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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Trafokern Permeabilität


Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo allseits,

ich bin gerade dabei, Übertrager für große Schaltnetzteile zu 
dimensionieren, und bin dabei auf folgende Frage gestoßen, über die ich 
nun schon Tage lang nachdenke: Welchen Einfluss hat eigentlich die 
Permeabilität des (Ferrit-)Kerns auf das Verhalten des Übertragers?

In die Gleichungen des Idealen Transformators geht ja die Permeabilität 
nirgendwo ein. Ihr Einfluss dürfte sich also auf die Abweichung vom 
idealen Verhalten beziehen. Nur wie? Wenn man z.B. nach U = Bmax  A  f 
* N die Windungszahl berechnet, geht da ja die Permeabilität nicht ein.

Eine Auswirkung, die ich mir vorstellen könnte: Je niedriger die 
Permeabilität des Kernes ist, desto mehr Feldlinien gehen durch die Luft 
statt durch den Kern - die Streuverluste werden größer. Aber ist das die 
EINZIGE Auswirkung der Permeabilität? Oder gibt es noch andere Effekte?

Sollte man für einen Leistungs-Übertrager (100 kHz) eher Kerne mit hoher 
oder mit niedriger Permeabilität benutzen (bei gleicher 
Sättigungsflussdichte)?

Viele Grüße
Martin

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Die Permeabilitaet bestimmt die Anzahl Feldlinien des B-Feldes, bestimmt 
also die Leistungsdichte. Das H-Feld wird duch die Wicklung erzeugt. Und 
die Aenderung des B-Feldes erzeuft die induzierte Spannung.

Autor: A. R. (redegle)
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Bei einer hohen Permeablität brauchst du weniger Windungen -->
dickere und kürzere Leitung möglich --> der ohmsche Widerstand sinkt.

Abhängig von der Geometrie kannst du auf einen größen Ringkern mehr 
Abstand zwischen den Wicklungen lassen, wodurch die parasitäre Kapazitit 
sinkt.

Wenn du Kernmaterial verwendest hast du immer das Problem der Sättigung.
Bei einem höhen Strom sinkt sozusagen die Permeabilität wodurch die 
Induktivität sinkt.

Eine wichtige Frage währe wohl, welche Induktivität du benötigst.

Danach würde ich schauen, was am besten ist.

Es gibt bestimmt auch einen Zusammenhang zwischen Permeabilität und 
Ummagnetisierungsverlusten des Materials.

Autor: MaWin (Gast)
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Es ist relativ witzlos, nur die Permeabilität der Kernmaterial selber zu 
betrachten.
Hinzu kommt der Luftspalt, und das ergibt eine Permeabilität für den 
ganzen Kern.

Bei hoher Permeabilität bekommst du einen steifen Kern,
d.h. auch wenn lange grosse Spannungsdifferenz an seinen
Anschlüssen liegt, steigt der Strom nur langsam (hohe
Induktivität) (bis zu Sättigung...).

Das ist bei einem TRAFO für einen Flusswandler wichtig,
denn dort willst du nur direkt vom Eingang auf den Ausgang
übertragen, den Kern selbst willst du dir am liebsten wegdenken,
du brauchst eine möglichst hohe Permeabilität des Kernmaterials
für gute Koplung und möglichst ideales Trafoverhalten.

Für einen Sperrwandler willst du aber gerade den steigenden
Strom haben, damit du Energie in den Kern laden kannst (auch
hier bevor die Sättigung dir eine Strich durch die Rechnung
macht). Du willst hier niedrige Permeabilität aber hohes
Sättigungsverhalten, daher einen (distributed) Luftspalt.

Siehe
http://www.mikrocontroller.net/articles/Transforma...

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo,

vielen Dank für die Antworten. Den Artikel über Trafos und Spulen auf 
dieser Seite hatte ich zuvor gelesen, er gab mir aber keinen Aufschluss 
über die Frage.

Also sollte bei einem Trafo für einen Flusswandler die Permeabilität 
immer möglichst hoch sein, ja? Mir ist klar, dass die 
Gesamtpermeabilität mit Luftspalt zählt, aber bei Flusswandlern ist ein 
Luftspalt ja meist unerwünscht und man verzichtet darauf.

Natürlich hat die Permeabilität einen entscheidenden Einfluss darauf, 
welche Induktivität meine Wicklung hat. Aber wie kriege ich denn raus, 
welche Induktivität meine Wicklung möglichst haben sollte?

@redegle:
Du sagtest, dass man bei hoher Permeabilität weniger Windungen braucht. 
Wieso? Nach der "üblichen" Gleichung "U = Bmax  A  f * N" ist die 
benötigte Windungszahl ja gar nicht von der Kernpermeabilität abhängig? 
An welcher Stelle geht die in die Windungszahl ein?

Viele Grüße
Martin

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin B. (brehministrator)

>dieser Seite hatte ich zuvor gelesen, er gab mir aber keinen Aufschluss
>über die Frage.

Dann hast du ihn nicht verstanden.

>Also sollte bei einem Trafo für einen Flusswandler die Permeabilität
>immer möglichst hoch sein, ja?

Ja.

>welche Induktivität meine Wicklung hat. Aber wie kriege ich denn raus,
>welche Induktivität meine Wicklung möglichst haben sollte?

Pi mal Daumen sollte der Blindwiderstand der Wicklung um den Faktor 10 
größer sein als der (transformierte) Lastwiderstand. dann ist auch der 
Magnetisierungsstrom nur 1/10 des (transformierten) Laststroms). Steht 
auch im Artikel.

>Du sagtest, dass man bei hoher Permeabilität weniger Windungen braucht.
>Wieso?

Weil das so ist.

> Nach der "üblichen" Gleichung "U = Bmax  A  f * N" ist die
>benötigte Windungszahl ja gar nicht von der Kernpermeabilität abhängig?

Logisch, weil das in der Formel nicht berücksichtigt wird, weil man 
(implizit) davon ausgeht, dass der Anwender sich darum kümmert.

MFG
Falk

Autor: Johannes (Gast)
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> Du sagtest, dass man bei hoher Permeabilität weniger Windungen braucht.
> Wieso?

Die Windungszahl wirkt sich auf zwei Parameter aus, nämlich Induktivität 
und Flussdichte.

Wenn du bei einem Durchflusswandler einen Ferrit mit höherer 
Permeabilität nimmst, brauchst Du weniger Windungen für die gleiche 
Induktivität. Dadurch steigt aber auch die Flussdichte, weil diese vom 
Spannungs-Zeit-Integral, der Windungszahl und dem Kernquerschnitt 
abhängt.

Dann ist es aber auch meistens so, dass Ferrite mit höherer 
Permeabilität bei gleich großem Flussdichte-Ripple mehr Verluste 
erzeugen als Ferrite mit kleinerer Permeabilität, so dass B_max evtl. 
kleiner gewählt werden muss.

Dadurch kann es sogar passieren, dass man mehr Windungen braucht, wenn 
man einen Kern mit größerer Permeabilität einsetzt.

Autor: Ulrich (Gast)
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Bei einem Trafo hat die Permeabilität direkt keinen Einfluß auf die 
nötige Windungszahl. Begrenzend ist da in der Regel Bmax.

Eine Ausnahme hat man bei sehr kleinen Trafos (z.B. unter etwa 1 VA bei 
Netzfrequenz und normalem Eisenkern): da wird das vom Material gegbene 
Bmax nicht mehr erreicht, sondern der Leerlaufstrom und die 
Permeabilität legen die Grenze fest. Da gilt dann tatsächlich, dass man 
bei höherer Permeabilität weniger Windungen braucht, einfach weil Bmax 
größer wird.

Einen ähnlichen Effekt sollte man auch bei kleine HF Trafos bekommen. 
Man könnte z.B: so vorgehen:
Erstmal aus:
U = Bmax  A  f * N
das nötige N berechen.
Dann mit dem N und der Permeabilität die Induktivität berechen. Wenn die 
Berechente Induktivität zu klein ist (z.B. die Grenze mit 10 fache 
Impedanz der Last), muß man mehr Windungen nehmen als nach der ersten 
Rechnung.

Autor: Martin B. (brehministrator)
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@Ulrich:
Vielen Dank, das ist sehr hilfreich für mich. Ich kannte die Regel mit 
"10-fache Impedanz der Last" bisher nicht, bitte noch einmal erklären. 
Soll der Trafo mindestens die 10-fache Impedanz der Last haben (was mir 
komisch vorkäme), oder soll die Last maximal die 10-fache Impedanz des 
Trafos haben (was mir realistisch vorkäme).

Und wenn ich danach nun den Primärkreis eines Gegentakt-Flusswandlers 
definieren möchte: Was ist dann eigentlich meine Last bzw. deren 
Impedanz? Beim Sekundärkreis ist es mir auch nicht ganz klar, aber da 
könnte man vllt. aus der Sekundärspannung und dem Sekundärstrom eine 
Impedanz berechnen...

Ich bitte um Aufklärung.

Viele Grüße
Martin

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo nochmal,

hatte Falks Beitrag eben noch gar nicht gelesen, sorry. Jetzt ist mir 
die "10-fach-Regel" klar. Verbleibt noch die Frage, was für meine 
Primärwicklung eigentlich der Lastwiderstand ist - ob man diesen einfach 
aus Primärspannung und Primärstrom nach R = U / I ausrechnen kann.

Viele Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin B. (brehministrator)

>Primärwicklung eigentlich der Lastwiderstand ist -

LastIMPEDANZ! Das ist der induktive Widerstand der Primärwicklung im 
Leerlauf!

> ob man diesen einfach
> aus Primärspannung und Primärstrom nach R = U / I ausrechnen kann.

Nein, auch nicht im Leerlauf, es sein denn, man rechnet echt mit 
komplexen Zahlen.

MFG
Falk

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Sorry, aber ich steh immer noch etwas auf dem Schlauch. Ich weiß jetzt 
also:

"Pi mal Daumen sollte der Blindwiderstand der Wicklung um den Faktor 10
größer sein als der (transformierte) Lastwiderstand."

Es geht ja um die Primärwindung des Flusswandlers. Ich muss jetzt also 
den Blindwiderstand der Wicklung der Primäseite sowie den 
transformierten Lastwiderstand der Primärseite bestimmen - und die 
beiden dann ins Verhältnis 1:10 bringen.

Den Blindwiderstand der Wicklung kann ich bestimmen, der ist "2 Pi x f x 
L".

Als ich grad fragte, was nun der Lastwiderstand ist, war die Antwort: 
"LastIMPEDANZ! Das ist der induktive Widerstand der Primärwicklung im
Leerlauf!". Aber ist das nicht genau das Gleiche wie der 
Blindwiderstand? Ich sehe zumindest keinen Unterschied.

Ich brauche ja zwei verschiedene Größen, wenn die im Verhältnis 1:10 
stehen sollen.

Viele Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin B. (brehministrator)

>den Blindwiderstand der Wicklung der Primäseite sowie den
>transformierten Lastwiderstand der Primärseite bestimmen - und die
>beiden dann ins Verhältnis 1:10 bringen.

Ja.

>Den Blindwiderstand der Wicklung kann ich bestimmen, der ist "2 Pi x f x
>L".

Ja.

>Als ich grad fragte, was nun der Lastwiderstand ist,

Nöö, du hast Kauderwelch gefragt.

"was für meine Primärwicklung eigentlich der Lastwiderstand ist"

Das ist konfus.

>Ich brauche ja zwei verschiedene Größen, wenn die im Verhältnis 1:10
>stehen sollen.

Ja. Blindwiderstand der Primärwicklung sowie transformierten 
Lastwiderstand, sprich, die Last am Ausgang über Ü^2 auf die Primärseite 
transformiert. Wenn du also 10:1 Prim:Sek übersetzt, und am Ausgang 100 
Ohm hast, ist dein Transformierter Lastwiderstand 100 Ohm * 10^2 = 
10kOhm.

MFG
Falk

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo Martin,
schau hier
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html
und Dir ist geholfen. Das "Wie" wird auch erklärt.
Gruss Klaus.

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo,

alles klar, jetzt verstehe ich das etwas besser. Vielen Dank nochmal an 
alle :-)

@Klaus:
Eine sehr gute Seite! Die wird mir sehr helfen.

Martin

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