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30. Temperaturverhalten von Modellen

Der Temperatur-Sweep
Nominal- oder Bezugs-Temperatur TNOM
Temperaturbeiwerte passiver Bauelemente (R, L, C)
Bezugs-Temperatur für ein einziges Modell zuweisen
Verschiedenen Modellen unterschiedliche Temperaturen zuweisen
Temperatur-Parameter parametrisieren
Ersatzschaltbild für thermisches Verhalten

Halbleitermodelle berücksichtigen in der Regel das Temperaturverhalten. Bei passiven Bauteilen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen müssen  Sie allerdings auf jeden Fall noch das Temperaturverhalten durch Temperaturbeiwerte beschreiben. Mit einem Temperatur-Sweep (Temperature (Sweep)) können Sie sämtlichen Modellen Ihrer Schaltung eine andere Temperatur zuweisen. Durch Veränderung der Modelle können Sie zudem einzelnen Bauteilen gezielt verschiedene (Sperrschicht-)Temperaturen zuweisen. Die Eigenerwärmung kann bei den hier vorgestellten Methoden leider nicht berücksichtigt werden. Sie müssten also mit Hilfe der Verlustleistung und der Gehäuse-Daten die Temperatur abschätzen. Dazu können Sie mit PSpice ein Ersatzschaltbild realisieren.

Der Temperatur-Sweep

In der nachfolgenden Schaltung sollen Sie untersuchen, wie sich die Schwellenspannung der Diode in Abhängigkeit von der Temperatur ändert:


Die Schaltung zur Untersuchung des Temperaturverhaltens einer Diode (siehe dtemp oder dtemp.zip).

Ein DC-Sweep verändert die Spannung der VDC-Quelle V1 von 400 mV bis 900 mV mit einer Schrittweite von 1 mV. Neben diesem primären Simulationsprofil existiert noch ein Temperatur-Sweep, welcher die Temperatur aller Bauteile einer Schaltung verändert. Bei Halbleitern ist es die Sperrschichttemperatur:


Unter "Temperature (Sweep)" können Sie die Temperatur der Sperrschichten und Bauteile verändern.

Setzen Sie im Simulations-Profil (Simulation Settings) in der Registerkarte "Analysis" unter "Options" neben "Temperature (Sweep)" ein Häkchen. Wählen Sie dann "Repeat the simulation for each of the temperatures" aus. Schließlich geben Sie nur durch Leerzeichen getrennt im darunter liegenden Eingabefenster die Temperaturwerte in Celsius ein, bei denen die Schaltung zu untersuchen ist (-10 0 27 80 130). Unter "Run the simulation at temperature" hätten Sie noch die Möglichkeit eine einzige Temperatur einzugeben.

In Probe erhalten Sie dann für die angegebenen Temperaturen die folgenden Ergebnisse:


Mit zunehmender Sperrschichttemperatur steigt der Strom durch die Diode oder es sinkt die Schwellenspannung bei einem gegebenen Strom.

Die Temperatur für die einzelnen Graphen können Sie erfahren, wenn Sie die diese gezielt mit der rechten Maustaste anklicken. Eingeblendet ist das Hinweis-Fenster für die oberste Kurve, welche bei 130 Grad Celsius entstanden ist.

Nominal- oder Bezugs-Temperatur TNOM

Wenn Sie den Temperatur-Sweep nicht einsetzen, ermittelt der Simulator das Ergebnis für die Nominal-Temperatur TNOM, welche Sie in der Registerkarte "Options" vorfinden:


TNOM finden Sie in der Registerkarte "Options" unter "Default nominal temperature".

Merke: Wenn Sie den Temperatur-Sweep nicht einsetzen (nicht abhaken), ermittelt der Simulator das Ergebnis für die Nominal-Temperatur TNOM

TNOM liegt in der Regel bei 27 Grad Celsius. Um Verwirrungen zu vermeiden, sollten Sie die Temperatur vorzugsweise mit dem Temperatur-Sweep oder mit Hilfe von Temperatur-Parametern verändern. Denn es ist sogar ein Unterschied, ob Sie TNOM verändern oder die Temperatur im Temperatur-Sweep. TNOM bezieht sich nämlich auf die Temperatur, für die die Modell-Parameter ausgelegt und gemessen worden sind. Diese sind fast alle auf 27 Grad bezogen. Sollten Sie ein Modell verwenden, das ausnahmsweise für eine andere Nominaltemperatur ausgelegt ist, müssen Sie diese durch den zusätzlichen Modell-Parameter "T_MEASURED" angeben. Überlegen Sie sich es also mehrfach, wenn Sie unter Options TNOM für alle Modelle verändern wollen.

Temperaturbeiwerte passiver Bauelemente (R, L, C)

Passiven Bauelementen (z.B. Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten) können Sie Temperaturbeiwerte vergeben. Dazu müssen Sie das entsprechende Modell verändern. Bei den Bauelementen R, L und C, welche Sie in der analog.olb vorfinden und bisher verwendet haben, suchen Sie allerdings vergebens nach einem Modell:


So geht es nicht! Bei den Bauelementen R, L und C der analog.olb können Sie keine Modelle vorfinden.

Deshalb gibt es alternativ Breakout-Devices, welche Sie in der breakout.olb vorfinden. Für Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten verwenden Sie deshalb die Bauteile Rbreak, Cbreak und Lbreak:


In der breakout.olb finden Sie passive Bauteile, deren Modelle Sie verändern können.

In der breakout.olb finden Sie außerdem noch eine Reihe idealisierter Halbleitermodelle. Bei dem Widerstand Rbreak z.B. haben Sie somit Zugriff auf ein Modell:


Bei Breakout-Devices (hier am Beispiel Rbreak) können Sie den Modell-Editor öffnen.

Dem Widerstand sollen Sie nun einen linearen Temperaturbeiwert von -250e-6 vergeben, wie er z.B. bei Kohleschichtwiderständen vorkommen könnte. Dafür gibt es den Modell-Parameter "TC1". Außerdem soll der Name (die Implementation) nach "R_Temp" umgetauft werden. Dann muss das Widerstands-Modell wie folgt lauten:

.model R_Temp RES (R=1 TC1=-250e-6)

R_Temp ist die Implementation oder der Modell-Name, RES der Modell-Typ (hier Widerstand), R ist ein Faktor, den Sie auf 1 belassen.


Der Modell-Editor mit einem einfachen Temperaturmodell für einen Kohleschichtwiderstand.

Nachprüfen können Sie das Verhalten dieses Widerstands mit der folgenden Schaltung:


Schaltung zur Überprüfung des Temperaturbeiwertes TC1 (temp1 oder temp1.zip).

Neben einem Sweep der Spannungsquelle VDC wird die Schaltung bei der Nominaltemperatur von 27 Grad und bei 100 Grad Celsius simuliert. Der Ausdruck V(A) / I(R1) zeigt direkt den Widerstandswert an:


Widerstandwerte für die Nominaltemperatur von 27 Grad (grün, oben) und  für 100 Grad (rot, unten). Der Probe-Cursor zeigt einen Wert von 98,175 Ohm für die Linie bei 100 Grad Celsius an.

Für passive Bauelemente können Sie neben dem linearen Temperaturkoeffizienten (TC1) noch den quadratischen (TC2) und exponentiellen Temperaturbeiwert (TCE) einsetzen (siehe auch PSpice Reference Guide pspcref.pdf Seite 216). Nachfolgend ein Beispiel zur Schreibweise der Temperatur-Parameter in einem vollständigen Widerstandsmodell:

.model RFantasie RES (R=1 TC1=50e-6 TC2=20e-9 TCE=5e-12)

Anmerkung: Das obige Modell berücksichtigt nur den TCE. Sobald TCE im Modell steht, werden TC1 und TC2 außer Funktion gesetzt.

Bezugs-Temperatur für ein einziges Modell zuweisen

Was machen Sie, wenn sich die Bezugstemperatur Ihres Widerstands nicht auf die hier üblichen 27 Grad Celsius beziehen, sondern auf z.B. auf 20 Grad Celsius. Dann ergänzen Sie Ihr Widerstandsmodell um den Parameter "T_MEASURED=20". Beispiel:

.model R_Temp_20 RES (R=1 TC1=-250e-6 T_MEASURED=20)

Eine vorgefertigte Simulation gibt es unter temp2 oder temp2.zip. Dort hat der Widerstand bei genau 20 Grad 100 Ohm. Das Entsprechende würde auch für die übrigen passiven Bauelemente gelten. Ohne Angabe von T_MEASURED bezieht sich die Bezugstemperatur auf  die Nominal-Temperatur TNOM. Sie erhalten also bei dem Beispiel unter temp2 dasselbe Ergebnis, wenn Sie im Modell den Parameter T_MEASURED weglassen und dafür unter Options bei TNOM eine 20 eingeben. TNOM hätte aber Auswirkung auf alle weiteren Modelle einer Schaltung.

Verschiedenen Modellen unterschiedliche Temperaturen zuweisen

Da die meisten Modelle (Halbleiter und passive Bauelemente) gewöhnlich keine Eigenerwärmung berücksichtigen, kann es manchmal erforderlich sein, innerhalb einer Schaltung den einzelnen Bauelementen je nach Verlustleistung unterschiedliche Temperaturen zuzuweisen. Dafür steht eine Reihe von Parametern zur Verfügung mit denen Sie die betreffenden Modelle ergänzen können:

T_ABS: Dieser Parameter setzt Modelle auf eine festgesetzte Temperatur. So bedeutet "T_ABS=70" bei einem Halbleiter, dass die Sperrschichttemperatur auf 70 Grad Celsius "eingefroren" ist. Diese Temperatur ändert sich auch nicht bei einem Temperatur-Sweep. Dabei spielt es keine Rolle, ob Sie die Temperatur oder die Temperaturen unter "Run the simulation at temperature" oder "Repeat the simulation for each of the temperatures" eintragen. Im nachfolgenden Beispiel besitzen die vier Dioden veränderte Modelle, welche sich nur durch Ihre Sperrschichttemperatur unterscheiden:


Mit dieser Versuchschaltung können Sie vier identische Dioden vergleichen, welche sich nur durch Ihre Sperrschichttemperatur unterscheiden (d4 oder d4.zip). Gemessen wird der temperaturabhängige Strom durch die Dioden.

D1-20 besitzt ein T_ABS von 20 Grad, D3-27 von 27 Grad und D4-120 von 120 Grad. Das Modell von D2-NOM ist unverändert. Es enthält keinen Parameter T_ABS. D2-NOM ist deshalb hier die einzige Diode, deren Sperrschichttemperatur sich durch einen Temperatur-Sweep beeinflussen lässt.

Beispiel eines Widerstandsmodells mit T_ABS:

.model R_Konst70Grad RES (R=1 TC1=-250e-6 T_ABS=70)

T_REL_GLOBAL: Mit diesem Parameter können Sie bestimmen, um wie viel Grad wärmer Ihr Modell im Vergleich zur jener Temperatur liegt, welche unter Temperatur-Sweep eingetragen ist. Beispiel:

.model R_50mehr RES (R=1 TC1=-250e-6 T_REL_GLOBAL=50)

Dieser Widerstand besitzt demnach eine Temperatur von 77 Grad, wenn jene Temperatur, welche unter Temperature (Sweep) eingegragen ist, 27 Grad beträgt und Sie keinen Temperatur-Sweep einsetzen. Da dies verwirrend ist, sollten Sie es eher vermeiden mit T_REL_GLOBAL zu arbeiten. Die nachfolgende Schaltung dient zum Experimentieren:


Die Diode D1-REL80 ist um 80 Grad wärmer als D2-NOM (dk oder dk.zip).

Im PSpice Reference Guide finden (pspcref.pdf), Seite 51 finden Sie ebenfalls Hinweise zu den Temperatur-Parametern.

Temperatur-Parameter parametrisieren

Alternativ zum Temperatur-Sweep können Sie die Temperatur-Parameter auch einer parametrischen Analyse unterziehen. Im nachfolgenden Beispiel ist der der Parameter "T_ABS" des Rbreak-Widerstands parametrisiert, welcher einen Temperaturbeiwert von TC1=-250e-6 besitzt. Das Modell des Widerstands sieht wie folgt aus:

.model R_TVAR RES (R=1 TC1=-250e-6 T_ABS={VARTEMP})

Die nachfolgende Schaltung verwendet dieses Widerstandsmodell. Die Spannungsquelle VDC ist gesweept:


Mit Hilfe einer parametrischen Analyse wird die Temperatur des Widerstands R_TVAR schrittweise verändert (var oder var.zip).

Um in Probe direkt den Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur ablesen zu können, kam zusätzlich noch eine Performance Analysis zum Einsatz:


Unten: V(A) / I(R1) nach der parametrischen Analyse. Oben: Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur mit Hilfe einer Performance Analysis.

Ersatzschaltbild für thermisches Verhalten

PSpice können Sie z.B. auch nutzen, um ein elektrisches Ersatzschaltbild für das thermische Verhalten eines Halbleiters zu simulieren. Dazu müssen Ihnen die Wärmewiderstände bekannt sein, welche Sie nicht den PSpice-Modellen entnehmen können.


Die Stromquelle stellt die Quelle der Verlustleistung dar.  Die Spannung in Volt ist durch die Temperatur in Celsius zu ersetzen, der Strom in A durch die Verlustleistung in Watt. Die Spannungsquelle liefert die Umgebungstemperatur und die Widerstände stehen für die Wärmewiderstände in Kelvin / Watt. Die Wärmekapazitäten sind nicht berücksichtigt (kuehl oder kuehl.zip).

Ähnliche Ersatzschaltbilder können Sie mit ABM-Blöcken kombinieren, um Modelle aufzubauen, welche die Eigenerwärmung berücksichtigen.

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