Onda quadra in ingresso circuito LC

[DaniloI]

Caro Forum,

per diletto ho provato a simulare un segnale ad onda quadra in ingresso ad un circuito LC con LTspice

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

img_1

img_2

Ho notato una sovratensione (vedi img_1) che mi spiego con una sorta di risonanza del circuito. Essendo abituato a pensare alla risonanza solo con segnali sinusoidali, l´aver ora considerato un´onda quadra mette in crisi le mie deboli conoscenze e non so spiegarmi per bene il fenomeno.
Infine, se misuro la corrente che scorre nella maglia "generatore-L-C" (img_2) trovo picchi da 25A.
Chiaramente, oltre a capire come descrivere il fenomeno mi interesserebero anche eventuali soluzioni per ovviare al problema.

[IsidoroKZ]

Due considerazioni in croce mentre sto cercando di rimanere sveglio.

Quando hai un circuito risonante, o qualcosa che gli assomiglia, per avere una idea del comportamento puo` essere utile calcolarne la frequenza di risonanza e l'impedenza caratteristica del risonatore .

La prima cosa da fare e` poi confrontare l'impedenza caratteristica con le resistenze nel circuito. Il risonatore ha in parallelo una resistenza da 1kohm, e in serie l'eventuale resistenza del generatore di tensione e le resistenze serie di condensatore e induttanza. Per default LTspice mette una resistenza serie ad L pari a 1mohm, mentre non ne mette in serie a C e ai generatori di tensione.

Se questa e` la situazione, una resistenza da 1kohm in parallelo a una impedenza caratteristica di 0.2ohm non ha nessun effetto, come pure una R da 1mhom in serie a una da 200mohm circa ha un effetto trascurabile.

Questo ci dice che il circuito sara` risonante. Se avessi messo un condensatore elettrolitico modellato bene avresti avuto anche l'esr del condensatore, dell'ordine di alcuni ohm, e in questo caso una resistenza di alcuni ohm in serie a una impedenza caratteristica di 0.2ohm ucciderebbe qualsiasi risonanza.

Pero` nel tuo caso la risonanza c'e` e lo smorzamento e` decisamente basso, dominato dalla R parassita dell'induttanza e dovrebbero vedersi molte oscillazioni smorzate (ordine di grandezza delle centinaia), che invece non si vedono.

Questo puo` essere dovuto a due motivi. Uno e` che il circuito che hai presentato non e` quello che hai simulato, potresti aver cambiato valori dei componenti, aggiunto delle R parassite... Magari hai messo una induttanza di 1nH al posto che di 1uH?

Il secondo e` che il circuito sia proprio quello, ma che non ci sia energia alla frequenza di risonanza. Un'onda quadra ideale, nei fronti e` come se avesse frequenza infinita, e quindi di energia ce n'e`. Le onde quadre reali, anche quelle di spice, invece hanno dei tempi di salita e discesa finiti e l'energia in frequenza associata a un'onda quadra del genere scende rapidamente ad alta frequenza.

La cosa pero` non mi torna perche' dovrebbero vedersi parecchie oscillazioni smorzate.

Una ipotesi per le elevate correnti che trovi e` che l'induttanza sia praticamente nulla, quindi il fronte di salita della tensione e` applicato direttamente al condensatore. Supponendo che il condensatore sia proprio da 22uF, per assorbire una corrente di 25A deve avere ai suoi capi un rateo di variazione della tensione di circa 1.1V/us. Per fare 5V servono circa 5us, quindi e` possibile che il circuito che hai simulato abbia una induttanza minuscola, non 1uH come hai scritto e che i fronti di salita e discesa del generatore siano dalle parti di 5us.

[DaniloI]

Salve IsidoroKZ,

grazie per la risposta e per il supporto, premetto che ho iniziato ad usare LTspice da una decina di giorni e che purtroppo non ho salvato il file originale. Simulo il circuito nuovamente cercando, questa volta, di riportare tutti i parametri essenziali.

Quando hai un circuito risonante, o qualcosa che gli assomiglia, per avere una idea del comportamento puo` essere utile calcolarne la frequenza di risonanza

Stabilito che a 34kHz l´impedenza del circuito risonante é 0.2Ohm, la frequenza del segnale in ingresso é 100Hz. In questo caso suppongo che l´impedenza non sia esattamente 200mohm ma qualcosa di vicino (posso calcolarla con LTspice?).

La prima cosa da fare e` poi confrontare l'impedenza caratteristica con le resistenze nel circuito.

Vado a memoria, il generatore aveva una resistenza interna da 0.1ohm, la resistenza di L come detto é 1mohm. Per C, ho scelto un elettrolitico con esr 28mohm. Infine, la resistenza da 1kohm simula un carico che, di fatti, non "disturba" la risonanza.

Un'onda quadra ideale, nei fronti e` come se avesse frequenza infinita, e quindi di energia ce n'e`

Per l´onda quadra in ingresso ho posto: f=100Hz, Von=5V, Tr=1ns, Tf=1ns.

La cosa pero` non mi torna perche' dovrebbero vedersi parecchie oscillazioni smorzate.

Infatti, ho omesso di considerare la resistenza interna del generatore (100mohm).
Ri-simulando il circuito descritto ottengo (capture_1) sul carico 7.3V a 15us mentre la corrente che scorre nel condensatore é 15.9A a 6.4us.
Per curiositá, ho simulato il circuito ponendo a 0 la resistenza in serie al generatore ottenendo molte piú oscillazioni (capture_2).
Ho provato poi a portare la frequenza del segnale in ingresso vicino alla frequenza di risponanza (34kHz), spingendo la corrente nel condensatore a 30A (capture_3).
Infine, ho provato ad alzare il tempo Tr e Tf (1ms, non sempre una soluzione applicabile in casi dove i fronti di salita e discesa devono rispettare certi valri) e lo "spunto di corrente" sparisce: 142mA a 17us (capture_4).

capture_1

capture_2

capture_3

[DaniloI]

la capture_4 in allegato.