Anpassung zwischen Trafo und Sinusgenerator

[Bastian H. (lucky66)]

Hallo,

ich komme ursprünglich nicht aus der Leistungselektronik, jedoch möchte 
ich mich in dem Bereich etwas weiterbilden und habe mir dafür als Ziel 
die Eigenentwicklung eines Inverters (12V -> 230V) gesetzt. Dieser soll 
am Ende nicht unbedingt der effizienteste sein und wird vermutlich eher 
einer der simpleren Sorte, soll jedoch vor allem dafür dienen, dass ich 
in diesem Bereich dazu lerne. Im späteren Verlauf kann ich diesen dann 
Stück für Stück anpassen und versuchen die Überlegung hinter jeder 
Verbesserung zu verstehen. Für Literaturhinweise in diesem Bereich bin 
ich dankbar. Ich finde größtenteils nur viele Beschreibungen mit 
fertigen ICs und/oder Mikrocontrollern. Da es mir um die 
Eigenentwicklung und den Lerneffekt geht, sind diese für mich weniger 
zielführend. Aktuell orientiere ich mich an entsprechenden Kapiteln im 
Tietzke/Schenk.

Als Einstieg zum warm werden, möchte ich ein 12V/50 Hz Signal mittels 
1:1 Trafo an eine Last koppeln. Dafür habe ich einen einfachen 
Sinusgenerator entwickelt, dessen hochohmiger Ausgang mittels 
FET-Sourcefolger/Drainschaltung an den Trafo gekoppelt werden soll. Der 
Sinusgenerator funktioniert einwandfrei (siehe sinWaveOut.PNG), jedoch 
hapert es bereits an der Drainschaltung. Da der Trafo sehr niederohmig 
ist, wollte ich es in einem ersten Schritt zunächst erstmal als Test mit 
einer niederohmigen Last versuchen (und später durch den Trafo ersetzen) 
und habe 4 Ohm verwendet (siehe schematic.png) und begegne direkt einer 
Vielzahl an Problemen:

1. Im Idealfall würde ich bei einer Drainschaltung erwarten, dass 
Eingangs- und Ausgangsspannung gleich sind. 12V bei 4 Ohm Last = 36 Watt 
sind aber sicher zu viel verlangt von einem einzigen MOSFET.
2. Wie aus dem Vergleich von R3.png und RL.png hervorgeht verschenke ich 
sehr viel Leistung in R3.

Aktuell habe ich gerade leider nur die IRF510 als Power Mosfets 
(https://www.mouser.de/datasheet/2/427/sihf510-1768607.pdf) da. Daher 
würde ich gerne mit diesen eine geeignete Stufe zwischen dem Ausgang des 
Sinusgenerators und dem Trafo entwerfen. Ziel dabei wäre es, es so 
simpel wie möglich zu halten (im Eigenbau und ohne ICs), damit ich 
einfach und verständlich anfangen und später inkrementierend verbessern 
kann.

Was wäre die beste Variante um den Ausgang des Sinusgenerators an den 
Trafo zu koppeln? Was für eine FET-Schaltung könnte ich zwischen 
Sinusgenerator und Trafo verwenden? Wie funktioniert diese und wie wäre 
diese zu dimensionieren?

Danke für eure Unterstützung. Ich freue mich auf konstruktive und 
zielführende Kommentare. Destruktive und nicht zur Lösung beitragende 
sowie emotionale Kommentare bitte ich zu unterlassen. Mir ist bewusst, 
dass all dieses sicherlich effizienter PWM gesteuert und mit fertigen 
Komponenten usw. realisierbar ist. Auch der Hinweis, dass solche 
Arbeiten nur von Profis durchgeführt werden sollten, hilft mir nicht im 
Lernprozess. Danke.

Viele Grüße
Lucky

[Gerald K. (geku)]

Da gab es schon einen Thread mit dem Thema:

Beitrag "Sinuswandler 12V-230V"

[Bastian H. (lucky66)]

Gerald K. schrieb:
> Da gab es schon einen Thread mit dem Thema:
>
> Beitrag "Sinuswandler 12V-230V"

Danke für deine Antwort.

Ich habe mir den Thread durchgelesen, aber sehe dort keine finale Lösung 
für eine FET-Variante ohne ICs und Mikrocontroller? Wo genau findet sich 
dort das Ergebnis, welches zu meiner Frage passt? Wie gesagt, möglichst 
einfach und verständlich zum Einstieg wäre gut.

[Michael M. (michaelm)]

Dieser Lesestoff: 
https://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Vorwort/Vorwort.html
könnte dir evtl. weiterhelfen.

[Ludger (Gast)]

Hallo Lucky,

dein Verstaärker wird niemals einen vernüftigen Sinus ausgeben können, 
der FET lässt sich so nicht sinusförmig aussteuern. Der Wirkungsgrad der 
Endstufe wird immer unter 50% bleiben. Rechne mal aus, wieviel Urms du 
aus 12VDC bekommst..
Für einfache Versuche würde ein Audioverstärker funktionieren.

Ludger

[Mark S. (voltwide)]

100uH für 1kHz Sinus ist entschieden zu wenig. Das verrät Dir sowohl die 
Berechnung der Impedanz Z=2xPix1KHzx100uH=0,6Ohm als auch die Messung 
des Primärstromes ohne Last in LTSpice.

[H. H. (Gast)]

Und auch noch:

https://de.wikipedia.org/wiki/Transformator#Transformatorenhauptgleichung

[Bastian H. (lucky66)]

Michael M. schrieb:
> Dieser Lesestoff:
> https://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Vorwort/Vorwort.html
> könnte dir evtl. weiterhelfen.

Das sieht interessant aus , danke. Bezieht sich größtenteils auf 
Netzteile (umgekehrter Fall), aber ich habe auch schon das Kapitel zum 
Sperrwandler gefunden :)

@Ludger Danke für den Hinweis. Dafür könnte man das ganze ja zu einem 
gegentaktverstärker umbauen.

Mein primäres Problem ist aktuell das am Trafo bei der aufgebauten 
Schaltung kaum etwas ankommt. Ich messe an primär und Sekundärstufe 
gerade mal 80mv ??? Ich scheine da noch einen systematischen Fehler zu 
machen.

EDIT: @Mark Danke! Das ist es. Die 100u sind auch nur ein Wert aus der 
Simulation. Den echten Wert (siehe Foto vom Trafo) kenne ich nicht. 
Welche Induktivität würdest du empfehlen? Ich würde dann gemäß  L = N* 
Phi/I versuchen die Anzahl der notwendigen Winklungen zu bestimmen, 
korrekt? Wobei Phi bei diesem ausgebauten Ring schwer zu schätzen ist. 
Ideen?

[H. H. (Gast)]

Bastian H. schrieb:
> das Kapitel zum
> Sperrwandler gefunden :)

Falsches Kapitel.

[Harald W. (wilhelms)]

Bastian H. schrieb:

> Was wäre die beste Variante um den Ausgang des Sinusgenerators an den
> Trafo zu koppeln? Was für eine FET-Schaltung könnte ich zwischen
> Sinusgenerator und Trafo verwenden?

Da würde man normalerweise einen NF-Verstärker nehmen. Am besten
ein passendes NF-Verstärker-IC. Man kann natürlich auch einen
Verstärker aus Einzeltransistoren konstruieren, aber das ist eher
nichts für Anfänger.

[Gerald K. (geku)]

Ich würde es mit einer durch einen MC (z.B. MSP430G2553) PWM gesteuerten 
Vollbrücke versuchen.

Vorteil : 50Hz Trafo mit zwei Wicklungen (für die ersten "Gehversuche" 
: Klingeltrafo).
Einfache Schaltung mit vier MOS-FETs am MC. PWM wird auf der 
Niederspannungseite vor dem Trafo symetrisch mit LC Tiefpass geglättet, 
siehe Schaltung im Anhang. FETs müssen keine Netzspannung schalten 
können.

Quelle des Anhanges: Beitrag "Re: Sinuswandler 12V-230V"

[Helmut Hungerland (Gast)]

Für diesen kleinen Ferritringkern-Trafo musst du mehr als 50Hz 
aufbringen. Da wäre ein 10 bis 20kHz Rechteck-Gegentaktwandler besser 
geeignet.

https://www.mikrocontroller.net/attachment/516950/Trafo.jpg

[Gerald K. (geku)]

Gerald K. schrieb:
> Ich würde es mit einer durch einen MC (z.B. MSP430G2553) PWM gesteuerten
> Vollbrücke versuchen.

Der MSP430G2553 verfügt über ein 16k großes Flash. In dem könnte man 
neben dem Programme eine Tabelle für das sinusförmige PWM Signal 
speichern. Dann bräuchte man im einfachsten Fall die Werte dieser 
Tabelle nur für Ansteuerung über eine timergesteuerge Interruptroutine 
ausgeben.

[Bastian H. (lucky66)]

@Helmut: Danke für den Schaltplan. Wenn ich alles richtig deute, ist das 
ein bistabiler Multivibrator, dessen Frequenz/tau ich mittels R2/R3 und 
C1/C2 einstelle. R1 und R4 spannen die Transistoren. Mit den Mosfets 
treibe ich dann den Trafo. Für meinen Anwendungsfall würde ich noch 
einen LC-Filter einbringen um den Sinus zu erhalten.

Würde für mich bedeuten, dass ich für T1 und T2 praktisch beliebigen npn 
BPT nehmen kann und für die Mosfet nmos power Transistoren. Vorteil 
gegenüber meiner Schaltung wäre der höhere Wirkungsgrad sowie bessere 
Machbarkeit mit dem vorhandenen Trafo. Hinterm Trafo (im Idealfall bei 
Netzspannung) hätte ich dann aber noch die 20kHz, welche ich auf 50 Hz 
bringen muss? Was wäre da der übliche Ansatz?

@Gerald: Danke für den Ansatz mit Mikrocontroller. Wie von mir im 
Eingangsthread beschrieben würde ich darauf eigentlich gerne verzichten 
und alles erst einmal analog realisieren. Den 50 Hz Sinus erreiche ich 
mit meiner Schaltung ja bereits, da liegt nicht das Problem. Mark hat 
mich ja bereits darauf hingewiesen, dass es eher an der Auslegung des 
Trafos liegt bzw. das ich einen neuen winden muss um höhere Widerstände 
auf Netzfrequenzen zu erhalten.

Aus Neugier werde ich beide Wege parallel verfolgen, wobei ich noch 
folgende Hürden überwinden muss:

1. Ansatz mit 20kHz -> Nach dem Trafo (Netzspannung) Konvertierung auf 
50 Hz
2. Ansatz mit 50 Hz -> Wicklung und Dimensionierung eines 50 Hz 
Netztrafos. -> Hier werde ich sicherlich Literatur & Online-Hilfen zu 
finden.

Vielen Dank für eure Unterstützung. Für weitere Hinweise (vor allem zu 
1.) bin ich weiterhin dankbar :)

Schönes Wochenende noch und viele Grüße
Lucky

[Ludger (Gast)]

Hallo Lucky,

als Trafo nimm besser was fertiges, is einfacher.
12VDC ergeben rund 4VAC, also Trafo 230V zu 4V , anders rum betrieben.
Spart eine Menge Arbeit.

Ludger

[Gerald K. (geku)]

Bastian H. schrieb:
> Hinterm Trafo (im Idealfall bei Netzspannung) hätte ich dann aber noch
> die 20kHz, welche ich auf 50 Hz bringen muss? Was wäre da der übliche
> Ansatz?

Mit gesteuerter Gleichrichtung der 20kHz Spannung, wobei 10ms 
abwechselnd die obere und untere Halbwelle verwendet wird. Das ist 
speziell bei der hohen Spannung ein aufwendiges Unterfangen. Auch die 
maximale Abstahlung von Störstrahlung, sowie die Filterung der 
leitungsgebunden Störungen gestalten sich schwierig und kosten nebenbei 
Wirkungsgrad.

Der zweite Lösungsansatz mit 50Hz Rechteck über NF Trafo ist wesentlich 
leicht. Speziell für den Bastler, der wenig Erfahrung und keine dafür 
notwendigen Messgeräte, z.B. Spektrumanalyser (Störstrahlungsmessung), 
besitzt.

[Gerald K. (geku)]

Bastian H. schrieb:
> Wie von mir im Eingangsthread beschrieben würde ich darauf eigentlich
> gerne verzichten und alles erst einmal analog realisieren

Schade, gerade wenn man dabei etwas lernen will, sollte man auch für 
eine Softwarelösung offen sein. Verstehe aber, dass zwei Hürden schwerer 
zu nehmen sind als eine.

[Bastian H. (lucky66)]

Ludger schrieb:
> Hallo Lucky,
>
> als Trafo nimm besser was fertiges, is einfacher.
> 12VDC ergeben rund 4VAC, also Trafo 230V zu 4V , anders rum betrieben.
> Spart eine Menge Arbeit.
>
> Ludger

Danke für den Hinweis. Ich habe noch ein altes 12V Notebook netzteil 
rumliegen. Da sollte ja ein passender Trafo zu finden sein, welchen ich 
umgekehrt betreiben kann.



Gerald K. schrieb:
> Mit gesteuerter Gleichrichtung der 20kHz Spannung, wobei 10ms
> abwechselnd die obere und untere Halbwelle verwendet wird. Das ist
> speziell bei der hohen Spannung ein aufwendiges Unterfangen.

Gesteuerte Gleichrichtung würde ich mir einen transistor als schalter 
eines full wave rectifiers bzw. Dioden gleichrichter vorstellen. Mal 
sehen was ich dazu so finde oder hättest du auch da einen passenden 
Vorschlag? Oder eben auch wieder mit dem Mikrocontroller :D

Gerald K. schrieb:
> Schade, gerade wenn man dabei etwas lernen will, sollte man auch für
> eine Softwarelösung offen sein. Verstehe aber, dass zwei Hürden schwerer
> zu nehmen sind als eine.

Sicher ist eine Softwarelösung auch nett wenn man dazulernen möchte, nur 
habe ich mit Mikrocontrollern schon Erfahrung und hätte dabei keinen 
wesentlich gain.

Gerald K. schrieb:
> Der zweite Lösungsansatz mit 50Hz Rechteck über NF Trafo ist wesentlich
> leicht.

Wichtiger Hinweis, danke. Dann werde ich diesen Ansatz als ersten 
Schritt weiter verfolgen. Analog habe ich jetzt ein 50 Hz 
Rechteckgenerstor (angepasster Multivibrator von Helmut) aufgebaut und 
gebe das Signal mittels der beiden Power FETs an einen Trafo. Für den 
Trafo baue ich jetzt noch den passenden aus dem alten Laptop-Netzteil 
aus und melde mich dann mit den Ergebnissen zurück (für die, die es 
interessiert).

Danke und viele Grüße
Lucky

[Gerald K. (geku)]

Bastian H. schrieb:
> Mal sehen was ich dazu so finde oder hättest du auch da einen passenden
> Vorschlag?

Zwei parallel geschaltete Grätzgleichrichter mit unterschiedlicher 
Ausgangspolarität (Dioden umgedreht). Diese Dioden werden gegen 
Thyristoren getauscht. Diese werden pro Grätz alle 10ms abwechselnd 
angesteuert.
Schwierigkeit, die Thyristoren müssen potentialfrei angesteuert werden 
(Fotothyristor?). Man sieht es geht auch ohne MC.

https://www.elektroniktutor.de/bauteilkunde/thyrist.html

Fotothyristor:

https://www.mouser.at/datasheet/2/408/TLP748J_datasheet_en_20190610-1916407.pdf

[Ludger (Gast)]

In dem Laptop Netzteil ist ein HF-Trafo kein 50Hz Trafo.

Ludger

[Günter Lenz (Gast)]

von Bastian H. schrieb:
> aufgebaut und
>gebe das Signal mittels der beiden Power FETs an einen Trafo. Für den
>Trafo baue ich jetzt noch den passenden aus dem alten Laptop-Netzteil
>aus und melde mich dann mit den Ergebnissen zurück (für die, die es
>interessiert).

Ein Laptop-Netztei-Trafo ist für 50Hz nicht geeignet,
weil die Induktivität zu gering ist, es sind zu wenig
Windungen drauf. Laptop-Netzteile sind Schaltnetzteile,
die arbeiten mit hohen Frequenzen. Du brauchst ein 50Hz
Trafo mit Eisenkern.

[Thomas B. (thombde)]

Wollte mir vor einigen Jahren ein AC Labornetzteil bauen.
also ein Minitrenntrafo. (max 100VA)
Ist ganz nett wenn man kleine Schaltungen testen will.
Sollte aber auch einstellbar sein, von xV bis 230V (AC)

TDA7294 in Brückenschaltung.
Sollte bei 4 Ohm 150Watt liefern.
Betriebsspannung war 2x15V aus einem Ringkern.
Das Problem ist aber auch die Impedanz des Transformators.
Ist schon eine Herausforderung.

Der TDA7294(93) hat zwar THERMAL SHUTDOWN und
SHORT CIRCUIT PROTECTION
, trotzdem ist der nicht Kurzschlussfest.
Wahrscheinlich wegen der SOA.
Ich bleibe aber an dem Thema dran.
Ist interessant.

Gruß
Thomas