Verständnisproblem bei Ringkernen

siehe Spule

Max C. schrieb:

> ich habe ein Verständnisproblem bei der Auswahl eines geeigneten
> Ringkerns.
> Die Induktivität bestimme ich ja über den Al-Wert eines Ringkerns
> zusammen mit der Windungszahl. Aber wie sieht das mit de Sättigung aus?
> Ein Ringkern soll ja möglichst nicht in die Sättigung geraten, somit
> muss ich dies doch bei der Auswahl eines geeigneten Ringkerns
> berückstichtigen, oder etwa nicht?! Ich habe nämlich nirgendwo Angaben
> zur Sättigung gefunden...

Im Prinzip muß ich dir recht geben. Während bei Kondensatoren die 
maximale Spannung angegeben wird, bekommt man keine vergleichbare Angabe 
für die maximale Durchflutung (Ampere * Windungen) für Spulenkerne.

Warum nicht?

Die Antwort ist, daß zum einen das Sättigungsverhalten eines Kerns nicht 
so abrupt ist wie der Durchbruch des Dielektrikums im Kondensator. Zum 
zweiten ist die Sättigung auch stark frequenzabhängig. Es hängt also von 
der Anwendung ab, wie weit man den Kern ausreizen kann und will.

Aber gut. Nehmen wir einfach mal an, es gäbe eine derartige Kenngröße 
eines Kerns und sehen wir weiter.

Ein Kern hat zwei wesentliche mechanische Eigenschaften: die effektive 
Weglänge l und den effektiven Querschnitt A. Für einen Ringkern kann man 
beide ganz gut aus den Abmessungen bestimmen: l = \pi*(Di+Da)/2 und 
A=(Da-Di)*h/2. Für andere Kerne gibt es Tabellen.

Ferner hat das Kernmaterial zwei wesentliche magnetische Eigenschaften: 
die Permeabilität µ und die Sättigungsflußdichte B_max. µ wird dabei oft 
in Form der relativen Permeabilität gegeben: µr = µ / µ0 mit der 
Vakuum-Permeabilität µ0 = 4*\pi*1E-7 Vs/(Am).

B_max ist wie gesagt frequenzabhängig und auch keine harte Größe, weil 
die Sättigung nicht schlagartig einsetzt, sondern ein weicher Übergang 
ist. Oft setzt mal willkürlich für B_max den Wert ein, bei dem µr auf 
80% des Nominalwerts zurück gegangen ist. Typische Werte sind 300mT für 
Ferrit und 500mT für Eisenpulver.

Aus der mechanischen Kerngröße und der Permeabilität des Kernmaterials 
ergibt sich der A_L Wert: A_L = µ*A/l. Dieser Zusammenhang ist nützlich, 
denn so läßt sich für einen ausgemessenen Kern (A_L, A, l bekannt) die 
Permeabilität des Materials berechnen und daraus abschätzen was für ein 
Material es ist.

Der Artikel zur Spule gibt uns eine nützliche Formel:

I_sat = B_max * l / (N * µ) bzw. umgestellt für die Durchflutung

I_sat * N = B_max * l / µ

Wenn man statt mit µ lieber mit A_L rechnet:

I_sat * N = B_max * A / A_L

(man braucht entweder die Weglänge oder den Querschnitt des Kerns)

Und das wars schon.

Beispiel: Ein Amidon Ringkern T106-26. Material #26 hat µr=75. 
Querschnitt und Länge sind 66mm² bzw. 65mm. Macht A_L=96nH, die Tabelle 
sagt 93nH. Paßt also.

Die maximale Durchflutung für 0.5T wären dann 0.5T * 65mm / (75 * µ0) ~= 
345A. Also z.B. für 1mH und 100 Windungen I_max=3.45A.


HTH, XL

Hallo Max,
ein schönes Tool um Ringkerne zu berechnen:
http://www.dl5swb.de/html/mini_ringkern-rechner.htm
Gruss Klaus.

Danke für die vielen Antworten, ihr habt mir echt weitergeholfen.

Also für meinen konkreten Fall benötige ich einen Step-Up-Wandler mit
Ue=10V
Ua=40V
Ia=1A
f=100kHz
bei einer Induktivität von L=65µH ergibt sich ein maximaler Spulenstrom 
von Imax=4,65A
Bei diesem Ringkern (T50-18) 
http://www.reichelt.de/Amidon-Eisenpulver-Ringkerne/T-50-18/3/index.html?&ACTION=3&LA=2&ARTICLE=32296&GROUPID=3186&artnr=T+50-18
Habe ich Da=12,7mm
Di=7,7mm
H=4,83mm
Al=24nH/N²
Somit ergibt sich die Querschnittsfläche zu A=(Da-Di)*H/2~=12mm²
Ich benötige insgesamt N=sqrt(L/Al)=52Windungen
und habe einen maximalen Spulenstrom von
Imax=(Bmax*A)/(N*Al)=4,8A

Somit sollte doch dieser Kern gerade noch geeignet sein, oder habe ich 
was übersehen?

@ Klaus Ra. (klara)

>ein schönes Tool um Ringkerne zu berechnen:
>http://www.dl5swb.de/html/mini_ringkern-rechner.htm

Nur leider berechnet der keinerlei Sättigungsströme.

Axel Schwenke schrieb:

> Die Antwort ist:

...Viel Text...

Ich finde, besser kann man das nicht erklären. Der Text sollte ins
Tutorial übernommen werden.
Gruss
Harald

@ Max C. (max_der_bastler)

>Somit sollte doch dieser Kern gerade noch geeignet sein,

Ja. Wenn er dir nicht durch die Kernverluste oder die ohmschen Verluste 
der wicklung abkocht. Denn 4,5A Spitzenstrom mit 52 Windungen ist viel 
Holz, und so groß ist ein T50 Ringkern nicht. Nimm lieber einen 1-2 
Nummern größer.

@ Harald Wilhelms (wilhelms)

>>Axel Schwenke schrieb:

>> Die Antwort ist:

>...Viel Text...

>Ich finde, besser kann man das nicht erklären. Der Text sollte ins
>Tutorial übernommen werden.

Schon mal das Tutorial gelesen? Dort steht dasd schon drin. Ausserdem 
sind bei Axel einige Fehler drin.

>Die Antwort ist, daß zum einen das Sättigungsverhalten eines Kerns nicht
>so abrupt ist wie der Durchbruch des Dielektrikums im Kondensator.

Das stimmt nicht! Je nach Kerntyp kann das sehr wohl SEHR apprupt 
kommen. Je höher die Permeabilität, umso stärker. Ist auch logisch, 
schau dir die Magnetisierungskurven an.

>zweiten ist die Sättigung auch stark frequenzabhängig.

Naja, die Permeabilität ist frequenzabhängig, die Sättigung eher nicht.

>B_max ist wie gesagt frequenzabhängig und auch keine harte Größe, weil
>die Sättigung nicht schlagartig einsetzt, sondern ein weicher Übergang
>ist.

Schon wieder falsch. Das gilt nur für niederpermeable Kerne, wie sie in 
Drosseln genutzt werden, was hier jedoch der Fall ist.

>Wenn man statt mit µ lieber mit A_L rechnet:

>I_sat * N = B_max * A / A_L

Die Formel kann man ergänzen.

Max C. schrieb:

> Also für meinen konkreten Fall benötige ich einen Step-Up-Wandler mit
> Ue=10V
> Ua=40V
> Ia=1A
> f=100kHz
> bei einer Induktivität von L=65µH ergibt sich ein maximaler Spulenstrom
> von Imax=4,65A

Das überprüfe ich jetzt mal nicht, sondern glaube es einfach.

> Bei diesem Ringkern (T50-18)
> Habe ich Da=12,7mm
> Di=7,7mm
> H=4,83mm
> Al=24nH/N²
> Somit ergibt sich die Querschnittsfläche zu A=(Da-Di)*H/2~=12mm²
> Ich benötige insgesamt N=sqrt(L/Al)=52Windungen
> und habe einen maximalen Spulenstrom von
> Imax=(Bmax*A)/(N*Al)=4,8A

Wenn es so knapp zugeht, besser die Fläche/Länge aus dem Katalog nehmen, 
weil Coating und abgerundete Kanten die effektive Fläche verringern. Im 
Micrometals Katalog sind 11.2mm² angegeben. Damit komme ich auf 4.48A @ 
52 Wdg.

> Somit sollte doch dieser Kern gerade noch geeignet sein, oder habe ich
> was übersehen?

Abgesehen davon daß man Kerne auch magnetisch besser nicht "auf 
Anschlag" fahren soll, hast du übersehen, daß der Wickelraum des T50 
Kerns nicht für 52 Windungen reicht. Denn für 4.5A brauchst du schon 
ziemlich dicken Draht (bzw bei 100kHz eher mehrere parallel). Eine 
andere Tabelle gibt für einen T106 Kern und AWG16 Draht (ca. 1mm²) max. 
58 Windungen an. Einlagig gewickelt (bessere Kühlung) gehen nur 26 
Windungen drauf.

B_max = 500mT ist für Eisenpulver schon hart an der Grenze (sprich: der 
Wirkungsgrad geht runter und der Kern wird heiß). Rechne da mal lieber 
nur mit 400mT.


XL

Super, ihr habt mir echt geholfen, danke hierfür nochmal.

Jetzt taucht in meinem Projekt natürlich die nächste Frage auf, wo ich 
gerne eure Meinung zu wissen möchte.

Also ich möchte einen String von insgesmat 12 LEDs mit einem 
Schaltwandler betreiben. Der Schaltwandler soll den Strom durch die LEDs 
regeln.
Als Schaltregler habe ich mir den LM2587 
http://www.reichelt.de/ICs-LM-2000-LM-25576/LM-2587-S-ADJ/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=109357&GROUPID=5466&artnr=LM+2587+S-ADJ
ausgesucht. Dieser ist allerdings als Spannungsregler gedacht und hat 
deshalb eine Referenzspannung von 1,23V.
Frage ist nun, ob ein Stromshunt mit einem nachgeschalteten OPV als 
Spannungsverstärker schnell genug ist und ich so das Stromsignal als 
Feedback für den Schaltregler nehmen kann?

Kann man. Aber es gibt genügend neue Schaltregler, die das nicht 
benötigen, eben weil si direkt für die Ansteuerung von LEDs gebaut sind.

ja, ich weiß. Allerdings habe ich bisher noch keinen gefunden, der für 
einen LED-Strom von 1A ausgelegt ist. Bisher waren alle Regler für 20mA 
gedacht und hatten dann auch Schaltfrequenzen, die für einen diskreten 
Aufbau der Leistungstufe zu hoch waren.

Stephan schrieb:
> Selbst auf den OPV könnte man verzichten, wenn man einen geeigneten/
> passenden Widerstand nimmt.

Ja schon, allerdings müsste dieser dann bei einer Referenzspannung des 
Schaltreglers von Uref=1,25V und einem Strom durch die LEDs von I=1A 
eine Leistung von P=1,25W verbraten. Das ist auch nicht die feine 
englische Art ;)