 

Es soll nun die folgende Schaltung in LTspice erstellt und simuliert werden:

 

Erstellen der Schaltung in LTspice:

 

(Musik im Video : sweet melancholy, piano rain von Dag Reinbott www.terrasound.de)

 

  • 1) Neuen Schaltplan erstellen: → File → New Schematic Alternativ: „ctrl + N“ oder  
  • 2) Spannungsquelle einfügen: → Edit → Compontent Alternativ: „F2“ oder  → „voltage“ anklicken → Spannungsquelle „hängt“ am Cursor → im Schaltplan platzieren durch Linksklick
  • 3) Massepotential einfügen, um später eine Simulation zu ermöglichen: → Edit →  Place GND Alternativ: „g“ oder  → GND hängt am Cursor → im Schaltplan platzieren durch Linksklick
  • 4) Elektrische Verbindung ausführen: → Edit → Draw Wire Alternativ: „F3“ oder   → elektrische Verbindung im Schaltplan platzieren durch Linksklick
  • 5) Verbraucher (hier: Transistor) einfügen, siehe Punkt 2 „Spannungsquelle einfügen“. (hier: NPN) Verbraucher „hängt“ am Cursor → im Schaltplan platzieren durch Linksklick

Analog dazu die zweite Spannungsquelle „V2“ und die Widerstände „R1“ und „R2“ im Schaltplan platzieren. 

Grundfunktionen des Programms für die Schaltplanbearbeitung:

→ Edit → Undo (“F9”) / Redo (“Shift + F9”) um einen Schritt rückgängig zu machen / zu wiederholen

→ Edit → Delete („F5“) um Teile aus der Zeichnung zu löschen

→ Edit → Duplicate („F6“) um Teile aus der Zeichnung zu duplizieren

→ Edit → Move („F7“) um bereits platzierte Bauteile zu verschieben

→ Edit → Drag („F8“) um Bauteile incl. Verbindungen an andere Position zu ziehen

→ Edit → Rotate („ctrl + R“) um ein markiertes Bauteil zu rotieren

→ Edit → Mirror („ctrl + E“) um ein markiertes Bauteil zu spiegeln

  • 6) Bauteileigenschaften einstellen:

Rechtsklick über dem Bauteil, Eingabemaske wird geöffnet.

Beispiel  Widerstand:

Hier können nun die entsprechenden Werte eingegeben werden, Präfixe (K, M …) sind erlaubt. 

Beispiel Spannungsquelle V2, 24V DC:

Über das Feld „Advanced“ kann die Spannungsquelle weiter angepasst werden.

Beispiel Spannungsquelle V1, die eine Rechteckspannung erzeugen soll:

Bedeutung der einzustellenden Werte:

Functions

„PULSE“ → Pulsquelle, erzeugt rechteckige- oder trapezförmige Signale

Vinitial[V] → Spannungswert für “aus” (Minimalwert) 

Von[V] → Spannungswert für „an“ – (Maximalwert)

Tdelay[s] → Zeit ab Start bis von „Vinitial“ auf „Von“ geschaltet wird  (Startverzögerung) 

Trise[s] → Anstiegszeit von „Vinitial“ bis „Von“

Tfall[s] → Abfallzeit von „Von“ bis „Vinitial“

Ton[s] → Dauer von “Von”  (Pulsdauer)

Tperiode[s] → Gesamtperiodendauer

Ncycles → Anzahl der Perioden (Kein Wert = unendliche Wiederholungen)

Mit der „Pulse“-Spannungsquelle können also beliebige, stückweise linear verlaufende pulsierende Spannungen erzeugt werden. Um eine ideale Rechteckspannung zu erzeugen, müssen die Zeiten für die steigenden und fallenden Flanken sehr kurz gesetzt werden (hier 1 Nanosekunde).

Simulation der Schaltung

Gefordert ist die Simulation einer Rechteckspannung „Pulse“ mit der Simulationsmethode „Transient“.

Wie die Rechteckspannung „Pulse“ erzeugt wird, wurde bereits unter Punkt 6) erläutert..

Nun soll die Simulationsmethode „Transient“ angewendet werden, hierfür wird unter → Simulate „Edit Simulation Cmd“ angeklickt. Unter dem Reiter „Transient“ wird nun die Stop-Zeit in Sekunden („Stop time“) angegeben, also wie lange die Simulation durchgeführt werden soll:

Mit Klick auf „OK“ wird die Eingabe in die Schaltung übernommen:

Simulation starten: → Simulation → Run Alternativ:   

Ein weiteres Fenster wird geöffnet, durch Rechtsklick und ein Klick auf “Add Traces“ kann ausgewählt werden welche Daten angezeigt werden sollen.

Um den Basis- mit dem Kollektorstrom zu vergleichen wird „Ib(Q1)“ und „Ic(Q1)“ ausgewählt. Alternativ kann auch im Schaltplan die Stelle angeklickt werden, an welcher Strom oder die Spannung gemessen/abgebildet werden soll.

Nun wird der Basis- und Kollektorstrom für die voreingestellte Zeit („Stop Time“ in „Transient“, siehe oben) abgebildet.

Um die Übersichtlichkeit beizubehalten kann auch durch Rechtsklick und einen Klick auf „Add Plot Plane“ ein weiteres Fenster für den Strom- oder Spannungsverlauf hinzugefügt werden.

Grafischer Vergleich von Basis- und Kollektorstrom
Vergleich Stromverlauf Basis (Ib) – zu Kollektorstrom (Ic)

 

In der Grafik kann man nun erkennen, wie der geringe Strom an der Basis den größeren Strom am Kollektor schaltet – außerdem kann der zeitliche Verlauf des Schaltvorganges, der durch die Rechteckspannung V1 bestimmt wird, abgelesen werden.

Kleine Ströme steuern große Ströme

 

In der Elektrotechnik wird oft zwischen Steuer- und Laststromkreis unterschieden.

Im Steuerstromkreis fließt im Regelfall ein kleinerer Strom als im Laststromkreis; meist liegt auch eine geringe Spannung an.

Mit einem Transistor kann diese Funktion erreicht werden:

Fließt durch die Basis B des Transistors ein schwacher Strom wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitfähig, somit kann ein großer Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen.

Die Ströme sind hier mit negativen Vorzeichen dargestellt (physikalische Stromrichtung).

Strom I durch den Widerstand R1 (Basisstrom des Transistors „Steuerstromkreis“):

Strom durch den Widerstand R1 (Steuerstromkreis)

Im Vergleich der Strom im „Laststromkreis“ (Kollektor-Emitter-Strecke):

Strom durch den Widerstand R2 (Laststromkreis)

Der Strom im Laststromkreis ist größer als der Strom im Steuerstromkreis.

Der große Strom im Laststromkreis wird also vom kleineren Strom im Steuerstromkreis geschaltet.

Mit dieser Funktion können z. B. Relais durch einen kleinen Strom angesteuert werden.

 

Die Brückenschaltung

von Manuel Arldt, Robin Schmahl 

Im Rahmen des Projektes Selbstlernphase 1:  LTSpice Grundlagen (der Techniker Ausbildung) werden wir die technische Beschreibung und die Funktionsweise der Brückenschaltung inkl. Aufbau und Darstellung der Schaltung in LTSpice darstellen.

 

 

Umgang mit LTSpice

In diesem Kurs werden einige durch Schüler erarbeitete Anleitungen zur Nutzung von dem Simulationsprogramm für elektrische Schaltungen LTSpice an grundlegenden, praxisnahen Beispielen aufgeführt.