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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Übertrager mit kapazitiver Last


Autor: Rez (Gast)
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Hallo allerseits,

ich habe ein paar Fragen bezüglich Übertragern.
Angenommen ich nutze einen Übertrager, um ein Signal um die 800kHz auf 
eine höhere Spannung zu transformieren. Die Last ist dabei rein 
kapazitiv. D.h. die Quelle sieht ja im Endeffekt einen 
LC-Parallelschwingkreis. Wenn ich nun das Eingangssignal auf genau diese 
Frequenz ausrichte, dann sieht die Quelle dementsprechend eine sehr hohe 
Impedanz, die parallel zur Primärspule liegt, oder nicht? D.h. es sollte 
nur noch der Magnetisierungsstrom nötig für den Übertrager aus der 
Quelle fließen.

Anbei habe ich nun ein Beispiel: Angenommen die Sekundärseite hat eine 
Induktivität von 1000uH, die kapazitive Last beträgt 40pF. Die Resonanz 
liegt dann bei etwa 795kHz. Die Primäseite dagegen hat eine Induktivität 
von 40uH, was dann zu einem Übertragungsfaktor von 5 führt. Speise ich 
nun sagen wir mal einen 795kHz Sinus mit 4V Amplitude in den Übertrager 
ein, dann kommen sekundärseitig 20V raus, wobei die Last - gesehen von 
der Quelle - hochohmig ist. Der Magnetisierungsstrom müsste sich nun aus 
der Primärinduktivität, der Frequenz und der Spannung ergeben. Heißt bei 
40uH und 795kHz liegt die Impedanz der Primärseite bei knapp 200 Ohm, 
was bei 4V schon zu einigen mA an Strom führen würde. Der Gesamtstrom 
durch die Primärseite sollte sich nun aus dem Magnetisierungsstrom und 
dem transformierten Strom benötigt für die Sekundärseite zusammensetzen, 
soweit ich das verstanden habe.

Nun stellen sich mir einige Fragen:
- Wenn ich das ganze simuliere, dann sehe ich, dass bei Resonanz der 
Primärstrom im Idealfall exakt gegen 0 geht, ohne dass der 
Magnetisierungsstrom zu fließen scheint. Wie kann das sein? Heben die 
sich einfach irgendwie durch eine 180° Phasendrehung auf oder was genau 
passiert da bei kapazitiver Last und Resonanz?

- Scheinbar ist die übertragene Leistung anhand des Stroms ja sehr 
gering. Wenn ich nun aber z.B. die Flussdichte anhand eines bestimmten 
e.g. Ringkernes durchrechne, dann ist diese natürlich sehr hoch und 
treibt den Kern schnell in die Sättigung, sodass ich primär mehr 
Windungen brauche. Das führt aber dazu, dass der Übertragungsfaktor zu 
klein wird. Wie passt das denn jetzt zusammen mit dem Strom der 
tatsächlich laut Simulation da fließen wird?

- Wenn ich einen solchen Übertrager selbst wickeln möchte, auf was für 
ein Material sollte ich da zurückgreifen? Am Ende möchte ich nur eine 
einzige Frequenz mit in etwa 3-5V RMS möglichst verzerrungsfrei 
übertragen und auf etwa 15-18V RMS transformieren. Die genaue Frequenz 
ergibt sich anhand der Resonanz des Transformators, wobei diese etwa 
zwischen 500kHz und 1.5MHz liegen soll.

- Sollte das Material in diesem Fall für Breitbandübertrager gedacht 
sein (habe ich ja nicht wirklich) oder Signalübertrager (Da tritt das 
Problem der halbwegs höheren Spannung und Sättigung auf)? Oder doch eher 
ein Powertransformer (wobei dieser sicherlich stärker verzerren wird)? 
Außerdem gibt es Resonanztransformatoren, wobei ich dazu soweit immer 
nur gefunden habe, dass diese aus einer einfachen Induktivität bestehen 
anstelle eines richtigen Übertragers..

- Ringkern, Schalenkern oder Doppellochkern?

Ich hatte z.B. das Material 3D3 von ferroxcube im Auge, leider finde ich 
dazu keine Ringkerne mehr, bzw. laut Datenblatt wären die veraltet. Wäre 
so etwas sonst geeignet?

Hoffe, ihr könnt mir dabei etwas Klarheit verschaffen. Habe die 
Simulation mal angehängt.

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Rez schrieb:

> Angenommen ich nutze einen Übertrager, um ein Signal um die 800kHz auf
> eine höhere Spannung zu transformieren. Die Last ist dabei rein
> kapazitiv.

Hört sich an, wie Bandfilter. sowas hat man früher
in ZF-Verstärkern verbaut. :-)
Im Ernst: Du solltest auf Resonanzen achten. Dann
verhält sich Dein Trafo nicht mehr wie ein normaler Trafo.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Rez scchrieb:
>- Wenn ich das ganze simuliere, dann sehe ich, dass bei Resonanz der
>Primärstrom im Idealfall exakt gegen 0 geht, ohne dass der
>Magnetisierungsstrom zu fließen scheint. Wie kann das sein?

Du simulierst einen idealen Schwingkreis der keine Verluste
hat. Der hat dann einen unendlich hohen Resonanzwiderstand
und da fließt dann auch kein Strom. So ein Schwingkreis
gibt es aber in Wirklichkeit nicht. Abhängig von den Verlusten
ergibt sich dann ein endlicher Resonanzwiderstand der dann
mit dem Quadrat des Übersetzungsverhälnis der Windungszahlen
auf die Primärseite transformiert wird. Du mußt dich erst
einmal mit den Grundlagen des Schwingkreises beschäftigen.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Rez schrieb:
> Wenn ich einen solchen Übertrager selbst wickeln möchte, auf was für
> ein Material sollte ich da zurückgreifen? Am Ende möchte ich nur eine
> einzige Frequenz mit in etwa 3-5V RMS möglichst verzerrungsfrei
> übertragen und auf etwa 15-18V RMS transformieren. Die genaue Frequenz
> ergibt sich anhand der Resonanz des Transformators, wobei diese etwa
> zwischen 500kHz und 1.5MHz liegen soll.

Eine gute Quelle für Induktivitäten:
https://www.spulen.com/

"Möglichst verzerrungsfrei" heißt, der Kern darf nicht in die Sättigung 
gehen, Du mußt deutlich darunter bleiben.

Schau Dir mal diese Induktivität an.
https://www.reichelt.de/ab-100-H/L-PISM-330-/3/ind...

Bei einer Induktivität von 330 µH hat sie eine Resonanzfrequenz von 3,2 
MHz. Man könnte hiermit schon mal Spielen. Wickle hier eine 
Primärwicklung darauf und schaue was passiert. Die Resonanzfrequenz wird 
heruntergehen.

Letztlich mußt Du ein Optimum versuchen zu erzielen.

Wenig Windungen, wenig Wicklungskapazitäten.
Jede Lage erhöht die Wicklungskapazitäten deutlich.
Wenn Lagen, dann aufteilen in mehreren Kammern, dadurch werden die 
Wicklungskapazitäten in Reihe geschaltet.

Alles nicht ganz einfach.

Noch ein interessantes Tool.
http://www.dl0hst.de/mini-ringkern-rechner.htm

Warum muss es denn ein Übertrager sein?
mfg Klaus

: Bearbeitet durch User
Autor: Rez (Gast)
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Günter Lenz schrieb:
> Du simulierst einen idealen Schwingkreis der keine Verluste
> hat. Der hat dann einen unendlich hohen Resonanzwiderstand
> und da fließt dann auch kein Strom. So ein Schwingkreis
> gibt es aber in Wirklichkeit nicht. Abhängig von den Verlusten
> ergibt sich dann ein endlicher Resonanzwiderstand der dann
> mit dem Quadrat des Übersetzungsverhälnis der Windungszahlen
> auf die Primärseite transformiert wird. Du mußt dich erst
> einmal mit den Grundlagen des Schwingkreises beschäftigen.

Danke, das ist mir vollkommen bewusst. Ich wollte nur das Problem des 
Magnetisierungsstroms verdeutlichen....... Egal, ob der Schwingkreis da 
ideal ist oder nicht, ich verstehe nicht, warum der Strom durch den 
Primärkreis trotzdem nahezu verschwindet, obwohl ich einen 
Magnetisierungsstrom erwarte (der unabhängig vom Sekundärkreis ist).

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Rez schrieb:
> ich verstehe nicht, warum der Strom durch den
> Primärkreis trotzdem nahezu verschwindet, obwohl ich einen
> Magnetisierungsstrom erwarte (der unabhängig vom Sekundärkreis ist).

Du simulierst mit einem idealen Trafo und dann noch mit Kopplungsfaktor 
1.
Setz den Kopplungsfaktor mal auf 95%. Der nächste Schritt wären die 
Wicklungswiderstände. Danach die Wicklungskapazitäten. Erst dann haben 
wir halbwegs reale Bauteile.

Noch eine Quelle für Induktivitäten.
http://katalog.we-online.de/de/pbs/browse/power_magnetics

Falls Du an einer Uni bist:
http://www.we-online.com/web/de/wuerth_elektronik/...

Würth hat hier sich ausgiebig mit Induktivitäten auseinandergesetzt.


mfg klaus

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Rez schrieb:
> Egal, ob der Schwingkreis da
> ideal ist oder nicht, ich verstehe nicht, warum der Strom durch den
> Primärkreis trotzdem nahezu verschwindet, obwohl ich einen
> Magnetisierungsstrom erwarte

Wie groß hast du denn den Kopplungsfaktor eingestellt? Einen 
Magnetisierungsstrom gibt es nur, wenn der Kopplungsfaktor < 1 ist.

Ganz allgemein fällt mir auf, daß du zwar auf der Suche nach den 
Eigenschaften der realen Schaltung bist, dann aber mit einem Mix aus 
idealen und nichtidealen Bauteilen hantierst.

Autor: Rez (Gast)
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Klaus R. schrieb:
> Warum muss es denn ein Übertrager sein?

Danke erstmal, ich schau mir das mal an. Der Miniringkernrechner hab ich 
bisher auch schon benutzt. Ein Übertrager muss es am Ende sein, weil das 
obige Beispiel nicht ganz dem entspricht, was ich brauche. Ich brauche 
am Ende einen Übertrager mit Mittenanzapfung, um ein differentielles 
Signal zu erhalten, wovon beide Sekundärspulen dann jeweils kapazitiv 
belastet sind.

Autor: voltwide (Gast)
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Rez schrieb:
> ich verstehe nicht, warum der Strom durch den
> Primärkreis trotzdem nahezu verschwindet, obwohl ich einen
> Magnetisierungsstrom erwarte (der unabhängig vom Sekundärkreis ist).

Der Magnetisierungsstrom fließt in jedem Fall, er ergigt sich aus der 
jeweiligen Induktivität, Spannung und Frequenz - egal ob da ein 
Kondensator parallel geschaltet ist. Im Resonanzfall hebt der 
phasenverschobene Kondensatorstrom den Magnetisierungsstrom auf, was 
sich nach außen dann als hohe Impedanz manifestiert.
Du hast also eine gewisse Blindleistung bei verschwindener Nutzleistung 
im Resonanzkreis.

Autor: John B. (craftsman)
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Hallo rez,

du hast dich schon mit deinem Vorhaben beschäftigt und daher recht viele 
Fragen stellen können.

Nachdem die Teilthemen aufeinander aufbauen, möchte ich vorne anfangen.

Du hast naheliegenderweise mit der Simulation einer idalisierten 
Schaltung begonnen. Das ist ein guter Anfang, weil sich daraus schnell 
die Grundlagenfragen ergeben.

Rez schrieb:
> ohne dass der
> Magnetisierungsstrom zu fließen scheint.

doch, doch, kein Grund zur Beunruhigung, es ist schon so, wie du 
erwartet hast. Es fliesst 1mA Strom durch den Trafo bei Resonanz. :)

Du hast primärseitig keinen Strom gesehen, da dort nur der Strom 
fliesst, der nachgespeist wird. Nachdem du sekundärseitig nichts 
entnimmst, und in der idealisierten Schaltung keine Verluste Leistung 
verbrauchen, wird auch nichts nachgespeist.

Sekundärseitig fliessen 5mA. Das ist der Kreisstrom, der aus dem 
fortlaufenden Umspeichern der Energie zwischen Spule und Kondensator 
kommt. Da hast du den erwarteten Magnetisierungsstrom. Die fliessen noch 
dazu durch die vielen Windungen der Sekundärwicklung.

Daraus folgt der Tip fürs weitere Arbeiten: Alle Spannungen, Ströme und 
Leistungen einer Sim ansehen, um sie verstehen zu können.

Rez schrieb:
> Scheinbar ist die übertragene Leistung anhand des Stroms ja sehr
> gering.

ja natürlich, wenn nichts entnommen wird, kann nichts übertragen werden.

Als nächstes kannst du schrittweise die idealisierte Schaltung zu einer 
realitätsnäheren ergänzen. Eine Kopplung von unter 1 verändert schon mal 
einiges.

Auch dafür einen Tip: Wenn unklar ist, was die Kopplung unter 1 bewirkt, 
kann man sich das Ersatzschaltbild des Trafos ansehen und auch mit 
diesem ESB simulieren.

Die Notwendigkeit einer Last und von Verlustwiderständen ist dir sicher 
klar.

Die Bauteilauswahl ist jetzt wohl noch nicht dran.

grüsse, John

Autor: Rez (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Rez schrieb:
>> Egal, ob der Schwingkreis da
>> ideal ist oder nicht, ich verstehe nicht, warum der Strom durch den
>> Primärkreis trotzdem nahezu verschwindet, obwohl ich einen
>> Magnetisierungsstrom erwarte
>
> Wie groß hast du denn den Kopplungsfaktor eingestellt? Einen
> Magnetisierungsstrom gibt es nur, wenn der Kopplungsfaktor < 1 ist.
>
> Ganz allgemein fällt mir auf, daß du zwar auf der Suche nach den
> Eigenschaften der realen Schaltung bist, dann aber mit einem Mix aus
> idealen und nichtidealen Bauteilen hantierst.

Danke, das mit dem Kopplungsfaktor war mir nicht bekannt, dass der 
Magnetisierungsstrom nur dann eintritt, wenn k<1 ist.
In den richtigen Simulationen habe ich die Bauteile natürlich 
ausgemessen und alles real simuliert, Kopplungsfaktor dementsprechend, 
Kupferwiderstände beachtet etcpp.

Ich hab das Beispiel hier nur als minimal gewählt, damit mir das jemand 
genauer erklären kann ;) Selbst bei k=1 würde ich nach derzeitigem 
Verständnis einen Magnetisierungsstrom erwarten, der trotzdem durch die 
Spule fließen muss. Begründung: Wenn ich anstatt einer kapazitiven Last 
einen sehr hochohmigen Widerstand schalte, dann fließt trotzdem der 
Magnetisierungsstrom durch die Primärspule, obwohl die gesehene Last 
extrem hochohmig ist (das gleiche, wie wenn ich die Sekundärseite offen 
lasse).

Meine einzige Erklärung wäre: Kann es sein, dass die Primärspule trotz 
elektrischer Trennung irgendwie mit zur Resonanz der Sekundärseite 
"gehört"?

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Rez schrieb:
> Meine einzige Erklärung wäre: Kann es sein, dass die Primärspule trotz
> elektrischer Trennung irgendwie mit zur Resonanz der Sekundärseite
> "gehört"?

Ja, und zwar über den Kopplungsfaktor.

Autor: John B. (craftsman)
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@ rez: siehe oben, unsere Beiträge haben sich überkreuzt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Rez (Gast)
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John B. schrieb:
> Du hast primärseitig keinen Strom gesehen, da dort nur der Strom
> fliesst, der nachgespeist wird. Nachdem du sekundärseitig nichts
> entnimmst, und in der idealisierten Schaltung keine Verluste Leistung
> verbrauchen, wird auch nichts nachgespeist.
>
> Sekundärseitig fliessen 5mA. Das ist der Kreisstrom, der aus dem
> fortlaufenden Umspeichern der Energie zwischen Spule und Kondensator
> kommt. Da hast du den erwarteten Magnetisierungsstrom. Die fliessen noch
> dazu durch die vielen Windungen der Sekundärwicklung.

Aha! Genau das ist die Antwort, die ich mir erhofft habe, vielen Dank! 
Das hab ich soweit natürlich gar nicht beachtet, aber jetzt leuchtet es 
mir ein. Natürlich werde ich am Ende sekundärseitig auch etwas Strom 
entnehmen, auch wenn der relativ klein sein wird. :)

Das heißt es wird also dementsprechend immer nur der Strom 
"nachgeliefert", der intern im Schwingkreis durch die Verluste entsteht, 
sowie der, den ich dann natürlich noch entnehmen werde? Sprich: Wenn ich 
einen Schwingkreis mit recht hoher Güte hätte, dann würde beim 
Einschalten der Strom fließen, um den Schwingkreis zu "füttern", danach 
dementsprechend nur noch der Strom für die in diesem Fall kleinen 
Verluste und der entnommene Strom "nachgeliefert" werden?

Autor: John B. (craftsman)
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Hi rez,

ja, wie immer ist die Angelegenheit im Detail dann nicht so einfach, wie 
es auf den ersten Blick aussieht. So ungefähr hast du recht, aber es ist 
notwendig, genau zu sein, sonst kommt man ganz schnell zu falschen 
Schlüssen.

Wir müssen hier zwischen dem Resonanzfall und dem Betrieb neben der 
Resonanz unterscheiden. Und wir müssen zwischen Strom und Leistung 
unterscheiden. Und da kommen auch schon die Unterschiede zwischen 
theoretischen Überlegungen und praktischen Anwendungen zu Tage.

In der praktischen Anwendung hat ein verlustarmer und wenig belasteter 
Schwingkreis eine sehr schmale Resonanz. Wenn der fremdgesteuert 
gespeist wird, ist die Resonanz nicht wirklich leicht zu treffen und man 
hat es evtl schnell wieder mit einem Betrieb neben der Resonanz zu tun.

Oben haben wir vom Resonanzfall gesprochen, und da stimmt dein Schluss, 
was den Strom betrifft. Im Resonanzfall speist du in eine relle Last. 
Gespeister Strom ist in Phase mit der Spannung im Speisepunkt.

Sind wir aber neben der Resonanz, ist der Schwingkreis aus Trafospule 
und Kondensator keine reelle Last. Daher tritt Blindstrom auf, der ist 
ohne ohmsche Last und ohne Verlustwiderstände um + oder - 90° 
phasenverschoben. Blindstrom ist Strom und muss berücksichtigt werden. 
Aber er trägt nicht direkt zur verbrauchten Leistung bei.

Bei reeller Leistung ist es einfacher:
Was nicht in der Last oder in Verlustwiderständen verbraucht wird, und 
auch nicht im Schwingkreis zwischengespeichert wird, muss nicht 
geliefert werden. Punkt. - egal ob in Rsonanz oder daneben.

Das alles kannst du dir in deiner Simulationsschaltung ansehen. Wenn du 
dir die Zeit dafür nimmst und das wirklich verstehst, bekommst du den 
Kopf frei, für die nächsten Schritte.

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