Hallo Leute,
in den Schaltungen sieht man hin und wieder Stabilisierungen, die aus
einem seriell eingebundenen Induktivität bestehen. So wie etwa hier:
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23
Zugegeben kein gutes Beispiel, da hier noch einiges mehr dranhängt, aber
so in etwa.Normalerweise werden jedoch Abblockkondensatoren von meist
100 nF verwendet. Kapazitäten sind deutlich günstiger, deshalb nimmt man
sie wohl lieber.
Wären aber statt Abblockkondensatoren entsprechend dimensionierte
Induktivitäten gleichwertig? Wenn ja, wie würde man so ein Drossel
dimensionieren (z.B. entsprechend einem 100nF C)?
Hat die "Drosselvariante" Vor- oder Nachteile gegenüber der
"Kapazitätsvariante"?
Hätte es Sinn, in einer digitalen Schaltung den Blindwiderstand zu
kompensieren (wegen Resonanz)?
Habt vielen Dank für Eure Antworten schon im Voraus!
Michael
Hi Devil,
hab vielen Dank für dein Beitrag, das wusste ich nicht. Es beantwortet
alle meine Fragen fast restlos :-)))))
Jetzt im Ernst: Kennt sich jemand mit der Materie aus?
In Digitalschaltungen werden durch die Kondensatoren Spitzen geblockt
und Spannungnsschwankungen ausgeglichen.
Kondensatoren sind nicht nur günstiger, sondern auch einfacher zu
fertigen.
Spulen nimmt man z.B. in DC-DC-Wandlern, um die Ströme zu
"stabilisieren".
Mit Kondensatoren glättet man die Spannung.
Was genau hast du vor, bzw. wo liegt der Einsatz?
Hi Raccoon,
es ging mir um die Funktion prinzipiell, weniger um eine konkrete
Anwendung. Der Kondensator versucht ja an seinen Ausgängen die Spannung
konstant zu halten, die Spule tut dasselbe mit dem Strom. Deshalb
erfüllt ja eine seriell eingeschleifte Induktivität dasselbe Funktion
wie ein Abblockkondensator, es glättet die Spannungsversorgung in der
Schaltung bzw. versucht das Bezugspotential Masse möglichst "sauber" zu
halten.
In diesem Thread geht es mir um die Diskussion, wie man eine solche
Induktivität dimensioniert und welche Vor- oder Nachteile es in einer
Schaltung haben könnte.
Gruss: Michael
Anm.:
Nachteil des L-s:
Beim Ausschalten versucht die Spule den Strom zu "halten"
=> führt oft zu Funken/kann es
=> daher Freilaufdiode (Bauteil mehr)
Die Drossel ist gerade bei Spannungsspitzen sehr interessant:
z.B. Zündung,
da "einfache" Kondensatoren im oberen Freq.-spek. als L agieren, daher
werden für "schnelle Störungen"/Änderungen
Keramikkond. genommen, die aber i.d.R. kleiner sind.
Faustregeln zum Einsatz von L's in Netzteilen:
Ein Ladekondensator ist Teil eines Tiefpasses, dessen R bei geringer
Leistung aus dem Innenwiderstand des Trafo besteht.
Im R gibt es bei großen Strömen Leistungsverluste.
Ein LC-Tiefpass erreicht die Glättung mit wesentlich weniger
Leistungsverlust.
Bei Leistungsnetzteilen mit 50 Hz war früher meistens die Drossel etwa
gleich groß wie der Trafo, was Eisen- und Kupfergewicht angeht. Diese
ganz grobe Faustregel gilt auch für Leistungs-Schaltwandler, die als
Durchflußwandler arbeiten.
Oder anders: L muss so groß wie möglich sein. R der Spule muss so klein
wie möglich sein. Sättigung des Eisens bzw. des Ferrits darf nicht
eintreten.
Gruß, Peter
wenn man der spannungsversorgung z.B. eines controllers ein L in Reihe
vor schalten würde, würde dann nicht sobald der controller auf einmal
weniger Strom benötigt (sleep mode) das L den Stromfluss aufrecht
erhalten wollen? d.h. die spannung ansteigen lassen?
Deshalb denke ich nimmt man nie ein L alleine zur "Spannungsglättung",
sondern ein LC - dadurch ist der Effekt des "abschaltens" (geringere
Stromaufnahme) für das L verzögert (durch den nachgeschalteten C welcher
im Falle weniger Stromaufnahme den Spannungsanstieg als Ladung
speichert)
Liege ich da einigermaßen richtig? War nur geraten :)
Ein RC Tiefpass ist für hochohmige Anwendungen ein LR Tiefpass für
niederohmige. Beim RC wird die Quelle nicht oder zumindest nicht sehr
belastet dafür eehöht der Widerstand aber den Innenwiderstand, sprich
man kann das Ganze nicht mehr stark belasten, macht man vor OpAmps oder
andere Hochohmige Sachen. Wenn man aber Leistung haben will, also PWM
oder Schaltnetzteil muss man das mit LR (oder auch LC) machen, das
belastet zwar die Quelle die ja aber ohnehin schon sehr niederohmig ist
und das daher abkann, da man aber lediglich die Spule und kein R mehr in
Reihe hat, kann man das ganze auch noch richtig ordendlich belasten, da
die AusgangsImpedanz sehr gering ist, Class-D Verstärker sind ein gutes
Beispiel.
Also nochmal wenn ich ein z.B. ein PWM Signal habe kann ich es RC
filtern und danach noch linear Verstärken ODER ich bleib im
Frequenzbereich (ungefilterte PWM) mit starken FETs und filtere es erst
unmittelbar vor dem Verbraucher, dann aber mit LR.
Ich hoffe das war verständlich. -wiebel
P.S. Kondensatoren sind oft auch deshalb beliebter, weil sie schlicht
näher an idealen Kapazitäten sind als Spulen an idealen Induktivitäten,
will sagen der Innenwiderstand einer Spule ist immer zu hoch, der
Leckstrom eines Kondensators ist hingegen hinreichend nahe Null. Daher
hat peter auch völlig recht, zumindest was die Menge des Kupfers und den
Innenwiderstand angeht. Die Induktivität sollte allerdings schon eher
passend gewöhlt werden.
Und wieder die Stom-Spannungsdualität: eine Ideale Spule hat Null Ohm
und erträgt damit unendlich viel Stom (ohne Thermisch zu sterben),
wärend ein idealer Kondensator auch bei einer Bazillionen Volt noch
unendlichen Widerstand hat. Mit dem Spannungslimit realler Kondensatoren
kann man aber meist besser leben.
>L muss so groß wie möglich sein...
Falsch! Wie wiebel schon sagte: passend gewählt.
Umso höher L ist, umso kleier ist die Restwelligkeit des Stromes, aber
umso träger ist die Regelung! Weil das L in 1/sL in die
Übertragungsfunktion der Strecke eingeht!
Fausformel: Welligkeit = 10% vom Stromnennwert
Morgens um 3 Uhr soetwas so verständlich erklären zu können verdient
grossen Respekt!! Vielen Dank dafür, ich habe einiges dabei gelernt.
Im Endeffekt kann man als Fazit des Threads bisher folgendes
zusammenfassen:
- wenn möglich Kapazitäten verwenden, da sie
kleiner/leichter/günstiger/etwas "idealer" sind. Sie bilden selbst dann,
wenn sie anscheinend "frei" stehen einen RC-Tiefpass.
- Ein RC-Tiefpass ist für hochohmige Schaltungen ideal, wobei die
meisten uC-Schaltungen in diese Kategorie fallen. (da meist "nur"
Signale verarbeitet werden)
- Ein LR- oder LC-Tiefpass eignet sich zum Glätten in niederohmigen
Schaltungen, wie etwa in Motortreibern o.ä. Da der Strom durch die
Spule fliesst, ist der Widerstand im Vergleich zum RC-Tiefpass
wesentlich geringer, da nur der Innenwiderstand der Spule und nicht der
"R"-Anteil des RC auftritt. Somit kann die Glättung direkt am
Verbraucher erfolgen und nicht wie bei der RC-Tiefpass nur vor der
Verstärkung. --> Daraus folgt vermutlich, dass die RC-Lösung etwas
bessere EMV-Werte hat, und die LR/LC-Lösung den Verbraucher etwas besser
stabilisiert. Liege ich da richtig?
Eine Frage bleibt noch offen: wie dimensioniert man einen LR- oder LC-
Tiefpass in der Praxis? Ich habe das Gefühl, dass der "gelehrte" Weg
über Fouriertransformation eher weniger angewendet wird. Gibt es
Faustformeln oder Anhaltswerte (besonders für die erforderliche
Kapazität)?
Peter schrieb weiter oben, dass idealerweise die Induktivität so groß
wie möglich gewählt werden sollte bei möglichst kleinem R_i.
D.h. die Grenzen liegen eigentlich nur bei Preis/Größe bzw. Gewicht?
Gruss: Michael
Für die Dimensionierung von Filtern gibt es sehr einfache Formeln für
die Grenzfrequenz. Wikipedia ist da sehr ergiebig -> Tiefpassfilter
Für RC gilt beispielsweise:
fg=1/2*Pi*R*C
Für LR gilt äquivalent IIRC:
fg=L/2*Pi*R
In jedem Fall ist die Grenzfrequenz definiert als die Frequenz bei der
das Signal um 3dB also um die Hälfte gedämpft wird. Daher ist die Wahl
der Grenzfrequenz kritisch und sollte genügend Luft lassen in beide
Richtungen, oder natürlich man erhöht die Polzahl macht also mehrere
Stufen und erhält somit eine steiler Flanke, wohlgemerkt im
Frequenzbereich. Hier wird auch klar warum der Abstand zw. der Frequenz
des Nutzsignals und z.B. der PWM so viel höher sein sollte als das
Nyquist Theorem eigentlich erlauben würde, man bekommt es anders einfach
nicht gefiltert.
Als beispiel arbeitet mein feiner Class D Verstärker von www.41hz.com
mit einer 300kHz PWM um den Audiobereich abzubilden.
Was LR Filter angeht kann man manchmal auch schlicht drauf verzichten da
Motoren und Lautsprecher ja schon eine ordentliche Induktivität haben,
muss man aber natürlich aufpassen, das diese nicht zu warm werden. Auch
gilt fast immer das physische Aktuatoren, meist dank Massenträgheit oder
Wärmekapazität, sehr stark integrierend wirken (haben also in sich schon
Tiefpasscharakteristik) daher kann man ja auch Herdplatten oder so mit
lästerlich niedrigen Frequenzen ohne jede Filterung schön ansteuern. Ein
Filter der eine 0.5Hz PWM filtern könnte wäre auch unfassbar unhandlich.
-wiebel
[edit: der math tag scheint grade nicht zu gehen, oder ich mach was
falsch]
P.S. Eine Unendliche Induktivität mit einem sehr kleinen Widerstand
hätte die Grenzfrequenz Null man hätte also eine saubere Gleichspannung
(ober besser Gleichstrom) für Schaltnetzteile wäre das gut für andere
Aufgaben verheerend. Wobei der kleine R auch mächtig heizt, weshalb
Schaltnetzteile ja auch am glücklichsten sind wenn sie eine konstante
(kalkulierbare) Last haben, dann nämlich kann man die Last mit in den
Filter einbauen, ist die Last zu gering muss der Widerstand tatsächlich
ordendlich Heizen. Das Gewicht einer Spule ist Proportional zu L/Ri also
kauft man sich ohnehin hohe induktivitäten mit schlechten
Innenwiderständen oder mit massivem Kupfer. Nur so als Gedanke
