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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Spule für Schaltnetzteil


Autor: Bri (Gast)
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Hallo Leute,
ich hab mir ein primärgetaktetes Schaltnetzteil für eine Spannung von
150V aus 12V gebaut. Beim ersten einschalten ist der Leistungs-FET
sofort richtig heiß geworden, obwohl der nur weniger als 100mW umsetzen
sollte. Ich hab den Fehler nun auch gefunden, es war die Spule!
Ich hatte mir bei Reichelt den erstbesten Ringkern für meine
selbstgewickelte Spule bestellt. Offenbar sättigt sich das Kernmaterial
zu schnell, so dass dadurch der hohe Verlust im FET auftrat. Als Ersatz
hab ich mir eine Spule ohne Kern gewickelt, mit der es nun einwandfrei
funktioniert. Die ist aber natürlich viel zu groß.

Und nun meine Frage, wie bekomme ich raus, ob ein Ringkern für ein
Schaltnetzteil mit 33kHz geeignet ist oder nicht? Bei dem, den ich
gekauft habe, stand etwas von Ferroxube N27. Aber das sagt mir relativ
wenig. Bei einem anderen steht Ferritring, hohe Güte, 40MHz. Kann ich
da sicher sein, daß der funktioniert?

Autor: Sebastian (Gast)
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Ich verstehe zwar nicht wie das geht, aber vielleicht hilft dir ja:

http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smpshome/

oder such mal bei EPCOS nach

ferromagnetic design tool

Seb

Autor: Benedikt (Gast)
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Wenn es ein Sperrwandler ist, dann sollte der Kern einen ausreichenden
Luftspalt haben, sonst wird das nichts.

Autor: Bernhard Gebert (Gast)
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Hallo Benedikt,

ich hänge auch an diesem Problem, allerdings mit 150 kHz.
Hast du ein Beispiel für 100 µH / 10A?

MfG,
Bernhard

Autor: Bri (Gast)
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Ich hab grad gemerkt, daß mir gestern ein Fehler beim Schreiben
unterlaufen ist. Es ist natürlich ein sekundär getaktetes
Schaltnetzteil. Sonst bräuchte ich mehr als nur eine Spule :-) Ich hab
mal ein Bild rangehangen. Trotzdem vielen Dank für eure Bemühungen.

Autor: Bri (Gast)
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Ich hab mir grad die von Sebastian empfohlene Seite

http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smpshome/

angeschaut. Laut einer application note des MC34063 benötige ich eine
Induktivität von 600uH (selbst berechnet mit den Formeln). Auf der
Seite wird mir eine Induktivität von 4.4mH berechnet. Das liegt
ziemlich weit auseinander, finde ich.

Autor: Sebastian (Gast)
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Tja leider fehlen noch ein paar Angaben, aber vielleicht hast du dich
verrechnet oder den falschen Wandlertyp genommen,....

Wenn ich mich recht erinnere, muss man nur den Al Wert des Kernes mit
der Windungszahl multiplizieren. Dann hast du die Induktivität. Auf der
SMPS Seite gibt er dir bei den Wickeldaten auch gleich passende Kerne
und Windungszahl und Drahtstärke an.

Seb

Autor: Alexander (Gast)
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Weiß jemand dann vielleicht, was es mit den Materialnummern von Amidon
auf sich hat. Die sind ja munter von 1 bis ca. 100 durchnumeriert und
nirgends steht was von Sättigungsfeldstärke...
Und dann gibt's noch die 3C85, 3C94,... Materialen. Welche sind das
denn?

Autor: Sebastian (Gast)
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Autor: Konrad Metzger (Gast)
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Auf jeden Fall würde ich da einfach eine fertige Spule kaufen, die für
ca 1A ausgelegt ist. Dann kannst du auch noch die 1N4148 wegwerfen, an
dieser Stelle benötigst du eine schnelle Diode, z.B.
eine MUR160. Wieviel Strom willst du denn daraus ziehen ?

Konrad

Autor: Bri (Gast)
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Hallo Konrad,
für die Diode hab ich schon eine schnelle Schottky-Diode genommen
(BYV27-400). Ich war nur zu faul, daß auch in den Schaltplan
einzutragen :-)
Eine fertige Spule kaufen ist auch einfacher gesagt als getan. Wenn
dann will ich die gleich bei Reichelt bei meiner nächsten Bestellung
mitbestellen. Leider haben die ziemlich wenig in der Richtung. Das
wickeln ist ja kein Problem, mir fehlen halt nur die Infos über das
Kernmaterial. Ich werde mir die Seite von Amidon mal anschauen, die
Kerne gibts bei Reichelt. (Dank an Sebastian)

Autor: Bri (Gast)
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@Sebastian

Vielen Dank, die Seite

http://www.amidon.de/ferritrinkerne.htm

hat alle meine Fragen beantwortet. :-)

Autor: Bernhard Gebert (Gast)
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Hallo Bri,

und welchen Kern verwendest du jetzt? Ich benötige nämlich etwas ganz
ähnliches.

Danke,
Bernhard

Autor: Bri (Gast)
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Von Reichelt den FT 50-77 (1kHz bis 2MHz) 1,3cm im Durchmesser, oder den
FT 82-77, gleiche Frequenz, aber etwas größer, 2,1cm im Durchmesser.

Autor: Sebastian F. (Gast)
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@Bri

Ich will mich nicht einmischen, aber die Kerne sind meines Erachtens
völliger Unsinn. Um deine 600uH zu erhalten, musst du 1 Windung auf den
Kern machen und der FT 82-77 ist für 0,5Mhz bis 50Mhz ausgelegt.
Für welche Leistung brauchst du denn den Kern?

Autor: Mikesh (Gast)
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"....Wenn ich mich recht erinnere, muss man nur den Al Wert des Kernes
mit
der Windungszahl multiplizieren. Dann hast du die Induktivität...."

Die Windungszahl geht zum Quadrat ein.

Wann die Spule sättigt kann man doch ausrechnen. Berechnet die maximale
Flussdichte im Kern, die sollte niedriger sein als die für das Material
angegebene:-). Falls sie zu groß ist brauchst du einen höheren
Querschnitt des Ferrits, anderes Ferrit oder mehr Windungen. Ist ein
iterativer Prozeß eine Drossel zu optimierten bzw. auszulegen.

Autor: Jordan (Gast)
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Ich benutze für sowas immer den Ringkernrechner...
http://www.qsl.net/dl5swb/minirk_g.htm

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Das Material -77 ist denk ich ziemlich ungeeignet als Speicherdrossel.

Die richtige Induktivität ist die eine Sache. Genauso wichtig ist hier
aber die Speicherfähigkeit des Kerns, aber die Daten dafür (Imax)
fehlen noch ...

Autor: Bri (Gast)
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@Stephan

Die Daten sind folgende:

Vin = 12V bis 15V
Vout = 150V
Iout = 6mA bis 18mA (ich glaub ich hatte für die Rechnung irgendwas
dazwischen erstmal zum probieren genommen, find aber meinen Zettel
nicht mehr)

@Sebastian

Wieso eine Windung? 25 Windungen. Nach der Formel N = 1000 * sqrt(L /
Al)

Wegen dem Material hab ich in der Tabelle auf der Seite

http://www.amidon.de/ferritrinkerne.htm

nachgeschaut und die Werte für die Resonanzschaltung hergenommen. Bei
welchem Frequenzbereich muss ich bei der Verwendung als Speicherspule
nachschaun?

1. Frequenzbereich Resonanz-Schaltung
2. Frequenzbereich Breitband-Schaltung
3. Frequenzbereich Drossel-Anwendung

Autor: Sebastian F. (Gast)
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Also laut Reichelt.

Ferrit-Ring für Breitbandtransformatoren.
Material 77: 0,5MHz. bis 50MHz.
Durchmesser:
außen: 21,0 mm
innen: 13,1 mm
Höhe: 6,35 mm
AL (mH/ 1000Wdg) 1170

macht bei 1 Windung 1,17mH oder?

So ich hab das Teil mal rechnen lassen bei SMPS
f/khz = 33
Ia=0.02A

Da erhalte ich:

Ue_min = 12.0V   Ue_max = 15.0V   Ue = 12.0V
Ua = 150.0V   Ia = 20.0mA   f = 33.0kHz
L = 3.33mH  ΔILbei Ue_min = 0.1A


Drahtdaten: d ≥ 0.33 mm A ≥ 0.08 mm2

Kerne:

E16/8/5   0.5   Siemens   69  20  38  19  245  235  220
E20/10/6   0.25   Siemens   162  32  46  32  283  219  144
E20/10/6   0.5   Siemens   100  32  46  32  458  172  183
E25/13/7   0.25   Siemens   250  52  58  52  477  169  116
E25/13/7   0.5   Siemens   151  52  58  52  790  131  149
E25/13/7   1.0   Siemens   91  52  58  52  1312  102  192
E30/15/7   0.18   Siemens   300  60  67  49  360  194  106

Dann kannst du ja nochmal hier:

http://www.leipzig-online.de/dl0kgm/sc/tabellen.htm

schauen.

Das Tool ist auch ganz witzig.

Autor: müllo (Gast)
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Im Rahmen eines Praktikums musste ich mal einen Spulenkern suchen, der
bei 10A noch nicht sättigt und eine Induktivität von ca. 100µ hat.

Anbei meine Dimensionierung für verschiedene Kerne - im Netz gibt's
auch Tabellen -> mal googeln!

mfg müllo

Autor: Stephan (Gast)
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N27 ist das Standard-Material für Kerne bis 50kHz. Kerne mit dem
Material gibt es wie Sand am Meer.

Stephan.

Autor: Bri (Gast)
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@Sebastian

Ich hab den Kern bei Reichelt gesehen. Bei einer Windung kommt nicht
1,17mH raus. Siehe hier: http://www.amidon.de/Image3.gif

Und bei Kernmaterial 77 steht bei
http://www.amidon.de/ferritrinkerne.htm folgendes:

"MATERIAL (Permeabilität 2000) Ein Mangan-Zink-Material mit großer
Sättigungsflußdichte bei hohen Temperaturen. Niedrige Kernverluste im
Bereich von 1 kHz bis 1 MHz. Ideal für Transformatoren und
Breitbandübertrager bis 30 MHz sowie zur Nebenwellendämpfung zwischen 2
und 40 MHz. Lieferbar in Ring- oder Perlenform sowie als Topf- oder
'E'-Kerne."

und weiter oben noch:

"Die Mangan-Zink-Ferritkerne mit Permeabilitäten von m=800 bis m=5000
haben einen recht niedrigen Volumenwiderstand und eine mittlere
Sättigungsflußdichte. Sie bieten hohe Güten zwischen 1 kHz und 1 MHz.
Kerne aus dieser Materialgruppe werden auch verbreitet für
Transformatoren in Schaltnetzteilen eingesetzt, die mit 20...100 kHz
Schaltfrequenz arbeiten."

Klingt für mich nach idealem Kernmaterial, oder nicht?

@Stephan

Ich hab ja einen N27 Kern mit Durchmesser 13mm mit 29 Windungen
bewickelt, was mit dem L-Meter nachgemessen 900uH ergibt. Der geht
definitiv nicht. Der FET wird extrem heiß. Auf der Seite
http://www.sprut.de/electronic/switch/up100w/up100w.htm hab ich dann
gelesen, dass der Strom durch den FET schlagartig ansteigt, wenn sich
das Kernmaterial sättigt. Mit einer anderen Spule (330uH, anderer Kern)
ging es dann einwandfrei. Allerdings ist die halt zu klein und auch
keine Ringkernspule.

Ich hab nochmal die Induktivität nachgerechnet, für Iout = 20mA komm
ich auf die besagten 600uH, für Iout = 6mA auf 2mH. Also sollte ich
wohl doch besser 2mH wickeln.

Autor: Bri (Gast)
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Was ich noch vergessen hatte: die Formeln für die Berechnung der
Induktivität der Spule stehen auf Seite 10 der application note des
MC34063, die ich beim vorherigen Beitrag angehangen habe. Da ich den
MC34063 verwende, halte ich mich mal daran. :-)

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Das Ergebnis von http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smpshome/
macht schon Sinn. Du betreibst den Wandler mit lückendem Strom, der
Induktivitätswert ist dann kleiner.
Vielleicht kann der Regler aber auch nur den lückenden Betrieb.

Nachdem ich grad auch an Drosselauslegung dran bin hab ichs mal mit den
ungünstigsten Parametern durchgerechnet:

Imax = 0,5A (für die Drossel)
N = 23 (bei Al 1170nH/Wdg)

zu speichernde Energie:
W = 1/2  L  Imax² = 0,5 + 600µH * 0,5A * 0,5A = 75 µWs

max. Flußdichte:
W = 1/2 * Bmax²/μ0  Ae  le/μe
=> Bmax = sqrt( 2  W  µ0 * µe / (Ae * le) )
Bmax = sqrt( 150µWs * 1,257µVs/Am * 6000 / (50mm² * 53mm) )
Bmax = sqrt( 1,1313µV²s²/m / 2650mm^3 )
Bmax = sqrt( 1,1313V²s²/m / 2,65m^3 )
Bmax = sqrt( 0,427V²s²/m^4 )
Bmax = 0,653Vs/m² = 0,653T = 6530 Gauß (also rund 50% mehr als das
Meterial abkann)

Ich hoff mal ich hab mich bei den ganzen Potenzen nicht verrechnet.

Bei der geringen Leistung (ich hatte noch die 10A weiter oben im Kopf
im Thread) dacht ich zuerst die Drossel ist wohl kein Problem. Stimmt
aber wohl doch nicht so ganz...
Die Aussage, dass die Energie nur im Luftspalt gespeichert wird macht
also durchaus Sinn. Der Ferritkern ist für
Transformatoren-/Übertrageranwendungen und ist daher auf möglichst
geringe Streuinduktivität (und Speichervermögen) ausgelegt und hat auch
keinen Luftspalt.

=> Nimm nen Eisenpulverkern (mit verteiltem Luftspalt) oder Schalenkern
mit Luftspalt (ggfls. was beilegen). "-26" bei den Eisenpulverkernen
ist in dem Frequenzbereich glaub ich üblich.
Du wirst aber auf jeden Fall ne Ecke mehr Windungen brauchen.

Zum Vergleich:
Ich hab hier nen 800W Ringkerntrafo (Kerngewicht wohl so ca. 50% der
Gesamt 7kg), genauso wie die Ferritkerne als Trafo/Übertrager für
niedrigen Leerlaufstrom optimiert.
42H Induktivität, speichert aber trotzdem nur max. 80mWs (ich nehm mal
an der Hersteller hat den Trafo witschaftlich sinnvoll ausgelegt).
Umgerechnet aufs Kerngewicht von wohl rund 22g kommen 500µWs raus. Mit
Flußdichte von 0,65T an Stelle der 1,8T in Eisen kommen noch 65µWs
raus. Scheint also zu passen.

Autor: Bri (Gast)
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@Stephan
Danke für deine ausführliche Rechnung. Ich hätte auch nicht gedacht,
dass ausgerechnet die Spule ein Problem sein könnte. :-) Ich glaub ich
sollte die Frequenz auf 50kHz oder mehr erhöhen, dann muss ich weniger
wickeln. Der FET sollte das ohne Probleme können.

Ich hab noch eine Frage zu deiner Formel für die Flußdichte. Was
bedeutet das Ae und das le?

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Ae: eff Querschnitt
le: effektive Länge

..und dabei fällt mir grad ein, dass der Querschnitt nur die Hälfte is
(25qmm). Dann könnts grad halt so gehn.

Für ne Übersetzung 1:12 wär übrigens eigentlich ein Trafo/ÜBertrager
angesagt.

Autor: Bri (Gast)
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Du hast recht mit dem Übersetzungsverhältnis. Eigentlich ist es auch zu
groß, damit die Regelung des MC34063 noch richtig funktionieren kann.
Aber da es keine Laständerung gibt, wenn das Netzteil läuft, dachte ich
mir, das geht auch so. :-)

Ich hab mit deinen Formeln mal die Flußdichte für meinen N27 Ringkern
ausgerechnet und komm da auf 750mT. Bei google hab ich als max
Flußdichte 300mT für N27 gefunden. Konnte also nicht gehen. :-)

Ich werde morgen, an meinem letzten Urlaubstag, nochmal ein bisschen
rumprobieren, ob ich vielleicht mit einer höheren Frequenz doch noch
den N27 Kern verwenden kann.

Könntest du mir noch sagen, woher du die Formeln hast? (Buch oder
Internetseite?)

PS: ich hätte wirklich nicht gedacht, dass das mit der Spule so
kompliziert wird, einfach etwas Draht auf einen Ringkern wickeln und
gut ist, hab ich mir gedacht, tja so kann man sich irren. Aber
lehrreich ist es allemal.

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Formeln sind die von
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smpshome/

Und halber Querschnitt bedeutet dummerweise mehr Fluss und nicht
weniger...
Dann wärs so knapp 1T bei dem Ringkern.

Autor: Bri (Gast)
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Nachdem ich nun den halben Tag gerechnet hab, möchte ich nochmal
zusammenfassend meine Ergebnisse hier hinschreiben.

Ich hab mich erstmal entschieden, die Frequenz auf 54kHz zu erhöhen,
damit die Spule etwas kleiner wird. Daraus ergibt sich laut der Seite
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smpshome/ ein
L=6.8mH und ein Imax=91mA.

Daraus ergibt sich eine zu speichernde Energie von
W = 0.5  L  Imax^2 = 28.2µWs

Nun hab ich mir den Kern FT114-77 bei Reichelt ausgesucht. Die maximale
Flussdichte ist
B = sqrt(2  W  µ0 * µe / (Ae * le)) = 390mT
(µe = 6000, Ae = 37.5mm^2, le = 74.2mm)

Maximal erlaubt ist für das Kernmaterial 460mT, sollte also gehen.

Mit dem Ringkernrechner http://www.qsl.net/dl5swb/minirk_g.htm hab ich
dann folgende Werte für die Wicklung berechnen lassen:
N=73, max D Draht=0.8mm, l Draht = 183cm

Wenn niemand was dagegen einzuwenden hat, würde ich den Kern einfach
mal bestellen und ausprobieren. :-)

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