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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Fragen zu Speicherdrossel


Autor: Bri (Gast)
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Hallo,
für einen step-up Wandler bräuchte ich eine Speicherdrossel. Bei dieser
kommt es ja darauf an, dass die magnetische Energie in einem Luftspalt
gespeichert werden kann. Dieser Luftspallt kann ja entweder im Material
direkt sein oder eben ein echter Luftspalt sein. Und nun die Fragen:

1. Wie kann man bei einer Drossel feststellen, ob sie als 
Speicherdrossel
geeignet ist, wenn man keine Informationen über das Kernmaterial hat? 
Kann
man das durch Messungen herausfinden?

2. Könnte man in Spice eine Speicherdrossel und eine normale 
modellieren, so
dass man in der Simulation sehen kann, dass die eine nicht in einem 
step-up
Wandler funktioniert? Wodurch unterscheidet sich die Speicherdrossel 
elektrisch von einer normalen?

3. Auf dem Bild im Anhang ist eine Drossel zu sehen, die ich aus einer 
kaputten Energiesparlampe ausgebaut habe. Man sieht da ganz deutlich 
einen Spalt von ca. 1mm bei dem Kern, was hier wohl ein Fertigungsfehler 
ist. (vermutlich handgewickelt und gebaut in China :-), war eine Lampe 
für 1,50 Euro) Diese Drossel müsste doch gut als Speicherdrossel 
geeignet sein, oder? (Die Induktivität hab ich schon gemessen. Die würde 
in etwa passen.)


MfG, Bri

Autor: Frank (Gast)
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Wann (und ob) das Kernmaterial in die Sättigung geht, könnte man noch 
messen (oder aus dem Drahtquerschnitt abschätzen). Für welche 
Schaltfrequenz das Kernmaterial geeignet ist? Keine Ahnung.

Die Speicherdrossel eignet sich, wie der Name schon sagt, besonders zum 
Speichern von Energie:
E = ½ L I²
Wenn das µr,eff durch einen Luftspalt verringert wird, braucht es 
entsprechend mehr Strom, um die Spule in die Sättigung zu bringen. 
Dieser geht wiederum quadratisch in die gespeicherte Energie ein und, 
voilá, die speicherbare Energie ist größer.

Ich glaube nicht, dass der Spalt ein Fertigungsfehler ist. Wenn Du das 
Ding verwenden willst, bau ne Sicherung ein und probier es aus. Könnte 
klappen.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Autor: sous (Gast)
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Man verwendet meistens Drosseln ohne Luftspalt als Speicherdrosseln:
Am besten Ringkerndrosseln, welche ein besonders geringes Streufeld 
haben.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Zu deiner Frage Nummer 1. Man gibt Impulse durch die Primärwicklung der 
Spule mit immer längerer Zeit und beobachtet am Oszi wann der 
Spannungsanstieg aufhört, dann ist man an der Sättigung. Ab diesem 
Moment tritt nur noch der ohmsche Wiederstand der Drahtwicklung auf, 
wodurch der Strom enorm ansteigt. Und das gilt es zu verhindern. Man 
nimmt also entweder nen größeren oder einen Kern der z.B. durch einen 
Luftspalt mehr Energie Speichern kann oder man erhöht die Frequenz 
wodurch die Impulse wieder kurzer werden. Es ist also wichtig das man 
vor der Sättigung abschaltet sonst wird das Schaltelement und die restl. 
Bauteile extrem beansprucht.

Autor: johnny.m (Gast)
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@sous:
> Man verwendet meistens Drosseln ohne Luftspalt als Speicherdrosseln:
Das ist, gelinde gesagt, völliger Unsinn!

Die Energie wird im Großen und Ganzen im Luftspalt gespeichert. Ein 
luftspaltloser Kern geht viel zu schnell in Sättigung und müsste einen 
exorbitant hohen Querschnitt haben, um ausreichend Energie speichern zu 
können.

Erkundige Dich bitte demnächst, bevor Du hier Deinen Senf dazu gibst!

Wenn eine Drossel ohne "sichtbaren" Luftspalt verwendet wird, dann 
deshalb, weil dem Kernmaterial Füllstoffe zugesetzt werden, die für 
einen kontinuierlich verteilten Luftspalt sorgen.

Autor: Jens (Gast)
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> Das ist, gelinde gesagt, völliger Unsinn!

> Erkundige Dich bitte demnächst, bevor Du hier Deinen Senf dazu gibst!

Ich habe noch keinen step-up-Wandler gesehen, der eine Drossel mit 
Luftspalt verwendet.

> Wenn eine Drossel ohne "sichtbaren" Luftspalt verwendet wird, dann
> deshalb, weil dem Kernmaterial Füllstoffe zugesetzt werden, die für
> einen kontinuierlich verteilten Luftspalt sorgen.

Entschuldige, aber das ist völliger Blödsinn.

Autor: johnny.m (Gast)
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@Jens:
> Ich habe noch keinen step-up-Wandler gesehen, der eine Drossel mit
> Luftspalt verwendet.
Dann solltest Du diese Erfahrung vielleicht mal nachholen! Ich 
persönlich habe schon reichlich gesehen...

> Entschuldige, aber das ist völliger Blödsinn.
Ist es nicht.

Step-Up-Wandler gibt es in unterschiedlichen Ausführungen bzw. 
Technologien. Boost-Converter benötigen eine Speicherdrossel, um die 
Energie zwischenzuspeichern. Die Step-Up-Wandler, die Du meinst, sind 
aber in der Regel (meist aus EMV-Gründen) keine Boost-Converter und 
benötigen aufgrund ihres Aufbaus auch keine Speicherdrossel! Es ging in 
diesem Thread und auch in meinem Posting von oben um Speicherdrosseln 
und nicht um Übertrager o.ä.!

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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@Bri
Soweit ich weiß, ist es in PSpice nicht möglich die Sättigung eines 
Kerns zu simulieren. Würde mich aber freuen wenn es doch geht.

@Jens & Johnny
Wenn ich den Luftspalt so groß mache, dass kein Kern mehr übrigbleibt 
(Luftdrossel) kann ich dann sehr viel Energie speichern?

Hier mal was Fundiertes zum Lesen:
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/snt/snt_...
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/aww_smps.html

PS: wenn ich einen Schaltregler mit LM2576 baue verwende ich die 
Funkentstördrosseln FED 100µ von Reichelt weil sie billig sind.
Das sind Sinterkerndrosseln, also praktisch mit Luftspalt im Material.
Dass die Schaltung trotzdem funktioniert liegt daran, dass trotz 
"Luftspalt" die Induktivität groß genug ist um einen (mehr oder weniger) 
kontinuierlichen Stromfluss zu gewährleisten. Nur darauf kommt es an :-)

Autor: Michael (Gast)
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> Wenn ich den Luftspalt so groß mache, dass kein Kern mehr übrigbleibt
> (Luftdrossel) kann ich dann sehr viel Energie speichern?

Schön, daß endlich einer die Luftnummer beendet :-)

Autor: Dieter Werner (Gast)
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> Wenn ich den Luftspalt so groß mache, dass kein Kern mehr übrigbleibt
> (Luftdrossel) kann ich dann sehr viel Energie speichern?

Im Prinzip ja, aber die Drossel wird dann auch sehr groß. Ich habe hier 
eine 40µH Drossel auf Keramikkern, die hat 28 Windungen mit 4mm Draht, 
Außendurchmesser 125 mm und Länge 200 mm.
Zusätzlicher Nebeneffekt: da das Magnetfeld nicht durch einen Kern 
gebündelt wird ist eine äußere magnetische Abschirmumg nötig, ansonsten 
gibt das eine prima magnetische Antenne.

Das Optimum ist erreicht, wenn bei der maximalen Strombelastbarkeit der 
Wicklung der Kern gerade noch nicht in der Sättigung ist.

Die Entstördrosseln sind nur für kleine Leistungen einsetzbar, die sind 
auf relativ große Verluste ausgelegt um die Störungen gut zu dämpfen.
Durch den schlechten Wirkungsgrad werden die bei höheren Leistungen sehr 
warm.

Autor: Frank Gnurapton (pancho)
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Michael wrote:
>> Wenn ich den Luftspalt so groß mache, dass kein Kern mehr übrigbleibt
>> (Luftdrossel) kann ich dann sehr viel Energie speichern?
>
> Schön, daß endlich einer die Luftnummer beendet :-)

Peinlich, oder?

Wie Dieter Werner schon schrieb, kann man in einer Luftspule theoretisch 
beliebig viel Energie speichern. Man muss eben genügend Windungen nehmen 
und den Querschnitt des Drahtes passend dimensionieren. Das wird 
natürlich sehr teuer, weshalb in der Regel Spulen nur in Verbindung mit 
Kernen eingesetzte werden. Wer jetzt meint, mal eben mit der Feile oder 
Säge einen Luftspalt in einen Kern machen zu können: Ein unterschied von 
0,1 mm hat schon einen deutlichen Einfluss auf das µr,eff und damit auf 
die Induktivität.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Ich denke die Hersteller von Auf- oder Abwärtswandlern sind nicht 
bestrebt, große Luftspulen zu bauen um damit den Preis hochzutreiben, 
oder starke Streufelder zu fabrizieren. Wenn doch mal ein Kern mit 
Luftspalt genommen wird könnte das darin liegen, daß sie den billig 
aufgekauft haben, oder die Schaltung soll ein spezielles Verhalten 
zeigen.
Theoretisch geht vieles, aber was würde ich jemand raten, der hier fragt 
welche Speicherdrossel er verwenden soll? Das Wort ist ja schon falsch 
müsste es nicht Speicherinduktivität heißen? Ich will doch nix drosseln.
Auf jeden Fall muss ich je nach Strom, Frequenz und gewünschter 
Restwelligkeit eine bestimmte Induktivität benutzen, wie ist egal.

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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...anstatt euch hier gegenseitig anzumachen (Unfug, Blödsinn etc.) 
solltet ihr vielleicht mal die Anschaffung dieses Werkes hier in 
Erwägung ziehen:
http://www.we-eisos.de/we_web/frames,LA,DE,KA,343.php

Ist natürlich (weil von einem entsprechenden Hersteller publiziert) auf 
bestimmte Produkte zentriert, aber die Grundlagen gelten unabhägig 
davon.

Interessant ist zufällig auch im Zusammenhang mit diesem Thread die 
erste Leseprobe über Bauteile (werden nämlich Speicherdrosseln 
behandelt).

Autor: Michael (Gast)
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> Peinlich, oder?

Stimmt ! Wie muß denn die Luft beschaffen sein ? Mit Vakuum geht's wohl 
nicht ?

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Noch ein Nachtrag an alle Verfechter der Luftspaltdrosseln:
Wenn ein Kern gesättigt ist, bleibt immer noch das µ0 der Luft übrig, so 
dass man weiterhin Energie, in der Art einer Luftspule, speichern kann.
Eine Sinnvolle Anwendung für Luftspaltkerne habe ich immer dann wenn ein 
Gleichstrom überlagert ist der den Kern in die Sättigung treibt.

Aber wo wir uns hier gerade in einem MC-Forum rumtreiben - Wie wärs denn 
mit einem Messgerät, das die Sättigung von Übertrager und Drosseln 
automatisch ausmisst?

Autor: johnny.m (Gast)
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Ihr habt ja alle mehr oder weniger recht. Ob man eine Drossel ohne 
Luftspalt verwenden kann oder einen Luftspalt vorsehen muss (und als 
"Luft" eignet sich im Prinzip jedes Material mit diamagnetischen 
Eigenschaften, also µr ~ 1, und auch Vakuum (µr = 1)), hängt von den 
jeweiligen Bedingungen ab.

Wenn man mit einem Kern ohne Spalt den erforderlichen Strom durchkriegt, 
ohne dass der Kern in Sättigung geht, kann man selbstverständlich einen 
solchen verwenden.

Was mich oben zu der (zugegebenermaßen übertriebenen, sorry...) Reaktion 
veranlasst hat, war eben die Aussage, dass man für Speicherdrosseln 
meistens Kerne ohne Luftspalt verwendet, was so (auch in meiner eigenen 
Erfahrung, ich habe schon eine ganze Reihe Hoch- und Tiefsetzsteller 
gebaut und auch die dazugehörigen Speicherdrosseln selber gewickelt) 
nicht die ganze Wahrheit ist. In vielen Fällen (gerade dann, wenn es um 
Optimierung geht, was Baugröße und Wirkungsgrad betrifft und dann, wenn 
man mit einer störenden Gleichstrom-Vormagnetisierung rechnen muss, wie 
Stefan Gemmel richtig angesprochen hat) kommt man um Luftspalt-Kerne 
nicht rum, aber ich selber kenne andererseits auch einige Anwendungen, 
in denen luftspaltlose Kerne eingesetzt werden können.

Bei den auch angesprochenen Eisenpulverkernen ist das Ganze eh nicht so 
kritisch, weil Eisen eine wesentlich höhere Sättigungsflussdichte hat 
als Ferrite. Da kommt man nicht so schnell in die kritischen Bereiche.

Gruß

Johnny

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Die Missverständnisse in solchen Threads entstehen oft dadurch, dass 
jeder von was anderem redet.
Der Leistungselektroniker denkt an die dicken Tiefsetzsteller. Der 
Nachrichtentechniker an die kleinen Drosseln eines Inverswandlers.
Die Antworten werden dann aber allgemein gegeben.

Autor: Unbekannter (Gast)
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Die ganzen Eisenpulver-Ringkerne in Schaltnetzteilen haben einen 
Luftspalt. Man sieht ihn nur nicht, weil es ein verteilter Luftspalt 
ist.

Einfach mal die Datenblätter entsprechender Ringkerne lesen.

Wenn man Ferrite wie N27 oder N30 etc. einsetzt, dann sieht man den 
Luftspalt auch. Wie z.B. im Bild des Eingangsposting.

Es gibt z.B. auch aufgesägte Ringkerne aus Ferrit, oder 
Ringkern-Hälften. Da ist dann auch der Luftspalt vorhanden.

Ergo: Luftspalt hat man praktisch immer, man sieht ihn nur nicht immer. 
Ansonsten würden die Induktivitäten mechanisch sehr groß werden.

Und ja, man könnte auch eine Luftspule als Speicherdrossel einsetzen. 
Nur dass das Ding riesig wäre und wirtschaftlich und mechanisch völliger 
Blödsinn.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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> Ergo: Luftspalt hat man praktisch immer, man sieht ihn nur nicht immer.
> Ansonsten würden die Induktivitäten mechanisch sehr groß werden.
>
Fang doch nicht schon wieder mit dem Unsinn an.
Die Induktivität wird aus µ, N und A berechnet.
Kleineres µ bedeutet größere Windungszahl oder größerer Querschnitt. 
Also GRÖSSER! nicht kleiner

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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@ Unbekannter

>Und ja, man könnte auch eine Luftspule als Speicherdrossel einsetzen.
>Nur dass das Ding riesig wäre und wirtschaftlich und mechanisch völliger
>Blödsinn.

Das stimmt auch nicht. Bei größeren Leistungen können Luftspulen 
durchaus wirtschaftlicher sein als Spulen mit Kern. Ich habe mal in 
einem 2-kW-Resonanzwandler eine Luft-Resonanzspule eingesetzt, weil die 
erstens nicht mehr viel größer war als eine Spule mit Kern und zweitens 
die zusätzlich benötigte Kupfermenge weitaus billiger ist als der 
benötigte große Ferritkern. Außerdem wird bei Ferritkernen die 
Kernerhitzung mit zunehmender Größe ein Problem.
Um dem Einwand zuvorzukommen: Resonanzspulen in Resonanzwandlern sind 
auch Speicherdrosseln, müssen aber wesentlich bessere Eigenschaften 
haben als solche in DC-DC-Wandlern. Pulverkerne würden da schnell 
ausglühen.

Jörg

Autor: Jakob Lell (jakob)
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Stefan Gemmel wrote:
>
>> Ergo: Luftspalt hat man praktisch immer, man sieht ihn nur nicht immer.
>> Ansonsten würden die Induktivitäten mechanisch sehr groß werden.
>>
> Fang doch nicht schon wieder mit dem Unsinn an.
> Die Induktivität wird aus µ, N und A berechnet.
> Kleineres µ bedeutet größere Windungszahl oder größerer Querschnitt.
> Also GRÖSSER! nicht kleiner

Wenn es nur darum geht, eine möglichst kleine Spule mit einer gegebenen 
Induktivität zu bauen, dann ist ein Luftspalt in der Tat 
kontraproduktiv. Allerdings geht eine solche Spule zu schnell in die 
Sättigung. Um das zu verhindern, braucht man einen grösseren Kern, was 
die Spule natürlich grösser macht.

Bei Speicherdrosseln geht es darum, möglichst viel Energie zu speichern. 
Die Energie ist 1/2  L  I². Bei einer Spule mit Luftspalt ist zwar die 
Induktivität kleiner, dafür kann der Strom aber grösser sein. Insgesamt 
ist die gespeicherte Energie grösser.

Autor: Frank Gnurapton (pancho)
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> Bei Speicherdrosseln geht es darum, möglichst viel Energie zu speichern.
> Die Energie ist 1/2  L  I². Bei einer Spule mit Luftspalt ist zwar die
> Induktivität kleiner, dafür kann der Strom aber grösser sein. Insgesamt
> ist die gespeicherte Energie grösser.

Einige wollen es wohl einfach nicht verstehen/glauben/lesen. Sinngemäß 
steht das schon in der ersten Antwort. Vielleicht klappt es ja diesmal 
;-P

Die Luftspaltgegner unter euch haben sicher Recht. Alle Hersteller von 
Spulenkernen sind total bescheuert, weil sie absichtlich Füllstoffe 
einsetzen, die funktional einem Luftspalt gleichkommen.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Die Formel zum Berechnen einer Induktivität steht z.B in Wiki:

L=N^2  µ0  µr * A / (2   PI   r)

Wenn ich eine Luftspalt einbaue, bei gleichem Kern,
habe ich weniger Induktivität richtig?

Nun geh ich auf Schmidt-Walters HP (Aufwärtswandler):
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/aww_smps.html

Vorgaben:
Ue 20V
Ua 40V
Ia 10A
f 1kHz
errechnete Induktivität 1,25mH
Der Laststrom schwankt dabei um etwa 8A

Nun baue ich einen Luftspalt ein
(ich erhöhe damit µ und habe eine geringere Induktivität)
Ich setze ein L=0,5mH
Und siehe da der Strom in der Last schwankt schon um 20A

Ich möchte aber doch einen möglichst glatten Gleichstrom :-(

Hat jemand eine Erklärung?

PS: das Gleiche kann ich auch in PSpice simulieren.

Autor: Arno H. (Gast)
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Hallo,
der (elektrische) Wert der Induktivität sollte schon gleichbleiben. Du 
musst den geringeren Betrag von µges durch konstruktive Massnahmen wie 
Erhöhung der Windungszahl oder größeren Querschnitt des Kerns 
ausgleichen.
Arno

Autor: Wandler (Gast)
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um die Verwirrung zu komplettieren:

Bei Zündspulen, die ja nur als DC Spulen betrieben werden und jede Menge 
Energie speichern sollen, baut man anstelle des Luftspalts ein 
Permanentmagnetscheibchen ein, dessen Feld dem des Spulenfelds 
entgegengesetzt ist. Somit kommt man noch später in die Sättigung und 
kann mehr Energie speichern.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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stimmt soweit alles mit dem Luftspalt und mehr Energie speichern.
Aber in der Praxis habe ich damit ein Problem.
Zuerst berechne ich immer die Induktivität die ich brauche.
Dann wähle ich entsprechend der Leistung einen Kern
Auf diesen kriege ich vom Platz her nur wenige Windungen.
Würde ich einen Luftspalt einfügen, bräuchte ich mehr Windungen.
Geht aber nicht (Bild)

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Wenn du den Kern entsprechend der zu speichernden Energie auswählst 
sollte es klappen.

Auf der oben schon genannten Website gibts auch entsprechende Daten für 
einige Kerne:
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/l_s...

Autor: Arno H. (Gast)
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Hallo,
Füllfaktor vergrößern:
http://www.j-lasslop.de/jlasslop/index.php?id=63
HF-Litze gibt es auch qadratisch.
Arno

Autor: Thomas O. (kosmos)
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in Zündspulen wie auch in Trafos werden auch gerne isolierte Bleche zu 
Blechpaketen gestappelt, diese Isolierschicht stellt im Prinzip auch 
diesen Spalt dar. Und ein 50Hz Trafo wird ja eigentlich die größte 
Energiemenge speichern (müssen).

Verstehe aber das Geschrei hier nicht, wenn jemand kleine und billige 
Spulen verwenden will soll er doch einfach die Frequenz noch weiter 
erhöhen und schon sind die Impulse so kurz das man nicht in den 
Sättigungsbereich kommt.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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@Thomas:

>in Zündspulen wie auch in Trafos werden auch gerne isolierte Bleche zu
>Blechpaketen gestappelt, diese Isolierschicht stellt im Prinzip auch
>diesen Spalt dar.

Das ist falsch. Die isolierschicht dient ausschließlich als Barriere für 
Wirbelströme und sorgt so für geringere Kernverluste. Ein wirksamer 
Luftspalt muß senkrecht zur Feldlinienrichtung verlaufen. Der Spalt 
zwischen Blechen verläuft in Feldlinienrichtung und ist somit als 
Luftspalt im magnetischen Kreis nicht wirksam.

>Und ein 50Hz Trafo wird ja eigentlich die größte
>Energiemenge speichern (müssen).

Nein, im Gegenteil. "Normale" 50-Hz-Trafos müssen von allen Trafos die 
geringste Energiemenge speichern (im Verhältnis zur Baugröße). Das 
erreicht man durch den nicht vorhandenen Luftspalt und die hohe 
Permeabilität des Eisens.

Jörg

Autor: johnny.m (Gast)
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...Das ist ja grad der Unterschied zwischen einem Transformator und 
einer Speicherdrossel: Die Speicherdrossel muss die Energie, wie der 
Name bereits andeutet, speichern. Der "normale" Trafo bzw. Übertrager 
speichert keine Energie, sondern gibt sie sofort weiter. Es findet dabei 
also nur eine Energie-Wandlung, jedoch keine Speicherung statt. Bei der 
Speicherdrossel im Hochsetzsteller bzw. beim Speicherübertrager im 
Sperrwandler wird die Energie im Prinzip immer im Wechsel eingebracht 
und wieder abgegeben (Bsp. Hochsetzsteller: Transistor an -> Magnetfeld 
wird aufgebaut, Energie gespeichert, Transistor aus -> Magnetfeld wird 
über Freilaufdiode abgebaut, gespeicherte Energie wird an die 
Ausgangsseite abgegeben), beim Trafo und auch bei einigen 
Gleichstromsteller-Topologien (Durchflusswandler) geschieht das 
"Füttern" und "Ausscheiden" gleichzeitig, so dass keine Energie 
gespeichert werden muss.

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