mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kernmaterial mit tiefer Sättigungsflussdichte


Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hi Leute,

Für eine Strommessung von DC bis etwa 50kHz muss ich geeignetes 
Kernmaterial suchen (fluxgate Messprinzip). Um eine vertretbare 
Windungszahl zu erreichen (bei 50kHz ein Problem), benötige ich 
ferromagnetisches Material mit möglichst tiefer Sättigungsflussdichte. 
Ferritkerne sind mit 0.2T B_s erhältlich, allerdings ist das immer noch 
zu hoch, ergibt etwa 8 Windungen.
Hat jemand einen guten Link parat oder bin ich mit 0.2T schon am unteren 
Limit?

Besten Dank

Gruss Hoernlihans

btw:
Hall sowie magnetoresistive Sensoren kommen leider nicht in Frage, da 
das ganze auch bei über 200° funktionieren soll.

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Eisenpulver geht teilweise bis 0.5T, hat aber im Vergleich zu Ferrit 
eher wenig Permiabilität. Siehe Transformatoren und Spulen.

MFG
Falk

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Oh, ganz vergessen Permeabilität zu erwähnen:

Muss im Prinzip nicht allzu hoch sein, sollte einfach den 
Sättigungspunkt detektieren können, gewisser Unterschied zu Luft sollte 
also schon sein.

Wichtig ist vor allem Sättigungsflussdichte tiefer als 0.2T zu bekommen, 
und das wird wohl schwierig...

Autor: Klaus Ra. (klara)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Hoernlihans,
hier kannst Du etwas aus der Praxis lesen.
http://www.spulen.com/technische-informationen.php

> Wichtig ist vor allem Sättigungsflussdichte tiefer als 0.2T zu bekommen,
> und das wird wohl schwierig...
Das hängt auch vom Querschnitt ab. Wenn Du zu hoch kommst, dann nimm 
einen grösseren Kern.
Gruss Klaus.

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ach so, es soll WENIGER Sättigungsflussdichte rauskommen? Dann nimm 
einen KLEINEREN Kern. Artikel oben lesen!

MFG
Falk

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Wichtig ist vor allem Sättigungsflussdichte tiefer als 0.2T zu bekommen,
> und das wird wohl schwierig...

Ja, das könnte schwierig werden...

Du solltest eher versuchen, die Flussdichte bei gleichem Strom zu 
erhöhen.

Dazu könntest Du einen Schnittbandkern mit großer Permeabilität mit 
Luftspalt und großem Querschnitt nehmen und in den Luftspalt einen 
relativ dünnen Ferrit-Stab einsetzen. Dann wird die Flussdichte im 
Ferritstab ziemlich groß; damit sollte es kein Problem sein, diesen in 
die Sättigung zu bekommen.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Besten Dank, guter Link!

Wie? Der Querschnitt beeinflusst die Sättigungsflussdichte??

Mit dem Querschnitt darf ich aber sowieso nicht mehr nach oben, gibt mir 
wieder zuviel Induktivität resp. zu langsamen Stromanstieg.

(Das Ziel ist es, den Ringkern mit einem Sekundärstrom möglichst schnell 
in Sättigung zu bringen (für die primärseitigen 50kHz), mit einer 
Zeitmessung lässt sich dann auf den zu messenden Primärstrom 
schliessen.)

Was mir sowieso nicht gefällt, sind die temperatur- und 
frequenzabhängigen B/H Kurven, die Messung muss von -40° bis 200° 
funktionieren.

Gruss Hoernlihans

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@  Hoernlihans H. (hoernlihans)

>Wie? Der Querschnitt beeinflusst die Sättigungsflussdichte??

Naja, nicht direkt. Die Flussdichte steigt nur bei kleinerem Querschnitt 
und gleichem eingespeisten Spannungszeitintegral.

>Was mir sowieso nicht gefällt, sind die temperatur- und
>frequenzabhängigen B/H Kurven, die Messung muss von -40° bis 200°
>funktionieren.

Tja, dann musst du wohl etwas tüfteln. Oder von ferromagnetischen 
Werkstoffen weg. Rogiwskispule?

MFG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Johannes (Gast)

>Dazu könntest Du einen Schnittbandkern mit großer Permeabilität mit
>Luftspalt und großem Querschnitt nehmen und in den Luftspalt einen
>relativ dünnen Ferrit-Stab einsetzen. Dann wird die Flussdichte im
>Ferritstab ziemlich groß; damit sollte es kein Problem sein, diesen in
>die Sättigung zu bekommen.

Nöö, die Flussdichte ist im gesamten Magnetkreis KONSTANT! Was 
verschieden ist, ist die Durchflutung. Und Schnittbandkern bei 50kHz? 
Eher nicht.

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Für eine Strommessung von DC bis etwa 50kHz muss ich geeignetes
> Kernmaterial suchen

>>Wie? Der Querschnitt beeinflusst die Sättigungsflussdichte??
>
>Naja, nicht direkt. Die Flussdichte steigt nur bei kleinerem Querschnitt
>und gleichem eingespeisten Spannungszeitintegral.

Bei einer Strommessung ist das Spannungs-Zeitintgral nicht wirklich 
definiert. Der Strom erzeugt eine magnetische Induktion, daraus entsteht 
im Ferritkern ein B-Feld. Bei einem Ringkern mit konstantem Querschnitt 
hängt diese Flussdichte hauptsächlich von der Permeabilität des 
Kernmaterials und von der effektiven Länge des Kerns ab. Der 
Kern-Querschnitt hat eigentlich keinen Einfluss auf die Flussdichte.

Such dir also einen Kern mit einem möglichst kleinen Durchmesser und 
einem Ferritmaterial mit möglichst großem µ_r (z.B. T38, T46).

Ein Ringkern mit 2,5mm Durchmesser und T46 hat einen Al-Wert von ca. 1,5 
µH. Der Querschnitt ist 0,49mm². Die Sättigungsflussdichte bei T46 ist 
400mT.

Wenn du mit der Leitung einmal durfährt, geht der bei einem Strom von 
ca. 130mA in Sättigung. Wie klein ist denn dein zu messender Strom?

> Nöö, die Flussdichte ist im gesamten Magnetkreis KONSTANT! Was
> verschieden ist, ist die Durchflutung.

Der Fluss ist konstant. Die Flussdichte ist Fluss/Querschnitt, wenn sich 
der Querschnitt ändert, dann ändert sich auch die Flussdichte.

> Und Schnittbandkern bei 50kHz? Eher nicht.

Warum nicht?

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Johannes (Gast)

>> Nöö, die Flussdichte ist im gesamten Magnetkreis KONSTANT! Was
>> verschieden ist, ist die Durchflutung.

>Der Fluss ist konstant. Die Flussdichte ist Fluss/Querschnitt, wenn sich
>der Querschnitt ändert, dann ändert sich auch die Flussdichte.

Davon war in deinem Posting aber keine Rede.

>> Und Schnittbandkern bei 50kHz? Eher nicht.

>Warum nicht?

Weil Eisen bei der Frequenz viel zuviele Wirbelstromverluste hat.

MFG
Falk

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Falk:
> Davon war in deinem Posting aber keine Rede.

> Dazu könntest Du einen Schnittbandkern mit großer Permeabilität mit
> Luftspalt und großem Querschnitt nehmen und in den Luftspalt einen
> relativ dünnen Ferrit-Stab einsetzen.

Ich hab das vielleicht nicht so deutlich geschrieben, mit "relativ dünn" 
meinte ich, dass der Ferritkern deutlich dünner als der Schnittbandkern 
sein soll.

Es gibt auch Schnittbandkerne für höhere Frequenzen; das ist dann kein 
normales Dynamoblech, sondern irgendwleche mikrokristalline oder 
nanokristalline Werkstoffe auf FE-Basis.

Damit kommt man bis ungefähr 50 kHz. Bei noch höheren Frequenzen sind 
Ferritkerne dann besser geeignet.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
hi johannes,

Hab mir deine Idee mal durch den Kopf gehen lassen.

Die ganze Anordnung sieht folgendermassen aus:

Ich habe einen zu messenden Primärleiterstrom, welcher von einem 
Ringkern mit aufgewickelter Spule umschlossen wird. Der Primärleiter 
erzeugt einen Fluss in eben diesem Ringkern. Auf die Spule über dem 
Ringkern wird nun Strom gegeben bis der Kern in Sättigung geht, mithilfe 
der gemessenen Zeit bis zur Sättigung wird auf den Primärstrom 
zurückgerechnet, potentialfrei.

Wenn ich nun einen Ringkern mit Luftspalt nehme und hier ein "dünnes" 
Ferritstück einbaue, wird zwar im Ferritstück schneller Sättigung 
auftreten, allerdings befindet sich die ganze Anordnung immer noch nicht 
in Sättigung. D.h ich kann über einen Shunt seriell zur Sekundärwicklung 
keine rasant steigende Spannung feststellen. Das Ziel wäre es 
eigentlich, dass die ganze Anordnung in Sättigung geht und sich wie eine 
Luftspule verhält, was einen schnellen Stromanstieg in der 
Sekundärwicklung bewirkt. Somit ist wohl dieses Prinzip für mich nicht 
unbedingt von Nutzen. Sind meine Gedanken richtig oder habe ich etwas 
falsch verstanden?

Danke und Gruss

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> @  Hoernlihans H. (hoernlihans)

> Tja, dann musst du wohl etwas tüfteln. Oder von ferromagnetischen
> Werkstoffen weg. Rogiwskispule?

Hi Falk,

Auch schon überlegt, allerdings geht die Frequenz des zu messenden 
Stroms von DC bis 50kHz (bei -50A...50A). Vielleicht könnte ich den 
niederfrequenten Teil separat messen und beim hochfrequenten Teil einen 
Stromwandler benutzen, oder eben Rogiwskispule.

Gruss hoernlihans

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@  Hoernlihans H. (hoernlihans)

>unbedingt von Nutzen. Sind meine Gedanken richtig

Ich würde sagen, ja.

MFG
Falk

Autor: Günther N. (guenti)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@ Hoernlihans
Sieh dich mal bei der Fa. Vacuumschmelze Hanau um.Oder google mal nach 
"Vitrovac 6025,Vitrovac 6018".


Gruss ! Günther
http://www.vacuumschmelze.de/index.php?id=281

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@ Hoernlihans

> Wenn ich nun einen Ringkern mit Luftspalt nehme und hier ein "dünnes"
> Ferritstück einbaue, wird zwar im Ferritstück schneller Sättigung
> auftreten, allerdings befindet sich die ganze Anordnung immer noch nicht
> in Sättigung. D.h ich kann über einen Shunt seriell zur Sekundärwicklung
> keine rasant steigende Spannung feststellen.

Die Sekundärwicklung müsste dazu auf den dünnen Ferritkern gewickelt 
werden, dann müsste das eigentlich schon funktionieren.

Aber ich denke nicht, dass man mit dieser Methode eine Bandbreite von 50 
kHz erreichen kann.

Dein Haupt-Problem ist ja die hohe Temperatur, ansonsten könntest du 
einen ganz normalen Closed-Loop Stromwandler dafür einsetzen.

Aber schau dir mal das Funktionsprinzip von so einem Wandler an. Da wird 
es so ähnlich gemacht, nur dass man zwei Sekundärwicklungen hat. Eine 
ist auf dem Ringkern für die Magnetfeldkompensation und die zweite ist 
auf dem "dünnen Ferritkern".

Es gibt von TI den IC DRV401, der funktioniert nach dem gleichen 
Prinzip, allerdings ist hier die Elektronik in einem IC, das man auch in 
einiger Entfernung zum eigentlichen Sensor platziern kann.

Passive Strom-Wandler ohne Elektronik gibts dazu von Vakuumschmelze, 
allerdings sind die auch nur bis 85°C spezifiziert.

Aber vielleicht kannst Du dir mal so einen Stromwandler von der 
Vakuumschmalze anschauen, wie die aufgebaut sind. Möglicherweise 
funktionieren die auch noch bei wesentlich höheren Temperaturen, wenn 
man alle Kunststoffteile entfernt...

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:
> @ Hoernlihans
>

> Die Sekundärwicklung müsste dazu auf den dünnen Ferritkern gewickelt
> werden, dann müsste das eigentlich schon funktionieren.
Bin ich anderer Meinung, kann aber auch falsch sein. Die Induktivität 
auf dem Ferrit wird zwar bei Sättigung klein, allerdings wirkt beim Rest 
immer noch praktisch die ganze (und grosse) Permeabilität, was mir den 
Stromanstieg hemmt. Evtl. reicht aber die Induktivitätsänderung beim 
Ferrit bereits, um die Sättigung zu detektieren, das muss ich mal 
rechnen.

> Aber ich denke nicht, dass man mit dieser Methode eine Bandbreite von 50
> kHz erreichen kann.
Sehe ich auch so, hoffe allerding dass es reicht.

> Dein Haupt-Problem ist ja die hohe Temperatur, ansonsten könntest du
> einen ganz normalen Closed-Loop Stromwandler dafür einsetzen.
>
> Aber schau dir mal das Funktionsprinzip von so einem Wandler an. Da wird
> es so ähnlich gemacht, nur dass man zwei Sekundärwicklungen hat. Eine
> ist auf dem Ringkern für die Magnetfeldkompensation und die zweite ist
> auf dem "dünnen Ferritkern".

Verfolge dieses Prinzip im Moment parallel, sofern die zweite Wicklung 
die zero-flux condition überprüft.

> Es gibt von TI den IC DRV401, der funktioniert nach dem gleichen
> Prinzip, allerdings ist hier die Elektronik in einem IC, das man auch in
> einiger Entfernung zum eigentlichen Sensor platziern kann.

Werd ich anschauen, danke!

> Passive Strom-Wandler ohne Elektronik gibts dazu von Vakuumschmelze,
> allerdings sind die auch nur bis 85°C spezifiziert.
>
> Aber vielleicht kannst Du dir mal so einen Stromwandler von der
> Vakuumschmalze anschauen, wie die aufgebaut sind. Möglicherweise
> funktionieren die auch noch bei wesentlich höheren Temperaturen, wenn
> man alle Kunststoffteile entfernt...

Was mich bei Vakuumschmelze erstaunt: Kerne werden meistens nur bis 85° 
spezifiziert, Stromsensoren mit integrierten Kernen für den Automobilbau 
jedoch für höhere Temperaturen...

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:

> Ja, das könnte schwierig werden...
>
> Du solltest eher versuchen, die Flussdichte bei gleichem Strom zu
> erhöhen.
>
> Dazu könntest Du einen Schnittbandkern mit großer Permeabilität mit
> Luftspalt und großem Querschnitt nehmen und in den Luftspalt einen
> relativ dünnen Ferrit-Stab einsetzen. Dann wird die Flussdichte im
> Ferritstab ziemlich groß; damit sollte es kein Problem sein, diesen in
> die Sättigung zu bekommen.

ok, das Ganze wurde jetzt mal durchgerechnet und die Zeit bis zur 
Sättigung ist:

tsat = B_sat_ferrit  A_2  N / V_c

wobei A_2 den Querschnitt des kleinen Ferritteils darstellt, N Anzahl 
Windungen und V_c die Ladespannung. Ob sich die Windungen über dem 
Schnittbandkern oder dem Ferrit befinden, spielt keine Rolle.

Ebenfalls berechnet habe ich die Zeit bis zur Sättigung wenn ich nur 
Ferrit nehme, das ergibt dann:

tsat = B_sat_ferrit  A  N / V_c

mit A= Kernquerschnitt.


Fazit (mal ohne praktische Aspekte):

- Wo ich die Windungen platziere (dünner Ferritkern oder 
Schnittbandkern) macht wie erwartet keinen Unterschied.

- Hohe Permeabilität vom Schnittbandkern bringt nichts, dadurch wird 
zwar die Flussdichte grösser, allerdings auch die Induktivität. Somit 
ist Permeabilität nicht entscheidend für die Zeit bis zur Sättigung.

- Ob ich nun ein kleines Ferritstück bei einem grösseren Schnittbandkern 
einfüge oder einen homogenen Ferritkern mit dem Querschnitt des kleinen 
Ferritstücks verwende, macht ebenfalls keinen Unterschied.
Vielleicht ist das Wickeln beim Schnittbandkern mit grösserem 
Querschnitt angenehmer. Allerdings gibt es wohl beim Übergang zum Ferrit 
Streufluss welcher die Flussdichte im Ferrit verringert, was sich 
wiederum negativ auf die Zeit bis zur Sättigung auswirkt.

Aus meiner Sichtweise kommt man um ein Material mit sehr niedriger 
Sättigungsflussdiche (<0.2T) nicht herum, wenn man mit diesem 
Messprinzip auch bei höheren Frequenzen betreiben will. Allerdings ist 
mir ein solches Material nicht bekannt.

Gruss hoernlihans und danke nochmals für die Hilfe

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> ok, das Ganze wurde jetzt mal durchgerechnet und die Zeit bis zur
> Sättigung ist:
>
> tsat = B_sat_ferrit  A_2  N / V_c

Du berechnest hier die Zeit. Ich hatte dich bisher so verstanden, dass 
du einen Kern brauchst, der mit möglichst wenig Strom in Sättigung geht.

Wenn dir nur die Zeit wichtig ist, dann mach einfach weniger Windungen 
auf deinen Kern ;-)

> Fazit (mal ohne praktische Aspekte):
>
> - Wo ich die Windungen platziere (dünner Ferritkern oder
> Schnittbandkern) macht wie erwartet keinen Unterschied.

Das kann ich nicht so richtig glauben. Wie hast du denn das berechnet?

Ich hab das nicht berechnet (und wüsste auch nicht, wie man so etwa 
berechnen kann), aber rein von der Logik müsste es doch so sein, dass 
wenn sich die Wicklung auf dem dünnen Ferrit befindet und dieser Ferrit 
gesättigt ist, dann sollte sich das annähernd wie eine Luftspule 
verhalten.

Wenn die Wicklung auf dem "Eisenkern" ist und der Ferrit in Sättigung 
geht, dass "verhält sich der Ferrit wie Luft", es ergibt sich also ein 
Eisenkern mit Luftspalt.

Dass sich beide Konstellationen nach außen gleich verhalten, kann 
eigentlich nicht sein. Oder habe ich da einen Denkfehler?

Wenn du dir das Datenblatt zum DRV401 anschaust, dann siehst du, dass es 
dort auch so ähnlich gemacht wird. Eine kleine Wicklung um den Ferrit 
wird mit einer Wechselspannung angesteuert, so dass er abwechselnd in 
beide Richtungen in Sättigung geht. Wenn es dort funktioniert, warum 
sollte das bei dir nicht funktionieren.

> - Hohe Permeabilität vom Schnittbandkern bringt nichts, dadurch wird
> zwar die Flussdichte grösser, allerdings auch die Induktivität. Somit
> ist Permeabilität nicht entscheidend für die Zeit bis zur Sättigung.

Ja, wenn man nur die Zeit betrachtet, ist das vermutlich so.

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Um eine Niedriege Sättigung kommt man schon rum. Wichtig ist immer nur 
das Produkt aus Querschnittsfläche und Sättigungsinduktion. Für das 
Nutzsignal und die Rückwirkung auf den Stromkreis ist nur der maximale 
Fluß, nicht die Flußdichte entscheidend.

Es reicht also aus einfach nur den Querschnitt kleiner zu machen. Wenn 
man den Querschnitt nur an einer Stelle verengt, vermeidet man dass man 
eine höhere Permeabilittät braucht. Für die Rückwirkung auf den zu 
messenden Strom könnte das aber negativ sein, weil auch nach der 
Sättigung in dem kleinn Bereich noch aktives Material da ist, und den 
Stromanstieg bremst.

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Man könnte es auch so machen. Den verfügbaren Ringkern mit einer 3. 
Windung mit Gleichstrom vormagnetisieren. Dann ist man schon näher an 
der Sättigung dran und kann nahezu beliebig den Rest varieren.

MFG
Falk

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ulrich schrieb:
> Um eine Niedriege Sättigung kommt man schon rum. Wichtig ist immer nur
> das Produkt aus Querschnittsfläche und Sättigungsinduktion. Für das
> Nutzsignal und die Rückwirkung auf den Stromkreis ist nur der maximale
> Fluß, nicht die Flußdichte entscheidend.

Das ist mir klar, Querschnitt kann ich leider auch schon nicht mehr 
weiter runter, das ganze ist schon jetzt am Limit.

> Es reicht also aus einfach nur den Querschnitt kleiner zu machen. Wenn
> man den Querschnitt nur an einer Stelle verengt, vermeidet man dass man
> eine höhere Permeabilittät braucht. Für die Rückwirkung auf den zu
> messenden Strom könnte das aber negativ sein, weil auch nach der
> Sättigung in dem kleinn Bereich noch aktives Material da ist, und den
> Stromanstieg bremst.

Wieso vermeidet man eine höhere Permeabilität? Könntest du mir das kurz 
erklären?

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ulrich schrieb:

> Wenn du dir das Datenblatt zum DRV401 anschaust, dann siehst du, dass es
> dort auch so ähnlich gemacht wird. Eine kleine Wicklung um den Ferrit
> wird mit einer Wechselspannung angesteuert, so dass er abwechselnd in
> beide Richtungen in Sättigung geht. Wenn es dort funktioniert, warum
> sollte das bei dir nicht funktionieren.

absolut, aber ich seh keine Erklärung dafür...

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> absolut, aber ich seh keine Erklärung dafür...

Wo genau liegt dein Verständnisproblem?

Die Erklärung ist, dass man für den dünnen Ferrit relativ wenig Strom 
braucht, um in die Sättigung zu kommen. Sobald der dünne Ferrit 
gesättigt ist, dann verhält sich die Wicklung um den dünnen Ferrit herum 
wie eine Luftspule.

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@  Johannes (Gast)

>gesättigt ist, dann verhält sich die Wicklung um den dünnen Ferrit herum
>wie eine Luftspule.

Ja und? Der Rest vom deinem Ringkern ist aber auch noch da. Da geht nix 
hart in Sättigung, deine B-H Kennlinie hat nur einen leichten Knick. 
Erst wenn der Rest des Ringkerns gesättigt ist, gibt es einen deutlichen 
Knick.

MFG
Flak

Autor: BMK (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wie wäre es mal mit einem Bild statt 1000 Worte?

http://www.cwsbytemark.com/CatalogSheets/MPP%20PDF...

Hier sieht mal, dass Ferrit mit Luftspalt ziemlich 'digital' sättigt,
während Metallpulverkerne das ziemlich 'analog' angehen lassen.

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wieso ist der Querschnitt schon am Limit. Eine Begrenzung in Richtung 
weniger Querschnitt hat man eigentlich nur wegen der mechanischen 
Stabilität. Für die Signalstärke ist es egal ob man 1 mm² mit 1 T oder 5 
mm² mit 0,2 T hat.

Für die nötige Permeabilität um mit dem gegebenen Strom die Sättigung zu 
erreichen hängt von der Sättigung des Kernes ab, unabhängig vom 
Querschnitt. Der nötige Strom ist halt  Bmax / µ * L , wobei L die Länge 
des magnetischen Weges ist.

Bei einem Kern mit nur einer Engstelle wird das B Feld an der Stelle 
konzentriert.  In dem Teil mit größerem Querschnitt hat man bei gleichem 
Strom mehr Fluß - so als hätte der Teile eine höhere Permeabilität.
Das Problem das ich bei der Engstelle sehe, ist das man 
Restmagnetisierung im Kern behält - bei dem recht hohen zu messenden 
Strom von 50 A ist das aber eventuell kein Problem. Meine Erfahrungen 
kommen aus dem Bereich sehr kleiner Felder.

Nach meinen Erfahrungen mit Fluxgatesensoren ist es schon relativ schwer 
den Kern überhaupt in die Sättigung zu bekommen. Ohne eine wirklich hohe 
Permeabilität ist das schwer und man braucht entsprechend viel Leistung.
Ob da der Kern mit Endstelle weiterhilft, hängt auch davon ab wie die 
Geometrie ist - auch da gibt es ein paar Optionen.

Autor: Johannes (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Falk Brunner

>>gesättigt ist, dann verhält sich die Wicklung um den dünnen Ferrit herum
>>wie eine Luftspule.

>Ja und? Der Rest vom deinem Ringkern ist aber auch noch da. Da geht nix
>hart in Sättigung, deine B-H Kennlinie hat nur einen leichten Knick.
>Erst wenn der Rest des Ringkerns gesättigt ist, gibt es einen deutlichen
>Knick.

Wenn die Spule nur auf den dünnen Ferrit gewickelt ist und dieser Ferrit 
gesättigt ist, dann sollte der Rest des Ringkerns keinen großen Einfluss 
mehr haben. Ich hab das mal skizziert, vielleicht versteht man dann 
besser, wie ich mir das vorstelle (s.Zeichnung).

Wenn der Ferritkern gesättigt, das µ_r also ungefähr 1 ist, dann 
schließen sich die meisten Feldlinien der kleinen Spule direkt durch die 
Luft, ohne durch den großen Ringkern zu gehen.

Ich kann das nicht durch Berechnungen oder Simulationen belegen, bin mir 
aber schon ziemlich sicher, dass es so ist. Oder warum denkst Du, dass 
der Ringkern hier eine große Auswirkung auf die Induktivität hat?

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@  Johannes (Gast)

>Wenn die Spule nur auf den dünnen Ferrit gewickelt ist und dieser Ferrit
>gesättigt ist, dann sollte der Rest des Ringkerns keinen großen Einfluss
>mehr haben.

Doch. Der Rest verschwindet ja nicht einfach und das Magnetfeld 
ignoriert ihn auch nicht.

>Wenn der Ferritkern gesättigt, das µ_r also ungefähr 1 ist, dann
>schließen sich die meisten Feldlinien der kleinen Spule direkt durch die
>Luft, ohne durch den großen Ringkern zu gehen.

Was soll die Feldlinien zu dem Zeitpunkt dazu veanlassen, den Ringkern 
zu ignorieren? Vorher gehen sie doch auch durch den Ringkern.

>Ich kann das nicht durch Berechnungen oder Simulationen belegen, bin mir
>aber schon ziemlich sicher, dass es so ist.

;-)
Der war gut. Probier es praktisch aus, dann wirst du sehen.

> Oder warum denkst Du, dass
> der Ringkern hier eine große Auswirkung auf die Induktivität hat?

Siehe oben.

MFG
Falk

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Was soll die Feldlinien zu dem Zeitpunkt dazu veanlassen, den Ringkern
> zu ignorieren? Vorher gehen sie doch auch durch den Ringkern.

Die suchen sich den Weg mit dem geringsten Widerstand. Solange der 
Ferrit-Kern nicht gesättigt ist, hat der eine hohe Permeabilität im 
Vergleich zur Luft, deswegen werden die Feldlinien zum Ringkern 
geleitet. Dieser hat ebenfalls eine sehr hohe Permeabilität.

Wenn der Ferritkern gesättigt ist, ist seine Permeabilität ähnlich der 
Luft-Permeabilität, so dass die Feldlininen seitlich aus dem Ferritkern 
austreten und sich direkt schließen, die kommen also gar nicht bis zum 
Eisenkern.

Das ganze hängt sicherlich von der Geometrie ab, vor allem vom 
Verhältnis der Länge und Durchmesser der Spule zu Länge und Querschnitt 
des Luftspalts.

Wenn die Spule sehr kurz und dünn ist im Verhältnis zum Luftspalt, dann 
verschwindet der Einföuss des Kerns irgendwann.

Stell dir einfach mal vor, du hast einen sehr großen Ringkern mit 10 m 
Durmesser und 1m Luftspalt. In diesen Luftspalt bringst Du eine 
Luftspule mit 5mm Durchesser und 1mm Länge. Dann wird sich die 
Induktivität der Luftspule durch den Ringkern nicht wesentlich ändern. 
Die Frage ist halt, ab welchem Größenverhältnis der Einfluss des 
Ringkerns verschwindet.

> Probier es praktisch aus, dann wirst du sehen.

Das habe ich eigentlich nicht vor; in den Stromwandlern von Lem, 
Vacuumschmelze, ... funktioniert es ja auch so.

Autor: Falk Brunner (falk)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@  Johannes (Gast)

>Wenn der Ferritkern gesättigt ist, ist seine Permeabilität ähnlich der
>Luft-Permeabilität, so dass die Feldlininen seitlich aus dem Ferritkern
>austreten und sich direkt schließen, die kommen also gar nicht bis zum
>Eisenkern.

Aber nur zum Teil.

>Das ganze hängt sicherlich von der Geometrie ab,

Eben.

>Wenn die Spule sehr kurz und dünn ist im Verhältnis zum Luftspalt, dann
>verschwindet der Einföuss des Kerns irgendwann.

Wie klein willst du die Spule denn noch machen? Infinitessimal klein? 
;-)

>Stell dir einfach mal vor, du hast einen sehr großen Ringkern mit 10 m
>Durmesser und 1m Luftspalt.

Was ja auch vollkommen realistisch ist und in Bezug zum Thema steht.

>Die Frage ist halt, ab welchem Größenverhältnis der Einfluss des
>Ringkerns verschwindet.

Ja eben, und genau diese Monsterverhältnisse kriegst du realistisch bei 
der vom OP gestellten Ausgabe nicht hin.

>> Probier es praktisch aus, dann wirst du sehen.

>Das habe ich eigentlich nicht vor; in den Stromwandlern von Lem,
>Vacuumschmelze, ... funktioniert es ja auch so.

Wenn das mal kein Irrtum ist. In dem Luftspalt der Ringkerne sitzt bei 
den meisten LEM-Wandlern ein Hall-Sensor, der ist auf Sättigung nicht 
angewiesen, im Gegenteil. Und die Wandler nach dem Fluxgateprinzip 
sättigen wahrscheinlich schlicht bei den normalen Flussdichten von ca. 
0,3-0,5T.

MfG
Falk

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ulrich schrieb:
> Wieso ist der Querschnitt schon am Limit. Eine Begrenzung in Richtung
> weniger Querschnitt hat man eigentlich nur wegen der mechanischen
> Stabilität. Für die Signalstärke ist es egal ob man 1 mm² mit 1 T oder 5
> mm² mit 0,2 T hat.

Weil die Windungen doch noch ordentlich Strom brauchen (ja, Spannung 
muss auf 12V sein) und ich das alles noch auf den Kern bekommen muss... 
( A=2mm*2mm)

> Nach meinen Erfahrungen mit Fluxgatesensoren ist es schon relativ schwer
> den Kern überhaupt in die Sättigung zu bekommen. Ohne eine wirklich hohe
> Permeabilität ist das schwer und man braucht entsprechend viel Leistung.
> Ob da der Kern mit Endstelle weiterhilft, hängt auch davon ab wie die
> Geometrie ist - auch da gibt es ein paar Optionen.

Permeabilität sollte eigentlich bei der Sättigungszeit keine Rolle 
spielen. Grössere Permeabilität gibt mir zwar höheres Feld, allerdings 
auch höhere Induktivität...

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Falk

> Ja eben, und genau diese Monsterverhältnisse kriegst du realistisch bei
> der vom OP gestellten Ausgabe nicht hin.

Hast du das schon mal ausprobiert?

> In dem Luftspalt der Ringkerne sitzt bei den meisten LEM-Wandlern ein
> Hall-Sensor

Es kommt ja nicht drauf an, wie die meisten Stromwandler funktionieren. 
Es gibt auf jeden Fall Strom-Wandler, die nach genau diesem Prinzip 
arbeiten und dort funktioniert es doch.

z.B. der 4645-X600 von Vakuumschmelze verwendet den DRV401 von TI und 
der arbeitet ganz genau nach diesem Prinzip. Schau dir einfach mal das 
Datenblatt vom DRV401 (http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/drv401.pdf) 
an, speziell die Seite 13:

Zitat:
The magnetic field probe consists of an inductor wound on
a soft magnetic core. The probe is connected between
pins IS1 and IS2 of the probe driver that applies
approximately +5V (the supply voltage) through resistors
across the probe coil (see Figure 2a).

The probe core reaches saturation at a current of typically
28mA (see Figure 2a). The comparator is connected to
VREF by approximately 0.5V. A current comparator detects
the saturation and inverts the excitation voltage polarity,
causing the probe circuit to oscillate in a frequency range
of 250kHz to 550kHz. The oscillating frequency is a
function of the magnetic properties of the probe core and
its coil.
Zitat Ende

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bei dem Kern mit Dünnstelle bliebt der Dicke Teil des Kerns schon 
wirksam. Die Wirkung für den Primären Strom ist so wie bei einem Kern 
mit Luftspalt. Das kann ggf. schon etwas stören, wegen der Induktivität 
- je länger der Dünne Teil desto weniger stört es aber.

Für die Messung, also die Detektion der Sättigung wirkt der Dicke Teil 
des Kerns auch weiter. Das stört aber nicht, sondern ist sogar 
hilfreich. Das Feld der kleinen Spule Läuft so nicht außen in der Luft, 
sondern durch den dicken Kern. Der Dicke Kern hat einen nur geringen 
magnetischn Widerstand und Änderungen an der Permeabilität des 
Schmalstückes kommen so voll zur Geltung.


Auch auf eine Kern mit geringem Querschnitt kann man viel Windungen 
bekommen. Das einzige was geringer wird ist die Signalamplitude - die 
hängt vom Fluß ab, nicht der Flußdichte.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:
> Wenn der Ferritkern gesättigt ist, ist seine Permeabilität ähnlich der
> Luft-Permeabilität, so dass die Feldlininen seitlich aus dem Ferritkern
> austreten und sich direkt schließen, die kommen also gar nicht bis zum
> Eisenkern.
>
> Das ganze hängt sicherlich von der Geometrie ab, vor allem vom
> Verhältnis der Länge und Durchmesser der Spule zu Länge und Querschnitt
> des Luftspalts.
>
> Wenn die Spule sehr kurz und dünn ist im Verhältnis zum Luftspalt, dann
> verschwindet der Einföuss des Kerns irgendwann.
>
> Stell dir einfach mal vor, du hast einen sehr großen Ringkern mit 10 m
> Durmesser und 1m Luftspalt. In diesen Luftspalt bringst Du eine
> Luftspule mit 5mm Durchesser und 1mm Länge. Dann wird sich die
> Induktivität der Luftspule durch den Ringkern nicht wesentlich ändern.
> Die Frage ist halt, ab welchem Größenverhältnis der Einfluss des
> Ringkerns verschwindet.
>
>> Probier es praktisch aus, dann wirst du sehen.
>
> Das habe ich eigentlich nicht vor; in den Stromwandlern von Lem,
> Vacuumschmelze, ... funktioniert es ja auch so.

also du hast ja L = N^2 / (Rm_Eisen + Rm_Ferrit)

wobei

Rm_Eisen = l1 / (mu_Eisen * A_Eisen) und
Rm_Ferrit= l1 / (mu_Ferrit* A_Ferrit)

So, wenn nun Ferrit sättigt wird Rm_Ferrit zu Rm_Luft, welches viel 
grösser ist wie Rm_Eisen. Also kann man, wenn man mu_Eisen sehr gross 
macht, Rm_Eisen vernächlässigen...Erhöhung des Eisenquerschnitts 
verstärkt den Unterschied natürlich nochmals

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>> Was soll die Feldlinien zu dem Zeitpunkt dazu veanlassen, den Ringkern
>> zu ignorieren? Vorher gehen sie doch auch durch den Ringkern.
>
> Die suchen sich den Weg mit dem geringsten Widerstand. Solange der
> Ferrit-Kern nicht gesättigt ist, hat der eine hohe Permeabilität im
> Vergleich zur Luft, deswegen werden die Feldlinien zum Ringkern
> geleitet. Dieser hat ebenfalls eine sehr hohe Permeabilität.
>
> Wenn der Ferritkern gesättigt ist, ist seine Permeabilität ähnlich der
> Luft-Permeabilität, so dass die Feldlininen seitlich aus dem Ferritkern
> austreten und sich direkt schließen, die kommen also gar nicht bis zum
> Eisenkern.
>
> Das ganze hängt sicherlich von der Geometrie ab, vor allem vom
> Verhältnis der Länge und Durchmesser der Spule zu Länge und Querschnitt
> des Luftspalts.
>
> Wenn die Spule sehr kurz und dünn ist im Verhältnis zum Luftspalt, dann
> verschwindet der Einföuss des Kerns irgendwann.
>
> Stell dir einfach mal vor, du hast einen sehr großen Ringkern mit 10 m
> Durmesser und 1m Luftspalt. In diesen Luftspalt bringst Du eine
> Luftspule mit 5mm Durchesser und 1mm Länge. Dann wird sich die
> Induktivität der Luftspule durch den Ringkern nicht wesentlich ändern.
> Die Frage ist halt, ab welchem Größenverhältnis der Einfluss des
> Ringkerns verschwindet.
>
>> Probier es praktisch aus, dann wirst du sehen.
>
> Das habe ich eigentlich nicht vor; in den Stromwandlern von Lem,
> Vacuumschmelze, ... funktioniert es ja auch so.

Wie oben geschrieben macht es doch überhaupt keinen Unterschied, ob du 
nun deinen Draht über das kleine Ferritstück wickelst oder über das 
Eisen. Wenn Ferrit sättigt, hast du nicht nur "beim" Ferritstück die 
Luftspule, denn die Gesamtinduktivität ist ja eben prop zu 
1/(Rm_Eisen+Rm_Luft) und Rm_luft wird dominant. Die gesamte Anordnung 
verhält sich also etwa wie eine Luftspule.

Die Frage ist allerdings, was der Unterschied sein soll zwischen:

a) Ich nehme einen Ferritringkern mit Querschnitt A
b) Ich nehme ein kurzes Ferritstück mit gleichem Querschnitt A und 
rundherum einen Eisenringkern mit Querschnitt A2 (grösser als A)

Das macht doch keinen Unterschied?!

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Für die Messung, also die Detektion der Sättigung wirkt der Dicke Teil
> des Kerns auch weiter. Das stört aber nicht, sondern ist sogar
> hilfreich. Das Feld der kleinen Spule Läuft so nicht außen in der Luft,
> sondern durch den dicken Kern. Der Dicke Kern hat einen nur geringen
> magnetischn Widerstand und Änderungen an der Permeabilität des
> Schmalstückes kommen so voll zur Geltung.

Ja, das ist vermutlich die richtige Erklärung. Man kann sich also die 
Wirkung des Eisenkerns so vorstellen, dass die Enden des Ferritstabs 
magnetisch kurzgeschlossen werden. Und weil das mu_r von Eisen deutlich 
höher als mu_r vom Ferrit ist, hängt die Induktivität also hauptsächlich 
vom Ferritkern ab und nicht vom Eisenkern.

Wobei ich aber trotzdem vermute, dass bei einer relativ kurzen Spule, 
die z.B. um den Faktor 3 kürzer als der Ferritstab ist, auch einige der 
Feldlinien sich direkt durch die Luft schließen, wenn der Ferritstab in 
Sättigung ist

In der Praxis will man das aber vermutlich gar nicht haben, dass die 
Feldlinien durch die Luft gehen, also wird man die Spule eher gleich 
lang wie den Ferritstab machen.

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Die Frage ist allerdings, was der Unterschied sein soll zwischen:
>
> a) Ich nehme einen Ferritringkern mit Querschnitt A
> b) Ich nehme ein kurzes Ferritstück mit gleichem Querschnitt A und
> rundherum einen Eisenringkern mit Querschnitt A2 (grösser als A)
>
> Das macht doch keinen Unterschied?!

Doch! Solange der Ferrit nicht gesättigt ist, hat der Ferritring mit 
gleichem Querschnitt und gleichem Durchmesser und gleicher Windungszahl 
eine kleinere Induktivität als bei der Kombination Eisenkern + Ferrit.

Oder anders ausgedrückt, wird durch den Eisenkern die effektive Länge 
des Ferritmaterials kürzer. Dadurch bekommt man mit Eisenkern einen 
größeren Fluss und damit eine größere Flussdichte im Ferrit.

Damit ein Ferritring gleich schnell in Sättigung geht, müsste er 
ungefähr die gleiche magnetische Länge haben als der Ferritstab im 
Luftspalt des Eisenkerns.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:

 Dadurch bekommt man mit Eisenkern einen
> größeren Fluss und damit eine größere Flussdichte im Ferrit.
>

Annahme:

Ich kann einen Ferritringkern mit Querschnitt A in ts und einem Strom Is 
in Sättigung bringen.

Nun möchte ich das beschleunigen und baue mir einen grösseren Kern aus 
Eisen und im Luftspalt eben ein kleines Ferritstück mit Querschnitt A.
Ich erhöhe zwar damit die Flussdichte im Ferrit, allerdings habe ich

1. durch das grösseren mu_r im Eisen die Induktivität erhöht.
2. durch den grösseren Querschnitt vom Eisen die Induktivität erhöht.

D.h alles was ich beim Fluss erhöhe, geht mir genauso linear in die 
Induktivität.
Die Induktivität bremst mir dann den Stromanstieg und so wird ts 
schlussendlich nicht verbessert.

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>Annahme:
>Ich kann einen Ferritringkern mit Querschnitt A in ts und einem Strom Is
>in Sättigung bringen.

Man muss hier trennen, was man eigentlich erreichen will:

Wenn du an den Kern eine konstante Spannung anlegst, dann ist die 
Flussdichte U*t/(N*A). Das gilt unabhängig vom Kernmaterial und der 
Länge des Kerns.

Wenn es also nur darum geht, die Kern in möglichst kurzer Zeit in die 
Sättigung zu bekommen, dann kann man entweder den Querschnitt möglichst 
klein machen, die Windungszahl möglichst klein und/oder die Spannung 
möglichst groß.

Dafür ist es also egal, ob noch ein Eisenkern drin ist.

Wenn man aber gleichzeitig auch noch möchte, dass der Strom dabei nicht 
so groß wird, dann hilft ein Eisenkern schon. Bei einem reinen 
Ferritring hat man weniger Induktivität, man braucht also mehr Strom, 
bis er in Sättigung kommt.

> Die Induktivität bremst mir dann den Stromanstieg und so wird ts
> schlussendlich nicht verbessert.

Definiere bitte "verbessert". Ich denke schon, dass es eine Verbesserung 
ist, wenn man weniger Strom braucht, um Sättigung zu erreichen.

Autor: Hoernlihans (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:

> Definiere bitte "verbessert". Ich denke schon, dass es eine Verbesserung
> ist, wenn man weniger Strom braucht, um Sättigung zu erreichen.

Da hast du absolut recht, der Stromverbrauch ist eigentlich auch das 
grösste Problem (Verlustleistung der Messung zwischen 8W und 16W). 
Allerdings habe ich auch eine Bedingung, dass der Primärstrom bei Imax 
den Kern noch nicht sättigen soll. Sehe im Moment keine Lösung um alles 
zu erfüllen, durch die zu messende Bandbreite braucht mein einfach mehr 
Strom.

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Allerdings habe ich auch eine Bedingung, dass der Primärstrom bei Imax
> den Kern noch nicht sättigen soll.

Genau deswegen wird bei einem normalen Strom-Wandler eine 
Kompensationswicklung auf den Kern gewickelt, die den Fluss des 
Primärstroms kompensiert. Warum machst Du das nicht auch so? Damit 
erledigt sich zusätzlich das Problem der Bandbreite quasi von alleine.

Dein Ziel ist es doch, einen Stromwandler zu bauen, der bis 200°C 
funktioniert. Also nimm ein bewährtes Prinzip und such einfach nach 
geeigneten Materialien mit entsprechender Temperaturfestigkeit.

Autor: Hoernlihans (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:
>> Allerdings habe ich auch eine Bedingung, dass der Primärstrom bei Imax
>> den Kern noch nicht sättigen soll.
>
> Genau deswegen wird bei einem normalen Strom-Wandler eine
> Kompensationswicklung auf den Kern gewickelt, die den Fluss des
> Primärstroms kompensiert. Warum machst Du das nicht auch so? Damit
> erledigt sich zusätzlich das Problem der Bandbreite quasi von alleine.
>
> Dein Ziel ist es doch, einen Stromwandler zu bauen, der bis 200°C
> funktioniert. Also nimm ein bewährtes Prinzip und such einfach nach
> geeigneten Materialien mit entsprechender Temperaturfestigkeit.

Ich werd mir das noch genau anschauen, lässt sich wahrscheinlich schon 
mit weniger Verlustleistung betreiben. Ich könnte mir aber vorstellen, 
dass das ganze durch verschiedene Patente geschützt ist und sich so 
nicht umsetzen lässt.

Autor: Hoernlihans (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Beim Prinzip mit Stromkompensation gibts aus meiner Sicht auch Probleme


Will man z.b innerhalb von 20us einen Messzyklus abgeschlossen haben, 
muss in dieser Zeit der Fluss auf 0 geregelt werden. D.h zero-flux 
condition muss sicher etwa 10 mal überprüft werden während 20us. Gibt 
bereits minimal 500khz auf dem saturable inductor. Das Prinzip beruht ja 
auf der Induktivitätsänderung von diesem, mit 500khz baut man aber 
niemals ein Feld auf, welches eine grosse Veränderung dieser 
Induktivität bewirkt...

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Will man z.b innerhalb von 20us einen Messzyklus abgeschlossen haben,
> muss in dieser Zeit der Fluss auf 0 geregelt werden. D.h zero-flux
> condition muss sicher etwa 10 mal überprüft werden während 20us. Gibt
> bereits minimal 500khz auf dem saturable inductor.

Ich habe das Gefühl, dass du das Prinzip des Kompensationswandlers noch 
nicht so richtig verstanden hast:

Die Kompensationswicklung bildet zusammen mit der "Primärwicklung" einen 
Übertrager, der AC-Anteil des Primärstroms wird oberhalb einer 
bestimmten Grenzfrequenz durch die magnetische Kopplung auf die 
Kompensationswicklung übertragen. Der Strom in der Kompensationswicklung 
ist gleichzeitig das Ausgangssignal.

Mit dem Regler für die "zero-flux condition" muss nur der DC-Anteil bzw. 
der niederfrequente Anteil nachgeregelt werden. Deswegen erreicht man 
mit so einem Wandler eine ziemlich hohe Bandbreite, auch wenn die 
Regelung eher langsam arbeitet.

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ohne die Kompensation wird es vermutlich auch nicht gut gehen, denn die 
magnetischen Parameter sind temperaturabhängig - mit der Kompensation 
misst man das H Feld und ist damit unabhängig von den Kerneigenschaften.
Man muss die Kompensation auch nicht über den ganzen Frequenzbereich 
über das Fluxgate Prinzip laufen lassen. Es wäre ggf. auch möglich bei 
den höheren Frequenzen das ganze wie einen passiven Stromwandler zu 
betreiben, und nur den niederfrequenten Teil (z.B. unter 100 Hz) per 
Fluxgate nachzuregeln. Das Problem wird da nur sein einen sauberen 
Übergang zu finden.

Um die Leistung für das Fluxgate klein zu bekommen braucht man die hohe 
Permeabilität - dann braucht man auch nicht so viel Strom. Die größere 
herausforderung sehe ich da eine hohe Permeabilität bei 200 C mit einem 
Ferrite-material zu finden.


Bei der Form des Kernes gibt es auch noch einige zur Auswahl - ein 
einfacher Ringkern ist da vermutlich nicht die 1. Wahl. Das kann ggf. 
auch in Richtung Transductor gehen.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für die beiden Antworten!


> Ich habe das Gefühl, dass du das Prinzip des Kompensationswandlers noch
> nicht so richtig verstanden hast:

Mag sein

> Die Kompensationswicklung bildet zusammen mit der "Primärwicklung" einen
> Übertrager, der AC-Anteil des Primärstroms wird oberhalb einer
> bestimmten Grenzfrequenz durch die magnetische Kopplung auf die
> Kompensationswicklung übertragen. Der Strom in der Kompensationswicklung
> ist gleichzeitig das Ausgangssignal.

In einem Paper dazu lese ich:

------------------------------------------------------------------------ 
--
"The system of measure proposed, based on the Fluxgate principle, is 
only suitable for the measurement of current in DC oder in AC at low 
frequencies. The maximum frequency for the AC measurement is fixed by 
the working frequency of the zero flux detection system"

------------------------------------------------------------------------ 
--

Bist du dir ganz sicher? Wenn du den zero flux mit Hall misst, kannst du 
die Wicklung bestimmt als Wandler für den Hochfrequenzteil benutzen. 
Durch das Fluxgate bringst du aber die ganze Zeit den saturable inductor 
in Sättigung. Damit hast du doch bei Stromänderung im Primärleiter keine 
Flussänderung mehr, was die Kopplung auf die Sekundärspule 
verhindert....

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ulrich schrieb:

> Um die Leistung für das Fluxgate klein zu bekommen braucht man die hohe
> Permeabilität - dann braucht man auch nicht so viel Strom. Die größere
> herausforderung sehe ich da eine hohe Permeabilität bei 200 C mit einem
> Ferrite-material zu finden.

Hab ich was gefunden.

Der Stromwandler für hochfrequente Anteile (sofern das wirklich auf dem 
gleichen Kern funktionieren sollte) macht mir eher sorgen, ich muss über 
einen Bereich von [-40°C,250°C] messen, die Permeabilität verändert sich 
da aber um Grössenordnungen (also auch die induzierte Spannung). Evtl. 
lassen sich aber die gemessenen Spannungen digital korrigieren, meistens 
erhält man ja eine Temperatur vs. Permeabilitätskurve

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> In einem Paper dazu lese ich: ...

Bezieht sich dieses Paper auf einen Wandler mit Kompensationswicklung?

> Bist du dir ganz sicher?

Ja, bin ich. Ansonsten würden alle diese Stromwandler nicht 
funktionieren.

> Wenn du den zero flux mit Hall misst, kannst du
> die Wicklung bestimmt als Wandler für den Hochfrequenzteil benutzen.

Der Hall-Sensor sitzt in diesem Fall in einem Luftspalt, das ist auch 
nicht wesentlich anders als ein gesättigter Ferrit.

> Durch das Fluxgate bringst du aber die ganze Zeit den saturable inductor
> in Sättigung. Damit hast du doch bei Stromänderung im Primärleiter keine
> Flussänderung mehr, was die Kopplung auf die Sekundärspule
> verhindert....

Der Ferrit ist nicht die ganze Zeit in Sättigung. Es wird eine 
rechteckförmige Wechselspannung angelegt, diese Wechselspannung wird 
immer dann umgepolt, wenn der Strom einen bestimmten Grenzwert erreicht. 
Man schaltet also die Spannung immer dann um, wenn der Kern gerade so in 
die Sättigung kommt. Die meiste Zeit ist der Ferritkern dadurch nicht in 
Sättung.

> Der Stromwandler für hochfrequente Anteile (sofern das wirklich auf dem
> gleichen Kern funktionieren sollte) macht mir eher sorgen, ich muss über
> einen Bereich von [-40°C,250°C] messen

Jetzt auf einmal 250°C. Weiter oben hast du 200°C geschrieben. Das macht 
einen gewissen Unterschied, viele Ferrite (z.B. N87, N97) verlieren 
oberhalb 220°C ihre Permeabilität.

> die Permeabilität verändert sich da aber um Grössenordnungen ...
Wenn ich mir die Kurve von N97 anschaue, dann ändert sich die 
Permeabilität in diesem Bereich um Faktor 4. Das bedeutet, dass sich die 
untere Grenzfrequenz für den "Übertrager", also die AC-Kopplung, auch um 
einen Faktor 4 verändert. Du musst diese untere Grenzfrequenz also so 
auslegen, dass es bei der niedrigsten Temperatur noch funktioniert.

> ... (also auch die induzierte Spannung)
Nein, die Spannung ändert sich nicht. Bei kleinerer Permeabilität sinkt 
die Induktivität, aber das Übertragungsverhältnis bleibt gleich. Es 
ändert sich nur die untere Grenzfrequenz.

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> viele Ferrite (z.B. N87, N97) verlieren oberhalb 220°C ihre
> Permeabilität.

Nachtrag: Hast du dir mal die Kennlinie von Epcos N45 angeschaut. Die 
hat ein Maximum bei 20°C und bei 250°C. Dazwischen sinkt die 
Permeabilität auf ungefähr die Hälfte. Das erscheint mir sehr gut 
geeignet für deine Anwendung.

Die Frage ist eher, ob der Ringkern wirklich aus Ferrit sein soll oder 
doch eher aus einem Fe - Werkstoff.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:
>> In einem Paper dazu lese ich: ...
>
> Bezieht sich dieses Paper auf einen Wandler mit Kompensationswicklung?
>
www.grupopremo.com/es/file/387 Seite 3 (ganz rechts unten)
>
>
> Der Ferrit ist nicht die ganze Zeit in Sättigung. Es wird eine
> rechteckförmige Wechselspannung angelegt, diese Wechselspannung wird
> immer dann umgepolt, wenn der Strom einen bestimmten Grenzwert erreicht.
> Man schaltet also die Spannung immer dann um, wenn der Kern gerade so in
> die Sättigung kommt. Die meiste Zeit ist der Ferritkern dadurch nicht in
> Sättung.

Okay

>
> Jetzt auf einmal 250°C. Weiter oben hast du 200°C geschrieben. Das macht
> einen gewissen Unterschied, viele Ferrite (z.B. N87, N97) verlieren
> oberhalb 220°C ihre Permeabilität.

Ja, hat sich noch nach oben korrigiert. N95 fällt bei 250° noch nicht 
allzu tief.


> Nein, die Spannung ändert sich nicht. Bei kleinerer Permeabilität sinkt
> die Induktivität, aber das Übertragungsverhältnis bleibt gleich. Es
> ändert sich nur die untere Grenzfrequenz.

Okay, da hatte ich einen Aussetzer, hast recht.


> Nachtrag: Hast du dir mal die Kennlinie von Epcos N45 angeschaut. Die
> hat ein Maximum bei 20°C und bei 250°C. Dazwischen sinkt die
> Permeabilität auf ungefähr die Hälfte. Das erscheint mir sehr gut
> geeignet für deine Anwendung.

Sieht gut aus, allerdings weiss man nicht so genau was unter -20° 
passiert. Da werd ich mal nachfragen.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich habe leider immer noch Verständnisprobleme mit dem saturable 
inductor:

Folgendes Paper beschreibt die Funktionsweise:

www.grupopremo.com/es/file/387

Figure 3 beschreibt den Stromverlauf wenn B=0 im Kern gilt, 
logischerweise alles symmetrisch um die Zeitachse. zuerst wird der 
Stromfluss gehemmt durch grosses L, dann geht der Kern in Sättigung und 
der Strom steigt an.

Figure 4 zeigt nun den Stromverlauf wenn der Fluss ungleich null ist. 
Strom steigt schnell an, dann langsam, dann wieder schnell.
Es sieht so aus, als ob eine Abweichung des Primärstroms den Kern sofort 
sättigt. Durch Anlegen von Spannung wird der Kern aus der Sättigung 
geholt und, nachher aber wieder gesättigt?

Geht man hier davon aus, dass der Sekundärstrom das Feld des 
Primärstroms schon beinahe kompensiert und man kleine Abweichungen 
messen will um den Strom zu regeln?

Wird leider nirgendwo beschrieben wie man die zero-flux detection genau 
auslegen soll...

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Figure 4 zeigt nun den Stromverlauf wenn der Fluss ungleich null ist.
> Strom steigt schnell an, dann langsam, dann wieder schnell.

Das ist in Bild 3 auch so. Der Kern ist zuerst noch durch den negativen 
Strom in der Sensorspule gesättigt, also steigt der Strom schnell an und 
die Induktivität steigt, dadurch wird der Stromanstieg langsamer. Wenn 
dann der Strom größer wird, fällt die Induktivität wieder und der Strom 
steigt schneller an.

> Es sieht so aus, als ob eine Abweichung des Primärstroms den Kern sofort
> sättigt. Durch Anlegen von Spannung wird der Kern aus der Sättigung
> geholt und, nachher aber wieder gesättigt?

Der Kern wird nicht durch den Primärstrom gesättigt, sondern durch die 
Abweichung des Stromes in der Kompensationswicklung. Dadurch verschiebt 
sich die 0-Linie, es muss also ein Strom durch die Sensorspule fließen, 
damit die Induktivität maximal wird. Maximale Induktivität hat man bei 
Flussdichte 0, also dort, wo die Steigung am kleinsten ist.

> Geht man hier davon aus, dass der Sekundärstrom das Feld des
> Primärstroms schon beinahe kompensiert und man kleine Abweichungen
> messen will um den Strom zu regeln?

Ja, durch die magnetische Kopplung fließt in der Kompensationswicklung 
ein Strom, der zumindest bei hohen Frequenzen ungefähr passt. In der 
Sensorspule stellt sich ein Strom ein, der ungefähr proportional zur 
Abweichung des Kompensationsstroms ist, so dass man damit den 
Kompensationsstrom korrigieren kann.

> Wird leider nirgendwo beschrieben wie man die zero-flux detection genau
> auslegen soll...

Die wollen ja ihren Stromwandler verkaufen und nicht erklären, wie man 
es nachbauen kann...

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:
> Die Kompensationswicklung bildet zusammen mit der "Primärwicklung" einen
> Übertrager, der AC-Anteil des Primärstroms wird oberhalb einer
> bestimmten Grenzfrequenz durch die magnetische Kopplung auf die
> Kompensationswicklung übertragen. Der Strom in der Kompensationswicklung
> ist gleichzeitig das Ausgangssignal.

Ok, ich würde den Kompensationsstrom mit einer H-Brücke aus vier FET mit 
PWM nachregeln und zwischen den unteren zwei FET und GND über einen 
kleinen Bürdewiderstand den hochfrequenten Anteil messen.

Danke

Autor: Johannes (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Ok, ich würde den Kompensationsstrom mit einer H-Brücke aus vier FET mit
> PWM nachregeln und zwischen den unteren zwei FET und GND über einen
> kleinen Bürdewiderstand den hochfrequenten Anteil messen.

Das verstehe ich jetzt nicht; meinst Du den Strom durch die Sensorspule?

Warum möchtest Du eigentlich alles selber machen? Nimm doch einfach den 
DVR401 und versuch mal, ob es damit funktioniert. Das hat den Vorteil, 
dass du nur den magnetischen Teil selber machen musst.

Wenn es funktioniert, kannst Du immer noch versuchen, die Auswertung 
selber zu machen; allerdings kann ich mir nicht vorstellen, dass man 
damit so einfach die gleiche Performance erreicht.

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Der einfachste Weg wird sein, sich so einen fertigen Sensor zu holen, 
und hoffen das sich die Elektronik und der magnetische Teil trennen 
lassen. Mit verdrillten und nicht zu langen Leitungen könnte das schon 
reichen. Wenn man Gglück hat gibt es ja auch schon Versionen wo die 
Teile getrennt sind.

Weder die Auslegung des Magentteils, noch der Elektronik ist einfach.
Ferrit läßt sich auch nicht so einfach in Form bringen, und das Wickeln 
der Spulen ist von Hand auch nicht ohne Mühe.
Wenn der Strombereich zu groß ist, kann man ggf. auch 2-4 mal durch den 
Sensor gehen.


Wenn man es unbedingt selber bauen muß, dann den Treiber für den Strom 
wohl erstmal analog und nicht per PWM - das braucht zwar einiges an 
Leistung, gibt aber weniger Störungen. Den Strom für die Anregung des 
Fluxgateteils macht man oft als LC (Serien-) Resonanz - so kriegt man da 
sicher keinen extra Gleichstrom rein.

Autor: Hoernlihans H. (hoernlihans)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Johannes schrieb:

> Warum möchtest Du eigentlich alles selber machen? Nimm doch einfach den
> DVR401 und versuch mal, ob es damit funktioniert. Das hat den Vorteil,
> dass du nur den magnetischen Teil selber machen musst.

Vereinfacht das Ganze sicher, wenn ich dann bei der Hardware angelangt 
bin. Gerade den magnetischen Teil muss ich aber sowieso am PC 
simulieren, das wird rechnerisch einfach zu kompliziert, ein Optimum zu 
finden und gleich in Hardware aufzubauen. Dieses Modell wird dann 
exportiert und z.b mit Pspice simuliert.
(Ist Teil einer Diplomarbeit...)

danke nochmals für alles

Autor: ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Zu einer schon bestehenden Elektronik einen passenden Magentischen Kern 
zu finden wird nicht einfach sein. Da schon eher einen fertigen 
Magentischen Kern nehmen und dann die Elektronik anpassen, z.B. in 
Richtung mehr Leistung zu Treieben wegen abnehmender Permeabiniltät.

Gegen die ganz niedrigen Temperaturen könnte man ggf. den Kern Heizen - 
und damit könnte man den nötigen Temperaturbereich etwas einschränken. 
Wirlich gut geht es aber nicht, denn man muss die Leistung von der 
Anregung ja imemr los werden, auch wenn es heiss ist.

Autor: Hoernlihans (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Nachtrag: Hast du dir mal die Kennlinie von Epcos N45 angeschaut. Die
> hat ein Maximum bei 20°C und bei 250°C. Dazwischen sinkt die
> Permeabilität auf ungefähr die Hälfte. Das erscheint mir sehr gut
> geeignet für deine Anwendung.


tönt alles sehr gut, N92 sogar noch ein wenig besser. Wird leider nicht 
als Ringkern angeboten...

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.