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Regelung von Schaltnetzteilen mit LTspice und Python

LTspice Simulationen und Python Skripte für Modellbildung, analoge und digitale Regelung von Schaltnetzteilen

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22.09.2021 – 23.09.2021

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Inhalt Das Seminar ist in vier Teile gegliedert und behandelt die Modellbildung, die analoge... mehr

Regelung von Schaltnetzteilen mit LTspice und Python

Inhalt

Das Seminar ist in vier Teile gegliedert und behandelt die Modellbildung, die analoge und die digitale Reglung von Schaltnetzteilen.

Zu Beginn werden im ersten Teil die notwendigen Elemente der Softwaretools kurz vorgestellt.

Im zweiten Teil wird die Modellbildung behandelt. Basierend auf den Modellen sind Zeit- und Frequenzbereichssimulationen möglich. Dabei werden Betriebszustände wie stromkontinuierlicher Betrieb und Lückbetrieb unterschieden, wie auch die Strukturen voltage-mode und current-mode. Neben den klassischen Übertragungsfunktionen werden die Einflüsse von Eingangsfiltern und Last angegeben. Zusätzlich werden softwarebasierende Frequenzganganalysen mit Hilfe von LTspice und Python angegeben. Angeleitete Simulationsübungen vertiefen die behandelten Themen.

Der dritte Teil bespricht die analoge Regelung von Schaltnetzteilen. Beginnend mit der Vorstellung von typischen Reglerschaltungen und deren Bauteilbestimmung werden Dimensionierungsverfahren für voltage-mode und currrent-mode Regelungen vorgestellt. Regelungen von Tiefsetzstellern verifizieren die Verfahren. Weitere Beispiele sind Regelungen von Sperrwandlern mit Potentialtrennung und eine Leistungsfaktorkorrektur. Bevor der softwaregestützte Entwurf in einer Übung vertieft wird, werden weitere Regelungsverfahren vorgestellt, wie z. B. Zustandsregelung, Hystereseregelung oder optimale Regelung.

Im letzten Teil wird die digitale Regelung besprochen. Zunächst werden Diskretisierungsverfahren nach dem Substitutionsprinzip und der z-Transformation vorgestellt. Zunächst wird die Regelung mit einem digitaliserten Regler vorgestellt. Danach wird ein Regler für eine digitalisierte Beschreibung eines Tiefsetzstellers mit dem Wurzelortsverfahren entworfen und verifiziert. Weiterhin werden spezielle Themen digitaler Regler wie Dead-Beat-Regelung, Wortlängeneffekte und Grenzzyklen angesprochen. Die Simulationsübung untermauert die dargestellten Inhalte.

 

zum Thema

Software unterstützt heutzutage die moderne Elektronikentwicklung und wird vor allem bei Schaltungssimulation, die neben der Layouterstellung ein unverzichtbarer Bestandteil aktueller Entwicklungstätigkeit ist, eingesetzt. Innerhalb der breiten Palette an Schaltungssimulatoren und integrierten Hochsprachenentwicklungsumgebungen sind LTspice und Python sehr weit verbreitet. Dank der freien Verfügbarkeit werden sie von Industrie und Ausbildung gleichermaßen genutzt und überzeugen durch umfangreichen Hilfemöglichkeiten.
Dieses zweitägige Seminar setzt die aktuellen Softwareversionen von LTspice und Anaconda/Spyder ein, dessen Oberflächen auf die aktuelle Windowsversion aufbaut und lehrt den Teilnehmern die Modellierung, die analoge und digitale Regelung von Schaltnetzteilen. Die Themen werden anhand von Übungen durch die Teilnehmer untermauert. Hierzu wird eine Reihe von Modellen und Skripte zur Reglerentwurf mit Frequenzgängen bzw. Zeitbereichsuntersuchungen verwendet.

 

USP

  • von der Theorie zur Schaltung
  • Bodediagramm und Wurzelortskurve
  • umfangreiche Übungen 

 

Programm

Online-Seminar Tag 1, 09:00 bis 17:00 Uhr

Vorstellung der Software und Modellbildung

09:00 Begrüßung und Vorstellungsrunde

09:30 Einführung in LTspice XVII
Simulationsarten: Transientenanalyse und Frequenzganganalyse, Komponenten und deren Eigenschaften, Grafische Ausgabe

11:00 Einführung in Python
Vorstellung der Programmierumgebung, Aufbau eines Programms, Funktionen, Kontrollstrukturen, grafische Ausgaben

13:30 Modellbildung
Theoretische Modellbildung von Stellern: State-Space-Averaging, Switched-Inductor Modelling, Implementierung von Mittelungsmodellen in LTspive, Berechnungen mit Python unter Verwendung der Frequenzganganalyse.

15:30 Ausführliches Beispiel: Tiefsetzsteller
Aufgabendefinition, Implementierung des Leistungsteils, Frequenzgänge mit Mittelungsmodellen und Schaltmodellen, Vergleich mit den theoretischen Gleichung mit Python

 

Online-Seminar Tag 2, 09:00 bis 16:00 Uhr

Analoge und Digitale Regelung

08:30 Theorie der analogen Regelung
Theoretische Grundlagen zur Dimensionierung analoger Regler für Voltage-Mode Control und Current-Mode Control, Umsetzung in ein RC-Netzwerk

10:30 Ausführliches Beispiel: Tiefsetzsteller
Reglerdimensionierung mit Python, Umsetzung des Reglers in LTspice, Simulationen: Hochlauf, Lastsprung, Audiosuszeptibilität, Störgrößenaufschaltung, Vorfilter

13:00 Theorie der digitalen Regelung
Theoretische Grundlagen der Diskretisierung: Numerische Verfahen und z-Transformation, Reglerrealiserung, Reglerdimensionierung, spezielle Probleme digitaler Regler und deren Lösung

14:30 Ausführliches Beispiel: Tiefsetzsteller
Streckendiskretierung mit Python, Reglerdimensionierung mit Python, Umsetzung der Strecke in LTspice, Umsetzung des Reglers in Python, Simulationen: Hochlauf, Lastsprung

15:50 Zusammenfassung und Verabschiedung der Teilnehmer

 

Zielsetzung

Das Seminar vermittelt aufbauend auf der Modellbildung von Schaltnetzteilen den Entwurf von analogen und digitalen Regelungen in anwendungsoptimierter Verwendung von LTspice und Python. Nach diesem Seminar können die Teilnehmer die vielfältigen Möglichkeiten von LTspice und Python, getrennt oder in Kombination, zur Reglerdimensionierung in unterschiedlichen Konfigurationen nutzen und zur Optimierung einsetzen. 

 

Teilnehmerkreis

  • Techniker, Ingenieure, Mitarbeiter aus Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Applikation
  • Schaltungsentwickler und Halbleiterhersteller

 

Das Seminar ist besonders für folgende Branchen geeignet: Elektrotechnik, Mechatronik, Automotive, Industrieelektronik.

 

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Referenten

Prof. Dr.-Ing. Günter Keller

Technische Hochschule Deggendorf

Herr Professor Keller beschäftigte sich am Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) im Bereich der Produktentwicklung über neun Jahre mit der Aufbereitung photovoltaischer Solarenergie. Nach seiner Berufung an die Hochschule Deggendorf trug er dort als erster Professor im Studiengang Elektrotechnik maßgeblich zur Entwicklung der Fakultät bei. Heute unterrichtet er die Fächer Grundlagen der Elektrotechnik, Elektromagnetische Verträglichkeit, Stromversorgungstechnik, Leistungselektronik und Systemtechnik erneuerbarer Energien.

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