Glühlampe für LTspice       

von Peter Gerber, HB9BNI                    

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Für den Bau einiger historischer Niederfrequenzoszillatoren wird zur Amplitudenregelung eine Glühlampe verwendet. Erstmals angewendet hat diese Methode Bill Hewlett (Mitgründer von Hewlett and Packard), der bereits 1938 einige Probleme damit hatte. Die Probleme sind nicht kleiner geworden, einerseits sind kaum mehr Glühlampen erhältlich, andererseits gibt es in LTSpice keine Modelle für Glühlampen. Wenn man im Internet Spice-Modelle für Glühlampen sucht, wird man zwar fündig, aber alle diese Lampenmodelle wurden nicht zu Regelungszwecken erstellt. Sie bilden zwar den Betrieb bei Nominalwerten gut ab, ebenso den hohen Anlaufstrom, nicht aber den für die Regelungsschaltungen wichtigen Bereich von ca 10% bis 25% der Nominalspannung. In diesem Spannungsbereich versagen alle mir bekannten Lampenmodelle. Sie haben dort meist einen viel zu hohen Strom, der dann mit zunehmender Spannung nicht mehr oder nur mehr sehr schwach ansteigt.

 

Ich habe deshalb ein eigenes Lampenmodell geschrieben, das den Strom und den Fadenwiderstand in diesem Spannungsbereich recht gut simuliert, so um +/- 10% genau. Zudem kann man das Modell durch zwei freie Parameter einer vorhandenen Lampe genau anpassen, wenn man die Lampe vorher ausmisst.

 

Mit einer Vergleichsschaltung des Lampenmodells und der Messwerte (die auch als „Lampe“ implementiert werden können) kann man die freien Parameter dann solange verändern, bis die Simulation und die Messwerte praktisch deckungsgleich sind:

 


Download: LampeLTspice.zip

 

Dies ist meine Testanlage zum Vergleichen zweier Lampenmodelle. Links eine „Lampe“ mit den Messwerten (blau) und zwei Rechenwerken für die aufgenommene Leistung und für den Lampenwiderstand, rechts das Lampenmodell (pink), anpassbar an Nominalspannung, Nominalleistung und über einen Kondensator an die gemessene Zeitkonstante. Dieser Kondensator beträgt für meine gemessenen Lampen kleiner Leistung (je ca 1 W) rund 150 Mikrofarad bis 200 Mikrofarad. Für Vergleichsmessungen ist es notwendig, diesen Kondensator stark zu verkleinern, hier auf 1 Mikrofarad. Dazu sind zwei freie Parameter einstellbar. Das Rechenwerk ganz links berechnet die Differenz der gemessenen mit den simulierten Widerständen. Das Ganze wird gesteuert über eine langsam (100mV/Sekunde) ansteigende Spannung von NULL bis zur Nominalspannung.

 

Das Lampenmodell hat einen dritten Anschluss, der mit „42“ beschriftet ist, laut Doug Adams „The Answer to the Ultimate Question of Life, The Universe, and Everything“. An diesem Anschluss, der nicht belastet werden darf, kann eine Spannung gemessen werden, die der simulierten Temperatur des Glühfadens entspricht, 1 V = 1 Kelvin.

 

 

Das ist der Vergleich des Widerstandes zwischen der „Lampe“ mit der Messung (blau) und meinem Lampenmodell (pink) ohne Benutzung der freien Parameter. Die gemessene und simulierte Lampe hat die Bezeichnung CM387Q, Nominalwerte 28 V, 40 mA, also 1.12 W.

 

Die Beschriftung ist etwas gewöhnungsbedürftig. Der Widerstand wird als Spannung ausgegeben, 1 Volt entspricht 1 Ohm. Die angelegte Spannung wird als Zeit angegeben, 10 Sekunden entsprechen 1 Volt. Die Simulation umfasst also einen Spannungsbereich von 0 bis 28 Volt, der Nominalspannung.

 

Man sieht, der Widerstand wird durchgehend zu klein simuliert, die Abweichung beträgt bis zu rund 30 Ohm.

 

 

Das sind die gemessenen (blau) und simulierten (pink) Widerstände über den gleichen Spannungsbereich von 0 bis 28 V. Die beiden freien Parameter wurden solange angepasst, bis die Kurven möglichst genau übereinstimmen, vor allem im Bereich von 1 – 10 Volt.

 

 

Das ist die Differenz der gemessenen und simulierten Widerstände, berechnet durch die ganz links auf der Schaltung ersichtlichen Spannungsquelle. Unter 0.5 Volt kann ich nicht mehr zuverlässig messen, deshalb die grosse Differenz von 40 Ohm bei kleineren Spannungen. Mein kleinster Messversuch hat der Lampe weniger als 1 Mikrowatt Leistung zugeführt. Zudem gibt es einen Übergangswiderstand der Verbindung zwischen Spannungszuführung und kaltem Glühdraht von 25 Ohm, der erst bei etwa 0.3 Volt einigermassen verschwindet.

 

 

Dementsprechend verlaufen die Ströme. Hier ohne Anpassung über die freien Parameter.

 

 

Hier die Ströme nach Optimierung des Modells über die freien Parameter (in diesem Fall: AL=0.05, Faktor_Epicykel = 0.1

 

 

Das ist der Vergleich zwischen dem Widerstand der Messung (blau) und der Simulation (pink), wenn man eines der üblichen Lampenmodelle (z.B. Krucker) verwendet. Die Abweichungen der modellierten Widerstände sind erheblich, sie betragen über einen weiten Bereich rund 200 Ohm.

 

 

Hier der Stromverlauf in Funktion der Spannung bei den üblichen Modellen. Im für Regelungszwecke wichtigen Spannungsbereich von 3 bis 8 V (Nominalspannung ist 28V) weicht der modellierte Strom um 200% bis 100% vom gemessenen Strom ab. Zudem ist der Strom ab etwa 8 Volt Spannung praktisch konstant, was ebenfalls eine Regelung durch dieses Modell erschwert.

 

Ein zweites Beispiel: eine Lampe mit den Daten 24V, 50mA, also 1.2 W, bei ELV mit der Bestellnummer 097460 gekauft.

 

 

Ohne freie Parameter, der Widerstand wird schon ganz ordentlich simuliert

 

 

Mit den beiden Parametern AL = 0.1 und Faktor_Epicykel = 0.08. Übereinstimmung im Rahmen meiner Messgenauigkeit.

 

 

Auch der Strom wird mit den obigen freien Parametern ziemlich genau simuliert.

 

Auch der „Klassiker“: 2 Halogenlampen unterschiedlicher Wattzahlen in Serie, mit Nominalspannung gespiesen, hier 20 W und 50 W Halogen, 12V nominal, gespiesen mit 11.54 V. Experimentelle Werte und Simulation mit HB9BNI_06 ohne Epicykel und ohne AL

 

 

gemessene und simulierte Daten bei Spannung über beiden Lampen von 11.56V.

 

Nominalleistung

Pwr Experiment

Pwr simuliert

U Experiment

U simuliert

20W

14.9W

14.6W

9.92V

9.76V

50W

2.31W

2.65W

1.64V

1.78V

 

 

 

 

 

Strom Experiment

Strom simuliert

 

 

 

1.5A

1.494A

 

 

 

 

Die Überenstimmung von Messung und Simulation ist besser als bei jedem anderen mir bekanntem Lampenmodell. Allerdings stimmen die Zeitkonstanten nicht, die Simulation ist um einen Faktor 5-10 (geschätzt) zu schnell. Im Experiment kann man sehen, wie sich die unterschiedlichen Helligkeiten einpendeln.

 

 

 

Rückfragen an B.Kainka oder <Mein Rufzeichen von hinten nach vorn buchstabiert>@wegwerfemail.de

 

Anhang

 

Mein Lampenmodell

* lampe_HB9BNI_06_epicykel

* da die erste Zeile jedes Modells von LTSpice überlesen wird, muss mindestens eine bedeutungslose Zeile vor dem eigentlichen Beginn des Modells vorhanden sein.

.subckt lampe_HB9BNI_06_epicykel 1      2   42    Params: Pnom=1W Vnom=25V CL=150u AL=0.0 Faktor_Epicykel=0.0

* 3 Anschlüsse :       Pin1  Pin2  Spannung Kond

* CL simuliert die Dynamik für die Kleinsignallampen mit 150 μF bis 200 μF am besten

.Param Rheiss=Vnom*Vnom/Pnom    ; Vnom^2/Pnom

.Param Rkalt=Rheiss/15.36

.Param AS=1-AL        ; Anteil des Energieabbaus durch Strahlung

*  Skalierung von CL

.Param CLakt = {CL} * Pnom

.Param Inom=Pnom/Vnom

 

BLade 3 91 I=V(1,2)*V(1,2)/({Rkalt}*((V(91,0)/V(3,0))**1.203))

Bepizykel 3 91 I=Faktor_Epicykel*4*Inom*(Abs(V(1,2))-(V(1,2)**2)/Vnom)

Vraumtemp 3 0 300

Cdraht 3 91 {CLakt}

Rhilfs 3 91 100Meg

Bleitung 91 3 I=V(91,3)*AL*Pnom/2600

Bstrahlung 91 3 I=0.01414027*AS*PNom*((V(91,0)/1000)**4-(V(3,0)/1000)**4)

Rschutz 91 42 100Meg

 

Brueck 1 2 I=V(1,2)/(Rkalt*((V(91,0)/V(3,0))**1.203))

 

.ends lampe_HB9BNI_06_epicykel

 

 

Die Lampe mit den Messwerten einer CM387Q

 

* lampe_HB9BNI_Messwerte_CM387Q_lang

* 06: nur mit B-Stromquellen

* basierend auf meinem lampen-asc

.subckt lampe_HB9BNI_Messwerte_CM387Q_lang 1      2

* 2 Anschlüsse :                      Pin1  Pin2

 

Brueck 1 2 I= Table(V(1,2), -28.6,-0.04,-27.9,-0.0394,-26.9,-0.0386,-25.9,-0.0377,-24.8,-0.0369,-23.8,-0.036,-22.9,-0.035,-21.9,-0.0341,-20.8,-0.0332,-19.83,-0.0322,-18.82,-0.0312,-17.83,-0.0302,-16.83,-0.0291,-15.86,-0.0281,-14.89,-0.027,-13.87,-0.0259,-12.86,-0.0247,-12.38,-0.0242,-11.89,-0.0236,-11.41,-0.023,-10.92,-0.0224,-10.44,-0.0218,-9.97,-0.0213,-9.28,-0.0206,-8.76,-0.01977,-8.3,-0.01913,-7.8,-0.01844,-7.27,-0.01772,-6.83,-0.01708,-6.28,-0.01625,-5.81,-0.01553,-5.33,-0.01478,-4.83,-0.01396,-4.35,-0.01312,-3.88,-0.01232,-3.35,-0.01124,-2.92,-0.01042,-2.39,-0.00936,-1.93,-0.00837,-1.44,-0.0073,-0.94,-0.0061,-0.43,-0.00416,-0.0148,-0.00021,0.0148,0.00021,0.43,0.00416,0.94,0.0061,1.44,0.0073,1.93,0.00837,2.39,0.00936,2.92,0.01042,3.35,0.01124,3.88,0.01232,4.35,0.01312,4.83,0.01396,5.33,0.01478,5.81,0.01553,6.28,0.01625,6.83,0.01708,7.27,0.01772,7.8,0.01844,8.3,0.01913,8.76,0.01977,9.28,0.0206,9.97,0.0213,10.44,0.0218,10.92,0.0224,11.41,0.023,11.89,0.0236,12.38,0.0242,12.86,0.0247,13.87,0.0259,14.89,0.027,15.86,0.0281,16.83,0.0291,17.83,0.0302,18.82,0.0312,19.83,0.0322,20.8,0.0332,21.9,0.0341,22.9,0.035,23.8,0.036,24.8,0.0369,25.9,0.0377,26.9,0.0386,27.9,0.0394,28.6,0.04)

 

.ends lampe_HB9BNI_Messwerte_CM387Q_lang

 

zu Beachten: Die Messwerte müssen eine einzige lange Zeile bilden, keine CR/LF erlaubt. Dieses Modell mit den Messwerten eignet sich nicht für Regelungszwecke. Es ändert bei einer Spannungsänderung seinen Widerstand augenblicklich und würde, eine geeignete Regelschaltung vorausgesetzt, jede Sinusschwingung wegregeln.


Den Text der beiden Modelle muss ohne Formatierungen in ein File mit dem Namen des Modells und der Erweiterung „sub“ (also z.B. „lampe_HB9BNI_06_epicykel.sub“) gespeichert werden. Für andere Implementationen von Spice gelten eventuell andere Regeln. Spice unterscheidet Grossbuchstaben und Kleinbuchstaben nicht, Umlaute vermeide ich.


Ich verwende die Symbole, die LTSpice selbst erzeugt. Diese Symbole enthalten den ganzen Pfad zum entsprechenden Modellfile (Endung *.sub). Deshalb gehe ich immer folgendermassen vor: Das *.sub-File wird in das Verzeichnis kopiert, in dem dann die Schaltung laufen soll. Dann lasse ich das *.sym-File erstellen und verschiebe dieses in das gleiche Verzeichnis, in dem sich auch das *.sub-File befindet. So kann ich das *.sub-File verändern und den Erfolg kontrollieren. Macht man das nicht so, so wird man früher oder später ein Symbol verwenden, dass auf ein *.sub-File verweist, das ganz anderswo liegt. Veränderungen am *.sub-File im Arbeitsverzeichnis haben dann keine Wirkung.

 


CC BY-NC-ND


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