Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spulen, Spulen!


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von Detlef _. (detlef_a)


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Hallo,

ich möchte mit einem Toroid Ringkern B64290L0044 
https://www.mouser.com/datasheet/2/400/R1250x750x500-611075.pdf

von TDK eine Rechteckspannung 40kHz von +/-5V auf +/-40V herauf 
transformieren. Auf der Hochspannungsseite hängt ein Piezopieper 2.5nF 
als kapazitive Last. Das Ferritmaterial ist T38

https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/528868/c2cb0f1f5413cd8e83b8ecf7e85152f9/pdf-t38.pdf

Jetzt habe ich den wunderbaren Artikel "Transformatoren und Spulen" 
gefunden, danke Esko. Damit habe ich den Trafo wie folgt berechnet:

Als maximale Flussdichte wähle ich die sichere Seite für T38, 150mT. Die 
Fläche des Toroids aus dem Datenblatt 12,23mm^2 = 12.23E-6m^2.

Fluss PHI = A*B = 12.23E-6 * 0.15T = 1.83E-6 Wb
Ich nehme jetzt entsprechend Artikel das Doppelte an Fluß, weil wir vom 
negativen Minimum zu positiven Maximum gehen.

Es gilt 2*1.83E-6 = 5V * (1/80000) / N -> N=17, 17 Primärwindungen

Die Spannung soll um Faktor 8 hochgehen, also 136 Sekundärwindungen, 
Draht war zu lang, sind 160 geworden.

Induktivität L primär gemessen ist
1.7mH = Al * 17^2 -> Al = 5882nH
Laut Datenblatt 5110nH, passt.
Sekundäre Induktivität gemessen 170mH = Al * 160^2 -> Al= 6640nH, naja, 
close.

Als Spannung erwarte ich (160/17)*5V = 47Vpeak, aus +/-5V sollten also 
+/-47V werden.

Soweit, so gut. Geht auch einigermassen, es kommen +/-30V raus, 
allerdings deutlich weniger.

Ich frage mich, voran das liegt.

Der Artikel verlangt hohe Transformatorinduktivität im Vergleich zur 
Last:

Blindwiderstand 2.5nF@40kHz ist ~ 1k6
Blindwiderstand 170mH@40kHz ist ~ 47k, hoch im Vergleich

Wenn ich die 40khz primärseitig einschalte geht die Spannung kurzfristig 
auf +/-50V um dann auf +/-30 abzusacken, ist also vllt. ein Lasteffekt 
mit der resonanten Last.

Oder ohmscher Spannungsabfall an der Sekundärspule. Ich kann den 
Sekundärstrom nicht messen, deswegen kann ich das nicht verifizieren.

Gibt es noch andere Erklärungsansätze?

Zweite Frage: Kann man irgendwo Toroide bezahlbar wickeln lassen? Die 
160Wdg haben 4h gedauert,

THX
Cheers
Detlef

von Rainer W. (rawi)


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Detlef _. schrieb:
> Zweite Frage: Kann man irgendwo Toroide bezahlbar wickeln lassen? Die
> 160Wdg haben 4h gedauert,

Das ist gar nicht so schlimm.
Mit ein bisschen handwerklichem Geschick ist das gut selber hin zu 
kriegen ;-)

https://youtu.be/46rbpPwqelY

> ... eine Rechteckspannung 40kHz von +/-5V auf +/-40V herauf transformieren

Das dürfte schwierig werden. Rechteckspannungen und Induktionsgesetz 
vertragen sich nicht gut.

: Bearbeitet durch User
von Al (almond)


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Rainer W. schrieb:
> Das dürfte schwierig werden. Rechteckspannungen und Induktionsgesetz
> vertragen sich nicht gut.

Bei Transformatoren gilt aber nicht nur das Induktionsgesetz, denn das 
gälte nur für eine leerlaufende Sekundärwicklung.

Für den gekoppelten Transformator gelten die Zusammenhänge:

Z1 / Z2 = (U1 / I1) x (I2 / U2) = ü^2

Ein idealer Transformator transformiert eine Wechselstromimpedanz 
quadratisch mit dem Übersetzungsverhältnis, Spannungen proportional und 
Ströme umgekehrt proportional zum Übersetzungsverhältnis ü. Eine 
induktive Blind-Komponente ist nicht wirksam.

Beim realen Transformator treten abhängig vom Aufbau Streuinduktivitäten 
auf, die einen nicht-idealen Frequenzgang verursachen. Aber 
grundsätzlich werden auch Rechtecke innherhalb der Trafo Bandbreite 
getreu dem Übersetzungsverhältnis übertragen. Denn Rechteck setzen sich 
aus einer sinusförmigen Grundschwingung und undendlich viel Oberwellen 
bestimmter Amplitude zusammen. Lediglich die oberen Harmonischen der 
Rechtecke erfahren unter Umständen eine frequenzabhängige Dämpfung und 
damit eine Verformung der idealen Rechteckform.

von Klaus R. (klara)


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Detlef _. schrieb:
> Zweite Frage: Kann man irgendwo Toroide bezahlbar wickeln lassen? Die
> 160Wdg haben 4h gedauert,

Warum ein Ringkern? Meistens weiß man dann nicht was man wirlich hat.

Schau Dir diese Seite mal an. Hier werden dann unter "Wickeldaten" 
gängige Kerne aufgelistet die man gezielt kaufen kann. Keine Raterei. 
Und die Spulenkörper lassen sich einfacher wickeln.

http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/

Noch eleganter wäre ein fertiger Übertrager für DC/DC-Wandler.

https://www.we-online.com/de/components/products/pbs/power_magnetics/transformers_for_dcdc_converter

Würth bietet dazu meist auch Unterstützung.

https://redexpert.we-online.com/we-redexpert/en/#/home

Man muß sich nur registrieren.
mfg klaus

von Bernhard S. (gmb)


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Da keine Potentialtrennung erforderlich ist sondern nur 
Spannungserhöhung, warum nicht einfach eine Spule in Reihe zum Piezo 
schalten so dass sich ein Serien-Resonanzkreis ergibt mit 
Spannungserhöhung am Piezo. Vom Verhältnis der Verluste (inkl. gewollter 
Schallabstrahlung) zum Blindwiderstand hängt die Güte und damit das 
Verhältnis der Spannungstransformation ab.

von H. H. (hhinz)


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Detlef _. schrieb:
> Als Spannung erwarte ich (160/17)*5V = 47Vpeak, aus +/-5V sollten also
> +/-47V werden.
>
> Soweit, so gut. Geht auch einigermassen, es kommen +/-30V raus,
> allerdings deutlich weniger.

Der Rest fällt am ESR des Trafos ab, sind ja Nadelimpulse von über 10A, 
schon sekundär.

von Johann (hhonline)


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Nur um es auch zu verstehen.

* Die Auslegung mit N1=17 Wdg ist OK - keine Sättigung bei 40kHz und 5V
* Die +/-30V wurden im Leerlauf gemessen? Und haben auch auch eine 
Rechteckform?
* Die gemessenen Induktivitäten sind aber die 
"Magnetisierung-Induktivitäten" im T-Ersatzschaltbild. Diese werden mit 
(N1/N2)^2 transformiert.
* Die Induktivität, die mit C in Serie liegt erhält man wenn man Primär 
kurzschließt und von Sekundär misst. Der Wert sollte recht klein sein. 
Einige % von Lh
* Das Verhalten von einem Kondensator mit 2.5nF an einer 
Rechteckspannung ist schwer voraussagbar. Hier spielen die 
Serieninduktivität aus dem Kurzschlussversuch + Widerstände mit.

**** welcher Artikel?

Der Artikel verlangt hohe Transformatorinduktivität im Vergleich zur
Last.

von Michael B. (laberkopp)


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Detlef _. schrieb:
> Wenn ich die 40khz primärseitig einschalte geht die Spannung kurzfristig
> auf +/-50V um dann auf +/-30 abzusacken,

Hmm, keine symmetrische Ansteuerung ? Koppelkondensator in eine 
Zuleitung legen ?


Rainer W. schrieb:
> Das dürfte schwierig werden. Rechteckspannungen und Induktionsgesetz
> vertragen sich nicht gut.

?!?

von Detlef _. (detlef_a)


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Hi,

>>>>>
Das ist gar nicht so schlimm.
Mit ein bisschen handwerklichem Geschick ist das gut selber hin zu
kriegen ;-)
https://youtu.be/46rbpPwqelY
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

schönes Video. Loch bei mir ist aber nur 7.5mm :( .

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Noch eleganter wäre ein fertiger Übertrager für DC/DC-Wandler.
https://www.we-online.com/de/components/products/pbs/power_magnetics/transformers_for_dcdc_converter
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

Ja, interessant. Schwierige Auswahl, weil das anwendungsspezifisch 
geordnet ist. Da muss man erstmal rauskriegen, welches Ding man da 
offlabel verwenden kann.

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Da keine Potentialtrennung erforderlich ist sondern nur
Spannungserhöhung, warum nicht einfach eine Spule in Reihe zum Piezo
schalten so dass sich ein Serien-Resonanzkreis ergibt mit
Spannungserhöhung am Piezo. Vom Verhältnis der Verluste (inkl. gewollter
Schallabstrahlung) zum Blindwiderstand hängt die Güte und damit das
Verhältnis der Spannungstransformation ab.
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

Ja, dann würde man auf der Resonanzfrequenz pfeifen. Ich muss aber auf 
einer genauen, naheliegenden Frequenz arbeiten, die Phase ist auch 
festgelegt.

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
 * Die +/-30V wurden im Leerlauf gemessen? Und haben auch auch eine
Rechteckform?
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

Nee, mit Nennlast 2.5nF. Haben Rechteckform.

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
* Die gemessenen Induktivitäten sind aber die
"Magnetisierung-Induktivitäten" im T-Ersatzschaltbild. Diese werden mit
(N1/N2)^2 transformiert.
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

Die Induktivitäten sind gemessen mit der anderen Wicklung offen.  Im 
T-Ersatzschaltbild kenne ich die Hauptinduktivität und die beiden 
Streuinduktivitäten. Was meinst Du mit "Magnetisierung-Induktivitäten". 
Mein Kenntnisstand: messe ich mit offenen Klemmen sehe ich die 
Hauptinduktivität, messe ich mit kurzgeschlossenen Klemmen sehe ich die 
Streuinduktivität.

>>>>>>>>>>>>>>>>>
* Die Induktivität, die mit C in Serie liegt erhält man wenn man Primär
kurzschließt und von Sekundär misst. Der Wert sollte recht klein sein.
Einige % von Lh
<<<<<<<<<<<<
Ja, das ist die sekundäre Streuinduktivität!? Nur die liegt mit C in 
Serie? Die Hauptinduktivität liegt doch auch mit der Last in Serie.

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
* Das Verhalten von einem Kondensator mit 2.5nF an einer
Rechteckspannung ist schwer voraussagbar. Hier spielen die
Serieninduktivität aus dem Kurzschlussversuch + Widerstände mit.
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
Ja, i=C*du/dt wird immer blöd für schnelle Spanungsänderungen :).

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
**** welcher Artikel?
Der Artikel verlangt hohe Transformatorinduktivität im Vergleich zur
Last.
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

https://www.mikrocontroller.net/articles/Transformatoren_und_Spulen
Sehr guter Artikel, vielen Dank.

Wenn man primär einschaltet, haben die ersten 10 Pulse oder so die 
richtige Höhe und sinken dann ab. Vielleicht hat sich der Schwingkreis 
aus L und Last-C dann eingeschwungen und zieht einen hohen Blindstrom, 
der an der langen dünnen sekundären Windung einen hohen Spannungsabfall 
verursacht. Das werde ich simulieren und mit geliehener schnellen 
Stromzange nachmessen.

Vielen Dank für die Hinweise.
Cheers
Detlef

von Detlef _. (detlef_a)


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>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Detlef _. schrieb:
> Wenn ich die 40khz primärseitig einschalte geht die Spannung kurzfristig
> auf +/-50V um dann auf +/-30 abzusacken,

Hmm, keine symmetrische Ansteuerung ? Koppelkondensator in eine
Zuleitung legen ?
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

Doch doch. Primär symmetrische Ansteuerung, mal ein Anschluss auf +5V, 
der andere auf GND, kurze Zeit später umgekehrt.

von Matz (Gast)


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Detlef _. schrieb:
>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Detlef _. schrieb:
> <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

Dart oder Bogen?

Markierexerzitiere die blaue Shrift am roten Pfeilende ;)

Beitrag #7651412 wurde vom Autor gelöscht.
von Gebhard R. (Firma: Raich Gerätebau & Entwicklung) (geb)


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> Detlef _. schrieb:
>> Wenn ich die 40khz primärseitig einschalte geht die Spannung kurzfristig
>>auf +/-50V um dann auf +/-30 abzusacken

Das hört sich nach Sättigung an. Wie steuerst du den Trafo an? Sind die 
Schaltzeiten identisch? Schaltung?

von Jakob L. (jakob)


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Detlef _. schrieb:
> Der Artikel verlangt hohe Transformatorinduktivität im Vergleich zur
> Last:
>
> Blindwiderstand 2.5nF@40kHz ist ~ 1k6
>
> Blindwiderstand 170mH@40kHz ist ~ 47k, hoch im Vergleich
>
> Wenn ich die 40khz primärseitig einschalte geht die Spannung kurzfristig
> auf +/-50V um dann auf +/-30 abzusacken, ist also vllt. ein Lasteffekt
> mit der resonanten Last.
>
> Oder ohmscher Spannungsabfall an der Sekundärspule. Ich kann den
> Sekundärstrom nicht messen, deswegen kann ich das nicht verifizieren.
>
> Gibt es noch andere Erklärungsansätze?

Man hat auch immer etwas Streuinduktivität und die Streuinduktivität der 
Ausgangsseite ist direkt in Serie zur Last, dazu kommt noch die 
Streuinduktivität am Eingang die durch den Transformator 
hochtransformiert wird. Damit bildet sich ein (komplexer) 
Spannungsteiler aus Streuinduktivität und Last. Bei kapazitiver Last 
kann das je nach Höhe der Streuinduktivität entweder zu einer positiven 
Resonanz oder zu einer reduzierten Ausgangsspannung (in dem Fall 30V 
statt rechnerisch 47V) führen.

Zum Abschätzen der Streuinduktivität kannst du einfach die Induktivität 
der Sekundärseite bei kurzgeschlossener Primärseite messen und mit der 
Impedanz der Last vergleichen, würde mich nicht wundern wenn der 
resultierende Blindwiderstand am Ende sogar höher als der 
Blindwiderstand der Last ist.

Übrigens: Je mehr sich Primär- und Sekundärwicklung überlappen desto 
weniger Streuinduktivität hat man, da kann man eventuell noch etwas 
optimieren, idealerweise würde man die Primärwicklung so legen dass man 
über den Kern verteilt alle 8 Sekundärwindungen eine Primwärwindung hat.

>
> Zweite Frage: Kann man irgendwo Toroide bezahlbar wickeln lassen? Die
> 160Wdg haben 4h gedauert,

Also 90 Sekunden pro Windung? Kommt mir schon sehr lange vor, das geht 
deutlich schneller mit der richtigen Technik. Mach dir als Hilfsmittel 
ein Stück Holz das noch durch den Kern passt und mit zwei Einkerbungen 
so dass man den Draht erst auf das Holz wickeln kann, damit kann man 
dann relativ schnell auf den Ringkern wickeln und muss nicht nach jeder 
Wicklung meterweise losen Draht nachziehen.

In dem Video hier wird die Technik gezeigt:

https://www.youtube.com/watch?v=zL51M-0ebXc

Oder als Text (englisch) erklärt hier:

http://www.iec-international.com/micrometals/mmt5.htm => "hand shuttle"

Das entsprechende Werkzeug kann man sich heutzutage natürlich auch auf 
dem 3D-Drucker machen, muss man nicht unbedingt aus Holz schnitzen.

von Detlef _. (detlef_a)


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Hallo,

hab das Zeug mal simuliert. War bißchen tricky, aber .ic i(L1)=0 hats 
dann gemacht. Die Streuinduktivitäten habe ich zu 10% angenommen. Das 
'Einschwingen' konnte ich nicht nachvollziehen. Die Kurvenform der 
Ausgangsspannung sieht auf den scope ähnlich komisch aus, verstehe ich 
auch nicht richtig. Wahrscheinlich ein relativ ungedämpftes System, das 
ab und zu von der Primärseite einen Tritt bekommt? Die zentrale 
Erkenntnis: Die Ausgangsspannung hängt empfindlich von der 
Koppelkonstante ab, bei 0.8 bleiben nur noch 20V übrig.

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Übrigens: Je mehr sich Primär- und Sekundärwicklung überlappen desto
weniger Streuinduktivität hat man, da kann man eventuell noch etwas
optimieren, idealerweise würde man die Primärwicklung so legen dass man
über den Kern verteilt alle 8 Sekundärwindungen eine Primwärwindung hat.
<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
Ja.

>>>>>>>>>>>>>
Also 90 Sekunden pro Windung? Kommt mir schon sehr lange vor, das geht
deutlich schneller mit der richtigen Technik.
<<<<<<<<<<<<<<<
Die 4h waren die gefühlte Zeit. Zeitskala war auch deformiert, weil ich 
dazu zur Schmerzdämpfung Bier getrunken habe.

>>>>>>>
Das entsprechende Werkzeug kann man sich heutzutage natürlich auch auf
dem 3D-Drucker machen, muss man nicht unbedingt aus Holz schnitzen.
<<<<<<<<<<<
Das Werkzeug sieht so aus wie die Weberschiffchen.

Erstmal ansatzweise verstanden. Brauche ich mehr von den Induktivitäten 
werde ich mich bei Würth umschauen, vielen Dank für den tip.

Cheers
Detlef

von Johann (hhonline)


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Habe auch eine Simulation versucht. Bin aber ab 2 Punkten gescheitert.
1. Modellbildung

  a) Trafo: Die magnetische Auslegung ist OK. Keine Sättigung. Auch die 
Hauptinduktivität wurde bestätigt. Unklar sind die Streuinduktivitäten. 
Diese hängen auch von der Anordnung der Windungen ab. Weiters gibt es 
eine Kopplung zw. Prim/Sek Wicklung, die zB höher ist, wenn die 
Wicklungen übereinander abgeordnet sind. Den ohmsche DC-Widerstand kann 
man berechnen. Bei 40kHz kommt aber noch ein Skineffekt dazu

 b) Piezopiper: Mit Sicherheit kein Kondensator. Es ist ein 
elektromechanischer Energiewandler. Wurde schon diskutiert: 
Beitrag "Piezo-Aktor Ersatzschaltbild"   und 
https://www.piezosystem.com/de/piezopedia/simulation-dynamischer-eigenschaften/


2. Parameter

zu 1.a) Ein Kurzschlussversuch würde Klarheit bringen. Wurde schon 
diskutiert.

zu 1.b) Keine Idee. Habe hier nichts gefunden.

Detlef _. schrieb:
> Die zentrale
> Erkenntnis: Die Ausgangsspannung hängt empfindlich von der
> Koppelkonstante ab, bei 0.8 bleiben nur noch 20V übrig.

Leerlauf und Kurzschlussversuch (ev. Test mit unterschiedliche 
Ohmscher-Last) würde hier weitere Erkenntnisse bringen.

von Detlef _. (detlef_a)


Angehängte Dateien:

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Hi,

hab die Streuinduktivitäten 14u und 135u nachgemessen, Faktor 10 daneben 
geschätzt. Jetzt sieht das besser aus, das Einschwingen ist zu sehen und 
es ist auch ein Sinus, mehr oder weniger. Abhängigkeit zum Koppelfaktor 
extremer, für 0.99 statt 0.95 kriege ich stationär 300V statt 30V.

Cheers
Detlef

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