Hallo Forum,
hab ein schaltregler in Flyback mit NCP3063 für galvanisch getrennte
Versorgung gebaut. Folgende Eckdaten:
Uin=10-30V
Uout=5V
Iout=0,35A
L=27uH
Nun habe ich die Schaltung in Betrieb genommen und Messungen
durchgeführt. Ich belaste den Schaltregler mit Rl=15 Ohm, Uout=5V. So
weit schein alles zu funktionieren.
Bis auf die Tatsache, dass EIngangsleistung = 3W ist!! Bei einer
Ausgangsleistung von 5V*0,35A=1,75W ergibt es 1,75/3 = 58% Wirkungsgrad.
Nicht gerade berauschend.
Noch schlimmer wirds, wenn die Eingangsspannung über 27V ansteigt. Dann
steigt die Eingangsleistung bis auf 4W und bei 30V auf 5,5W. Also das
richt schon stark nach einer Verlustleistung im Rsense oder Trafo, weil
diese dann auch ordentlich warm werden.
Kann mir jemand aus Erfahrung sagen, ob dieser Wirkungsgrad für die
galvanische Trennung "normal" ist?
Welche Frequenz fährst du?
Hast du ein Snubbernetz? -> Da geht viel Leistung drauf-
Wird der Trafo warm? Und hat der auch einen ausreichenden Luftspalt?
Welches Kernmaterial nutzt du?
Meine erste Vermutung wäre, dass dein Trafo falsch dimensioniert ist.
Entweder kann nicht genug Energie gespeichert werden, oder die
Ummagnetisierungsverluste sind zu hoch, oder deine Kopplung ist zu
schlecht und es gibt zu viel Streufluss.
Bei einer Schaltung, die ich entworfen habe kam ich auf einen
Wirkungsgrad von ca 73%.
Poste mal mehr Infos dann sehen wir weiter.
Gruß
Mandrake
>Welche Frequenz fährst du?
wenn Uin=12V => fswitch=
>Hast du ein Snubbernetz? -> Da geht viel Leistung drauf-
nein, wollte ich extra vemeiden. ich habe nur 2xC mit je 33uF Elkos und
ein RC-TP mit 0,22R und 100uF Tantal
>Wird der Trafo warm?
ja
>Und hat der auch einen ausreichenden Luftspalt?>Welches Kernmaterial nutzt du?
Ich benutze standard Trafo von Würth mit 27uH (siehe Anahng)
>Warum so geizig? Bei diesen niedrigen Frequenzen sollte die Induktivität>Faktor 10 größer sein.
ich brauch keine "einfache" Induktivität, sondern einen Trafo mit 4
wicklungen (Zwecks der Feedback-leitung, weil diese ). Zwei Primäre und
zwei Sekundäre oder eine primär und die zwei sekundär.
Ich hatte keinen passenden gefunden, der höhere Induktivität hatte mit
annehmbaren Sättigungsstrom.
OK, das sind doch schon einmal brauchbare Infos.
Lass uns mal ein paar Betrachtungen machen:
Benötigte gespeicherte Energie im Kern:
90kHz -> 19,44µJ
38kHz -> 46,06µJ
So nun die speicherbare Energie im Kern:
Das stimmt halbwegs mit dem Datenblatt überein.
Jetzt sieht man schon, dass nur ein Bruchteil der benötigten Energie
überhaupt gespeichert wird.
Abhilfe:
Bei 90kHz müsste die Basisinduktivität 29,32 mal größer sein.
Bei 38kHz müsste die Basisinduktivität 69,4 mal größer sein.
Man kann jedoch auch die Frequenz erhöhen, dann muss nicht soviel
Energie gespeichert werden.
Ui das ist schon ordentlich. Da wirst du wohl doch die Induktivität
erhöhen müssen. Zum Beispiel durch Reiheschaltung einiger deiner
Basisinduktivitäten. Und zusätzlich musst du die Frequenz erhöhen.
Gruß
Mandrake
>Dann wundere Dich nicht, wenn Dir der Wirkungsgrad nicht paßt :-)
Es war nicht die Rede, dass er nicht passt. Vielmehr war eine allgemeine
Frage nach Erfahrungsberichten in Raum gestellt.
Aber danke für deine Antwort. -:)
Noch was wichtiges vergessen:
Zusammenschalten nutzt auch nichts. Weil die Druchflutung und damit die
maximale Flussdichte gleichbleiben muss, nimmt der zulässige
Sättigungsstrom
mit jeder zusätzlichen Windung ab.
Konkret bedeutet das, wenn du alle fünf Spulen in Reihe schaltest,
darfst du nur noch 1/5 des Sättigungsstroms fließen lassen um die
maximale Flussdichte zu erreichen. Da der Strom jedoch quadratisch in
die Energie eingeht kannst du mit jeder weiteren Windung immer weniger
Energie speichern.
@Mandrake
Hey, das ist klasse erklärt! Danke!
Es ist mir alles bekannt. Aber ich bin mittlerweile zu "tief" drin und
erkenn das "Wesentliche" nicht.
Mal sehen ob ich im Labor noch ein Trafo da hab...
Also ich habe mir das Datenblatt an gesehen, und frage mich: hat dieser
Kern Überhaupt einen Luftspalt ?
Weil die Energiemenge (0,77µJ) die er speichern kann ist selbst für
seine Größe winzig.
Zum Vergleich: in einem 1mm^3 Luft bei 0,22T(Max. Flussdichte von diesem
Kern) kann man ca. 20µJ Energie Speichern.
OK.
Wie ich feststellen musste, habe ich keinen anderen Trafo im Labor. D.h.
wieder recherchieren. Cooper Bussmann habe ich angeschaut. Im Prinzip
sind die angebotenen Trafos zu denen von Würth vergleichbar. Nur dass
die von Cooper höhere Werte für Isat haben. Ganz interessant und
Hilfreich fand ich die Excel-Tools, durch die man eine Trafo-Empfehlung
für eigene Applikation bekommt. Danke an dieser Stelle an vorbis.
OK. Ich fasse nochmal zusammen welche Werte der ideale Trafo für meine
Schaltung haben sollte:
Gegeben:
fswitch = 200kHz (max) => T = 5us
Uswitch = 1,5V
Uin = 10V-30V
Uout1 = 5V (Uout2=5V)
Iout = 0,15A (Iout2=0,2A)
Aufbau: Flyback
Gesucht: Transformator mit je 2 prim/sek Windungen
Bestimmen von ILmax: (Wird durch externen Rsense an NCP3063 definiert)
Rsense gewählt: 0,4Ohm => Ionmax = 0,2V/0,4Ohm = 0,5A
Bestimmen von ton:
ton/toff = ü*Uout/Uin => 0,17 < ton/toff < 0,5 (Annahme: ü = 1)
ton = (T*ton/toff)/(1+ton/toff) => 0,726us < ton < 1,667us
Bestimmen von Induktivität L:
L = tonmax*(Uin-Uswitch)/ILonmax
L = 1,667us*(Uin-1,5V)/0,5A => 28,339uH < L < 95,019uH
Ergebniss: L sollte größergleich 95uH sein
Bestimmen von Isat der Induktivität:
W = P/f = 1,75W/200kHz = 8,75uJ
Isat = (2W/L)^(1/2) = 0,429A bei L = 95,019uH
Wenn der Transformator so aufgebaut ist, dass 2 primäre und zwei
sekundäre Windungen hat, die von einander getrennt sind - werden primäre
Windungen in Serie geschaltet. Dies hat zu folge:
k=2
Isat = (2*k*W/L)^(1/2) = 0,607A
Also benötige ich ein Trafo mit:
Lmind = 95uH
Isatmind = 0,61A
oder mit
W = ca. 8uJ
Ob es sowas ergendwo gibt... Kennt jemand evtl. Lieferanden oder
Hersteller , die etwas in der Art anbieten?
Ich bins nochmal:
Wenn du ein richtiges Layout mit Multilayer planst hätte ich vielleicht
einen Lösungsansatz für dich. Vor einem Jahr kam ich auch in die
Verlegenheit einen Flybackwandler zu entwerfen. Den kundenspezifischen
Trafo habe ich über Planartechnik realisiert. Dabei werden die Spulen in
PCB-Technik realisiert und nur noch ein geeigneter Planarkern
eingeklippt.
Vielleicht bringt dich das weiter.
Gruß
Mandrake
P.S.: Habe damals auch nach anderen Trafos geschaut und mir auch die von
Würth angesehen. Was vergleichbares und passendes von der Stange habe
ich allerdings nicht gefunden.
Hallo mandrake,
danke für den Hinweis. Leider ist nur eine 2-Lagige Platine gefordert -
wie immer aus Kostengründen. Planartechnik wirds also eher nicht sein,
obwohl es sehr interessant sein könnte.
mandrake, sind meine Berechnungnen schlüssig?
Ich danke dir vilemals für deine Hilfe und Coolness!!
Hallo jose oder ogg,
Die Berechnungen sehen ganz gut aus. Ob das die richtige Rangehensweise
ist kann ich nicht sagen. Ich bin damals so vorgegangen:
1. Festlegen der Frequenz, Ausgangsleistung, Kernmaterial und
Übersetzungsverhältnisses.
2. Berechnung der benötigten Energie (wie oben).
3. Aus dem Datenblatt für das Kernmaterial die maximale Flussdichte und
damit den maximalen Fluss bei gegebenen Querschnitt berechnen.
4. Über die gegebene maximale magn. Flussdichte und die benötigte
Energie,
das Luftspaltvolumen berechnen.
5. Bei gegebenen Querschnitt ergibt sich die Länge des Luftspalt.
6. Da die Feldstärke im Kern um einige Hundertfache kleiner ist als die
im Luftspalt, berechnet sich die Induktivität eigentlich ausschließlich
über den AL-Wert des Luftspalts. (L = N² x ALluft)
7. Über die Formel W = 0,5 LI² und gewünschten Isat und W auf L
schließen.
8. N ausrechnen.
9. Fertig
Ist jetzt aus meinem Gedächtnis skizziert aber ich meine so habe ich es
gemacht. Ist halt auch schon ein Jahr her....
Viel Erfolg
Mandrake
OK, vielen Dank.
Das Problem mit dem Trafo ist mit viel Klarer. Vorher wußte ich nicht so
genau an welchen Trafo-Parametern mein Problem genau liegt.
Mal sehen ob ich doch noch einen Trafo von der Stange finde oder ob ich
einen Herstellen lassen muss.
MfG ogg
P.S.: Ich war vorher am anderen PC (Gemeinschafts-PC), da die
"Name-Zeile" den Namen merkt, hab versehentlich unter falschem Name
gepostet. Sorry.
>Aber was spricht eigentlich gegen DC/DC Wandler ???
TEchnisch gesehen nichts. Optimale Lösung, mit der ich sehr glücklich
wäre!
Wirtschaftlich gesehen - unsinn. Denn für einen DC/DC mit Uin 10V-30V,
mit zwei galvanisch getrennten Ausgägnen von je 5V und 200mA bezahlt man
15 Euro aufwärts.
Wenn aber jemand einen sollchen DC/DC kennt, teile es mir bitte mit. Ich
würde auch gerne einen fertigen DC/DC einsetzten.
@Gast
du hast recht. ganz oben habe ich das nicht angegeben.
Aber für die Dimensionierung des Trafos habe ich Folgendes angegeben:
>Gegeben:>fswitch = 200kHz (max) => T = 5us>Uswitch = 1,5V>Uin = 10V-30V>Uout1 = 5V (Uout2=5V)>Iout = 0,15A (Iout2=0,2A)>Aufbau: Flyback
Auserdem, wenn man ein Flyback aufbaut, brauchen ca. 90% aller
Schaltregler einen Feedback. Diese Feedback-Leitung muss von der
Versorgung getrennt werden - damit eine galvanische Trennung zw.
Eingang und Ausgang realisiert werden kann.
Feedback kann so realisiert werden, dass er über einen Optokopller
geführt wird. Oder aber durch eine zweite Wicklung des Trafos wenn diese
vorhanden ist. Weil viele Trafos mit mehreren Wicklungen angeboten
werden, bietet sich die zweite Möglichkeit an. Nachteil dabei ist
jedoch, dass man Feedback nicht an der "echten" (benutzte/belastete)
Ausgangsspannung hat, sondern am Pseudoausgang. Kann dazu führen, dass
die benutzte Ausgangspannung nicht mehr sauber - z.B. durch einen
Spannungsteiler wie bei MC30063 eingestellt werden kann.
Für meine Schaltung habe ich mich ebenfalls für die zweite Aufbauart
entschieden - also ohne Optokoppler. Dann hats sich angeboten paar
Bateile, die nicht galvanisch getrennt sein müssen an die Versorgung mit
der Feedbackleitung anzuhängen.
Ich habe hier ein Fehler entdeckt:
>Bestimmen von Induktivität L:>L = tonmax*(Uin-Uswitch)/ILonmax>L = 1,667us*(Uin-1,5V)/0,5A => 28,339uH < L < 95,019uH>Ergebniss: L sollte größergleich 95uH sein
ich nehme hier für die Berchnung tonmax, sowohl für Uinmin wie auch für
Uinmax
Dies trifft aber nicht zu. Denn tonmax stellt sich nur dann ein, wenn
Uinmin (10V) anliegt. Genauso stellt sich tonmin wenn Uinmax (30V)
anliegt.
d.h. die Induktivität für 10V Eingangspannung errechnet sich aus:
L = 1,667us*(Uinmin-1,5V)/0,5A = 28,339uH
für 30V würde es bedeuten:
L = 0,726us*(Uinmax-1,5V)/0,5A = 41,382uH
Isat muss ebenfalls korregiert werden. Er wird größer ausfallen.
