Moin,
die Frage ist eine Folgefrage zu
Beitrag "Induktivität einer Spule mit Eisenkern".
Die Spule ist gewickelt, 10 cm lang, 1 cm Kerndurchmesser mit 11SMnPb30
und Gesamtdurchmesser 2 cm. Allerdings hat der Draht nur 0,4 mm
Durchmesser und ist damit nicht für die angegebenen 5 A geeignet. Der
Gesamtwiderstand ist laut Billigmultimeter 15 Ω.
Für weitere Berechnungen wollte ich die Induktivität der realen Spule
grob bestimmen. Da ich weder Frequenzgenerator, noch Frequenzmesser noch
Oszilloskop habe, habe ich improvisiert und die Induktivität über die
gespeicherte Energie bestimmt. Die Spule hat eine gespeicherte Energie
von
der Kondensator
Für die Messung habe ich eine Schaltung nach dem Prinzip des
Hochsetzstellers aufgebaut. Die Spule habe ich mit Strom 'geladen' und
dann die Verbindung nach Masse getrennt. Währenddessen habe ich die
maximale Spannung am Kondensator gemessen. Durch Gleichsetzen der
Energien habe ich die Induktivität berechnt.
Erste Frage: Die Spule gibt im Idealfall, also ohne Widerstände, ihre
gesamte Energie an den Kondensator ab, oder? Die Spule treibt so lange
weiter, bis der Strom und damit die gespeicherte Energie 0 ist, oder
Zweite Frage: Funktioniert das so? Theoretisch geht es, aber gibt es
praktisch damit Probleme? Wichtig ist mir eigentlich nur eine
Abschätzung der Induktivität nach unten.
Eine Fehlerquelle ist der Energieverlust durch den Widerstand. Der ist
aber klein, denke ich, und die reale Induktivität wäre höher als die
berechnete.
Eine andere Fehlerquelle ist die Toleranz des Kondensators. Die lässt
sich nur durch mehrere Messungen mit verschiedenen Kondensatoren
einschränken.
Mit 3 V Versorgungsspannung und der Maximalspannung des Kondensators von
42 V bei 1 µF erhalte ich eine Induktivität von 44 mH.
Dussel schrieb:> Erste Frage: Die Spule gibt im Idealfall, also ohne Widerstände, ihre> gesamte Energie an den Kondensator ab, oder?
Die theoretisch ideale Spule.
In der Praxis kommt aber neben dem Drahtwiderstand noch die
Wicklungskapazität hinzu.
Selbst wenn du keinen Kondensator extern anschliesst, fluppt die Spule
auf eine Maximalspannung hoch weil sie die Energie in ihre eigene
Wicklungskapatität stopft und irgendwann ist alles umgeladen. Das ist
die Güte der Spule.
Dussel schrieb:> Die Spule treibt so lange weiter, bis der Strom und damit die> gespeicherte Energie 0 ist, oder
Nur wenn der Rückfluss über eine Diode verhindert wird, sonst fliesst
sie zurück und es wird ein Schwingkreis. Und die Diode hat natürlich
auch noch Verluste, Leit- und Schaltverluste.
Dussel schrieb:> Für die Messung habe ich eine Schaltung nach dem Prinzip des> Hochsetzstellers aufgebaut. Die Spule habe ich mit Strom 'geladen' und> dann die Verbindung nach Masse getrennt. Währenddessen habe ich die> maximale Spannung am Kondensator gemessen. Durch Gleichsetzen der> Energien habe ich die Induktivität berechnt.
Klingt interessant.:)
Mir ist aber nicht klar, wie Du das von der Schaltung her bewerkstelligt
hast.
Könntest Du die bitte etwas näher beschreiben oder evtl. skizzieren?
Dussel schrieb:> Erste Frage: Die Spule gibt im Idealfall, also ohne Widerstände, ihre> gesamte Energie an den Kondensator ab, oder? Die Spule treibt so lange> weiter, bis der Strom und damit die gespeicherte Energie 0 ist, oder
Du hast zwar die jeweiligen "Energie-Inhalte" von L und C richtig
angegeben, aber ich denke nicht, daß dies auch den Rückschluß erlaubt,
daß sich die L vollständig entladen kann.
Zwar ist es richtig, daß die L beim Zusammenbruch ihres Magnetfeldes
eine Selbstinduktionsspannung generiert.
Aber diese U ist degressiv; d.h. die L "versucht" zwar, die U "aufrecht"
zu erhalten, aber das kann ihr nur bedingt gelingen.
Umgekehrt "braucht" aber der C eine für ihn angemessene U, die ihn
aufladen kann.
I.d.R. ist das eine konstante U, die er sozusagen in sich "hineinfrißt".
Dabei fließt innerhalb von ihm auch ein Verschiebungsstrom in seinem
Dieelektrikum.
Der ist zwar auch degressiv, aber dennoch anfänglich hoch.
Was sich m.E. mit dem, was die L anfänglich zu liefern vermag, nicht in
Einklang bringen läßt.
Schau Dir mal dazu, z.B. hier, die Kurven an:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205301.htmDussel schrieb:> Zweite Frage: Funktioniert das so? Theoretisch geht es, aber gibt es> praktisch damit Probleme?
Ich denke nicht, daß das so funktioniert, wie Du Dir das vorstellst.
Weil die eigentliche "Stärke" von L's darin liegt, daß sie
Selbstinduktions-Spannungsspitzen liefern können.
Allerdings nur bei geringem Stromfluß.
Bei Deinem Vorhaben verhält es sich aber jedenfalls so, daß der C nur
eine max. U "verträgt", damit es sein Dielektrikum nicht glatt
durchschlägt.
Du hast also von vornherein eine U-Limitierung.
Weißt gleichzeitig aber auch, daß die von der L gelieferte U degressiv
abfällt.
Woher soll dann der zum Aufladen des C notwendige I kommen? ;)
Dussel schrieb:> Der> Gesamtwiderstand ist laut Billigmultimeter 15 Ω.Dussel schrieb:> Die Spule habe ich mit Strom 'geladen' und> dann die Verbindung nach Masse getrennt. Währenddessen habe ich die> maximale Spannung am Kondensator gemessen.Dussel schrieb:> Mit 3 V Versorgungsspannung und der Maximalspannung des Kondensators von> 42 V bei 1 µF erhalte ich eine Induktivität von 44 mH.
Mir ist nicht 100% klar was du da genau gemacht hast. Aber vmtl. wars
so:
Spule auf 0,2A aufgeladen = max. Strom an 3V (15Ohm)
WSpule = 0,5*44mH*0,2A^2 = 0.88mJ
WKondensator = 0,5*1µF*42V^2 = 0.882mJ
Ist zwar nicht ganz korrekt, die 3V kann man aber gegenüber den 42V
vergessen. Scheint zu passen.
Bei 15 Ohm sinds wohl rund 2000 Windungen, auch das geht mit den 20/10mm
und kann von der Induktivität her stimmen.
Die echte Induktivität könnte aber durchaus auch über 100mH liegen.
Nimm doch die PC-Soundkarte + Audacity als Frequenzgenerator.
Um 500Hz müsstens schon sein, leider etwas hoch für einen Eisenkern.
Ansonsten ist aber der Wicklungswiderstand zu störend.
44mH wären bei 500Hz rund 140Ohm Wechselstromwiderstand.
Bei 140Ohm Vorwiderstand und Spule in Reihe sollte die Spannung an den
beiden gleich sein. Doppelte Spannung an der Spule wie an den 140 Ohm
Vorwiderstand heißt dann ca. 88mH.
Die Vergleichsmessung kannst Du auch mit dem Billigmultimeter machen.
Die absoluten Messwerte stimmen normalerweise nur bei 50Hz.
Achtung (weiß ja nicht wie gut du mit den Phasenverschiebungen vertraut
bist):
Nicht die Spannung am Lautsprecherausgang nehmen, sondern Spannung am
Vorwiderstand mit der Spannung an der Spule vergleichen. Die Summe der
Spannungen ist höher als die Spannung am Ausgang.
Berechnung über Strom / Spannung am Lautsprecherausgang (ohne
Vorwiderstand) kann auch funktionieren. Hängt davon ab, ob die
Frequenzcharakteristik des Billigmultimeters für Strom/Spannung und über
verschiedene Messbereiche gleich ist. Vorgesehen ist da meist nur 50Hz
Wechselstrom.
Dussel schrieb:> Erste Frage: Die Spule gibt im Idealfall, also ohne Widerstände, ihre> gesamte Energie an den Kondensator ab, oder? Die Spule treibt so lange> weiter, bis der Strom und damit die gespeicherte Energie 0 ist, oder
Du kannst Strom und Energie nicht in einen Topf schmeißen.
Bei einer idealen (verlustfreien) Spule wird, wenn der Strom auf 0
zurückgegangen ist, die Energie im Kondensator stecken. Und dann beginnt
der Strom in Gegenrichtung zu fließen - nennt man Schwingkreis.
Moin,
so viele und lange Antworten… ;-)
Zuerst mal als Antwort auf alle Fragen zum Aufbau: Wie ich schrieb, ist
es wie ein Hochsetzsteller aufgebaut, also so
http://de.wikipedia.org/wiki/Aufwärtswandler#/media/File:Boost_converter.svg
Das heißt, die Diode ist natürlich drin.
MaWin schrieb:> Und die Diode hat natürlich> auch noch Verluste, Leit- und Schaltverluste.
Das habe ich vergessen. Dafür muss ich mal überschlagen, wie viel das
ausmacht. Die Diode hat etwa 0,7 V Flussspannung.
MaWin schrieb:> In der Praxis kommt aber neben dem Drahtwiderstand noch die> Wicklungskapazität hinzu.
Hast du eine Erfahrung, wie groß die ist? Vom Gefühl denke ich, dass die
gegen 1 µF vernachlässigbar ist.
L. H. schrieb:> Aber diese U ist degressiv; d.h. die L "versucht" zwar, die U "aufrecht"> zu erhalten, aber das kann ihr nur bedingt gelingen.
Das tut sie so lange, bis die Spule 'entladen' ist.
L. H. schrieb:> Du hast zwar die jeweiligen "Energie-Inhalte" von L und C richtig> angegeben, aber ich denke nicht, daß dies auch den Rückschluß erlaubt,> daß sich die L vollständig entladen kann.
Sie wird sich vollständig entladen. Irgendwann ist der Strom 0. Die
Frage ist nur, wohin die Energie geht.
L. H. schrieb:> Dabei fließt innerhalb von ihm auch ein Verschiebungsstrom in seinem> Dieelektrikum.> Der ist zwar auch degressiv, aber dennoch anfänglich hoch.
Da fließt so viel, die wie Spule liefert. Die wirkt theoretisch als
veränderliche Konstantstromquelle.
L. H. schrieb:> Du hast also von vornherein eine U-Limitierung.
Das ist hier irrelevant. Der Kondensator ist für 63V ausgelegt. Aus Spaß
habe ich ihn nach dem Versuch auch mal maximal aufgeladen. Bis 90 V bin
ich gekommen. Es ist interessant, auf dem Steckbrett aus 3 V bis zu 90 V
zu erzeugen. :-)
Stephan H. schrieb:> Mir ist nicht 100% klar was du da genau gemacht hast. Aber vmtl. wars> so:> Spule auf 0,2A aufgeladen = max. Strom an 3V (15Ohm)> WSpule = 0,5*44mH*0,2A^2 = 0.88mJ> WKondensator = 0,5*1µF*42V^2 = 0.882mJ
Ja. Nur dass die Induktivität noch nicht bekannt war.
Stephan H. schrieb:> Nimm doch die PC-Soundkarte + Audacity als Frequenzgenerator.
Da bin ich etwas ängstlich. Ich habe einen Laptop mit Soundchip und
gerade mit der Induktionsspannung von Spulen habe ich Sorge, dass ich
mir das Mainboard kaputt mache.
Die Induktivität nimmt ab mit steigender Frequenz aufgrund des
nicht-idealen Kernmaterials. Von daher macht es Sinn, mit einer Frequenz
nahe der geplanten Anwendungsfrequenz zu messen.
voltwide schrieb:> Von daher macht es Sinn, mit einer Frequenz> nahe der geplanten Anwendungsfrequenz zu messen.
Die hängt von der Induktivität ab…
Heute habe ich nochmal gemessen und die Spannung ist reproduzierbar auf
60 V gestiegen, also ergibt sich eine Induktivität von 90 mH. Als
nächste werde ich wohl doch versuchen, ein L-Meter aufzutreiben und die
Induktivität zu messen. Dann bin ich mal gespannt, wie gut die
Abschätzung war. Wenn ich irgendwann mal gemessen habe, melde ich mich
nochmal.
Stephan H. schrieb:> Um 500Hz müsstens schon sein, leider etwas hoch für einen Eisenkern.> Ansonsten ist aber der Wicklungswiderstand zu störend.
Das von Dussel gen. Kernmaterial ist Automatendrehstahl - vermutlich
massiv.
Offengestanden weiß ich nicht genau, wie sich Massivmaterial im
Verhältnis zu Dynamoblechen bzgl. Erwärmung exakt verhält.
Ich weiß nur, daß Dynamobleche ohne weiteres bis zu 1000 Hz (problemlos)
"mitmachen".
Kennst Du "Erfahrungswerte" von Massivkernen bzw. liegen die dann so um
500 Hz?
Beginnt dann unzulässige Erwärmung?
Dussel schrieb:> Das tut sie so lange, bis die Spule 'entladen' ist.
Vorausgesetzt sie KANN sich entladen.:)
Dussel schrieb:> Sie wird sich vollständig entladen. Irgendwann ist der Strom 0. Die> Frage ist nur, wohin die Energie geht.
Wie kommst Du darauf?
Die L "verschiebt" ja ihre Energie nur in den C, so weit sie das
überhaupt tun kann.
D.h. "normalerweise" nimmt der C bei anfänglich niedriger U einen
relativ hohen I (Verschiebungsstrom) auf.
Bei weiterhin steigender U sinkt der I.
Und bei max. (bestimmungsgemäßer) U-Aufnahme ist der C voll geladen, was
gleichbedeutend damit ist, daß die I-Aufnahme gegen 0 geht.
Dussel schrieb:> Da fließt so viel, die wie Spule liefert. Die wirkt theoretisch als> veränderliche Konstantstromquelle.
Ob eine L überhaupt als Konstantstromquelle dienen kann, können wir aus
ihren typischen Kurven sehen:
http://elektroniktutor.oszkim.de/analogtechnik/l_gleich.html
"Veränderliche" Konstantstromquelle ist ein Widerspruch in sich
selbst.:)
Dussel schrieb:> Heute habe ich nochmal gemessen und die Spannung ist reproduzierbar auf> 60 V gestiegen...
Das deutet m.E. darauf hin, daß die L ein "überhöhtes" Arbeitsvermögen
hat.
Wie lange hast Du die L jeweils aufgeladen bzw. entladen?
Dein C hat bei 42 V eine Kapazität von 1 µF.
Mit 60 V hast Du ihn "überladen", d.h. sein Dielektrikum per
Verschiebungsstrom "überstrapaziert".
Offensichtlich noch nicht bis zum Durchschlag.;)
Auf Grund der 60 V kannst Du dann m.E. aber auch nicht mehr rechnerisch
1 µF ansetzen.
Bin gespannt auf auf Deine L-Messung.:)
L. H. schrieb:> Das von Dussel gen. Kernmaterial ist Automatendrehstahl - vermutlich> massiv.
Massiv ja. Automatenstahl? Uns wurde es als Magnetstahl 'verkauft'
(gegeben). Aber ich kenne mich mit den Bezeichnungen nicht so aus. Ich
dachte immer, dass Automatenstahl kein besonders guter Magnetwerkstoff
ist.
L. H. schrieb:> Dussel schrieb:>> Sie wird sich vollständig entladen. Irgendwann ist der Strom 0. Die>> Frage ist nur, wohin die Energie geht.> Wie kommst Du darauf?> Die L "verschiebt" ja ihre Energie nur in den C, so weit sie das> überhaupt tun kann.
Wir sind uns wohl einig, dass irgendwann der Strom 0 ist, oder? Sonst
melde ich ein Perpetuum Mobile an ;-)
Das definiere ich als entladen, genauso wie ein Kondensator entladen
ist, wenn die Spannung 0 ist. Dann ist die durch W=0,5•L•I^2
gespeicherte Energie auch 0.
Interessant ist jetzt, wo die Energie hingegangen ist. Der größte Teil
sollte hoffentlich als elektrische Energie im Kondensator gespeichert
sein, sonst ist der ganze Versuch sinnlos. Ein Teil ist in der Diode zu
Wärme geworden, ein anderer Teil im Leiter (zu Wärme geworde), wozu ich
auch den Wicklungsdraht zähle. Ein Anteil könnte auch noch in der
Wicklungskapazität liegen.
Dann bleibt noch die Frage, ob in der Restmagnetisierung des Kerns
Energie gespeichert ist und wenn ja, wie viel.
L. H. schrieb:> "Veränderliche" Konstantstromquelle ist ein Widerspruch in sich> selbst.:)
Stimmt. Ich meinte veränderliche Stromquelle.
L. H. schrieb:> Wie lange hast Du die L jeweils aufgeladen bzw. entladen?
Mehrere Sekunden geladen, also deutlich länger als die Zeitkonstante.
Entladen habe ich sie in den Kondensator, was nur Sekundenbruchteile
gedauert hat.
L. H. schrieb:> Dein C hat bei 42 V eine Kapazität von 1 µF.
Er ist bis 63 V ausgelegt.
Den Versuch habe ich nochmal mit 10 µF wiederholt und die Spannung
steigt auf 20 V an. Von der gespeicherten Energie deckt sich das ganz
gut mit 1 µF/60 V. Die Kondensatoren waren vorher entladen, also 0 V.
Schön, daß Du diese Versuche machst.
Denn sie sind nicht nur bzgl. Deines Mess-Vorhabens, sondern m.E. auch
generell interessant.
Überlegen wir also alle miteinander, wo und wie sich evtl. noch etwas
verbessern läßt.:)
Dussel schrieb:> Massiv ja. Automatenstahl? Uns wurde es als Magnetstahl 'verkauft'> (gegeben). Aber ich kenne mich mit den Bezeichnungen nicht so aus. Ich> dachte immer, dass Automatenstahl kein besonders guter Magnetwerkstoff> ist.
Automatenstahl:
http://www.trafileriamauri.com/de/catalogo_dett.php?id_prod=5&id_cat=7
ist tatsächlich kein besonders guter Magnetwerkstoff - da dachtest Du
schon richtig.
Man kann zwar auch einen Stahl, der bzgl. guter Zerspanbarkeit legiert
ist, so wie jeden anderen auch, magnetisieren.
Fraglich ist aber jeweils immer, ob das dann auch das "Gelbe vom Ei"
ist.;)
Hier sehen wir, wo Automatenstahl einzuordnen ist:
http://tridelta.de/viomatrix/imgs/download/greifermagnete-d.pdf
Für Magnetisierung von Kernen per Spulen ist am besten Weicheisen
(Schmiedeeisen, Flußstahl) geeignet.
Also Stähle, die auch noch unter St 37 liegen können.
Massiv oder nicht, hängt vom Betrieb ab.
Wenn ein Magnetfeld permanent (mehr oder weniger) aufrecht erhalten
werden soll, kann man die Kerne auch massiv machen.
Z.B. Läufer in Generatoren.
Wird aber ständig an- und abschwellend magnetisiert, sind geblechte
Kerne die bessere Lösung.
Z.B. Kerne von Zündspulen.
Dussel schrieb:> Wir sind uns wohl einig, dass irgendwann der Strom 0 ist, oder? Sonst> melde ich ein Perpetuum Mobile an ;-)> Das definiere ich als entladen, genauso wie ein Kondensator entladen> ist, wenn die Spannung 0 ist. Dann ist die durch W=0,5•L•I^2> gespeicherte Energie auch 0.> Interessant ist jetzt, wo die Energie hingegangen ist. Der größte Teil> sollte hoffentlich als elektrische Energie im Kondensator gespeichert> sein, sonst ist der ganze Versuch sinnlos. Ein Teil ist in der Diode zu> Wärme geworden, ein anderer Teil im Leiter (zu Wärme geworde), wozu ich> auch den Wicklungsdraht zähle. Ein Anteil könnte auch noch in der> Wicklungskapazität liegen.> Dann bleibt noch die Frage, ob in der Restmagnetisierung des Kerns> Energie gespeichert ist und wenn ja, wie viel.
PM gibt es nicht. Da sind wir uns schon einig.
Die Entlade-Möglichkeit der L sehe ich bisher (noch) durch die
Auflade-Möglichkeit des C bedingt.
Sinnlos ist Dein Versuch m.E. keineswegs, weil er bereits zeigt, daß die
Möglichkeit besteht, per 3 V magnetisierter L einen C auf eine erheblich
höhere U aufladen zu können.
Wenn Du eine Diode mit 0,7 V U-Abfall verwendest, könntest Du die gegen
eine Schottky-Diode austauschen.
Bzgl. Wicklung wurde schon ganz richtig gesagt:
Stephan H. schrieb:> Nimm doch die PC-Soundkarte + Audacity als Frequenzgenerator.> Um 500Hz müsstens schon sein, leider etwas hoch für einen Eisenkern.> Ansonsten ist aber der Wicklungswiderstand zu störend.
Wicklungswiderstand läßt sich verändern.
Sei es durch Verkürzung der Wicklung und/oder Erhöhung des
Drahtquerschnittes.
Kommt ja immer darauf an, was man erreichen will.
Ich denke, die Remanenz können wir bei der Bewertung unberücksichtigt
lassen.
Weil sie als "Sockel-Betrag" der L-Magnetisierung erhalten bleibt.
D.h. bei der erstmaligen Magnetisierung der L muß dieser Sockelbetrag
"einmalig" geleistet werden.
Danach aber nicht mehr.
Ab dann magnetisierst Du von dem aus nur hoch und wieder zurück.
L. H. schrieb:> Ich denke, die Remanenz können wir bei der Bewertung unberücksichtigt> lassen.> Weil sie als "Sockel-Betrag" der L-Magnetisierung erhalten bleibt.> D.h. bei der erstmaligen Magnetisierung der L muß dieser Sockelbetrag> "einmalig" geleistet werden.> Danach aber nicht mehr.> Ab dann magnetisierst Du von dem aus nur hoch und wieder zurück.
Ach was!
Um das Thema vorläufig abzuschließen, wollte ich nur kurz mitteilen,
dass es mit der Induktivitätsmessung nicht geklappt hat und in
absehbarer Zeit wohl auch nichts mehr wird. Wenn es (in mehreren Wochen
oder Monaten) doch nochwas wird, schreibe ich von den Ergebnissen.
Dussel schrieb:> ... Die Spule habe ich mit Strom 'geladen' und> dann die Verbindung nach Masse getrennt. Währenddessen habe ich die> maximale Spannung am Kondensator gemessen. Durch Gleichsetzen der> Energien habe ich die Induktivität berechnt.
Ich hätte jetzt gedacht, dass beim Wegnehmen des Stromes durch die Spule
eine recht heftige Spannungsspitze aufgrund der induzierten
Gegenspannung auftritt (Lenz´sche Regel). Diese Spannung ist für den
Kondensator vielleicht schon viel zu viel.
J. Ad. schrieb:> Ich hätte jetzt gedacht, dass beim Wegnehmen des Stromes durch die Spule> eine recht heftige Spannungsspitze aufgrund der induzierten> Gegenspannung auftritt (Lenz´sche Regel).
Da hast du was falsch verstanden. Die Verbindung nach Masse wurde
getrennt, aber der Strom konnte in den Kondensator weiterfließen. Damit
wurde der Strom nicht 'weggenommen'.
Dussel schrieb:> J. Ad. schrieb:>> Ich hätte jetzt gedacht, dass beim Wegnehmen des Stromes durch die Spule>> eine recht heftige Spannungsspitze aufgrund der induzierten>> Gegenspannung auftritt (Lenz´sche Regel).> Da hast du was falsch verstanden. Die Verbindung nach Masse wurde> getrennt, aber der Strom konnte in den Kondensator weiterfließen. Damit> wurde der Strom nicht 'weggenommen'.
Ok, ich hatte es so verstanden, dass die Spule "unter Strom" steht und
dann die Kontakte getrennt und auf den Elko gelegt werden.
Aber was hat die Masse damit zu tun? Wurde nicht die Spannungsversorgung
getrennt?
Da wäre ne Skizze mal ganz interessant.
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