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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Resonanzwandler


Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Hallo,
um es vorweg zu nehmen: Diese ganzen Überlegungen drehen sich um das 
Netzteil  bzw. die Energieübertragung per Luftspulen für eine 
Propeller-Clock.

Bei meiner ersten Version verwende ich einfach zwei Luftspulen, eine 
komplett freistehend die andere auf einen von seinen Rotorblättern 
befreiter 80mm Lüfter. Die Spulen sind aus relativ dünnem Draht 
gewickelt. Dieser "Trafo" wird als Sperrwandler betrieben und der 
Kurzschlussstrom auf Sekundärseite ist gerade mal 70mA. Die erste 
Version hat nur 8 LEDs die bei geringem Strom betrieben werden, daher 
reicht die Leistung aus.
Das Problem bei diesem Aufbau ist, dass durch die schlechte magnetische 
Kopplung ein nicht unerhebliches Streufeld entsteht, welches bei ca 
50kHz schön durch die Gegend strahlt. Mittel und langwellenempfang ist 
im Umkreis von 5 metern garnicht möglich. Nicht, dass mich das stören 
würde aber diese Lösung sagt mir dann doch nicht so ganz zu.

Meine 2. Version der Propclock soll mit 16 RGB-LEDs ausgestattet sein.
Da jede LED bis zu 20mA ziehen kann (geschaltet mit konstantstromquelle) 
und jede LED an sein können soll, muss die Stromversorgung knapp 1A 
liefern können (48 LEDs a 20mA = 960mA). Über die Konstantstromquelle 
und eine LED fallen ca 7V ab.
So benötige ich eine Spannungsquelle die ca 7W liefern kann.
Natürlich ist die mittlere Stromaufnahme geringer, da wohl nie oder sehr 
selten alle LEDs zum gleichen Zeitpunkt über mehrere Umdrehungen lang 
eingeschaltet sein werden. Aber ich möchte auf Nummer sicher gehen und 
das Netzteil nicht zu klein dimensionieren.

Ich habe mir zwei neue Spulen aus 0,5mm Kupferdraht gewickelt, die 
Primärspule mit einer Mittelanzapfung (an VCC) und die beiden anderen 
Enden  über je einen N-Kanal Fet an GND. Die Sekundärspule ist eine ganz 
gewöhnliche Spule mit nachgeschaltetem Brückengleichrichter.

So bin ich auf ca 15W gekommen. Das reicht von der Leistung her aus, 
erzeugt aber wie vermutet auch eine Menge Störungen.

Jetzt hab ich in einem der Propclock-Threads etwas von einem 
Resonanzwandler gelesen (Axel Rühl hat den kurz erwähnt, hab ihn schon 
angeschrieben aber er antwortet leider nicht.)

Im Internet habe ich folgende Dokumente/Seiten gefunden, die ich 
informativ finde gefunden:

http://www.trifolium.de/netzteil/kap10.html

http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/snt/snt_...

Alle meine Gedanken beziehe ich jetzt mal auf diese beiden Dokumente.

Mein Problem mit dem Resonanzwandler ist jetzt Folgendes:
Die Induktivität des Trafos ändert sich mit der Last. Wenn man den 
Serienschwingkreis mit konstanter Frequenz (bzw. Pulsbreite) ansteuert, 
schaltet man nur bei einer gewissen Last auch wirklich im 
Stromnulldurchgang. Oder man müsste die Drosselspule im verhältnis zur 
mittleren Trafoinduktivität so groß machen, dass sich änderungen der 
Trafoinduktivität nicht wesentlich auf die Resonanzfrequenz des 
Schwingkreises auswirken, sodass man die Verschiebung des Nulldurchgangs 
vernachlässigen kann.

Meine Idee war jetzt, zu messen wann die Spannung am Kondensator ihr 
Maximum erreicht. Im pdf von Schmidt-Walter steht, dass der Kondensator 
sich auf die Eingangsspannung aufläd. Aber das ganze ist doch eben ein 
Schwingkreis, und die Spannung am Kondensator müsste doch überhöht sein. 
Deswegen fällt meiner Meinung nach die Methode die Mosfets über einen 
Komperator und oder Flipflop (um die Zeit zwischen den Pulsen einstellen 
zu können siehe Schmidt-Walter) zu steuern flach, da die Spannung von 
verschiedenen Faktoren abhängig ist.
Die nächste Möglichkeit wäre, über einen Shunt den Strom zu messen, der 
in oder aus dem Kondensator fliest. Dann diese Spannung gleichrichten 
und per Komperator die Nulldurchgänge herausfinden, um dann die MosFets 
wieder abschalten zu können.

Aber überall wird von konstanter Pulslänge geschrieben, und die scheinen 
alle ohne solche komplizierten Spielereinen auszukommen.

Denke ich einfach zu Kompliziert oder woran liegts?
Könnte mal bitte jemand den großen Knoten in meinem Kopf auflösen? ;)

Vielen Dank,
Hauke Radtki

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Immer, wenn man keine Antwort weiss, aber unbedingt was sagen möchte, 
macht man einen Gegenvorschlag :-)

Kannst Du das magnetische Feld, das ja momentan quasi kugelförmig in den 
Raum abgestrahl wird, nicht "einsperren"? Ich denke da konkret an zwei 
Ferrithalbschalen. Die eine rotiert, die andere steht fest.

Obwohl:

Wenn Du Probleme mit der Regelung einer veränderlichen Last hast, dann 
halte die Last konstant und las' die Regelung weg.

Autor: Tcf Kat (tcfkat)
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Eigentlich reicht ein feststehender Permanentmagnet, und eine Spule auf 
dem rotierenden Teil... Prinzip Generator, garantiert EMV-frei... ;)))

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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> Mein Problem mit dem Resonanzwandler ist jetzt Folgendes:
> Die Induktivität des Trafos ändert sich mit der Last. Wenn man den
> Serienschwingkreis mit konstanter Frequenz (bzw. Pulsbreite) ansteuert,
> schaltet man nur bei einer gewissen Last auch wirklich im
> Stromnulldurchgang. Oder man müsste die Drosselspule im verhältnis zur
> mittleren Trafoinduktivität so groß machen, dass sich änderungen der
> Trafoinduktivität nicht wesentlich auf die Resonanzfrequenz des
> Schwingkreises auswirken, sodass man die Verschiebung des Nulldurchgangs
> vernachlässigen kann.

Beim normalen Resonanzwandler hast Du eine Resonanzspule und einen Trafo 
ohne Luftspalt. Die Hauptinduktivität des Trafos ist recht groß 
gegenüber der Resonatorspule und deshalb hat die Belastung prinzipiell 
keinen Einfluss auf die Resonanzfrequenz (nur solange die Dioden im 
Primärkreis noch nicht leiten). Bei Trafos mit Luftspulen funktioniert 
das natürlich nicht, weil da Haupt- und Steuinduktivität immer in 
ähnlichen Größenordnungen liegen. Das ist aber egal, weil das nur bei 
großen Leistungen eine Rolle spielt.

> Meine Idee war jetzt, zu messen wann die Spannung am Kondensator ihr
> Maximum erreicht. Im pdf von Schmidt-Walter steht, dass der Kondensator
> sich auf die Eingangsspannung aufläd. Aber das ganze ist doch eben ein
> Schwingkreis, und die Spannung am Kondensator müsste doch überhöht sein.
> Deswegen fällt meiner Meinung nach die Methode die Mosfets über einen
> Komperator und oder Flipflop (um die Zeit zwischen den Pulsen einstellen
> zu können siehe Schmidt-Walter) zu steuern flach, da die Spannung von
> verschiedenen Faktoren abhängig ist.
> Die nächste Möglichkeit wäre, über einen Shunt den Strom zu messen, der
> in oder aus dem Kondensator fliest. Dann diese Spannung gleichrichten
> und per Komperator die Nulldurchgänge herausfinden, um dann die MosFets
> wieder abschalten zu können.

Darüber würde ich mir keine Gedanken machen. Kleine MOSFETs schalten 
auch problemlos im Strommaximum.

> Aber überall wird von konstanter Pulslänge geschrieben, und die scheinen
> alle ohne solche komplizierten Spielereinen auszukommen.

Das funktioniert eben nur in einem bestimmten Lastbereich, solange die 
Dioden im Primärkreis noch nicht leiten und wenn man einen Trafo ohne 
Luftspalt hat. Auch solche Wandler können den ZCS-Bereich verlassen 
(z.B. bei Kurzschluß) und haben dann halt entsprechend hohe 
Schaltverluste.

> Denke ich einfach zu Kompliziert oder woran liegts?
> Könnte mal bitte jemand den großen Knoten in meinem Kopf auflösen? ;)

Ich würde sagen, dass der ZCS-Resonanzwandler für Deine Anwendung 
ungeeignet ist. Wegen der großen Streuung würde ich hier eher das 
Prinzip der gekoppelten Schwingkreise anwenden, wobei man die Sendespule 
z.B. direkt in einen Royer-Oszillator einbauen könnte.

Jörg

Autor: Hagen Re (hagen)
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Hm, er will aber hohe Frequenzen haben was auch logisch ist. Ich würde 
per H-Brücke mit hohem Takt und entsprechenden Ferromagnetischen 
Halbschalen arbeiten die für solche Frequenzen ausgelegt sind.

Ich denke er will dann im nächsten Schritt auch eine Datenübertragung da 
einbauen, so wie bei den meisten Propeller-Clock-Projekten.

Die Primärspule würde dann hohe Ströme benötigen und die Sekundärseite 
transformiert das auf eine höhere Spannung. Statt normaler 
Gleichrichtung würde an der Senkundärseite ein Abwärtswandler per 
Induktiviät, Shottky, Low-ESR-Kondensator sitzen um aus der hohen 
Spannung einen hohen Strom ziehen zu können. Der Takt dieses 
Abwärtswandlers kommt vom Takt der Primärspule.

Gruß hagen

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Hallo "Leidesgenossen" ;-))

>und entsprechenden Ferromagnetischen Halbschalen arbeiten

Ich habe mir ebenfalls hinreichend Gedanken gemacht.
In anderen Threads zu diesem Thema hier im Forum konnte man bereits 
viele, hilfreiche Informationen gewinnen.
Besonders hilfreich fand ich die klaren Aussgaen zum Thema 
Streuinduktivität.
Beitrag "Re: Induktive Leistungsübertragung"

Sodenn habe ich mir folgende Schaltung überlegt, allerdings bisher nu r 
das Leistungsteil (mit Erfolg) aufgebaut.
Es handelt sich um eine Halbbrücke mit einem IR2184 und zufällig 
vorhandenen IRF640. Der Trafo bestand anfangs aus zwei 
Schalenkernhälften. Leider war der Kernwerkstoff nicht für die 
Leistungsübertragung geeignet, sondern eher für Sensoranwendungen 
(Näherungsschalter). Es handelte sich um Schalenkernhälften Mf183. 
Diesen Aufbau habe ich daher nicht weiter verfolgt, sondern stattdessen 
mit RM6 Halbkernprofilen herumprobiert. Das Material besteht aus Mf195, 
was dem internationalen Typ N27 entsprechen dürfte. Der mitgelieferte 
Spulenkörper dient als Aufnahme der Primärspule und die sekundärspule 
tauch auf einem selbstgewickelten Körper oberhalb in diese ein. Die 
obere Kernhälfte und die Sekundärspule dreht sich und die Primärspule 
steht "unten".

Ich habe ein paar Bilder mit Hilfe des "Freenet-Baukasten" online 
gestellt. (War 'ne ganz schöne Fummelei - bin eben kein HTML-Gottt) ;-))

http://www.axelr.de.vu

Normalerweise sollte so ein Trafo ja eigentlich gar keine Induktivität 
aufweisen, da diese ja von der Last "wegtransformiert" wird. Gerade bei 
den losen Kopplungen ist diese natürlich vorhanden. Ich habe nun auch, 
angeregt durch 'ne PM von Hauke, überlegt, die Ausgangsspannung zu 
stabilisieren.
Eine dritte Wicklung hatte ich anfangs als Favoriten, später jedoch als 
unpraktikabel abgetan.

Mein Resonanzkreis besteht nun aus der Halbbrücke, einem 
Reihenschwingkreis (330nF MKT große Bauform) und dem Trafo. Eine 
Induktivität erübrigt sich eben wegen der "eigebauten" Streuinduktivität 
aufgrund der losen Kopplung.

Zufällig habe ich einen kleinen Ringkern in meiner Bastelkiste gefunden. 
Hier habe ich einen Draht durchgesteckt und einen Stromwandler gebaut. 
An die vorhandenen 50Windungen habe ich einen kleinen Widerstand gelötet 
um die entstehende Spannung messen zu können. Den Funktionsgenerator 
durchgekurbelt und es gab einen komischen Knall. Der Messwiderstand... 
;-(
Bei Resonanz fliesst locker ein HF-Strom von 5Ampere. Dafür ist der 
verwendete Draht natürlich viel zu dünn, klar.
Geht man mit der Frequenz etwas oberhalb der Resonanz sinkt der Strom 
gleich rapide und die ebenso die übertragene Leistung.
20-25 Watt sind, bei etwas dickeren Draht versteht sich, durchaus drinn.

Das Windungsverhältnis ist ca 1 zu 1. Beachtenswert ist die enorme 
Spannung über der Primärspule. Die Freilaufdioden hatte ich weggelassen, 
die IRF640 konnten das wohl ab.

Als nächstes mach' ich die Steuerung fertig.
Einen VCO (gesteuert vom Stromwandler)dachte ich, dahinter einen 
FlipFlop für die 50%/50% und einen zweiten parallel dazu, um die 
UART-Daten Phasensynchron aufzumodulieren.

Na mal sehen...

Viele Grüße
AxelR

Edit
die andere Seite der Spule hängt via 2x470uF/40V an VCC/2

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Jetzt wollte ich mit 'ner neuen Eagle Installation die Schaltung malen 
und bin bei der Suche nach einem IR2184 in den Bibliotheken auf den 
IR2520 gestoßen.
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2520d.pdf
Könnte schon fast alles drinn sein, was man so braucht. Nur die 
Betriebsspannug müsste man umstricken (VCC). Mal sehn, wo man den her 
bekommt.
Unabhängig davon werde ich aber die diekrete Variante online stellen

Gruß
Axelr.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Deine Page ist leider nicht zu erreichen. Ich hatte zwar noch keine Zeit 
mir weitere Gedanken zu machen, aber die kommt auch bald die Zeit ;)

Ich bin auf jeden fall an weitergehenden Informationen interessiert.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Hauke Radtki wrote:
> Deine Page ist leider nicht zu erreichen. Ich hatte zwar noch keine Zeit
> mir weitere Gedanken zu machen, aber die kommt auch bald die Zeit ;)
>
> Ich bin auf jeden fall an weitergehenden Informationen interessiert.

komisch, ich habs eben nochmal probiert - geht problemlos.
ist auch nur eine weiterleitung nach 
http://people.freenet.de/Yetirobot/index.html
Yetirobot ist aber unpaasend und umbenennen geht bei freenet nicht... 
daher die umleitung über die http://www.axelr.de.vu

die infos da drauf sind eh noch nicht komplett und die updaterei ist bei 
freenet echt langsam und umständlich. werd mir mal den ftp zugang zu 
freenet zurecht machen.

AxelR.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Hmm jetzt gehen beide Links sowohl die Weiterleitung als auch der 
direktlink (folgt ja daraus ;) ) Deine Spulen sind ja im gegensatz zu 
meinen winzig ;)

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Ich hatte auch keine Probleme, die Seite zu erreichen. Sieht schick aus, 
aber das mit den Scrollbalken find ich nicht gut.

Mein Tipp: Laß die Finger von diesen Baukästen. Nimm lieber einen 
hundsnormalen HTML-Editor - z.B. den von der Mozilla-Suite - und bastel 
damit deine Seiten zusammen. Die sehen dann zwar nicht so 
stromlinienförmig aus, dafür sind sie aber auch nicht so nervig, wie 
dieses Baukastenzeugs.

Wie man eine Homepage organisiert bekommst du ganz einfach raus: Such 
dir irgendwo eine kleine mit ein paar Unterseten, lade sie per wget 
herunter und sieh dir die Dateien mit einem gewöhnlichen Editor an. Das 
ist wirklich kein Hexenwerk.

Gute Tipps findest du bei selfhtml.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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<OT>
HTML Editor:
Seite
http://www.nvu-composer.de/
Download(WINDOWS)
http://downloads.mozdev.org/nvude/1.0/win32/nvu-1....
Forum (erste Schritte)
http://www.nvu-composer.de/forum/viewtopic.php?t=1151

geht prima, Danke für den Tip :-))

Axelr.
</OT>

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