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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Trnsformator Sättigung, Luftspalt, Energie? Ein paar Fragen.


Autor: Frank (Gast)
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Welcher Strom bestimmt wann der Kern sättigt?
Es müsste der Magenetiseirungsstrom da dieser ja den Fluß und damit die 
Flußdichte aufbaut, oder?
Ist die Sättgung unabhängig vom Laststrom (Also Strom durch 
Sekundärwicklung)?

Der Magnetiserungstrom fließt durch die Hauptinduktivität. Das würde 
bedeuten, wenn ich die Windungszahlen gleichzeitig (Berhältniss gleich) 
erhöhe wird auch die Hauptinduktivität größer, richtig?

Dass würde bedeuten, dass bei gleich langer Einschaltdauer der mag. 
Strom langsamer ansteigt und der Sättigungsstrom später erreicht wird. 
Gedankengang richtig?

Was bestimmt die im Transformator gespeicherte Energie? In der 
Hauptinduktivität?

Ist mir völling unklar...
In einem Flyback mus der Trafo energie speichern ist klar, deshalb ein 
Luftspalt.
In einem Flußwandler soll der trafo nichts speichern, deshalb kein 
Luftspalt.

Jedoch hat ein Trafo ohne Luftspalt eine wesentlich höhere 
Hauptinduktivität und müsste mehr Energie speichern?
Der Luftspalt senkt ja die Hauptinduktivität wieso sgt man dann, dass in 
diesem die Energie gespeichert ist?

Ich weiß viele Fragen, aber ich check den Transformator einfach nicht :(

: Verschoben durch Admin
Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Frank schrieb:

> Der Magnetiserungstrom fließt durch die Hauptinduktivität. Das würde
> bedeuten, wenn ich die Windungszahlen gleichzeitig (Berhältniss gleich)
> erhöhe wird auch die Hauptinduktivität größer, richtig?

Ja

> Dass würde bedeuten, dass bei gleich langer Einschaltdauer der mag.
> Strom langsamer ansteigt und der Sättigungsstrom später erreicht wird.
> Gedankengang richtig?

Dadurch dass du mehr Windungen hast, reicht schon ein kleinerer Strom um 
ein stärkeres Magnetfeld zu erreichen.

> Was bestimmt die im Transformator gespeicherte Energie? In der
> Hauptinduktivität?

E=0,5*L*I²

> In einem Flyback mus der Trafo energie speichern ist klar, deshalb ein
> Luftspalt.
> In einem Flußwandler soll der trafo nichts speichern, deshalb kein
> Luftspalt.

Ja, so in etwa.

> Jedoch hat ein Trafo ohne Luftspalt eine wesentlich höhere
> Hauptinduktivität und müsste mehr Energie speichern?

Aber der Kern kommt dann schon bei einem wesentlich geringeren Strom in 
die Sättigung.

Autor: Frank (Gast)
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>> Was bestimmt die im Transformator gespeicherte Energie? In der
>> Hauptinduktivität?

>E=0,5*L*I²

Welches L?
Die Hauptinduktivität?
Dann müsste ja ein Kern ohne Luftspalt mehr Energie speichern da Lh viel 
höher ist.

>> Dass würde bedeuten, dass bei gleich langer Einschaltdauer der mag.
>> Strom langsamer ansteigt und der Sättigungsstrom später erreicht wird.
>> Gedankengang richtig?

>Dadurch dass du mehr Windungen hast, reicht schon ein kleinerer Strom um
>ein stärkeres Magnetfeld zu erreichen.

Sättigt der Transformtor mit mehr Windungen dann früher oder später? 
Müsste später sein? Sonst würde man ja die Windugszahl jedes Trafos auf 
1 kürzen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Frank schrieb:
>>> Was bestimmt die im Transformator gespeicherte Energie? In der
>>> Hauptinduktivität?
>
>>E=0,5*L*I²
>
> Welches L?
> Die Hauptinduktivität?

Ja.

> Dann müsste ja ein Kern ohne Luftspalt mehr Energie speichern da Lh viel
> höher ist.

Aber der Strom ab dem der Kern sättigt wird niedriger.

> Sättigt der Transformtor mit mehr Windungen dann früher oder später?
> Müsste später sein? Sonst würde man ja die Windugszahl jedes Trafos auf
> 1 kürzen.

Er sättigt bei N*I. Wenn man N verdoppelt muss man I daher halbieren 
wenn man an der Sättigungsgrenze ist.
Wenn man N verdoppelt, vervierfacht sich L. Die gespeicherte Energie 
bleibt also gleich.
Eine Windung von 1 geht theoretisch, nur muss der Strom dann 
entsprechend hoch sein.

Autor: Frank (Gast)
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>> Sättigt der Transformtor mit mehr Windungen dann früher oder später?
>> Müsste später sein? Sonst würde man ja die Windugszahl jedes Trafos auf
>> 1 kürzen.

>Er sättigt bei N*I. Wenn man N verdoppelt muss man I daher halbieren
>wenn man an der Sättigungsgrenze ist.
>Wenn man N verdoppelt, vervierfacht sich L. Die gespeicherte Energie
>bleibt also gleich.

Ok, dass versteh ich. Wenn man dann an das vervierfachte L die gleiche 
Spannungs-Zeitfläche anlege steigt der Strom langsamer (Steigung ein 
viertel) dh der Sättigungsstrom wird nicht oder später erreicht. In 
einem Flußwandler könnte man dann die Schaltfrequenz senken.
Gedankengang richtig?


>Eine Windung von 1 geht theoretisch, nur muss der Strom dann
>entsprechend hoch sein.
Und der mag. Strom steigt dann sehr schnell an (Lh sehr klein)

MFG

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Frank schrieb:
> Wenn man dann an das vervierfachte L die gleiche
> Spannungs-Zeitfläche anlege steigt der Strom langsamer (Steigung ein
> viertel) dh der Sättigungsstrom wird nicht oder später erreicht. In
> einem Flußwandler könnte man dann die Schaltfrequenz senken.
> Gedankengang richtig?

Ja. Allerdings sinkt damit die übertragene Energie: Sagen wir mal der 
Kern speichert 1mJ (dieser Wert ist ja durch den Kern begrenzt und 
unabhängig von der Windungszahl). Je häufiger diese 1mJ übertragen 
werden, desto mehr Energie überträgt man.

Autor: Frank (Gast)
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Also erstmal dnke für die Hilfe!

>Ja. Allerdings sinkt damit die übertragene Energie: Sagen wir mal der
>Kern speichert 1mJ (dieser Wert ist ja durch den Kern begrenzt und
>unabhängig von der Windungszahl). Je häufiger diese 1mJ übertragen
>werden, desto mehr Energie überträgt man.

Hm...
Ja die speicherbare Energie ist durch den Kern begrenzt, deshalb wird zb 
bei einem Boost Konverter die Drossel größer wenn man die Frequenz 
senkt.

Doch beim Flußwandler muß ja nichts gespeichert werden.

Wenn ich bei einem Flußwandler die Windungszahlen erhöhe bleibt ja  die 
Spannung senkundär gleich. Nehmen wir ann die übertragene Leistung 
bleibt gleich und man senkt die Frequenz. Der mittlere Sekundär- und 
Primärstrom muss auch gleich bleiben, der mag. Strom sättigt den Kern 
noch nicht. Der Stromripple in der Filterdrossel steigt an, klar.

Mir geht es darum ob man durch erhöhung der Windungszahl die 
Schaltfrequenz bei einem Flußwandler senken kann? (klar, mehr Windungen 
geht auf Kosten von Kupferverlussten, davon mal abgesehen)

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Frank schrieb:
> Hm...
> Ja die speicherbare Energie ist durch den Kern begrenzt, deshalb wird zb
> bei einem Boost Konverter die Drossel größer wenn man die Frequenz
> senkt.
>
> Doch beim Flußwandler muß ja nichts gespeichert werden.

Ja. Ich hatte das Flusswandler überlesen.

> Mir geht es darum ob man durch erhöhung der Windungszahl die
> Schaltfrequenz bei einem Flußwandler senken kann? (klar, mehr Windungen
> geht auf Kosten von Kupferverlussten, davon mal abgesehen)

Ja.

Autor: Frank (Gast)
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Danke,

Konkret geht es darum:

Ich habe einen interleaved Flußwandler, also 2 Trafos die je 500Watt 
übertragen.
Die Eingangsspannung ist 410V (Zwischenkreis) die Ausgangsspannung 
maximal 54V

Die Windungszahl habe ich Anfangs mit 30:5 gewählt. Sekundär liegen dann 
so 68V an, beide Wandler laufen mit d=0.4, macht gefiltert die 54V am 
Ausgang. Das Problem ist das der Wirkungsgrad plötzlich zu niedrig ist. 
(die spec hat jemand einfach so geändert )
Meine erste Idee waren Synchrongleichrichter an der Flußdiodem, hatte 
gute 7Watt gespart. Ist aber zu wenig, also dachte ich daran die 
Frequenz zu senken. Der Trafo läuft speziell bei hoher Temperatur schon 
nahe an der Sättigungsgrenze.  Bischen runtergeschraubt und siehe 
Anhang.

Wenn ich auf 36:6 gehe und Bmax nicht erhöhe könnte ich dann von 200kHz 
auf 160kHz gehen. (Gleicher Kernquerschnitt, Spg-Zeitfläche größer, aber 
auch Nprm größer) Meint ihr das funktioniert?

Und welche Methoden kann ich noch anwenden für mehr Wirkungsgrad?

MFG

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Frank schrieb:

> Wenn ich auf 36:6 gehe und Bmax nicht erhöhe könnte ich dann von 200kHz
> auf 160kHz gehen. (Gleicher Kernquerschnitt, Spg-Zeitfläche größer, aber
> auch Nprm größer) Meint ihr das funktioniert?

Versuchs erstmal ohne die Frequenz zu verringern: Mehr Windungen bei 
gleicher Frequenz bedeuten eine geringere Flussdichte und somit weniger 
Verluste im Kern.

> Und welche Methoden kann ich noch anwenden für mehr Wirkungsgrad?

Hast du mal mit eine Wärmebildkamera untersucht wo die meiste Energie 
verloren geht?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Frank (Gast)

>Frequenz zu senken. Der Trafo läuft speziell bei hoher Temperatur schon
>nahe an der Sättigungsgrenze.  Bischen runtergeschraubt und siehe
>Anhang.

Na der ist aber immer noch in der Sättigung! Der Peak kurz vor dem Ende 
der Rampe! Und Sättigung ALLEIN ist bei Schaltnetzteilen sowieso nicht 
das Thema, weil man der Magnetisierungsverluste wegen sowieso DEUTLICH 
unter der Sättigungsgrenze beleiben MUSS!

http://ludens.cl/Electron/Magnet.html

>Wenn ich auf 36:6 gehe und Bmax nicht erhöhe könnte ich dann von 200kHz

Wie schon gesagt, Windungen erhöhen und Frequenz gleich lassen.

Mfg
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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"You really need the core manufacturer's data, to determine how much 
flux density is acceptable. To give you a rough idea, first consider 
that at these frequencies almost always ferrite material is used. And 
ferrite saturates at about 0.3 to 0.4T, so this will be the absolute 
limit. For typical power-type ferrite material, at 25kHz you will have 
to keep the flux density below 0.15T, and at 100kHz below 0.05T. But a 
lot depends on core size too. A larger core will have to run at lower 
flux density in order to avoid overheating."

Autor: Falla (Gast)
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Ja mit einer Wärmebildkamera hab ich mir das Teil schon angesehen:
Der Kühlkörper der Mosfets ist groß und wird sehr warm (leider sind auch 
andere halbleiter drauf), vom Gefühl würd ich sagen dass bei 200kHz die 
Schaltverluste schon einiges fressen.  Der Kern wird leider auch warm 
(60°C)

>For typical power-type ferrite material, at 25kHz you will have
>to keep the flux density below 0.15T, and at 100kHz below 0.05T
Also so niedrig ist die Flußdichte in keinem hartgeschalteten Gerät dass 
ich kenne. Im momment geht der Kern bis auf 240mT.

Ich hab einen 36:6 Trafo gewickelt. Den werd ich mal mit normaler 
frequenz ausprobieren. Irgendeinen Punkt muss es ja geben wo das 
optimale Verhältniss zwischen Kernverlusten und Schalterverlusten 
herrscht. Werd dann f einfach nach und nach senken und schaun wann 
weniger verbraten wird.

Müsste funktioniern oder?

Bei Materialien wie Highflux, MPP, etc wird ja immer eine Formel für die 
Kernverluste angegeben (abhängig von B und f) dabei ist der Exponent von 
B immer größer. Wie ist das beim Ferrit?

Autor: Frank (Gast)
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war mein Post (Frank) war wer anders am PC ;)

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Nachtrag:
Die Magnetisierung des Kernes im Flußwandler ist übrigens weitgehend 
unabhängig vom Luftspalt. Wenn die Spule eine bestimmte Zeit an die 
Betriebsspannung gelegt wird, ergibt sich am Ende dieser Zeit ein 
bestimmter Fluß. Der Luftspalt bestimmt nur, wie hoch der dazu nötige 
Magnetisierungsstrom ist. Nicht ganz zufällig hat der magn. Fluß die 
Einheit Vs. Es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen der 
Spannungs-Zeit-Fläche und dem magn. Fluß oder genauer gesagt, beides ist 
identisch (bei einer Windung). Wenn man wissen will, wann der Kern in 
die Sättigung geht, muß man nur den max. magn. Fluß des Kernes mit der 
Windungszahl multiplizieren und erhält dann direkt die max. 
Spannungs-Zeit-Fläche. Den Umweg über die Berechnung des 
Magnetisierungsstromes in Abhängigkeit vom Luftspalt ist völlig unnötig.

Jörg

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Welcher Strom bestimmt wann der Kern sättigt?
Die primärseitige Eingangsspannung bzw. besser gesagt die induzierende 
Spannung (=Eingangsspannung abzüglich der Spannungsabfälle an 
Streuinduktivität und ohmschen Wicklungswiderständen)! Der Fluß folgt 
der Spannung.

Wenn es unbedingt ein Strom sein muß, dann der Magnetisierungsstrom. 
Dieser wird zum Feldaufbau benötigt. Er steigt bei Sättigung massiv an.

> Es müsste der Magenetiseirungsstrom da dieser ja den Fluß und damit die
> Flußdichte aufbaut, oder?
genau

> Ist die Sättgung unabhängig vom Laststrom (Also Strom durch
> Sekundärwicklung)?
Ja, weitestgehend. Es geht schließlich nur um den Fluß, und der Fluß 
wird bei Vernachlässigung der Streuinduktivität und der 
Wicklungswiderstände durch die Eingangsspannung bestimmt.

Die Sättigung tritt prinzipiell am ehesten bei Leerlauf ein. Bei Last 
verringert sich die maximale Spannungszeitfläche unter der 
Eingangsspannung aufgrund von Wicklungswiderständen und 
Streuinduktivitäten.

> Jedoch hat ein Trafo ohne Luftspalt eine wesentlich höhere
> Hauptinduktivität und müsste mehr Energie speichern?
> Der Luftspalt senkt ja die Hauptinduktivität wieso sgt man dann, dass in
> diesem die Energie gespeichert ist?
Die Energiedichte beträgt 1/2*B*H. Im Luftspalt ist das B genauso groß 
wie überall im Magnetkreis, und das H ist nicht mehr homöopathisch 
klein. Deshalb befindet sich die meiste Energie im Luftspalt.


Gruß,
  Michael

Autor: M. Köhler (sylaina)
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>Deshalb befindet sich die meiste Energie im Luftspalt

Dazu kann man noch sagen: Jede Energie ausserhalb der Luft macht nur 
eines: Die Umgebung aufheizen. Energie ausserhalb der Luft trägt nur zu 
den Verlusten bei ;)

Autor: Hopla (Gast)
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Wo ist es besser den Luftspalt zu haben EI30 Drossel.
Wie zwei Lieferanten einer macht den Luftspalt ins der andere ins E

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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