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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Gekoppelte Schwingkreise / Drahtlose Energieübertragung


Autor: J. K. (jklose)
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Guten Abend miteinander,

ich hänge schon eine Weile an einem Simulationsproblem für eine 
drahtlose Energieübertragung mit Hilfe induktiver resonanter Kopplung.
Ich hoffe dass ich hier eine Hilfe / Lösung finde.
Ich versuche mein Problem und meine Simulationen so genaustens wie 
möglich zu beschreiben:

Der Schaltplan für meine 2 gekoppelten Schwingkreise befinden sich im 
Anhang.
Es handelt sich hierbei um einen Reihenschwingkreis mit einer Güte von:

Q = 432,53

L = 570.68 uH
C = 177.54 pF
R = 4.1450 Ohm

Das System wird mit einer Frequenz von 500kHz betrieben (welche auch 
zugleich der Resonanzfrequenz des gekoppelten Systems entspricht).

Ich habe mir in Matlab ein Skript geschrieben welches mir die Leistung 
an der Last RL geplottet über den Kopplungsfaktor k angibt.
Das gleiche auch für die Eingangsleistung.

Hierfür habe ich mir folgende zwei formeln hergeleitet für die Ströme I1 
(Sendekreis) und I2 (Empfängerkreis):

Damit es einem leichter fällt die Formeln zu lesen, habe ich ein Bild 
meines Resultates im Anhang. Im gleichen Bild habe ich auch gleich die 
Formeln für die Leistungen mit aufgeschrieben.


Das Maxima der empfangenen Leistung liegt bei der kritischen Kopplung:

k_kritisch = 1/Q = 0.0023

Dies ist auch in der Simulation für die Empfangene Leistung zu sehen 
(siehe Anhang).

Für Us habe ich hierbei Us = 24 Volt eingesetzt.

Aus den Plots lässt sich erkennen:

P_in = 34.92 Watt (gesendete Leistung)
P_out = 17.37 Watt (empfangene Leistung)

Wirkungsgrad eta =  ca. 50%


Okay nun zu meinem eigentlichen Problem:

Ich glaube ich bin mir ziemlich sicher, dass meine Simulationen in 
Matlab korrekt sind, jedoch stimmen sie nicht mit denen von PSPICe 
überein und ich bin der Meinung dass ich irgendetwas wichtiges übersehe 
oder falsch denke.

Ich habe in PSPICe mit verschiedenen Quellen die Schaltung simuliert:
- Sinus 24 Volt
- Rechteck +24 Volt
- Rechteck -/+12 Volt

Bei keinem der genannten Fälle komme ich auf die Leistungen die ich oben 
genannt habe. Ich bin schon seit Tagen am simulieren und zu hinterfragen 
was ich hier falsch mache, bin aber bis jetzt immer noch nicht dahinter 
gekommen. Ich hoffe einer von euch kann mir hier helfen.

Ich habe die simulierten Ergebnisse von PSPICe mit angehängt.
In der Formel geht es ja nur um die Amplitude Vs wenn ich das richtig 
verstanden habe, dann müsste doch die Kurvenform nicht extra noch in 
Matlab simuliert werden (sehe ich das richtig?).


Ich habe die Werte der Simulationen noch kurz zusammengefasst 
(Leistungen habe ich immer das Maxima der Leistungskurve angegeben):

Angeregt mit einem Sinus 24 Volt:

P_in = 69.8 Watt (gesendete Leistung)
P_out = 34.48 Watt (empfangene Leistung)

Wirkungsgrad eta =  ca. 50%


Angeregt mit einem Rechteck von 24 Volt

P_in = 44.48 Watt (gesendete Leistung)
P_out = 14 Watt (empfangene Leistung)

Wirkungsgrad eta =  ca. 31%

Angeregt mit einem Rechteck von -/+ 12 Volt:

P_in =  22.24 Watt (gesendete Leistung)
P_out =  14 Watt (empfangene Leistung)

Wirkungsgrad eta =  ca. 62%


Mir ist bei den Ergebnissen aufgefallen, das die Ergebnisse beim Sinus 
das doppelte von den Ergebnissen aus Matlab entsprechen.
Ich habe noch mehrere Simulationen versucht, diese sind jetzt aber 
erstmal irrelevant.


Mir wurde jetzt noch nicht ganz klar, wieso ich bei dem Rechteck einen 
komplett anderen Wirkungsgrad als herausbekomme.

Liegt es daran, dass ich für Vs nicht einfach die amplitude eintragen 
kann, sondern in Matlab auch die Kurvenform mit simulieren muss?

Schon mal ein großes Danke fürs geduldige durchlesen.

Grüße

Autor: Mark Space (voltwide)
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Zum Rechteck wäre zu sagen, dass die Amplitude der hier allein 
interessierenden Grundschwingung eben nicht gleich der 
Rechteckeckamplitude ist, sondern um den faktor 4/pi größer.
Guxtu Fourierzerlegung einer Rechteckschwingung: der allererste 
Koeffizient beträgt 4/pi.

ansonsten: ja, Matlab und Spice sollten in einem derart generischen Fall 
dieselben Resultate liefern, andernfalls findet sich der Fehler vor dem 
Bildschirm.

: Bearbeitet durch User
Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo,
hast Du Dich schon einmal bei TI zum Thema eingelesen?

http://www.ti.com/lsds/ti_de/power-management/wire...
http://www.ti.com/lsds/ti_de/power-management/wire...
mfg klaus

: Bearbeitet durch User
Autor: J. K. (jklose)
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Hallo Klaus und Mark,

@Klaus:

bei TI direkt habe ich jetzt noch nicht geschaut, aber ich habe die 
Links gerade mal geöffnet.
Was mir aufgefallen ist, dass es dort mehr um das induktive Laden nach 
dem Qi Standard geht im mm / cm Bereich.

Das was ich aufbauen will soll über eine größere Distanz möglich sein.

Trotzdem habe ich mal durchgeschaut aber nicht wirklich etwas gefunden.


@Mark:

Stimmt ! Danke, die Fourierzerlegte eines Rechtecks besitzt die 
Amplitude:
4 * Vs/pi.

Ich werde mal meine Matlab Simulationen an diese anpassen und schauen 
was dabei herauskommt!

Ich kann mir dadurch aber trotzdem noch nicht genau erklären, weshalb 
ich eine höhere Effizienz in der Simulation bei einem Rechteck -/+12 
Volt herausbekommen habe.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@J. K. (Firma: Hochschule Offenburg (Student)) (jklose)

>Das was ich aufbauen will soll über eine größere Distanz möglich sein.

Wie groß denn? Will da einer Witricity nachbauen?

https://www.mikrocontroller.net/articles/Royer_Con...

Beitrag "WiTricity heute"

>Stimmt ! Danke, die Fourierzerlegte eines Rechtecks besitzt die
>Amplitude:
>4 * Vs/pi.

Vergiß den Rechteck, rechne und betrachte das erstmal alles mit Sinus. 
Macht die Sache deutlich einfacher.

>Ich kann mir dadurch aber trotzdem noch nicht genau erklären, weshalb
>ich eine höhere Effizienz in der Simulation bei einem Rechteck -/+12
>Volt herausbekommen habe.

Die Antwort ist recht einfach und meistens richtig. Du hast Unsinn 
simuliert/gerechnet. ;-)

https://www.mikrocontroller.net/attachment/348882/...

Hmmm. Bei einem Koppelfaktor von 2e-3, sprich 2 Promille, willst du 17W 
empfangen? Das dürfte praktisch SEHR sportlich werden, denn dazu braucht 
man schon ZIEMLICH gute Resonanzkreise mit SEHR hoher Güte. Dein 
einfaches Pspice-Modell hat ideale Spulen.

>k_kritisch = 1/Q = 0.0023

D.h. du brauchst ein Q von 430 bei 500 kHz. Viel Spaß bei der Suche 
danach, vielleicht liegt eine in Cern im LHC rum. Die wird dann aber 
wahrscheinlich im flüssigen Helium schwimmen ;-)

Und wenn du "große" Entfernungen überbrücken willst, die jenseits der 
üblichen cm verbreiteter induktiver Übertragungssystem liegt, solltest 
du dir einige grundlegende Gedanken zu deinem Konzept machen. Dann musst 
du dich mit dem Schrecken aller E-Technik-Studenten, dem Herrn Maxwell 
und seinen Gleichungen befassen, denn jenseits der kleinen 
Koppelfaktoren muss man das Ganze als magnetische Antenne betrachten. 
Wie das im Detail funktioniert weiß ich auch nicht 8-0

Böse Zungen würden behaupten, daß man über nennenswerte Entfernungen 
keine nennenswerte Leistung übertragen kann. Das läuft alles nur mit 
guter magnetischer Kopplung. Siehe RFID mit 125 kHz. Dort müssen die 
Sendeantennen in der Größenordnung des Abstands sein. Erst bei den HF 
(13 MHz) und UHF-Versionen (4xx MHz) geht es deutlich kleiner, dann ist 
es aber normaler Funk mit aktiven Transpondern.

>Ich glaube ich bin mir ziemlich sicher, dass meine Simulationen in
>Matlab korrekt sind,

Errare humanum est.

: Bearbeitet durch User
Autor: J. K. (jklose)
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Hallo Falk,

ja ich habe vor eine etwas größere Entfernung zu realisieren. Ob es bis 
zu Witricity reicht wird man dann in der Praxis sehen :)

Meine (idealen) Spulen besitzen eine Güte von 432
Die Innendurchmesser dieser sind 40 cm.

Falk B. schrieb:
> Vergiß den Rechteck, rechne und betrachte das erstmal alles mit Sinus.
> Macht die Sache deutlich einfacher.

Okay, bei der Simulation von Pspice kann man ja eigentlich nicht all zu 
viel falsch machen, was jetzt meinen Schaltplan angeht. In Matlab habe 
ich die Formeln für die Leistungen noch einmal angepasst und komme auf 
die gleichen Resultate wie in PSPICe (dies gilt aber nur für den Sinus 
und nicht für den Rechteck).

Falk B. schrieb:
> Viel Spaß bei der Suche
> danach, vielleicht liegt eine in Cern im LHC rum.

Ruf ich doch gleich mal an :).
Nein Spaß, die Spulen werden selbst gewickelt.

Falk B. schrieb:
> Errare humanum est.

:)

Falk B. schrieb:
> Die Antwort ist recht einfach und meistens richtig. Du hast Unsinn
> simuliert/gerechnet. ;-)

Meinst du du kannst mir hierzu einen Hinweis geben ?
Für mich scheinen die Formeln für die Leistungen richtig zu sein.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ J. K. (Firma: Hochschule Offenburg (Student)) (jklose)

>Meine (idealen) Spulen besitzen eine Güte von 432

Logisch, das sind die Spulen + der 4 Ohm Lastwiderstand.

>Die Innendurchmesser dieser sind 40 cm.

In der Theorie.

>Meinst du du kannst mir hierzu einen Hinweis geben ?

So auf die Schnelle nicht. Im Zweifelsfall würde ich erstmal Pspice 
glauben, denn so ein einfaches RLC-Netzwerk kann es problemlos und 
korrekt simulieren (wenn denn die Bauteile real nachgebildet wurden)

: Bearbeitet durch User
Autor: J. K. (jklose)
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Hallo Falk,
danke für deine Antwort.

Falk B. schrieb:
> Logisch, das sind die Spulen + der 4 Ohm Lastwiderstand.

Habe ich ganz vergessen zu erwähnen:
Der 4 Ohm Widerstand ist der reele Widerstand der Spule (unter 
Berücksichtigung des Skin Effektes und des Proximity Effektes meiner 
Spule, bei 500 kHz), auch wenn der Skin Effekt hier noch nicht wirklich 
stark zu tragen kommt.

Falk B. schrieb:
> So auf die Schnelle nicht. Im Zweifelsfall würde ich erstmal Pspice
> glauben, denn so ein einfaches RLC-Netzwerk kann es problemlos und
> korrekt simulieren (wenn denn die Bauteile real nachgebildet wurden)

Okay danke, dann werde ich mich nochmals an meine Matlab-Simulation 
setzen..

: Bearbeitet durch User
Autor: Falk Brunner (falk)
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@J. K. (Firma: Hochschule Offenburg (Student)) (jklose)

>Der 4 Ohm Widerstand ist der reele Widerstand der Spule (unter
>Berücksichtigung des Skin Effektes und des Proximity Effektes meiner
>Spule, bei 500 kHz), auch wenn der Skin Effekt hier noch nicht wirklich
>stark zu tragen kommt.

Wirklich? Wie hast du das gemessen? Wie hast du die Güte der Spule 
gemessen? Da hat auch die parasitäre Kapazität ein Wörtchen mitzureden, 
Stichwort Eigenresonanz.

Ich bezweifle ein wenig die Güte von 430.

Autor: J. K. (jklose)
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Hallo Falk,
ich rede bis jetzt nur von der theoretischen Güte.
Die Güte in der realen Welt werde ich erst in den nächsten Tagen 
herausfinden (sobald das System fertig aufgebaut und ich hinter das 
Problem mit den Simulationen gekommen bin).

Die Eigenkapazität der Spule habe ich auch schon berechnet, diese wird 
aber mit einer weiteren Kapazität geschalten, damit sich bei einer 
Resonanzfrequenz von 500kHz eine theoretische Güte von 430 ergibt.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Kannst Du ein Bild hier einstellen?
mfg klaus

Autor: Mark Space (voltwide)
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In der Praxis dürfte imho der erhöhte Realteil infolge Proxymity-Effekt 
maßgeblich zu Buche schlagen. Für eine solche Luftspule würde ich da 
auch deutlich geringere Q-Faktoren erwarten.

Autor: Werner Hartmann (werner45)
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...ich habe alles zwar nur überflogen, aber:
Güte von 400?. Das sieht nach Leerlaufgüte aus.

Die Güte unter Last (Betriebsgüte) ist weitaus kleiner, 10 - 20.
Der Lastwiderstand beeinflußt den Resonanzwiderstand gewaltig - und 
damit auch die Güte. Die Frequenz wird auch erniedrigt.
Also rechnet nochmal nach.

Ich mein´ ja nur   -   Werner

Autor: J. K. (jklose)
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Klaus R. schrieb:
> Kannst Du ein Bild hier einstellen?
> mfg klaus

Hey Klaus,
Ein bild von dem theoretischen Modell oder von der aufgewickelten Spule 
in Praxis ?

Mark S. schrieb:
> In der Praxis dürfte imho der erhöhte Realteil infolge Proxymity-Effekt
> maßgeblich zu Buche schlagen. Für eine solche Luftspule würde ich da
> auch deutlich geringere Q-Faktoren erwarten.

Hallo Mark,

der Proximity Effekt wurde von mir in meinen Berechnungen 
berücksichtigt.
Ich komme auf Gütefaktoren von 400 bei einem Wechselstrom-Wirkwiderstand 
von 4 Ohm.
Das ist natürlich alles theoretisch und wird in der Praxis 
höchstwahrscheinlich noch sehr abweichen.

Werner H. schrieb:
> ...ich habe alles zwar nur überflogen, aber:
> Güte von 400?. Das sieht nach Leerlaufgüte aus.

Ja ist Leerlaufgüte.
Wenn ich einen Lastwiderstand mit in den Schwingkreis integriere, sackt 
die Güte gewaltig auf 100 oder niedriger ab (das kommt natürlich auf die 
Größe des Lastwiderstandes an).


Trotzdem möchte ich noch gerne erwähnen, dass Witricity weitaus höhere 
Güten benutzt hat als ich gerade. Witricity kam auf Leerlaufgüten über 
1000


Die erste meiner Spulen ist fertig gewickelt und ich werde bald 
Messungen an dieser durchführen.

Das Problem mit meinen Simulationen hat sich gelöst. Relevant war unter 
anderem das was Mark S. erwähnt hat:


Mark S. schrieb:
> Zum Rechteck wäre zu sagen, dass die Amplitude der hier allein
> interessierenden Grundschwingung eben nicht gleich der
> Rechteckeckamplitude ist, sondern um den faktor 4/pi größer.
> Guxtu Fourierzerlegung einer Rechteckschwingung: der allererste
> Koeffizient beträgt 4/pi.


Mit ein paar anderen Korrekturen in meinem Matlab Skript komm ich nun 
auf die gleichen Ergebnisse wie PSPICE.

Jetzt bald mal schauen was die Realität so dazu meint..

: Bearbeitet durch User
Autor: Falk Brunner (falk)
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@J. K. (jklose)

>Ich komme auf Gütefaktoren von 400 bei einem Wechselstrom-Wirkwiderstand
>von 4 Ohm.
>Das ist natürlich alles theoretisch und wird in der Praxis
>höchstwahrscheinlich noch sehr abweichen.

Dann ist deine Theorie wohl nicht so dolle . . .

>Trotzdem möchte ich noch gerne erwähnen, dass Witricity weitaus höhere
>Güten benutzt hat als ich gerade. Witricity kam auf Leerlaufgüten über
>1000

Wirklich? Wie hab sie das gemacht? Hast du Daten zu deren Aufbauten?

Autor: Caesar (Gast)
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Kannst du in deren Forschungsarbeiten nachlesen, dass sie eine 
praktische Güte von 900 erreicht haben.. (theoretische waren höher).

Andre Kurs war der Master Student der das Thema genauestens untersucht 
hat.

Autor: Falk Brunner (falk)
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>Kannst du in deren Forschungsarbeiten nachlesen, dass sie eine
>praktische Güte von 900 erreicht haben.. (theoretische waren höher).

Wo findet man die? Link?

Autor: Klaus Ra. (klara)
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J. K. schrieb:
> Klaus R. schrieb:
>> Kannst Du ein Bild hier einstellen?
>> mfg klaus
>
> Hey Klaus,
> Ein bild von dem theoretischen Modell oder von der aufgewickelten Spule
> in Praxis ?

Mich interessiert hier eher die Praxis.
mfg Klaus

: Bearbeitet durch User
Autor: Caesar (Gast)
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Andre Kurs - Power Transfer through strongly coupled resonances

https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/45429

Auf Seite 28 wird über den Quality factor geschrieben.

Autor: J. K. (jklose)
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Hallo alle miteinander,
die Spulen sind fertig gewickelt und ich habe mehrere Messungen 
vorgenommen mit einem Agilent U1733C LC Meter bei 100 kHz.

Die gemessenen Induktivitätswerte entsprechen 815 uH der Spulen.
Theoretisch berechnet waren es 813 uH.
Das stimmt schonmal sehr gut überein.

Was den parasitären Widerstand der Spule angeht sieht es etwas anders 
aus:

Berechnet: 2.3 ohm (Bei 100 kHz)
Gemessen: 8.4 ohm (Bei 100 kHz)

Berechnete Leerlaufgüte: 1113 (Bei 100 kHz)
Gemessene Leerlaufgüte: 320 (Bei 100 kHz)


Hier handelt es sich bis jetzt nur um die Spulengüte ohne den noch 
seriell hinzu kommenden Kondensator.

Ein paar Messungen und Übertragungsversuche habe ich schon gestartet 
(alles noch im Leerlauf).

Auf 2 Meter wird 1/20 der Spannung übertragen.

Hier kann jetzt noch optimiert werden, indem man mit der Güte / 
Resonanzfrequenz mit Hilfe des Kondensators herumspielt.


Bei den letzten Messungen hatte ich das Problem, dass mein Schwingkreis 
nicht wirklich viel Strom aus meinem Netzteil gezogen hat.

Mit Hilfe eines Bode Analyzer habe ich mir verschiedene Diagramme 
anzeigen lassen und kam darauf, dass mit zugeschaltetem Kondensator ich 
einen Wirkwiderstand von 100 ohm habe (kommt drauf an was für einen 
Kondensator ich verbaut habe). Ich habe versucht mehrere C parallel zu 
schalten um den parasitären Widerstand des Kondensators zu verringern, 
was auch funktionierte, die Kondensatoren für meine Versuche jedoch 
nicht spannungsfest genug sind und ich mich  jetzt nach einem neuen 
umschauen muss.


Ich wollte mich mal hier bei euch erkundigen was für Kondensatoren ihr 
mir empfehlen würdet.


Mein Rechteckimpuls hat von 0 - Spitze 30 Volt.
Mein Strom soll zwischen 1.5 und 2 Ampere groß sein.
Der Kapazitätsbereich sollte zwischen 50 pF - 300 pF sein.


Meine bisherigen Gedanken:

Keramikkondensator, Low ESR und eine Spannungsfestigkeit von ca. 5 kV
Der Kapazitätswert sollte im pF Bereich liegen. Für eine 
Resonanzfrequenz von 500kHz wäre 100pF optimal. Je kleiner das C, desto 
größer wird meine Güte und umso geringer mein Kopplungsgrad. so einen 
Kondensator zu besorgen ist gar nicht so einfach..

: Bearbeitet durch User
Autor: Christian K. (Gast)
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Aus Platinenmaterial Luftkondensatoren selber herstellen. Machen die 
Amateurfunker oft auch so, wenn sie PAs im KW Bereich aufbauen.
Ansonsten wird in RF PA sowas eingesetzt:

http://www.atceramics.com

Wenn noch mehr Power ist sowas:

http://highenergycorp.thomasnet-navigator.com/cate...

Autor: Werner Hartmann (werner45)
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Hochspannungs-Kerkos gibts auch bei Singer in Aachen.

Gruß   -   Werner

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Werner H. schrieb:
> Hochspannungs-Kerkos gibts auch bei Singer in Aachen.

Na ja, 30 V sind nicht gerade Hochspannung.
mfg klaus

Autor: J. K. (jklose)
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Hallo nochmals alle miteinander,
ich habe mir nun folgende Kondensatoren bestellt:

https://www.develektro.com/KEMET-C315C271F1G5TA-KO...

Ich habe mich für diese entschieden, da die C eine Spannungsfestigkeit 
von 100 Volt besitzen und einen Extremely Low ESR.

Die Kondensatoren besitzen einen dissipation factor von 0.1%

Ich ging davon aus, dass sich der ESR so bestimmen lässt:

ESR = Dissipation factor * Blindwiderstand

Bei 100 kHz wären dass ein ESR von ca. 5,89 Ohm (angenommen man hat 25°C 
Umgebungstemperatur), wenn man den Dissipation factor noch durch 100 
teilt (wegen Prozent).

Die Kondensatoren habe ich nun ausgemessen mit einem Agilent U1733C LC 
Meter.

Bei der Widerstandsmessung musste ich nun leider feststellen, dass die C 
bei 100kHz einen Widerstand von 146 Ohm aufweisen.

Wie kann dass sein, was habe ich vergessen?
Ich bin nun schon seit einigen Tagen auf der Suche nach Kondensatoren 
mit einem wirklich geringen Wirkwiderstand, bin aber leider noch nicht 
fündig geworden.

Hat mir jemand einen Vorschlag wie ich an solche Kondenstoren ran komme?

Autor: ~Mercedes~ (Gast)
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Absolut interessant, ein neuer "Nicola Tesla!

> ...Hat mir jemand einen Vorschlag wie ich an solche Kondensatoren ran komme?

Für den Versuch?
Selberbauen, zum Beispiel aus Einweckgläsern
und Stanniol.
Haben wir auch gemacht.
Dann mittels Dip - Meter oder Signalgenerator
+ Oszi auf Resonanz abstimmen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@J. K. (jklose)

>https://www.develektro.com/KEMET-C315C271F1G5TA-KO...

Die haben NP0 bzw. COG als Dielektrikum, das ist schon die beste 
Keramik, die man so normal kaufen kann.

>ESR = Dissipation factor * Blindwiderstand

Stimmt nur bei der angegebenen Meßfrequenz, denn sonst würde der ESR ja 
mit steigender Frequenz sinken, tut er aber nicht wirklich.

>Bei 100 kHz wären dass ein ESR von ca. 5,89 Ohm (angenommen man hat 25°C
>Umgebungstemperatur), wenn man den Dissipation factor noch durch 100
>teilt (wegen Prozent).

???

270pF NP0 sollten deutlich unter 1 OHM ESR haben, erst recht bei 100kHz. 
Die GESAMTimpedanz liegt natürlich deutlich höher, denn 27ßpF haben bei 
100khz immer noch 5,8kOhm (kapazitiv).

>Bei der Widerstandsmessung musste ich nun leider feststellen, dass die C
>bei 100kHz einen Widerstand von 146 Ohm aufweisen.

Zu 99% ein Meßfehler.

>Ich bin nun schon seit einigen Tagen auf der Suche nach Kondensatoren
>mit einem wirklich geringen Wirkwiderstand, bin aber leider noch nicht
>fündig geworden.

Viel besser als NP0/COG wird es kaum, auch Folienkondensatoren mit 
Polypropylen sind da nicht besser.


Hat mir jemand einen Vorschlag wie ich an solche Kondenstoren ran komme?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ ~Mercedes~ (Gast)

>Absolut interessant, ein neuer "Nicola Tesla!

Wanna be!

>>Für den Versuch?
>Selberbauen, zum Beispiel aus Einweckgläsern
>und Stanniol.

Unsinn. Glas ist ein recht verlustbehaftetes Dielektrikum.
Solche Cs kann man problemlos kaufen und sie sind dann immer noch 
deutlich besser.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> ESR = Dissipation factor * Blindwiderstand
> Bei 100 kHz wären dass ein ESR von ca. 5,89 Ohm

Ich komme da auf 7,2Ohm.

Natürlich immer noch meilenweit weg von den gemessenen 146Ohm.

Ich vermute, dass dein Messgerät das gar nicht so genau meseen kann. Bau 
doch mal einen Kondensator aus zwei kupferkaschierten Platinen im 
Euroformat(160x100) mit 0,5mm Abstand und Luft als Dielektrikum. Da 
müsste ein ESR von fast 0Ohm herauskommen. Dann als zweiten Test 10Ohm 
in Serie schalten und nochmals messen.

Autor: ~Mercedes~ (Gast)
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Der Kondensator
> ...Natürlich immer noch meilenweit weg von den gemessenen 146Ohm.

Habt ihr auch an die Spulen gedacht?
Sind diese möglichst flach, groß
und mit HF - Litze gewickelt?

@Falk:
Sind die Kondensatoren heut mit 25 KV
Spannungsfestigkeit zu bekommen?

Autor: J. K. (jklose)
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Die mit 25kV habe ich nicht bestellt.
Hab mir jetzt erst die zugelegt die ich obeen verlinkt habe. Haben 100 
Volt spannungsfestigkeit.

Die Spule hat einen Wirkwiderstand von ungefähr 8 ohm bei 500 kHz.
Werde aber wahrscheinlich auch noch ein paar Windungen abnehmen um auf 
einen kleineren Widerstand zu kommen. Dies mach ich aber erst nachdem 
ich die Versuche mit 30 Windungen fertig geführt habe.

Der Kondensator hat laut Bode Analyzer keinen Widerstand von 160 ohm, 
aber trotzdem noch einen höheren im 70 ohm Bereich.

Ich habe nun zwei C parallel geschalten und in Reihe mit Spule.

Ein C mit 150 pF und ein anderer mit 270 pF. Hier komme ich auf einen 
gesamt Widerstand von 19 ohm bei Resonanzfrequenz des Schwingkreises 
(300kHz in diesem Falle).

Die Güte des Schwingkreises liegt bei ungefähr 55.

Ein Bild der Impedance Magnitude habe ich mal angehängt.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@~Mercedes~ (Gast)

>Sind die Kondensatoren heut mit 25 KV
>Spannungsfestigkeit zu bekommen?

Ja, aber die braucht der OP keine Sekunde.

Autor: J. K. (jklose)
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@Falk

Leider kann ich den Link den du oben gepostet hast nicht öffnen. Die 
Seite kann nicht gefunden werden.

Falk B. schrieb:
> ???
>
> 270pF NP0 sollten deutlich unter 1 OHM ESR haben, erst recht bei 100kHz.
> Die GESAMTimpedanz liegt natürlich deutlich höher, denn 27ßpF haben bei
> 100khz immer noch 5,8kOhm (kapazitiv).

Stimmt. Deshalb kann man bei dem Messgerät auch eine Z Messung vornehmen 
oder eine R Messung. Bei der Gesamtimpedanz wird auch ein Wert von ein 
paar kOhm angezeigt. Die andere Messmethode soll den Wirkwiderstand des 
Bauteiles anzeigen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@J. K. (jklose)

>Leider kann ich den Link den du oben gepostet hast nicht öffnen.

Welchen denn?

>Stimmt. Deshalb kann man bei dem Messgerät auch eine Z Messung vornehmen
>oder eine R Messung. Bei der Gesamtimpedanz wird auch ein Wert von ein
>paar kOhm angezeigt. Die andere Messmethode soll den Wirkwiderstand des
>Bauteiles anzeigen.

Tja, entweder ist der Kondensator WIRKLICH so schlecht oder das Meßgerät 
mißt Fahrkarten oder du bedienst es falsch. Hast du WIRKLICH auf ESR 
Messung geschaltet? Ich kenn das Ding nicht.

Autor: J. K. (jklose)
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Falk B. schrieb:
> Welchen denn?

Mein Fehler,
das war ja der Link von mir den du einfach nur zitiert hast.
Komisch dass ich den Link nicht öffnen konnte..

Falk B. schrieb:
> Tja, entweder ist der Kondensator WIRKLICH so schlecht oder das Meßgerät
> mißt Fahrkarten oder du bedienst es falsch. Hast du WIRKLICH auf ESR
> Messung geschaltet? Ich kenn das Ding nicht.

Es steht nicht drauf ESR Messung sondern R von einem komplexen Bauteil. 
Die Frequenz kann man dann noch variieren.
Eine andere Einstellung macht es dann möglich den Z Widerstand des 
Bauteiles zu messen.

vorher hatte ich die Impedance Magnitude hier eingestellt wo der 
Gesamtwiderstand des Systems 20 ohm betragen hat.
Angeschlossen an meine Verstärkerstufe wird 200 mA aus dem Netzteil 
gezogen bei einer Frequenz von 278 kHz und einer Versorgungsspannung von 
10 volt.

Rein rechnerisch ging ich von einer Stromstärker von 500 mA aus:

I = U/R = 10 V / 20 Ohm = 0.5 A.

Ich denke das liegt daran, dass ich von der Verstärkerstufe noch einen 
geringen Widerstand mir eingekoppelt habe wie auch eine Kapazität und 
eine Induktivität, was mir das ganze eventuell verändert hat.

Ich werde hierzu noch weitere Messungen machen und weiter nach einer 
Lösung suchen müssen mit dem Widerstand weiter runter zu kommen (Ein 
paar Wicklungen abwickeln & mehrere Kondensatoren parallel schalten).

Autor: skifoahrn (Gast)
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J. K. schrieb:
> Komisch dass ich den Link nicht öffnen konnte..

Das ist "normal".

Ein Link wird - ab einer gewissen Länge der Zeichenfolge der URL, und 
abhängig von deren Art - zuerst einmal beim posten nicht immer (eher 
meistens nicht) vollständig abgebildet.

(Die wären zum Teil auch ziemlich lang - eine Meeenge Zeichen, und 
deswegen ist das meist völlig in Ordnung bzw. wünschenswert). Du siehst 
doch diese "..." - an dieser Stelle "abgeschnitten", in Bezug auf 
Sichtbarkeit im Post.

Einziges Manko: Wird der link dann zitiert, kopiert die Zitatfunktion 
(sofern dieser gekürzt wurde) wiederum nicht den gesamten Link, sondern 
nur diesen "Abschnitt" ---> und da das keine vollständige URL ist, 
landest Du sonstwo.

Probier es aus, öffne mit beiden je einen neuen Tab. Oben in den 
Adreßzeilen siehst Du den Unterschied.

Übrigens (und ich gebe zu, nicht allles gelesen zu haben):

Hattest Du denn bei den 24V vom 1. Post ein unipolares Signal?
Denn "+/-" hattest Du nur bei 12V geschrieben. Wenn das so war, sind die 
Auswirkungen schwer vorhersehbar... unipolar ist da stark suboptimal.

Du willst doch eine Schwingung anregen. Nun ist da ja echter Sinus 
natürlich optimal (die "klassische" lineare Schwingungsform), 
bipolares (wie echter Sinus auch ist) Rechteck schon weniger optimal 
(RE enthält ja einen großen Anteil ungeradzahliger Oberwellen), und 
unipolares RE...

Oh je. Sicherlich um einiges schlechter. Hmm... Als ob man eine Schaukel 
immer nur von einer Seite schubst, und bei der Rückwärtsbewegung auch 
noch die Schwerkraft (teils) ausknipst?

Das können Dir andere sicher besser erklären, wieso da was fehlt...
aber (bitte beantworten): War das so? War das 24V RE unipolar?

Autor: J. K. (jklose)
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skifoahrn schrieb:
> Hattest Du denn bei den 24V vom 1. Post ein unipolares Signal?
> Denn "+/-" hattest Du nur bei 12V geschrieben. Wenn das so war, sind die
> Auswirkungen schwer vorhersehbar... unipolar ist da stark suboptimal.
>
> Du willst doch eine Schwingung anregen. Nun ist da ja echter Sinus
> natürlich optimal (die "klassische" lineare Schwingungsform),
> bipolares (wie echter Sinus auch ist) Rechteck schon weniger optimal
> (RE enthält ja einen großen Anteil ungeradzahliger Oberwellen), und
> unipolares RE...
>
> Oh je. Sicherlich um einiges schlechter. Hmm... Als ob man eine Schaukel
> immer nur von einer Seite schubst, und bei der Rückwärtsbewegung auch
> noch die Schwerkraft (teils) ausknipst?
>
> Das können Dir andere sicher besser erklären, wieso da was fehlt...
> aber (bitte beantworten): War das so? War das 24V RE unipolar?


Richtig :) Danke für das erwähnen.
Mich hat es interessiert wie sich das System bei einem bipolaren und 
unipolaren Signal verhalten würde.
Das habe ich auch heute ausprobiert.

Ich habe nun mehrere Kondensatoren parallel geschalten (3 * 270 pF) und 
die spule um 4 Windungen abgewickelt. hierbei kam ich auf einen realen 
Wirkwiderstand von 9 ohm des gesamten Schwingkreises bei 278 kHz.

Beide habe ich nun aufeinander abgestimmt, sodass auch der andere 
Schwingkreis dieselben Werte aufweist. Ich habe mit dem Bode Analyzer 
eine praktische Güte von ca. 70 gemessen.

Kritische Kopplung war bei ca. einem halbem Meter (58 cm).


Heute habe ich meine ersten Leistungstests durchgeführt und eine 
Leistung von 2.5 Watt übertragen von 8 Watt.

Auf Empfängerseite wurden 0,45 Ampere und 5,51 Volt empfangen von
11,9 Volt und 0,77 Ampere auf Senderseite.

Weiter hochgehen mit der Spannung konnte ich hier nicht mehr, da dann 
die Kondensatoren angefangen haben zu singen/pfeifen.

Scheint mir so als ob die Kondensatoren diesen Strom nicht aushalten..
Ich finde im Datenblatt aber keine Strombelastbarkeit.
Spannungsbelastbar sind sie ja mit 100 Volt.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@J. K. (jklose)

>Heute habe ich meine ersten Leistungstests durchgeführt und eine
>Leistung von 2.5 Watt übertragen von 8 Watt.

>Auf Empfängerseite wurden 0,45 Ampere und 5,51 Volt empfangen von
>11,9 Volt und 0,77 Ampere auf Senderseite.

Harmlos.

>Weiter hochgehen mit der Spannung konnte ich hier nicht mehr, da dann
>die Kondensatoren angefangen haben zu singen/pfeifen.

Glaub ich nicht, denn NPO hat keinen Mikrophonieeffekt und 0,8A sind 
nicht so viel. Mal agesehen davon, daß du 100kHz nicht hörst ;-)

>Ich finde im Datenblatt aber keine Strombelastbarkeit.

Solange sie nicht heiß werden ist alles OK, 10-30°C Übertemperatur sind 
harmlos.

Autor: J. K. (jklose)
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Ja 2.5 Watt sind natürlich noch harmlos das ist mir bewusst..
Zu wissen dass man mit der Leistung aber noch hoch kann und das Prinzip 
erstmal funktioniert ist doch erstmal wichtiger.

Ich hab vorhin nochmal nachgeschaut und festgestellt, dass das C noch 
nicht kaputt ist sondern die Spannung zusammenkracht am Kondensator und 
das C anfängt zu zischen sobald ich mit der Spannung bei 0.77 A höher 
gehen will.

Autor: Arno H. (arno_h)
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J. K. schrieb:
> Ja 2.5 Watt sind natürlich noch harmlos das ist mir bewusst..
> Zu wissen dass man mit der Leistung aber noch hoch kann und das Prinzip
> erstmal funktioniert ist doch erstmal wichtiger.
>
> Ich hab vorhin nochmal nachgeschaut und festgestellt, dass das C noch
> nicht kaputt ist sondern die Spannung zusammenkracht am Kondensator und
> das C anfängt zu zischen sobald ich mit der Spannung bei 0.77 A höher
> gehen will.

https://de.wikipedia.org/wiki/Spannungs%C3%BCberh%C3%B6hung
Die 100V Spannungsfestigkeit reichen nicht aus.

Arno

Autor: J. K. (jklose)
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Arno H. schrieb:
> Die 100V Spannungsfestigkeit reichen nicht aus.

Danke für den Hinweis. Aus dem Grund wollte ich zuerst auch HV 
kondensatoren bestellen. War mir dann aber doch unsicher ob die 
Spannungsfestigkeit nun für die Wirkspannung oder die Blindspannung 
gilt. Habe nun in der Praxis feststellen müssen, dass ich mich geiirt 
habe und die Blindspannung gilt.

Habe heute mal am Kondensator gemessen und am C lagen über 100 Volt an. 
Dies war dann auch der Moment ab dem das C angefangen hat zu zischen.

Gut.. habe dann mal aus Kupferplatten mir 3 Kondensatoren gebaut und 
parallel geschalten. Mit den werten kam ich ganz gut hin. Hatte am 
Schluss ein paar hundert picofarad. Spannungen an dem 
Plattenkondensatoren waren im Bereich 500 - 600 Volt, ab diesen 
spannungen fing es wieder an ein zischen / pfeifen von sich zu geben.

Gut.. Nun werde ich mich nach hochspannungskondensatoren im 6 kV bereich 
umschauen müssen, die ein sehr kleines ESR haben. Und das alles im pF 
Bereich.

Autor: Achim S. (Gast)
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J. K. schrieb:
> War mir dann aber doch unsicher ob die
> Spannungsfestigkeit nun für die Wirkspannung oder die Blindspannung
> gilt.

Die gilt für die Spannung am Kondensator. Eine Unterscheidung in 
"Wirkspannung" und "Blindspannung" macht im Hinblick auf die 
Spannungsfestigkeit keinen Sinn.

J. K. schrieb:
> Gut.. Nun werde ich mich nach hochspannungskondensatoren im 6 kV bereich
> umschauen müssen, die ein sehr kleines ESR haben. Und das alles im pF
> Bereich.

von 100V auf 6kV ist gleich ein ziemlicher Sprung. Hier eine Auswahl von 
270pF-Typen mit etwas höherer Spannungsfestigkeit:
https://www.digikey.de/products/de/capacitors/cera...

Wenn deine Spule wirklich 4 Ohm reellen Widerstandsanteil hat, dann 
würde ich mir wegen des ESR des Kondensators keine zu große Sorgen 
machen, solange du bei C0G bleibst. Im Anhang mal die frequenzabhängige 
ESR-Kurve eines entsprechenden Murata-Kerkos für 630V.

Autor: Achim S. (Gast)
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Hm, sorry: Anhang vergessen.

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