Moin zusammen! Ich arbeite mich gerade in das Thema Schwingkreise ein und experimentiere dazu gerade ein wenig mit niederfrequenten resonanten LCs. Dazu habe ich ein bisschen das übliche Formelwerk bemüht und kann Resonanzfreuenz und Stromfluss berechnen und dann experimentell nachvollziehen. L = AL*N² fr = 1/(2Pi *sqrt(LC)) WLmax = WCmax -> Imax = sqrt(2WL/L) Q = RP sqrt(C/L) mit RP = L/(RL*C) -> Q=1/RL sqrt(L/C) Das sagt mir nun, dass die Güte steigt wenn, A) der Drahtwiderstand kleiner wird B) L größer wird C) C kleiner wird. Ich hab im Experiment C variiert und die Messung ergab: 80 Turns L = 0.096H RL = 0,155 Ohm C = 1uF / fr = 500hz / Q = 2000: 6 Schwingungen erkennbar C = 10uF / fr = 162hz / Q = 632: 10 Schwingungen erkennbar C = 47uF / fr = 71hz / Q = 291: 14 Schwindungen erkennbar C = 100uF / fr = 51hz / Q = 199: 16 Schwingungen erkennbar Es tritt also genau das Gegenteil ein. Die gemessene Güte steigt mit steigendem C anstatt wie in der Rechnung zu fallen. Kann mir jemand erklären wo mein Gedankenfehler liegt? Ich hab gelesen, dass die Güte des Kondensators im Vergleich zur Spule vernachlässigt werden kann. Hab ich vielleicht was anderes übersehen? Danke schon mal im voraus und beste Grüße Alex
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Hmm, bei dir hat der kleinste Kondensator die höheste Güte, was meinst du denn?
Die Spule hat bei höherer Frequenz grössere Verluste. Ausser dem reinen Drahtwiderstand spielen ggf. Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste eine Rolle.
Oh dann hab ich mich vielleicht missverständlich ausgedrückt. Ich meinte, dass man anhand der erkennbaren Schwingungen am Oszilloskop sieht, dass die reale Güte sich genau entgegen der berechneten verhält. Also der LC mit 1uf hat eine deutlich höhere Dämpfung als der mit 100 uf obwohl der errechnete Q-Wert bei 1uf nach oben schnellt. Das dürfte ja eigentlich nicht sein. Kann es wirklich sein, dass die Effekte von Wirbelströmen etc. bei den Frequenzen schon eine Rolle spielen? Am Kern kann es eigentlich nicht liegen, das ist ein Nanoperm-Ferrit Ring mit eigentlich extrem guten Werten bis 10khz laut Datenblatt Gibts vielleicht noch andere Einflussfaktoren? Gruss Alex
Von der Frequenz her stimmen die Werte mit einer Simulation überein. Was nicht passt, ist die Anzahl der beobachtbaren Schwingungen. C = 1uF / fr = 500hz / Q = 2000: 6 Schwingungen erkennbar -> Rs ca. 150 C = 10uF / fr = 162hz / Q = 632: 10 Schwingungen erkennbar -> Rs ca. 10 Könnte es sein, dass du Elektrolytkondsatoren verwendest? Angaben zur Schaltung (Aufbau, Spannung) und ein Oszillogramm wären sicher kein Fehler.
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Na klar, sorry Die Schaltung ist nix besonderes, einfach einmal energetisiert und dann schwingen lassen. Batteriespannung ist 12,6V das Oszi hat nen 1/10 Teiler drin. Der Kern ist ein Nanoperm Ring von Magnetec M-416 und laut Hersteller bis 10khz geeignet. Die Spule hat einen Drahtwiderstand von 0.15 Ohm, 80Turns doppellagig und ist eigentlich eine Schaltlitze, also Multistrand und Kunststoffisolation. Ich hab gerade festgestellt, dass meine Messung sogar nur Halbwellen waren. Also jede erkennbare Halbwelle des Sinus. Da ich die Aufnahmen gerade nochmal angefertig habe, variiert das Ergebnis nun so: 1uf: 6-7 Halbwellen 10uf: 17-18 Halbwellen 100uf: 30 Halbwellen Zu den Elkos: Tja das ist in der Tat wahr, das sind alle NP-Elkos, also None-Polar. Haben die bei den Frequenzen schon solche Verluste? Gruss Alex
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Das zählen der Schwingungen ist dafür nicht gut geeignet, so schnell kann kein Mensch gucken. Besser ist es wenn du den Resonanzwiderstand ermittelst. Die Güte ist dann das Verhätnis von Blindleistung zu Wirkleistung. Das mit L größer und C kleiner, die Güte besser wird ist nicht unbedingt gesagt. Du mußt bei deinen Experimenten auch beachten das der Spulenkern nicht in die magnetische Sättigung kommt.
Die Güte ist näherungsweise w*L/R da die Güte der Kondensatoren meistens so gut ist, dass man die nicht berücksichtigen muss.
Hallo Alex
> bei dir hat der kleinste Kondensator die höheste Güte
Zumindest solltest du nur Folien- oder Keramikkondensatoren verwenden,
keine Elkos. Probiers eher mal mit 10nF, 100nF und 1µF.
Es scheinen noch viele weitere Verluste vorhanden zu sein.
Bei der Spule wurden schon zwei genannt:
- Wirbelstromverluste
- Ummagnetisierungsverluste
des weiteren
- Skin-Effekt
- Proximity-Effekt
- dielektrische Verluste durch den Spulenkörper
Auch ein Kondensator hat Verluste:
- Das ESR als Serienwiderstand
- dielektrische Verluste
Dann der Messaufbau:
- Ankopplung des Oszilloskops, Tastkopf 10:1 ist ja schon eingestellt
- Widerstand der Verdrahtung
- Keine Strippen mit den kleinen Krokodilklemmen verwenden,
bei mir hatten einige schon um 1 Ohm!
Gruß, Bernd
Ja ich weiß, das mit dem Zählen ist eher ne Anfängermethode, aber es geht ja auch nicht um die harten Zahlen, sondern um die Erkenntnis, dass die Güte entgegen der Erwartung und Berechnung mit dem C schrumpft. Hm mit Blindwiederstand berechnen sich die gleichen Q Werte XL = 2Pi*f*L Q = XL/R Irgendwie hab ich wohl was vergessen.
Alex M. schrieb: > Zu den Elkos: Tja das ist in der Tat wahr, das sind alle NP-Elkos, also > None-Polar. Haben die bei den Frequenzen schon solche Verluste? Wenn es normale gepolte Elkos gewesen wären, wäre die Erklärung naheliegend - bei negativer Spannumg wirkt der wie eine Diode+Widerstand. Bei ungepolten hilft nur ein Blick ins Datenblatt: z.B. http://www.vishay.com/docs/28354/128salrpm.pdf gibt für 1µF/25V einen ESR von max. 200Ω, typ. 71Ω @100Hz an. Wenn es also nicht der Übergangswiderstand des Schalters ist, bleibt nur der ESR der Kondensatoren übrig. Sättigung des Kerns oder frequenzabhängige Effekte kommen meiner Meinung nach nicht in Frage - dazu sind die Ströme und Frequenzen zu gering. Versuch es einfache einmal mit einem 1µ Folienkondensator.
So ein 1uf Kondensator kann auch mal gerne 1-5 ohm ESR haben, wobei der 100uf gegen 0.2 geht. Auch mit einberechnen
Alex M. schrieb: > C = 1uF / fr = 500hz / Q = 2000: 6 Schwingungen erkennbar > C = 10uF / fr = 162hz / Q = 632: 10 Schwingungen erkennbar > C = 47uF / fr = 71hz / Q = 291: 14 Schwindungen erkennbar > C = 100uF / fr = 51hz / Q = 199: 16 Schwingungen erkennbar Ein Q von 2000 wirst du nie und nimmer erreichen. Das entspricht einer 3db-Bandbreite von 0,5Hz !! Messe das doch spaßeshalber mal nach. Mit einen LC-Kreis wirst du unter Betriebsbedingungen vielleicht ein Q von 300 erreichen. Das ist dann schon fast optimistisch gesehen. Nach meiner Ansicht ist es überhaupt die einzige wirklich taugliche Methode über die Bandbreite die Betriebsgüte zu messen. Bei 500Hz würde die XL =XC 316 Ohm betragen Die Quelle mit der du den Schwingkreis anregst, müsste schon einen Innenwiderstand von mehreren Mohm haben, damit dessen Innenwiderstand die Betriebsgüte noch nicht zu sehr beeinflusst. Als Dämpfungsverluste kommen hinzu, der Serienwiderstand der Spule und der Eingangswiderstand des Oszillografen. Die Spule hat außer den ohmschen Widerstand noch Abstrahlverluste, weil er ein magnetisches Feld im Raum aufbaut ( oder kannst du garantieren, das sämtliche Feldlinien in der Spule verbleiben? ). Elcos haben übrigens eine extrem schlechte Guete. Ralph
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> > Nach meiner Ansicht ist es überhaupt die einzige wirklich taugliche > Methode über die Bandbreite die Betriebsgüte zu messen. > Das macht Sinn, aber ich möchte die Güte nicht messen, sondern theoretisch bestimmen. Am Ende möchte ich in der Lage sein, den Schwingkreis halbwegs korrekt zu simulieren, um so die Faktoren für eine bestmögliche Güte vorherzusagen. Kennt jemand ein gutes Simulationsprogramm, dass ich mal zum Vergleich nehmen kann? Wegen den Kondensatoren werd ich gleich heute mal losflitzen und ein paar Folienkondensatoren besorgen und lade dann das Ergebnis hoch. Ich glaube ich hab das Konzept des ESR noch nicht ganz verstanden. Ich hab mal das ESR Diagramm aus petris Posting rausgeschnitten. Man sieht, dass der ESR mit der Frequenz kleiner wird? Zudem scheinen größere Kondensatoren einen kleineren ESR zu haben? Der ESR addiert sich auf den Wirkwiderstand auf, richtig? Dank Eurer Hilfe haben wir ja nun schon eine Menge Faktoren zusammengetragen, kann ich die irgendwie zusammenrechnen zu einer Gesamtgüte? Grüße Alex
Alex M. schrieb: >aber ich möchte die Güte nicht messen, sondern >theoretisch bestimmen. Aber um eine Theorie zu überprüfen muß man Messen, und beim Praktischen Ausprobieren versteht man es dann auch besser. Alex M. schrieb: >Kennt jemand ein gutes >Simulationsprogramm, dass ich mal zum Vergleich nehmen kann? Ich halte nichts von einem Simulationsprogramm. Alex M. schrieb: >Ich glaube ich hab das Konzept des ESR noch nicht ganz verstanden. Das sind die Verluste im Kondensator. Du mußt dich das so vorstellen, als ob ein Idealer Kondensator mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist. Der ESR wird kleiner wenn du mehrere Kondensatoren parallel schaltest.
Alex M. schrieb: > Das macht Sinn, aber ich möchte die Güte nicht messen, sondern > theoretisch bestimmen. Zum "theoretischen Bestimmen" müsstest Du aber alle Einflussgrößen für die Güte der Spulen/Kondensatoren usw. erfasst und in die Rechnung einbezogen haben. Alleine die Zeitverläufe zeigen, dass die Schwingkreise in ihrer Messschaltung wesentlich schlechtere Güte haben. (Meines Wissens entspricht in den Zeitverläufen die Zahl der Schwingungen bis zum Absenken der Amplitude auf das 1/e-fache, das logarithmische Dekrement, der Güte des Schwingkreises) Die Bilder lassen daher auf Gütewerte um die Zehn herum schließen. - und das entspricht der Praxis in diesem Frequenzbereich von unter 50Hz. Das erreichbare Maximum liegt etwas über 400, das aber Für Spulen im Bereich 100 bis 1000 kHz, mit HF-Litze und hochwertigen Ferrit-Schalenkernen. Die Kondensatoren sind dabei hochwertige Glimmer- oder Folienkondensatoren.
Alex M. schrieb: > Kennt jemand ein gutes > Simulationsprogramm, dass ich mal zum Vergleich nehmen kann? Versuchs mal mit LTSpice. Funktioniert ausgezeichnet und ist sehr weit verbreitet. Gibt weltweit eine riesengroße Community. Und um auch diese Aussage zu kommentieren: Günter Lenz schrieb: > Ich halte nichts von einem Simulationsprogramm. Warum und weshalb, sagst du aber auch nicht. Insofern ist das für mich nur so eine unscharfe Aussage, die auf keinerlei Fakten basiert. Viele Leute halten im Gegensatz sehr viel davon. Und wenn man ordentliche Modelle-Bauelemente hat, kommt eine Simulation der Realität schon sehr nahe.
npn schrieb: > Warum und weshalb, sagst du aber auch nicht. Insofern ist das für mich > nur so eine unscharfe Aussage, die auf keinerlei Fakten basiert. > Viele Leute halten im Gegensatz sehr viel davon. Und wenn man > ordentliche Modelle-Bauelemente hat, kommt eine Simulation der Realität > schon sehr nahe. Simulationsprogramme können nur dann Aufschluss geben, wenn ihnen die maßgebenden Größen eingegeben sind. Gerade diese Voraussetzung führt aber zum Paradoxon: Um ausreichende Eingaben für die Simulation einer realen Schaltung zu erhalten, muss man meist die Schaltung so genau analysiert haben, dass sich eine Simulation erübrigt. Genau die Überraschungen, die man in der "Realität" erlebt, in Deinem Fall nämlich die extrem schlechte Güte der Schwingkreise, hat die Simulation nicht enthalten. Simulation ist gut fürs "Kennenlernen" einer Schaltung. Sie bestätigt auch meist die Richtigkeit irgendwelcher Annahmen, wenn das Ergebnis der Simulation mit der Messung übereinstimmt. Für das Überprüfen einer zu realisierenden Schaltung ist sie aber meist recht unvollkommen. Besonders wenn es sich um nichtlineare Schaltungen mit Oszillatoren oder mit nichtlinearen Bauelementen wie Ferritkerne handelt, oder um Fälle geht, bei denen man an die Grenzen des realisierbaren Datenbereichs kommt.
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Wow super, das hat mir ja schonmal ordentlich weitergeholfen, Danke! Ich hab dank euch ja nun rausgefunden, dass ich eine Spulengüte mit Q = XL/R (unter Vernachlässigung von Frequenzeffekten (Skin, Wirbel....) und eine Kondensatorgüte habe, hauptsächlich durch den ESR mit Q = 1/tan d, wobei d im Datenblatt vom C gegeben ist. Kann ich die beiden Q zu einer Gesamtgüte verrechnen, oder muss ich den ESR auf die Wirkleistung R addieren? Und muss ich dann auch die Blindleistung des Kondensators aufaddieren? (XC = -1/(2*PI*f*C) negativ?) Ich hab aus einem 1uf Folko-Datenblatt die beiden angehängten Diagramme rauskopiert. Für mein Verständnis, heisst das für mich, dass wenn ich den ESR minimieren will, sollte ich versuchen im Impedanzminimum und nahe der eigenen Resonanzfrequenz zu arbeiten? Danke und Gruss Alex
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Hier mal zum Vergleich der 1uf Folko. er zeigt ein gutes Schwingungsverhalten. Der 50uf ist auch nicht schlecht, aber der 1uf ist besser, was ja auch der Theorie entspricht. Damit ist klar, dass die Elkos eine zu schlechte Güte für den Schwingkreis aufgewiesen haben. Das war ein Supertip! Jetzt bleibt noch die Frage, nach den Diagrammen im Post darüber. Gibt es gewisse Arbeitspunkte, die ich suchen oder vermeiden sollte? (siehe z.B. Impedanz-Minimum) Und was kann ich allgemein tun, um die Güte zu verbessern? Gruss Alex
Alex M. schrieb: >Und was kann ich allgemein tun, um die Güte zu >verbessern? Den größten Anteil an die Güte hat die Spule. Was für Spulen verwendest du? Das richtige Kernmaterial verwenden, möglichst dicken Draht verwenden, bei ganz hohen Frequenzen versilberten Draht und Keramikspulenkörper verwenden. Bei Ringkernen mußt du aufpassen, wenn in den Daten steht das sie für Breitbandübertragung gedacht sind, die sind für Schwingkreise überhaupt nicht geeignet, die kommen sehr schnell in die magnetische Sättigung. Bei sehr niedrigen Frequenzen kanst du auch Trafobleche verwenden, aber drauf achten das sie einen Luftspalt haben und möglichst dünn sind.
Alex M. schrieb: >Jetzt bleibt noch die Frage, nach den Diagrammen im Post darüber. Gibt >es gewisse Arbeitspunkte, die ich suchen oder vermeiden sollte? (siehe >z.B. Impedanz-Minimum) Beim Impedanz-Minimum befindet sich der Eigenresonanzpunkt, du solltest mit der Frequenz weit unterhalb dieser Stelle bleiben.
Alex M. schrieb: > Jetzt bleibt noch die Frage, nach den Diagrammen im Post darüber. Gibt > es gewisse Arbeitspunkte, die ich suchen oder vermeiden sollte? (siehe > z.B. Impedanz-Minimum) Und was kann ich allgemein tun, um die Güte zu > verbessern? Da kannst du ohne "bessere" Kondensatoren nicht mehr viel unternehmen. Möglich wäre noch die Verwendung mehrerer Drähte parallel (kleinerer R) für die Induktivität, ist aber eher marginal. Der ESR ist zwar leicht von der Frequenz abhängig (1), so dass eine Erhöhung etwas bringen könnte - gleichzeitig erhöhen sich damit aber auch die Verluste in der Induktivität. Wenn auch nicht ganz so arg, wie Günter Lenz es beschreibt, da er sich die Daten (2,3) deines Kern nicht angeschaut hat. Erst dem 50µF Kondensator (ca. 250mA@80Wdg.) kommst du auch nur in die Nähe der Sättigung (sieht man z.B. beim Stromverlauf recht deutlich), und die Kernverluste sind mit <3e^2W/kg (0.6T, 1kHz) geringer als mit Ferriten oder Trafoblechen. Alex M. schrieb: > Kann ich die beiden Q zu einer Gesamtgüte verrechnen, oder muss ich den > ESR auf die Wirkleistung R addieren? Und muss ich dann auch die > Blindleistung des Kondensators aufaddieren? (XC = -1/(2*PI*f*C) > negativ?) Ich verstehe nicht so ganz worauf du hinauswillst. Für die Berechnung der Güte deines Schwingkreises ist es völlig egal, ob der R aus dem ESR, dem Drahtwiderstand oder den Kernverlusten (wird gerne auch als R parallel zur Induktivität abgebildet) stammt. Mit dem Q des Kondensators hat das erst einmal nichts zu tun. Das mit der Resonanzfrequenz ist daher keine gute Idee, da in diesem Punkt der Kondensator (ESR, C und ESL in Serienresonanz) nur mehr als ohmscher Widerstand wirkt. ps. Du solltest in deiner Schaltung einen R von ca. 50-500 Ohm zwischen die Spannungssquelle und Kondensator schalten. Hängt aber von der Belastbarkeit deines Schalters und einer evtl. vorhandenen Strombegrenzung des Netzteils ab. (1) http://www.kemet.com/Lists/TechnicalArticles/Attachments/6/What%20is%20a%20Capacitor.pdf (2) http://www.magnetec.de/fileadmin/pdf/pb_cb_kit.pdf (3) http://www.magnetec.de/fileadmin/pdf/pb_kennlinien.pdf
Alex M. schrieb: > Kann ich die beiden Q zu einer Gesamtgüte verrechnen Ja, die gesamte Güte bekommst du mit mit der Formel Q_ges = 1 / (1/Q_L + 1/Q_C)
Da die Versuche nur mit einer Spule und verschiedenen Kondensatoren erfolgen, ist die Aussage gleich null. Wenn dann müsste man die Resonanzfequenz konstant halten, also abgestimmte Spulen/Kondensator Paare verwenden. Außerdem müsste man die Hüllkurve betrachten (= Dämpfung = 1/Güte), woraus dann klar wird warum die unterschiedlichen Anzahlen von Schwingungen (bei ja verschiedenen Schwingfrequenzen) herrühren. Zudem scheint es hier auch einleuchtend, dass ein großer Kondensator weniger von einem vorgegebenen Widerstand prozentual "gebremst" wird, als ein kleiner.
Erstmal vielen Dank, das hat mir alles sehr weitergeholfen! petris schrieb: > Erst dem 50µF Kondensator (ca. 250mA@80Wdg.) kommst du auch nur in die > Nähe der Sättigung (sieht man z.B. beim Stromverlauf recht deutlich), > und die Kernverluste sind mit <3e^2W/kg (0.6T, 1kHz) geringer als mit > Ferriten oder Trafoblechen. Wie berechnest Du die Flussdichte, um zu sehen, ob der Kern gesättigt ist? Ich hab das auch probiert, aber die Ergebnisse waren eher fraglich. B = (Imax N AL) / Amin ?
Ich habe da nix herumgerechnet. Die 250mA stammen aus einer Simulation, die augenscheinlich zu deiner Messung passt, mal 80 Wdg. sind 20A und damit am für Is angegebenen Wert. Wollte ich es genauer wissen, würde ich die Kennlinien digitalisieren und die Simulation anpassen - oder, wenn das Teil vor mir liegt, einfach den aktuellen und den Sättigungsstrom messen. Aber dieses Dilemma hat Peter R. ja schon angesprochen. Beitrag "Re: Gütefaktor im LC Kreiß Theorie vs Praxis"
Wenn man von fehlerhaften Modellen ausgeht, sind berechnete Schaltungen genauso falsch, wie similierte.
Helmut S. schrieb: > Die Güte ist näherungsweise > > w*L/R > > da die Güte der Kondensatoren meistens so gut ist, dass man die nicht > berücksichtigen muss. der Helmut ? mein Ausbilder ? aber wie so ist das Omega drin K. meinte auch Schwingkreisgüte nahezu L Güte und das ist XL/R ah jetzt mit XL = 2 PI f * L deswegen Omega, ist lange her, ich habe im Kopf L mit XL übersetzt .....
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