Автор: Mike
Дата публикации: 5 ноября 2020
Дроссели или катушки индуктивности – это один из фундаментальных столпов среди электронных компонентов (Рис.1).
В этой статье мы узнаем, как мы можем моделировать работу катушки индуктивности с помощью LTspice, программы для моделирования цепей, где точность моделирования зависит от точности используемых моделей.
Рис. 1 – Примеры дросселей различного исполнения
Здесь мы обсудим три разные модели, начиная с самой низкой сложности (линейной), затем рассмотрим золотую середину (нелинейную) и перейдем к самой высокой сложности (модель CHAN). Попутно вы также узнаете некоторые хитрости LTspice.
Дроссели представляют собой верхний предел накопления магнитной энергии. Когда достигается ток насыщения, катушка теряет магнитные свойства, такие как проницаемость. Когда это происходит, катушки не могут продолжать накапливать энергию. Эта ситуация меняется на противоположную, как только ток, протекающий через дроссель, уменьшается. Эту концепцию насыщения необходимо учитывать в моделях, чтобы выполнять точное моделирование таких приложений, как источники питания, где решающее значение имеют магнитные компоненты.
Особенность дросселей заключается в том, что даже если мы уберем ток намагничивания, циркулирующий через катушку индуктивности, плотность магнитного потока, связанная с материалом сердечника дросселя, сама по себе не уменьшится до нуля. Нам нужно подать ток в обратном направлении, чтобы вернуть катушку индуктивности в ненамагниченное состояние. Это явление называется гистерезисом и является одной из основных характеристик, определяющих применение магнитного материала.
Рис. 2 – Схематичное представление петли гистерезиса
Как показано на рисунке 2, мы можем видеть, что величина магнитного потока, присутствующего в катушке индуктивности, зависит не только от приложенного тока, но и от предыдущего состояния катушки индуктивности.
В идеале дроссели имеют только индуктивность, которая измеряется в генри (Гн). Однако в реальном мире мы должны довольствоваться паразитными составляющими, которые всегда присутствуют в индуктивных компонентах. Поскольку эти паразитные составляющие делают поведение катушки индуктивности неидеальным, мы не можем игнорировать их при моделировании. Хотя мы не будем тратить много времени в этой статье на обсуждение магнитных свойств дросселей, вот список соответствующих параметров, которые помогут нам повысить точность нашей модели при моделировании катушек в LTspice.
- R-series: последовательное сопротивление из-за конечного удельного сопротивления меди (также известного как сопротивление постоянному току);
- R-parallel: Параллельное сопротивление, вызванное потерями в сердечнике;
- C-parallel: Емкость последовательных обмоток;
- Температурный коэффициент (Temperature coefficient): учет того факта, что катушки индуктивности могут изменять свои магнитные свойства из-за самонагрева (из-за тока, который циркулирует через них, и паразитного сопротивления).
ПАО "МСТАТОР" для дросселей рекомендует применять
высокоэффективные аморфные и нанокристаллические магнитопроводы
Добавление этих значений в процесс моделирования поможет вам получить более реалистичные результаты, которые будут более точно соответствовать реальному поведению конкретной катушки индуктивности.
Итак, приступим к реализации линейной модели. Первая модель включает в себя все параметры, перечисленные выше, и выполняет моделирование, как это происходит в линейной схеме. К счастью, нам не обязательно добавлять каждый паразитный компонент вручную. Чтобы ускорить моделирование, LTspice включает внутренние модели. Если вы щелкнете правой кнопкой мыши по дросселю, вы увидите следующее окно (Рис. 3).
Рис. 3 – Окно LTspice раздела «Дроссели» (Inductor)
Здесь есть некоторая хитрость в LTspice. Если вы не вводите какое-либо значение для параллельного сопротивления, LTspice будет включать значение по умолчанию. Если вы хотите отключить этот параметр, перейдите в меню «Инструменты» (Tools) и выберите «Панель управления» (Control Panel). Здесь выберите вкладку Hacks!, как показано далее (Рис. 4).
Рис. 4 – Окно LTspice раздела «Панель управления» (Control Panel)
Вы можете снять отметку с поля с надписью Supply a min. inductor damping if no Rpar is given (Обеспечьте минимальное демпфирование дросселя, если не задано Rpar)
Теперь перейдем к нелинейной модели. Когда линейных моделей недостаточно, LTspice предоставляет средства для учета насыщения катушки индуктивности. Мы можем определить функцию, которая определяет поток дросселя. Чтобы определить такой поток, нам нужно изменить список соединений. Это можно сделать, нажав клавишу CTRL, а затем щелкнув на индуктивность правой кнопкой мыши. Откроется следующее окно (Рис. 5).
Рис. 5 – Окно LTspice раздела «Правка свойств компонента» (Component Attribute Editor).
Переменная «x» относится к току дросселя. Мы можем ввести нашу собственную информацию в поле Value (Значение) и затем нажать кнопку ОК. Теперь, чтобы проверить наш ввод, мы выбираем View в меню, а затем выбираем SPICE Netlist. Это подводит нас к редактору схем (Рис. 6).
Рис. 6 – Окно LTspice. Редактор схем.
В нашем примере здесь наша смоделированная схема состоит из катушки индуктивности, включенной последовательно с источником тока (Рис. 7).
Рис. 7 – Смоделированная схема с катушкой индуктивности
Напряжение на катушке индуктивности можно выразить как U = -L(di/dt). Так как то, что мы представляем, — это изменения тока, индуктивность может быть получена непосредственно путем измерения напряжения дросселя (узел ind). Для наглядности нанесем выражение: V (ind) / 1V, чтобы убрать единицы напряжения. Не забудьте установить линейный масштаб по вертикали (Рис. 8).
Рис. 8 – График зависимости напряжения V
Мы можем понять, почему индуктивность уменьшается таким образом, если вспомнить, что магнитный поток дросселя равен индуктивности, умноженной на ток. Ток увеличивается с постоянной скоростью в течение 1-секундной симуляции, но из-за насыщения магнитный поток не увеличивается постоянно. Уменьшение индуктивности отражает это изменение соотношения между током и магнитным потоком. Для дальнейшего анализа мы можем построить график зависимости индуктивности от тока. Увеличиваем ток от -3 ампер до 3 ампер с шагом 0,01 (Рис. 9).
Рис. 9 – Смоделированная схема с катушкой индуктивности
Эта схема дает следующий график (Рис. 10).
Рис. 10 – График зависимости напряжения V
Теперь перейдем к CHAN-модели. При разработке наших электромагнитных устройств нам необходимо контролировать все параметры дросселей, которые мы обсуждали ранее. Иногда бывает сложно смоделировать их все в LTspice или другом инструменте моделирования. В LTspice доступна третья модель - модель CHAN, созданная Джоном Чаном и обсуждаемая в исследовательской статье под названием «Нелинейная модель трансформатора для моделирования схем» (Nonlinear transformer model for circuit simulation). Точность этой модели была широко доказана, и она позволяет моделировать петлю гистерезиса только с тремя параметрами:
- Коэрцитивная сила (Hc), ампер-виток/метр;
- Остаточная плотность потока (Br), в Тесла;
- Плотность потока насыщения (Bs), в Тесла.
Также необходимо добавить механические аспекты дросселя:
- Магнитная длина (лм), в метрах;
- Длина зазора (Lg), в метрах;
- Площадь поперечного сечения (A), в квадратных метрах;
- Количество витков (N).
Давайте посмотрим, что произойдет с той же схемой, которую мы использовали раньше, если мы включим все эти параметры (Рис. 11).
Рис. 11 – Смоделированная схема с катушкой индуктивности
А теперь построим график зависимости индуктивности от тока.
Рис. 12 – График зависимости напряжения V
Дроссели – это сложные и важные компоненты электроники. LTspice позволяет разработчикам упростить цикл проектирования, предоставляя быстрые и точные методы их моделирования. В зависимости от сложности вашей схемы вы можете использовать одну из трех представленных здесь моделей. Схемы в этой статье довольно простые, но они являются хорошей отправной точкой для дальнейшего анализа. Существует компромисс между скоростью и точностью, но LTspice обычно довольно быстр, поэтому всегда рекомендуется использовать наиболее точную модель, когда это возможно.
Ресурс: digitrode.ru
Теги: #LTspice
