Drahtlose Energieübertragung

[Simon (Gast)]

Moin,
Ich habe eine Frage zur Drahtlosen Energieübertragung.
Und zwar möchte ich eine LED oder eine kleine Glühbirne zum
leuchten bringen.
Das hat auch schon beides geklappt, allerdings die LED 10 cm ( primär: 
12 Wicklungen mit 0,75mm² und sekundär mit 110 Wicklungen und die waren 
auf einer Platine geätzt). Bei der Lampe musste ich die Spulen direkt 
aufeinander liegen lassen( ohne elektrischen Kontakt) damit sie hell 
leuchtete. Bei einem Abstand von 5 cm konnte man nur noch ein leichtes 
glimmen erkennen.

Meine Frage ist jetzt wie ich das beste Verhältnis von primär zur 
sekundär Spule berechnen kann.

Danke =)

[ich (Gast)]

mehr Wicklungen = größeres Feld.

aber: mehr Wicklungen = höhere Induktivität. Also Reihenschwingkreis 
bauen damit du überhaupt Leistung reinbekommst

[Falk B. (falk)]

@  Simon (Gast)

>Meine Frage ist jetzt wie ich das beste Verhältnis von primär zur
>sekundär Spule berechnen kann.

Sagen wir mal abschätzen. Rechnen kann man das nur seeeehr schwer, wenn 
man die passenden CAD-Programme und die Kenntnisse hat, kann man es 
recht gut simulieren.

Pi Mal Daumen kann man sagen.

Wenn man den Abstand der Spulen auf den halben Spulendurchmesser 
begrenzt hat man vielleicht noch 10% Koppelfaktor. Sprich, 10% des 
Magnetfeldes der Primärspule landen in der Sekundärspule. Den Rest kann 
man wie eine Trafo betrachten.

Ausgangsspannung = N2/N1 * Koppelfaktor

Wobei N2 die WIndungszahl der Sekundär, N1 der Primärspule sind.

Damit das Ganze nicht in Millionen Windungen endet, muss man die 
Frequenz der Speisung erhöhen. 100kHz sind mal ein guter Ansatz, dann 
reichen 10..30 Windungen auf der Primärseite. Alles mal so Pi mal Daumen 
versteht sich.

Speisen kann man das sehr einfach und elegant mit einem Royer-Converter.

http://www.serious-technology.de/kleiner-wandler.htm

Mfg
Falk

[Falk B. (falk)]

To whom it may concern . . .

[Daniel R. (daniel_r)]

Falk Brunner schrieb:
> @  Simon (Gast)
>
>>Meine Frage ist jetzt wie ich das beste Verhältnis von primär zur
>>sekundär Spule berechnen kann.
>
> Sagen wir mal abschätzen. Rechnen kann man das nur seeeehr schwer, wenn
> man die passenden CAD-Programme und die Kenntnisse hat, kann man es
> recht gut simulieren.


Warum soll man das nur sehr schwer rechnen können? Man darf nur keine 
Angst vor Integralen haben, dann ist es gut machbar. Wenn man einen 
symmetrischen Aufbau hat sowieso.
Man kann über Oersted und Ampère die Feldstärken und Flüsse berechnen. 
Den Kopplungsfaktor gibts praktisch fast gratis mit dazu, wenn man die 
Gegeninduktivität ausrechnet. Damit wärs getan.

Simulieren ist natürlich einfacher, aber die gute Vektoranalysis 
erschlägt nach wie vor die meisten Problemstellungen mit links.

Gruss Daniel

[Falk B. (falk)]

@  Daniel R. (daniel_r)

>Simulieren ist natürlich einfacher, aber die gute Vektoranalysis
>erschlägt nach wie vor die meisten Problemstellungen mit links.

Na dann rechne uns das doch bitte mal fix vor. Ist ja einfach.
Und dann vergleichen wir deine Rechung mit praktischen Messungen.

MfG
Falk

[Daniel R. (daniel_r)]

Da ich wichtigeres zu tun habe, als hier Mathenachhilfe zu geben gibts 
nur das Ergebnis.

$$a:=Spulenl\ddot{a}nge$$

$$L_{11}=L_{22}=N\cdot\frac{\mu_{0}\cdot a}{\pi}\left(\frac{1}{4}+ln\left(\frac{b}{r}\right)\right)$$

$$M=N^{2}\frac{\mu_{0}\cdot a}{2\pi}ln\left(\frac{b^{2}+d^{2}}{d^{2}}\right)$$

$$L_{S1}=L_{S2}=L_{11}-M$$

$$L_{S1}, L_{S2}$$

 Streuinduktivitäten

Kopplungsfaktor: Google.

Daniel

[Falk B. (falk)]

So, hier der brandneue Artikel Royer Converter, jetzt auch mit 
praktischem Beispiel und realen Messergebnissen.

MFG
Falk

[Bensch (Gast)]

> So, hier der brandneue Artikel Royer Converter,

Interssanter Artikel.
Ich hab vor etwa 20 Jahren fast genauso eine Ladeschaltung für ein 
Ex-geschütztes BDE-Terminal gebaut. Aufgebaut mit 2 Ferrit-E-Kernen 
hatte das Teil bei 50 kHz eine Ladeleistung von 1W bei einem 
Wirkungsgrad von 50%.

Abgesehen davon, dass eine Akkuladung mit Trickle-Charge nicht das Gelbe 
vom Ei ist für einen NiCd-Akku, war das eine sehr gute Lösung.

[Lehrmann M. (ubimbo)]

50% Wirkungsgrad klingt ja schon fas patentreif =) gibts da noch 
aufzeichnungen - das würde mich schwer interessieren ....

[Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)]

Ja richtig,

dieser Thread verdient es nicht in den Abgründen des Forums zu vesinken, 
sondern dauerhaft verlinkt zu werden nicht nur über die Suchfunktion.
Vielleichht kann Falk seinen Tuturialbeitrag ja dahingehend erweitern, 
auch die übrigen links welche im Thread enthalten sind zu erfassen. 
vielleicht unter einem Übergeordneten Thema "Drahtlose 
Energieübertragung"?

[müllreycler (Gast)]

bei 50% Effizienz steck ich lieber den Stecker, statt die Hälfte der 
Energie in die Luft zu pusten.

[Bensch (Gast)]

> 50% Wirkungsgrad klingt ja schon fas patentreif =) gibts da noch
aufzeichnungen - das würde mich schwer interessieren ....

Nein, keine Aufzeichnungen mehr.
Aber kurze Beschreibung aus dem Kopf:
Primärseitig Oszillator 50 kHz mit einem Transistor und 
Rückkopplungswicklung (Standard, hab ich auch irgendwo übernommen).
Sekundärseitig Wicklung mit Mittelanzafung und Zweiweggleichrichtung, 
Kondensator über der Gesamtwicklung zur Resonanzabstimmung.

> bei 50% Effizienz steck ich lieber den Stecker, statt die Hälfte der
Energie in die Luft zu pusten.

Mal wieder einer, der zwar schreiben, aber nicht lesen kann....
Ich schrieb von einem EX-geschützten Gerät.
Nebenbei sind aggressive Medien in der Betriebsumgebung vorhanden, die 
den Einsatz zuverlässiger metallischer Kontakte sehr teuer werden 
lassen.

[Falk B. (falk)]

@  Bensch (Gast)

>> bei 50% Effizienz steck ich lieber den Stecker, statt die Hälfte der
>> Energie in die Luft zu pusten.

>Mal wieder einer, der zwar schreiben, aber nicht lesen kann....
>Ich schrieb von einem EX-geschützten Gerät.

Eben. Vor allem weil wir hier gerade mal über 1W Verlustleistung 
sprechen.
Jeder Flachbildschirm zieht mehr Stand-By power!

MFg
Falk

[Falk B. (falk)]

@  Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)

>dieser Thread verdient es nicht in den Abgründen des Forums zu vesinken,
>sondern dauerhaft verlinkt zu werden nicht nur über die Suchfunktion.

Naja, soooviel steht hier nun eigentlich nicht drin. Aber mein Anhang 
mit dem PDF ist schon im Artikel verlinkt.

>auch die übrigen links welche im Thread enthalten sind zu erfassen.

Sind schon drin.

>vielleicht unter einem Übergeordneten Thema "Drahtlose
>Energieübertragung"?

Unter Weblinks

MFG
Falk

[Falk B. (falk)]

WOW! 1002 Abfragen vom Artikel Royer Converter in gerade mal 2 
Wochen. Stolz ;-)

Hab heute mal fix was probiert. Man sollte KEINE Drahtpotis zur 
Lastvariation nutzen. Die haben soviel Induktivität (bei mir 12uH, macht 
8Ohm bei 105kHz), dass die dadurch den Maximalstrom gut drosseln 8-0.
Selbt einfache Drahtwiderstände sind mit 3uH/2Ohm induktivem Anteil 
schon beachtlich.

MFg
Falk

[Daniel R. (daniel_r)]

Falk Brunner schrieb:
> @  Daniel R. (daniel_r)
>
>>Simulieren ist natürlich einfacher, aber die gute Vektoranalysis
>>erschlägt nach wie vor die meisten Problemstellungen mit links.
>
> Na dann rechne uns das doch bitte mal fix vor. Ist ja einfach.
> Und dann vergleichen wir deine Rechung mit praktischen Messungen.
>
> MfG
> Falk

Ich warte noch immer auf den Vergleich.

[Lukas (Gast)]

@Daniel R.

>Ich warte noch immer auf den Vergleich.

Darauf kannst Du womöglich noch lang warten. Falk`s Schuss ging wohl ein 
bisschen nach hinten los. Womöglich hat er wirklich Angst vor Integralen 
;)

Mir haben die Formeln sehr bei der Dimensionierung eines galvanisch 
getrennten Gatetreibers für einen Hochspannungs DC/DC-Konverters 
geholfen.

Lukas

[Falk B. (falk)]

@  Daniel R. (daniel_r)

>      Lufttrafo.jpg

Weil ja bald Weihnachten ist, hier mal ein paar Messwerte.

a= 5mm, b=23mm, d=80mm, N=20



->

Gemessen

$$L_{0, 1}=75 \mu H$$

$$L_{K, 1}=70,7 \mu H$$

$$L_{0, 2}=87 \mu H$$

->

$$k=\sqrt{1-\frac{L_K}{L_0}}=0,23$$

Der Koppelfaktor passt sehr gut mit der Messung an meinem [[Royer 
Converter]] überein, 9V Peak rechnerisch, 10V Peak real.

Daraus folgt aus der bekannten Gleichung

$$M=k \sqrt{L_1 \cdot L_2}$$

eine Koppelinduktivität M=18,8 µH

Nach deiner Rechnung

M=31,8nH

wenn ich mich nicht verrechnet habe. Hmmm, da stimmt was nicht.

Wahrscheinlich gelten diese Formeln nur für lange Spulen. Die hat man in 
dieser Anwendung aber eher selten.

MFG
Falk

[Abdul K. (ehydra)]

Hm. Ist wohl diskussionbedürftig. Habe mal den Ausdruck meines erprobten 
Lieblings angehängt. Nachgemessen habe ich es nicht.

Sind die Parameter richtig übernommen?


Mit FEMM kann man es genau berechnen.

[Falk B. (falk)]

@  Abdul K. (ehydra) Benutzerseite

>Sind die Parameter richtig übernommen?

Nein. Die Spulenlänge ist 5mm, der Abstand Mitte-Mitte zwischen den 
Spulen ist 23mm.

>Mit FEMM kann man es genau berechnen.

Mach mal, interessiert mich. Wobei ich ziemlich sicher bin, dass die 
gemessenen Werte gut erreicht werden.

MFG
Falk

[Abdul K. (ehydra)]

Kriege einen Krampf im Hirn mit dieser Nomenklatur. Eine Zeichnung würde 
echt helfen! Eine Länge von nur 5mm?? Falk und Daniel scheinen 
unterschiedliche Systeme zu benutzen.
Maximales L bekommt man bei annähernd würfelförmiger Spule. Stimmt nicht 
ganz, kommt aber als Merkhilfe gut. Wann maximale Kopplung erreicht 
wird? Gute Frage. Wohl eher bei länglichen Spulen.

Nehme mal an, das L_außen einen Durchmesser von 80mm hat, L_innen hätte 
dann 80-23 , also 57mm.


Das ergibt mit obigen Ringkernrechner:
L_außen=73,6uH
L_innen=47,6uH

Bei Durchmesser gleich 80+23 wären es 101,3uH

Bisher war ich mit diesem Programm für praxisrelevante Spulen immer 
zufrieden. Meine Messungen ergaben immer gute Übereinstimmung.
Zumal man ja auch noch vor allem bei Ferriten eine frequenzabhängige 
Komponente hat - die die Genauigkeit stark begrenzt.


Im Snelling "Soft Ferrites" <Bibel der Ferrite> ist auch noch eine 
Formel mit Berücksichtigung der Drahtdicke angegeben. Wenn man mir 
diesen Wert nennt, rechne ich es damit gerne mal aus. Die Formel hat 
noch ein Korrekturdiagramm dabei.


Wie man mit FEMM den Koppelfaktor berechnet, weiß ich bislang nicht. 
Hatte damit nur ferritische Zylinderspulen für Ferritantennen simuliert 
und mir dabei vor allem angeschaut, wie die Feldstärke unter/an der 
Oberfläche des Ferrites und am Draht aussieht.


Vielleicht steht was im Snelling zum Koppelfaktor. Werde nachschauen.

[Falk B. (falk)]

@  Abdul K. (ehydra) Benutzerseite

>Kriege einen Krampf im Hirn mit dieser Nomenklatur. Eine Zeichnung würde
>echt helfen!

Gibt es doch!

Beitrag "Re: Drahtlose Energieübertragung"

>ganz, kommt aber als Merkhilfe gut. Wann maximale Kopplung erreicht
>wird? Gute Frage. Wohl eher bei länglichen Spulen.

nöö, das kommt darauf an ob es parallele oder konzentrische Spulen sind. 
Siehe

http://www.mikrocontroller.net/articles/Royer_Converter#Leistungsoptimierung

>Nehme mal an, das L_außen einen Durchmesser von 80mm hat, L_innen hätte
>dann 80-23 , also 57mm.

Leider auch falsch.

Die Spule kannst du in obigen Artikel sehen. Dort hab ich die einfach an 
den Rand geschoben und eine zweite auf die andere Seite des 
"Wickelkörpers" aus Pappe gewickelt.

MfG
Falk

[Daniel R. (daniel_r)]

@Falk:

Meine Formeln beziehen sich auf das Problem des Thread-Erstellers. Er 
hatte die Spulen geätzt, d.h. flach übereinanderliegend und 
üblicherweise rechteckig. Zur Erinnerung nochmal sein Aufbau:

Simon schrieb:

> Das hat auch schon beides geklappt, allerdings die LED 10 cm ( primär:
> 12 Wicklungen mit 0,75mm² und sekundär mit 110 Wicklungen und die waren
> auf einer Platine geätzt).

Deshalb ist klar, dass eine Zylinderspule andere Werte hat.

Daniel

[Daniel R. (daniel_r)]

nochmal @ Falk:

Du hast die Zeichnung ziemlich missverstanden, wie ich gerade merke. 
Schau die nochmal genau an. Das ist der Querschnitt durch die Platine. 
Stell Dir eine 160 x 100mm Platine vor, auf deren Ober- und Unterseite 
je eine rechteckige Spule mit geringer Breite geätzt ist. "d" ist die 
Dicke der Platine. Und "a" ist die Platinenlänge mit 160mm (bzw. 
irgendwas um die 150mm, wenn man Mitte-Mitte der Windungen misst).

Insofern ist es sinnfrei, irgendwelche Abmaße, die die Spule geometrisch 
gar nicht hat, einzusetzten.

>Weil ja bald Weihnachten ist, hier mal ein paar Messwerte.

Kann man dieses Geschenk in was Sinnvolles umtauschen? ;)

Daniel

[Abdul K. (ehydra)]

OK. Da haben wir alle schön aneinander vorbeigeredet. Rechtwinklige 
Spulen kann ich nicht aus dem Ärmel schütteln. Irgendwo habe ich dazu 
ein Paper einsortiert.
Koppelfaktor habe ich im Snelling nachgeschaut. Wird nur einmal dort 
erwähnt (wenn man über den Index geht) und das dortige geschriebene ist 
hier nicht brauchbar.

Ich denke die Berechnung obiger Anordnung interessiert mich momentan 
nicht.


Aber mal was anderes:
Falk hat viel Arbeit in die Doku des Royer-Converter gesteckt, der 
<primäre?> Thread zur Anwendung ist auch ellenlang geworden:
Beitrag "Wer hat Erfahrung mit Induktionsöfen >1kW"

Ich habe nun das konkrete Problem eine HF-Endstufe an einer 
impedanzmäßig variablen Last betreiben zu müssen. Die effektivste 
Schaltungsvariante Class-E ist leider anscheinend auch entsprechend 
extrem impedanzempfindlich. Mir bleiben hier wohl nur zwei weitere 
Möglichkeiten:
2. Class-D ohne PWM
3. Royer-Converter

Mir schwand, das der Royer recht robust auf variable Impedanz reagiert. 
Vor allem Leerlauf und Kurzschluß sehen interessant aus. Was meint ihr, 
macht es Sinn so es mit einem Royer zu versuchen? Bislang sah ich keinen 
Entwurf bei dem mich interessierenden Frequenzbereich von 10 bis 200 
MHz. Blödsinn oder elegant?

[Falk B. (falk)]

@  Daniel R. (daniel_r)

>Du hast die Zeichnung ziemlich missverstanden, wie ich gerade merke.
>Schau die nochmal genau an. Das ist der Querschnitt durch die Platine.

Ach so. Na dann hätte man wohl mal die 1000 Variabeln erklären sollen . 
. .

d= Abstand der Spulen übereinander
b = Durchmesser der Spulen, bzw. x-Ausdenhung
a = Y-Ausdehnung

Macht grob mit meinen Daten

M = 16,5 µH.

Huch, das passt ja ziemlich gut, laut meinen Messwerten oben sind das 
17,3µH.
Na fein. Damit ist die Formel sehr gut brauchbar.

MfG
Falk

[Falk B. (falk)]

@  Abdul K. (ehydra) Benutzerseite

>Ich habe nun das konkrete Problem eine HF-Endstufe an einer
>impedanzmäßig variablen Last betreiben zu müssen.

Welche Leistung? In welchem Impedanzbereich?

>Mir schwand, das der Royer recht robust auf variable Impedanz reagiert.

Naja, der schwingt halt immer auf Resonanz. Und wenn die Komponenten 
driften, dann driftet die Resonanz mit.

>Vor allem Leerlauf und Kurzschluß sehen interessant aus.

Genügend Streuinduktivität vorausgesetzt, ist Kurzschluss unkritisch. 
Leerlauf sowieso.

> Was meint ihr,
>macht es Sinn so es mit einem Royer zu versuchen? Bislang sah ich keinen
>Entwurf bei dem mich interessierenden Frequenzbereich von 10 bis 200
>MHz. Blödsinn oder elegant?

200 MHz Royer? Hmmmm. Aber nur bei kleinen Leistungen im W Bereich, 
schließlich arbeiten die Transistoren dort digital und müssen DEUTLICH 
schneller sein als die Arbeitsfrequenz.

MFG
Falk