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elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Druckversion

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elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Xelzbrot - 09.04.2023

Hallo zusammen und frohe Ostern allerseits!

Kürzlich hatte ich eine Diskussion über Probleme und das Instandsetzen von ULO-Boxen. Prompt kam mir wieder die wahnsinnig nützliche Infosammlung von Ewald in den Sinn: Motelek - ULO EBL 801

Inzwischen berufsbedingt etwas versierter in der Elektrotechnik und stark interessiert, hat es mich nun endlich gepackt ein elektrisches LTspice Simulationsmodell einer solchen ULO-Box aufzubauen, um die Schaltungstechnik zu verstehen. Schon vor über 15 Jahren, noch als Jugendlicher, hatte ich bereits versucht die Schaltung zu verstehen, bin aber an mangelnden Grundkenntnissen elektrischer Bauteile sowie Methoden zur Schaltungsanalyse gescheitert.

Kurz die Info zu LTspice: Dies ist ein von der Firma Linear Technology (heute: Analog Devices) entwickeltes Simulationsprogramm für elektrische Schaltungen, basierend auf dem offenen Spice-Kernel. Das Programm kann kostenlos hier heruntergeladen werden, läuft unter Windows und auch unter Linux mit Wine: LTspice Download

Nachdem das Simulations-Modell nun einen gewissen Reifegrad erlangt hat, wollte ich es hier der Gemeinschaft teilen, um zum Projekt des Erhalts der historischen Mopeds hoffentlich auch einmal einen nützlichen Beitrag leisten zu können. Ich habe das Modell diesem Beitrag angehängt ("ULO_801-36.asc"). Enthalten ist auch ein Teilmodell über eine Batteriezelle "NHcell.asc", welche ich aus folgender Quelle bezogen und um die initiale Spannung zu Beginn der Simulationszeit erweitert habe: Quelle Batteriemodell
Die enthaltene *.lib Datei enthält das Teilmodell des willkürlich gewählten Thyristors (siehe auch offene Punkte unten) und wird vom Modell "ULO_801-36.asc" im selben Pfad abgelegt benötigt.

Die Bitte an dieser Stelle an alle versierten Elektrotechniker ist, das Modell möglichst kritisch zu beäugen. Insbesondere meine darin enthaltene Beschreibung zur Blinker-Schaltung! Jeder der mal versucht hat, so eine Schaltung zu beschreiben, weiß vermutlich wie fehlerträchtig das ist.

Das Modell ist nicht vollends fertig und ich bitte um Mithilfe, falls jemand Informationen zu den offenen Punkten hat.

Die offenen Punkte aus meiner Sicht sind (vielleicht ist die Liste unvollständig):
  1. Welche Spannung liefert die Magnetgenerator auf Klemme "1~" ?
  2. Thyristormodell ist aktuell willkürlich gewählt. Passenden Thyristor-Ersatz für NEC 5P4M wählen und modellieren.
  3. Charakteristik eines echten Akku-Pack nachbilden. Die Batteriespannung sackt zum Start der Simulation mit Vbat0=6V sehr schnell auf 5.59V ab.
  4. Charakteristik Varistor ermitteln und originalgetreu modellieren. Aktuell ist die Simulation so austariert, dass bei Vbat0=5.58V noch geladen wird, bei 5.59V aber nicht mehr (R_NTC=6.8kOhm). Dies ist neu auszutarieren, wenn die Batteriecharakteristik geändert wird!
  5. Charakteristik NTC ermitteln und Wert für verschiedene Temperaturen dokumentieren.
  6. Relais ist nur eine Näherung: es schaltet in der Simulation früher ab, als es das in der Realität tun würde. Das ändert aber nichts an der grundsätzlichen Funktion der Blinkerschaltung.


Untenstehend noch mein Versuch der Beschreibung der Blinkerschaltung (so auch im LTspice Modell zu finden). Wer diese Schaltung einst erfunden hat, der hat meinen Respekt!

Viele Grüße aus der Nähe des Bodensees!
Thomas





Funktion der Blinkerschaltung
===================

T3 ist nur leitend wenn der Thyristor die Batterie lädt. Das wiederum ist nur der Fall, wenn der Motor läuft.
D.h. die Blinkerschaltung funktioniert auch nur wenn der Motor läuft.
Die Schaltung ist lastunabhängig. D.h. sie funktioniert sowohl mit Glühbirnen in den Blinkern, als auch mit LEDs+Vorwiderstand.

Sobald Kl.49a über den Blinkerschalter und die Blinkerglühlampen nach Masse gezogen wird, beginnt sich C2 über R7 zu laden.
Sobald die Spannung über C2 hoch genug ist (=Basis-Emitter-Spannung von T4 ausreichend groß) kann ein Basisstrom in T4 fließen und dieser wird leitend.
Dadurch wird das Gate von T5 auf "High" gezogen (es fließt ein Strom in die Basis von T5) und das Relais wird angezogen.

Ab diesem Zeitpunkt trägt Kl.49a wieder die Batteriespannung, da durch den nun geschlossenen Kontakt des Relais die Batteriespannung auf Kl.49a gelegt wird.
Ebenfalls ab diesem Zeitpunkt beginnt sich eine Spannung in C3 aufzubauen.

Gleichzeitig fließt über die Induktivität der Relais-Spule ein immer höherer Strom. Der Spulenstrom wird über die Collector-Emitter-Strecke nach Kl.31/Masse abgeleitet.
Bipolar-Transistoren haben nur eine begrenzte Stromverstärkung. Während also der zu leitende Strom für T5 immer größer wird, müsste der Basisstrom (oder die Basisspannung) auch steigen, um den Strom führen zu können.
Zudem haben Bipolar Transistoren ab einem bestimmten Collector-Emitter-Strom eine extrem steil zunehmende Collector-Emitter-Spannung.
Siehe hierzu das Datenblatt eines BC337-40 für konstanten Basis-Strom (bspw. Figure 4 hier: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/2890/MOTOROLA/BC337-40.html)
Da sich der Strom in die Basis von T5 aber nicht erhöht, steigt die Collector-Emitter-Spannung von T5 also ab einer gewissen Stromschwelle schlagartig an.

In Folge nimmt die Spannung über der Relais-Spule ab.
Bevor der Relaiskontakt aber die Verbindung der Kl.49 (Batteriespannung) zur Kl.49a unterbricht, wird durch die steigende Collector-Emitter-Spannung von T5 und durch die Eigenschaft von Kondensatoren,
dass deren Spannung sich nicht sprunghaft ändern kann, die Spannung an der Basis von T4 nach oben gezogen (sogenannte Bootstrap-Schaltung oder Ladungspumpe).
Dadurch wird T4 wieder sperrend und in Folge sperrt auch T5 wieder.
Die Ladung von C2 und somit seine Spannung beginnt sich stetig aber schnell umzukehren und nimmt eine zu vorher umgekehrte Polarität an, sobald T4 sperrt.

Der von der Induktivität der Relais-Spule weitergetriebene Strom beginnt sich über die Freilaufdiode freizulaufen sobald T5 keinen Strom mehr durchlässt.
Ab diesem Zeitpunkt ist die Basis von T4 (also der Punkt zwischn C2 und C3) um eine Dioden-Vorwärtsspannung (ca.0,7V) über der Batteriespannung.
Die Spannung an der Relaisspule hat sich umgekehrt und der Spulenstrom fällt langsam ab.
Der Relaiskontakt fällt ab sobald die im Magnetfeld gespeicherte Energie nicht mehr ausreicht, den Kontakt geschlossen zu halten.
Dieser Vorgang ist in der Simulation leider nicht exakt abgebildet, da der spannungsgesteuerte Schalter aus LTspice, mit dem das Relais grob nachgebildet wurde, die wahre Physik des Relais nicht beinhaltet.
In der Simulation fällt der Relaiskontakt daher schon etwas früher ab (wenn die Spulenspannung 1V unterschreitet und nicht nachdem sich die Spulenspannung umgekehrt hat).
Das Abfallen des Relaiskontakts ändert die Spannungsverhältnisse der Schaltung wieder, da nun Kl.49 und Kl.49a nicht mehr über den Relaiskontakt direkt verbunden sind sondern nur noch über "RN1 || RN2+R7".

In weiterer Folge können die Kondensatoren C2 und C3 können ihre Ladung nun über R7 nach Kl.49a und über den Blinkerschalter und die Blinkerglühlampen nach Masse abgeben.
Genauer gesagt hatte C2 im Zeitraum kurz vor Abfall des Relais negative Ladung. D.h. C2 wird nun wieder positiv geladen.

Das Spiel beginnt ab hier von Neuem. Allerdings sind die Zeitkonstante nun etwas anders, da an der ein oder anderen Stelle (in den Kondensatoren) noch Restenergie gespeichert ist. D.h. die Schaltung schwingt sich erst nach mehreren Blinkvorgängen ein. Dies verursacht die schwankende Blinkfrequenz, die jeder, der ein solches Moped mal gefahren ist, kennt.

Weiter ist noch zu sagen, dass die Schaltung auf zueinander passend ausgelegte Zeitkonstanten der Kondensatoren (tau=R*C) und der Relaisspulen-Induktivität (tau=L/R) angewiesen ist, um korrekt zu funktionieren.
Durch große Toleranzen, Temperatur- und Lebensdauerdrift, gerade bei den Kondensatoren, entsteht eine bestimmte Bandbreite und Veränderung der Blinkfrequenz.

Der Übergangswiderstand des Relais-Kontakts verschlechtert sich mit der Zeit aufgrund Lichtbogen, welche in jedem Schaltvorgang entstehen. Wenn aus Kl.49a also nicht mehr genug Spannung bzw. Leistung kommt, kann das daran liegen.


RE: elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Malloc - 09.04.2023

Hallo Thomas,
habe dein Modell noch nicht ausprobiert, wünsche dir aber noch viel Erfolg damit.

Den Multivibrator um T4-T5-Rel1 finde ich eigentlich nicht so spannend, da gibt's unendlich viele Varianten.
Spannender ist da schon die Ladeschaltung um Th1, T1 etc.: da lohnt ggf eine Simulation.
Ich würde aber weniger wichtige Details vereinfachen, z.B. das Akku-Modell. Man kann es wissenschaftlich angehen,
z.B. wie hier: https://rincon-mora.gatech.edu/publicat/jrnls/tec05_batt_mdl.pdf
Aber eigentlich interessiert dich doch eher die Strom-Spannungs-Kennlinie, als Parameter noch die Temperatur, oder?
Also würde ich den Akku durch eine einstellbare Gleichspannungsquelle von 5-7,5V mit Innenwiderstand ersetzen.

Wichtige Größe ist der Generator, wie du schon im Punkt 1 angesprochen. Ich würde eine Annäherung über ein einfaches Model des Klauenpolgenerators versuchen.

.png   Klauenpolgenerator.png (Größe: 6,05 KB / Downloads: 231)
Die Parameter kannst du durch Messungen in Leerlauf und Kurzschluss bei verschiedenen Drehzahlen selbst ermitteln. Bei Bedarf kann ich das erklären.
Weiteres zum Klauenpolmodell findest du einfach beschrieben hier: https://fahrradzukunft.de/1/wirkungsweise-fahrradlichtmaschinen
Klar, der Generator am Moped ist kein richtiger Klauenpolgenerator wie z.B. eine Auto-Lichtmaschine oder ein Fahrrad-Dynamo. Ich kann mir aber gut vorstellen, dass der sich ähnlich verhält. Könnte mich aber auch täuschen, aber das würden die Messungen zeigen.

Beim Thyristor-Modell würde ich mir nicht zu viele Sorgen machen. Wichtig ist ein vergleichbarer Zünd- und Haltestrom. Vielleicht findest du hier ein passenderes Modell:
https://www.littelfuse.com/technical-resources_old/spice-models/thyristor-spice-models.aspx

Ich sehe keinen Varistor in der Schaltung, du meinst sicher die Zenerdiode. Da bringt LT-Spice Modelle mit.
Beim NTC kann ich mangels eigener ULO-Box nicht helfen. Einfach mal nachmessen und Parameter eines existierenden Modells anpassen.

Gruß Wulf


RE: elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Xelzbrot - 28.12.2023

Hallo Wulf!
Vielen Dank für deine Kommentare und Anmerkungen!
Nun nehme ich mir endlich die Zeit darauf zu reagieren.

Das Akku-Modell kann man freilich durch eine einstellbare Gleichspannungsquelle mit Innenwiderstand ersetzen.
Du würdest dann einfach Schrittweise, bspw. mit ".step param", die Gleichspannung nach gewissen Zeitintervallen erhöhen und schauen, wie die Schaltung reagiert?
Das ist natürlich auch eine elegante Möglichkeit!

Zum Klauenpolgenerator: Ja das wäre super, wenn sich jemand das Thema vornehmen würde, die Zündapp-Generatoren in ein Modell zu packen. Ich selbst besitze aktuell garkeine Zündapp und es fehlt etwas Zeit und Muße das Thema anzugehen. Letztlich ist es für den Erhalt der Mopeds auch nicht ganz so wichtig, eine vollständige Systembeschreibung zu haben. Auch wenn uns Techniker/Ingenieure sowas ja ungemein reizt Cool

Vielen Dank auch für den Kommentar zum Thyristor. Ich denke, der könnte für den ein oder anderen Bastler, der sich an die Restauration einer ULO-Box herantraut, sehr hilfreich sein.

Zum Varistor: siehe Bauteilbezeichner "VR1" im Schaltplan oder Simulationsmodell. Im Schaltplan anbei, habe ich ihn grün eingerahmt.

Zum NTC: Auch hier gilt, dass es so ein Nice-to-Have wäre, wenn irgendjemand mal nachmessen würde Smiley

Viele Grüße und einen guten Rutsch ins Jahr 2024 allerseits!
Thomas


RE: elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Malloc - 28.12.2023

Hallo Thomas,
das eingekreiste Bauteil ist ein Widerstands-Trimmer, also ein per Schraubendreher verstellbarer Widerstand. Das V könnte für variabel stehen.
Damit haben die in der Produktion den Feinabgleich vorgenommen, NTC und Zenerdioden sind keine Präzisionsbauteile.

Bezüglich Model-Abgleich mit der Realität, lohnt ein Blick auf Ewalds Webseite: https://www.motelek.net/
Man findet dort auch zahlreiche auf einem Generator-Prüfstand aufgenommene Kennlinien verschiedenster Generatoren in Tabellenform (Drehzahl, Spannung, Strom), als Excel-Screenshots.

Da braucht man eigentlich nicht mehr selbst messen.
Gruß Wulf


RE: elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Xelzbrot - 29.12.2023

Hallo Wulf,

vielen Dank für den Hinweis mit dem Widerstands-Trimmer. Da hatte ich das Schaltbild mangels Kenntnis falsch interpretiert.
Als einstellbarer Widerstand ergibt das Bauteil für mich endlich Sinn. Intuitiv hatte ich den Trimmer im Simulationsmodell ja schon dafür verwendet, die Schaltung abzustimmen (siehe erster Beitrag). Cool

Guter Hinweis auch mit den Kennlinien von Ewald (Beispiel 1). Damit könnte tatsächlich ein einfaches Generator-Modell angenähert werden, für Spannung und Leistung an Klemme "1~", in Abhängigkeit der Drehzahl.
Die Parameter unterscheiden sich selbstverständlich von Marke zu Marke und von Fahrzeug-Modell zu Fahrzeug-Modell.
Desweiteren unterscheiden sich die Ladeleistungen (sprich die Parameter des Generator-Modells) zwischen den Fällen "Licht an" und "Licht aus". Grund: Wie u.a. im Artikel ULO EBL 801 beschrieben, muss bei Abschalten des Lichts, die Lichtspule kurzgeschlossen werden, sodass die Ladespule genügend Ladeleistung erzeugen kann.
Außerdem hängt die Ladeleistung von der Magnetisierung des Polrades ab, welche über die Jahre abnimmt. Smiley 

Aus diesen Gründen kann das Modellieren (allein) des Generators, nur eine grobe Näherung darstellen. Von den anderen Komponenten ganz zu schweigen.
Vielleicht findet sich ja dennoch mal jemand, der das Thema aus Spaß angeht. Ich persönlich nutze die Zeit wohl doch lieber anders: Cheers Smiley

Viele Grüße und bis dahin,
Thomas


RE: elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Franx19 - 29.12.2023

Ich bin da auch grad bei. Werd dazu auch mal was schreiben. Aber eher erstmal
zu grundsätzlichen Problemen dort wie SI Kästen, schwarze Kabel.Tote Lötstellen,
usw. Bei ca 80 % der Boxen sinds meist nur Kleinigkeiten. Man muss nur wissen,
wie und wo. Platinen selber zu reparieren,lohnt sich kaum noch,hab davon schon
ein grösseres Lager,lohnt sich für mich nicht .Bei Überprüfungen kommen so schon
genug heile Boxen raus,die dann bei Freunden und guten Bekannten landen.

Frohes Neues

franx


RE: elektrisches Simulationsmodell einer ULO 801-36 in LTspice - Ewald - 02.02.2024

@Thomas,

die Ladespule (egal ob nur 6 Volt 10 oder 6 Volt 30 Watt) arbeitet nach dem Konstantstromprinzip, so können je nach Konfiguration zwischen unter einem und bis zu 5 Ampere Ladestrom zum kleinen Akkublock fließen. Der NTC Widerstand misst die Temperatur zwischen zwei Zellen und verringert bei zunehmender Erwärmung die Ladeschlußspannung, folgedessen wird der Thyristor (steuerbare Gleichrichterdiode) immer seltener angesteuert. Die Ladeschlußspannung sinkt allmählich auf Werte um ca. 7 Volt ab, dabei fließen dann auch kaum noch nennenswerte Ladeströme.

Sehr wichtig bei dieser einfachen Ladeschaltung ist ein noch ausreichend niedriger Innenwiderstand aller Akkuzellen, im kleinen NiCd Akkublock. Dieser betrug im neuwertigen Zustand unter 50 MilliOhm, altgediente Energiespeicher können im schlimmsten Fall Innenwiderstände von mehreren Ohm erreichen und dann wird es auch mit dem zuverlässigen einhalten der Ladeschlußspannung eng. In seltenen Fällen findet man heute 40 Jahre alte 6V 1,2Ah NiCd Akkupacks von Saft aus Frankreich, welche sogar noch bedingt Einsatzfähig wären. Aber ein Innenwiderstand von üppigen 500 MilliOhm, würde kaum noch zwei parallelgeschaltete 6 Volt 21 Watt Glühlampen hell zum leuchten bingen.

[Bild: alter_nicd.jpg]

Immerhin betragen bei ca. 7,5 Ampere Nennstrom die thermischen Verluste im alten Akkublock ungefähr 29 Watt, da kommt nicht mehr viel elektrische Energie an den dicken Glühlampen an.

Bitte keine Messversuche mit irgend einem Digital Multimeter anstellen, das funktioniert nicht! Bei diesem abgebildeten Messinstrument handelt es sich um ein hochpräzises MilliOhmmeter, wo man gleichzeitig an bis zu 100 Volt DC Betriebsspannung den Innenwiderstand direkt ablesen kann. Unter anderem könnte man damit Übergangswiderstände von Kabelbäumen (inkl. Steckverbindungen oder Schalter) sehr genau vermessen, ohne dabei irgend etwas abstecken zu müssen. Es wäre sogar möglich bei eingeschaltetem Rücklicht an einer Zündapp KS50 WC (direkt an der Rücklichtlampe), alle Übergangswiderstände bis zum Akkublock zu ermitteln. Steckt man das Kabel von 49a an der ULO Box mit integriertem Blinkgeber auf die Steckzunge 49 (6 Volt Dauerplus) an, kann man direkt an eingeschalteten Blinkerlampen, ebenfalls alle Übergangswiderstände in Summe direkt ablesen. Auch den Übergangswiderstand von geschlossenen Unterbrecherkontakten kann man damit sehr exakt überprüfen, was vor allem bei konservierten Neuteilen sehr nützlich sein kann und vieles mehr.