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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wirkungsgrad beim Schaltreger mit galv. Trennung (Flyback)


Autor: ogg (Gast)
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Hallo Forum,

hab ein schaltregler in Flyback mit NCP3063 für galvanisch getrennte 
Versorgung gebaut. Folgende Eckdaten:

Uin=10-30V
Uout=5V
Iout=0,35A
L=27uH

Nun habe ich die Schaltung in Betrieb genommen und Messungen 
durchgeführt. Ich belaste den Schaltregler mit Rl=15 Ohm, Uout=5V. So 
weit schein alles zu funktionieren.

Bis auf die Tatsache, dass EIngangsleistung = 3W ist!! Bei einer 
Ausgangsleistung von 5V*0,35A=1,75W ergibt es 1,75/3 = 58% Wirkungsgrad. 
Nicht gerade berauschend.

Noch schlimmer wirds, wenn die Eingangsspannung über 27V ansteigt. Dann 
steigt die Eingangsleistung bis auf 4W und bei 30V auf 5,5W. Also das 
richt schon stark nach einer Verlustleistung im Rsense oder Trafo, weil 
diese dann auch ordentlich warm werden.

Kann mir jemand aus Erfahrung sagen, ob dieser Wirkungsgrad für die 
galvanische Trennung "normal" ist?

Autor: mandrake (Gast)
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Welche Frequenz fährst du?
Hast du ein Snubbernetz? -> Da geht viel Leistung drauf-
Wird der Trafo warm? Und hat der auch einen ausreichenden Luftspalt?
Welches Kernmaterial nutzt du?

Meine erste Vermutung wäre, dass dein Trafo falsch dimensioniert ist.
Entweder kann nicht genug Energie gespeichert werden, oder die 
Ummagnetisierungsverluste sind zu hoch, oder deine Kopplung ist zu 
schlecht und es gibt zu viel Streufluss.

Bei einer Schaltung, die ich entworfen habe kam ich auf einen 
Wirkungsgrad von ca 73%.

Poste mal mehr Infos dann sehen wir weiter.

Gruß

Mandrake

Autor: ogg (Gast)
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>Welche Frequenz fährst du?
wenn Uin=12V => fswitch=

>Hast du ein Snubbernetz? -> Da geht viel Leistung drauf-
nein, wollte ich extra vemeiden. ich habe nur 2xC mit je 33uF Elkos und 
ein RC-TP mit 0,22R und 100uF Tantal

>Wird der Trafo warm?
ja

>Und hat der auch einen ausreichenden Luftspalt?
>Welches Kernmaterial nutzt du?
Ich benutze standard Trafo von Würth mit 27uH (siehe Anahng)

Autor: ogg (Gast)
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sorry, hier noch der nachtrag:

Uin=12V => fswitch=90kHz
Uin=24V => fswitch=38kHz

Ct=1nF -> heißt max. fosc.=150kHz

Autor: Gast (Gast)
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>L=27uH

Warum so geizig? Bei diesen niedrigen Frequenzen sollte die Induktivität 
Faktor 10 größer sein.

Autor: ogg (Gast)
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>Warum so geizig? Bei diesen niedrigen Frequenzen sollte die Induktivität
>Faktor 10 größer sein.

ich brauch keine "einfache" Induktivität, sondern einen Trafo mit 4 
wicklungen (Zwecks der Feedback-leitung, weil diese ). Zwei Primäre und 
zwei Sekundäre oder eine primär und die zwei sekundär.

Ich hatte keinen passenden gefunden, der höhere Induktivität hatte mit 
annehmbaren Sättigungsstrom.

Autor: vorbis (Gast)
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Der "Versa-Pac Flyback Calculator" 
http://www.cooperbussmann.com/3/CooperCoiltronicsT...
ist bekannt? Nur mal so für einen Sanity Check.

Autor: Gast (Gast)
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>Ich hatte keinen passenden gefunden,

Dann wundere Dich nicht, wenn Dir der Wirkungsgrad nicht paßt :-)

Autor: mandrake (Gast)
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OK, das sind doch schon einmal brauchbare Infos.
Lass uns mal ein paar Betrachtungen machen:

Benötigte gespeicherte Energie im Kern:

90kHz -> 19,44µJ
38kHz -> 46,06µJ

So nun die speicherbare Energie im Kern:


Das stimmt halbwegs mit dem Datenblatt überein.

Jetzt sieht man schon, dass nur ein Bruchteil der benötigten Energie 
überhaupt gespeichert wird.

Abhilfe:
Bei 90kHz müsste die Basisinduktivität 29,32 mal größer sein.
Bei 38kHz müsste die Basisinduktivität 69,4 mal größer sein.

Man kann jedoch auch die Frequenz erhöhen, dann muss nicht soviel 
Energie gespeichert werden.


Ui das ist schon ordentlich. Da wirst du wohl doch die Induktivität 
erhöhen müssen. Zum Beispiel durch Reiheschaltung einiger deiner 
Basisinduktivitäten. Und zusätzlich musst du die Frequenz erhöhen.

Gruß

Mandrake

Autor: ogg (Gast)
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>Dann wundere Dich nicht, wenn Dir der Wirkungsgrad nicht paßt :-)
Es war nicht die Rede, dass er nicht passt. Vielmehr war eine allgemeine 
Frage nach Erfahrungsberichten in Raum gestellt.

Aber danke für deine Antwort. -:)

Autor: mandrake (Gast)
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Noch was wichtiges vergessen:

Zusammenschalten nutzt auch nichts. Weil die Druchflutung und damit die 
maximale Flussdichte gleichbleiben muss, nimmt der zulässige 
Sättigungsstrom
mit jeder zusätzlichen Windung ab.

Konkret bedeutet das, wenn du alle fünf Spulen in Reihe schaltest, 
darfst du nur noch 1/5 des Sättigungsstroms fließen lassen um die 
maximale Flussdichte zu erreichen. Da der Strom jedoch quadratisch in 
die Energie eingeht kannst du mit jeder weiteren Windung immer weniger 
Energie speichern.



also:


Wie sieht es mit der Energie aus:

nach dem Kürzen:


Ergo: Du brauchst einen anderen Speichertrafo.

Autor: ogg (Gast)
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@Mandrake

Hey, das ist klasse erklärt! Danke!
Es ist mir alles bekannt. Aber ich bin mittlerweile zu "tief" drin und 
erkenn das "Wesentliche" nicht.

Mal sehen ob ich im Labor noch ein Trafo da hab...

Autor: Gast (Gast)
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Es gibt SMD-Speicherdrosseln mit z.B. 2x400µH (Talema), die man in Reihe 
oder parallel schalten kann. Diese könnte man ggf. als Trafo 
mißbrauchen.

Autor: Martin #### (martin-)
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Also ich habe mir das Datenblatt an gesehen, und frage mich: hat dieser 
Kern Überhaupt einen Luftspalt ?
Weil die Energiemenge (0,77µJ) die er speichern kann ist selbst für 
seine Größe winzig.
Zum Vergleich: in einem 1mm^3 Luft bei 0,22T(Max. Flussdichte von diesem 
Kern) kann man ca. 20µJ Energie Speichern.

Autor: ogg (Gast)
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OK.
Wie ich feststellen musste, habe ich keinen anderen Trafo im Labor. D.h. 
wieder recherchieren. Cooper Bussmann habe ich angeschaut. Im Prinzip 
sind die angebotenen Trafos zu denen von Würth vergleichbar. Nur dass 
die von Cooper höhere Werte für Isat haben. Ganz interessant und 
Hilfreich fand ich die Excel-Tools, durch die man eine Trafo-Empfehlung 
für eigene Applikation bekommt. Danke an dieser Stelle an vorbis.

OK. Ich fasse nochmal zusammen welche Werte der ideale Trafo für meine 
Schaltung haben sollte:

Gegeben:
fswitch = 200kHz (max) => T = 5us
Uswitch = 1,5V
Uin = 10V-30V
Uout1 = 5V (Uout2=5V)
Iout = 0,15A (Iout2=0,2A)
Aufbau: Flyback

Gesucht: Transformator mit je 2 prim/sek Windungen

Bestimmen von ILmax: (Wird durch externen Rsense an NCP3063 definiert)
Rsense gewählt: 0,4Ohm => Ionmax = 0,2V/0,4Ohm = 0,5A

Bestimmen von ton:
ton/toff = ü*Uout/Uin => 0,17 < ton/toff < 0,5 (Annahme: ü = 1)
ton = (T*ton/toff)/(1+ton/toff) => 0,726us < ton < 1,667us

Bestimmen von Induktivität L:
L = tonmax*(Uin-Uswitch)/ILonmax
L = 1,667us*(Uin-1,5V)/0,5A => 28,339uH < L < 95,019uH
Ergebniss: L sollte größergleich 95uH sein

Bestimmen von Isat der Induktivität:
W = P/f = 1,75W/200kHz = 8,75uJ
Isat = (2W/L)^(1/2) = 0,429A bei L = 95,019uH

Wenn der Transformator so aufgebaut ist, dass 2 primäre und zwei 
sekundäre Windungen hat, die von einander getrennt sind - werden primäre 
Windungen in Serie geschaltet. Dies hat zu folge:
k=2
Isat = (2*k*W/L)^(1/2) = 0,607A

Also benötige ich ein Trafo mit:

Lmind = 95uH
Isatmind = 0,61A
oder mit
W = ca. 8uJ

Ob es sowas ergendwo gibt... Kennt jemand evtl. Lieferanden oder 
Hersteller , die etwas in der Art anbieten?

Autor: mandrake (Gast)
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Ich bins nochmal:

Wenn du ein richtiges Layout mit Multilayer planst hätte ich vielleicht 
einen Lösungsansatz für dich. Vor einem Jahr kam ich auch in die 
Verlegenheit einen Flybackwandler zu entwerfen. Den kundenspezifischen 
Trafo habe ich über Planartechnik realisiert. Dabei werden die Spulen in 
PCB-Technik realisiert und nur noch ein geeigneter Planarkern 
eingeklippt.
Vielleicht bringt dich das weiter.

Gruß

Mandrake

P.S.: Habe damals auch nach anderen Trafos geschaut und mir auch die von 
Würth angesehen. Was vergleichbares und passendes von der Stange habe 
ich allerdings nicht gefunden.

Autor: jose (Gast)
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Hallo mandrake,

danke für den Hinweis. Leider ist nur eine 2-Lagige Platine gefordert - 
wie immer aus Kostengründen. Planartechnik wirds also eher nicht sein, 
obwohl es sehr interessant sein könnte.

mandrake, sind meine Berechnungnen schlüssig?
Ich danke dir vilemals für deine Hilfe und Coolness!!

Autor: mandrake (Gast)
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Hallo jose oder ogg,

Die Berechnungen sehen ganz gut aus. Ob das die richtige Rangehensweise 
ist kann ich nicht sagen. Ich bin damals so vorgegangen:

1. Festlegen der Frequenz, Ausgangsleistung, Kernmaterial und
Übersetzungsverhältnisses.

2. Berechnung der benötigten Energie (wie oben).

3. Aus dem Datenblatt für das Kernmaterial die maximale Flussdichte und 
damit den maximalen Fluss bei gegebenen Querschnitt berechnen.

4. Über die gegebene maximale magn. Flussdichte und die benötigte 
Energie,
das Luftspaltvolumen berechnen.

5. Bei gegebenen Querschnitt ergibt sich die Länge des Luftspalt.

6. Da die Feldstärke im Kern um einige Hundertfache kleiner ist als die 
im Luftspalt, berechnet sich die Induktivität eigentlich ausschließlich 
über den AL-Wert des Luftspalts. (L = N² x ALluft)

7. Über die Formel W = 0,5 LI² und gewünschten Isat und W auf L 
schließen.

8. N ausrechnen.

9. Fertig

Ist jetzt aus meinem Gedächtnis skizziert aber ich meine so habe ich es 
gemacht. Ist halt auch schon ein Jahr her....


Viel Erfolg

Mandrake

Autor: ogg (Gast)
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OK, vielen Dank.
Das Problem mit dem Trafo ist mit viel Klarer. Vorher wußte ich nicht so 
genau an welchen Trafo-Parametern mein Problem genau liegt.

Mal sehen ob ich doch noch einen Trafo von der Stange finde oder ob ich 
einen Herstellen lassen muss.


MfG ogg

P.S.: Ich war vorher am anderen PC (Gemeinschafts-PC), da die 
"Name-Zeile" den Namen merkt, hab versehentlich unter falschem Name 
gepostet. Sorry.

Autor: gast (Gast)
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Aber was spricht eigentlich gegen DC/DC Wandler ???

Autor: ogg (Gast)
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>Aber was spricht eigentlich gegen DC/DC Wandler ???
TEchnisch gesehen nichts. Optimale Lösung, mit der ich sehr glücklich 
wäre!
Wirtschaftlich gesehen - unsinn. Denn für einen DC/DC mit Uin 10V-30V, 
mit zwei galvanisch getrennten Ausgägnen von je 5V und 200mA bezahlt man 
15 Euro aufwärts.

Wenn aber jemand einen sollchen DC/DC kennt, teile es mir bitte mit. Ich 
würde auch gerne einen fertigen DC/DC einsetzten.

Autor: Gast (Gast)
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>mit zwei galvanisch getrennten Ausgägnen von je 5V und 200mA

Das ist neu?

Autor: ogg (Gast)
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>Das ist neu?
Entschuldigung, aber ich verstehe nicht, ob dies eine Frage (Ist das 
neu?) ist oder eine These (Das ist neu!).

Was meinst du damit?

Autor: Gast (Gast)
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>Uin=10-30V
>Uout=5V
>Iout=0,35A

Bislang war die Rede von einem einzigen Ausgang. Daher meine Frage, ob 
zwei Ausgänge jetzt eine neue Anforderung sind.

Autor: ogg (Gast)
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@Gast
du hast recht. ganz oben habe ich das nicht angegeben.

Aber für die Dimensionierung des Trafos habe ich Folgendes angegeben:
>Gegeben:
>fswitch = 200kHz (max) => T = 5us
>Uswitch = 1,5V
>Uin = 10V-30V
>Uout1 = 5V (Uout2=5V)
>Iout = 0,15A (Iout2=0,2A)
>Aufbau: Flyback

Auserdem, wenn man ein Flyback aufbaut, brauchen ca. 90% aller 
Schaltregler einen Feedback. Diese Feedback-Leitung muss von der 
Versorgung getrennt werden -  damit eine galvanische Trennung zw. 
Eingang und Ausgang realisiert werden kann.
Feedback kann so realisiert werden, dass er über einen Optokopller 
geführt wird. Oder aber durch eine zweite Wicklung des Trafos wenn diese 
vorhanden ist. Weil viele Trafos mit mehreren Wicklungen angeboten 
werden, bietet sich die zweite Möglichkeit an. Nachteil dabei ist 
jedoch, dass man Feedback nicht an der "echten" (benutzte/belastete) 
Ausgangsspannung hat, sondern am Pseudoausgang. Kann dazu führen, dass 
die benutzte Ausgangspannung nicht mehr sauber - z.B. durch einen 
Spannungsteiler wie bei MC30063 eingestellt werden kann.

Für meine Schaltung habe ich mich ebenfalls für die zweite Aufbauart 
entschieden - also ohne Optokoppler. Dann hats sich angeboten paar 
Bateile, die nicht galvanisch getrennt sein müssen an die Versorgung mit 
der Feedbackleitung anzuhängen.

Autor: ogg (Gast)
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Ich habe hier ein Fehler entdeckt:

>Bestimmen von Induktivität L:
>L = tonmax*(Uin-Uswitch)/ILonmax
>L = 1,667us*(Uin-1,5V)/0,5A => 28,339uH < L < 95,019uH
>Ergebniss: L sollte größergleich 95uH sein

ich nehme hier für die Berchnung tonmax, sowohl für Uinmin wie auch für 
Uinmax
Dies trifft aber nicht zu. Denn tonmax stellt sich nur dann ein, wenn 
Uinmin (10V) anliegt. Genauso stellt sich tonmin wenn Uinmax (30V) 
anliegt.

d.h. die Induktivität für 10V Eingangspannung errechnet sich aus:
L = 1,667us*(Uinmin-1,5V)/0,5A = 28,339uH

für 30V würde es bedeuten:
L = 0,726us*(Uinmax-1,5V)/0,5A = 41,382uH

Isat muss ebenfalls korregiert werden. Er wird größer ausfallen.

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