Hallo zusammen, ich lese schon seit längerem eure Beiträge, dieses Mal möchte bräuchte ich aber selber ein klein wenig Unterstützung von euch;) Mein Ziel ist es, einen Schaltungsentwurf zum induktiven Laden zu entwerfen. Ausgedacht habe ich mir einen Serienschwingkreis mit einer Ladespule von Würth E., der über eine Halbbrückenzweig zum Schwingen angeregt wird. Über einen Brückengleichrichter aus Schottky-Dioden wird die induzierte Spannung gleichgerichtet und geglättet und anschliesend über einen DC/DC Wandler auf 5V stabilisiert. Ziel sollte sein, 5Watt an Ausgangsleistung entnehmen zu können. Meine Schaltung habe ich mit LT Spice simuliert, am Ausgang kann ich laut Simulation die 5W entnehmen. Soweit sogut - Jedoch habe ich noch einige Fragen an euch: - Da die Verwendete H-Brücke IR2153D (selbstschwingend) als LT-Modell nicht zur Verfügung steht, wird die Ansteuerung des MOSFETS über sep. Spannungsquellen simuliert. Während der Schaltvorgänge treten jedoch einige Störungen auf (siehe Bild). Wie können diese verhindert werden? - Um den Strom durch den RLC Serienschwingkreis auf 3-4A Begrenzen, wird der R-Kreis mit einer höheren Frequenz als Fres angeregt. Ist dies der richtige Lösungsweg oder habt ihr noch andere Vorschläge? Anbei habe ich euch das Spice Modell & den Schaltplan angehängt vielen Dank im Vorraus ;)
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@ Phil S. (audimania81) >Spannungsquellen simuliert. Während der Schaltvorgänge treten jedoch >einige Störungen auf (siehe Bild). Wie können diese verhindert werden? Das können auch Simulationsartefakte sein. Deine Schaltung kann ich nicht anschauen, hab kein LT-Spice. >- Um den Strom durch den RLC Serienschwingkreis auf 3-4A Begrenzen, wird >der R-Kreis mit einer höheren Frequenz als Fres angeregt. Ist dies der >richtige Lösungsweg Ja, so machen das viele Resonanzwandler.
…willst Du nicht maximale Leistung übertragen ? Diese hast Du bei Resonanz …so stand es einst im Skript.
Danke schonmal für die Antworten. Als Spule verwende ich eine WE-WPCC 6,3µH Spule, die einen RDC von 0,02 Ohm besitzt. Wenn ich den Schwingkreis jedoch bei seiner Res.frequenz schwingen lasse, fließen da sehr hohe Ströme, was das netztteil definitiv nicht packt. Deswegen würde ich ihn bei einer höheren Frequenz schwingen lassen, damit sich der Blindwiderstand erhöht und der Strom runter geht. Noch eine Frage: werden die Dioden und Kondensatoren, parallel zu den Leistungsmosfest überhaupt benötigt? In der Simulation kann ich keinen signifikanten Unterschied feststellen. Grüße
Phil S. schrieb: > Danke schonmal für die Antworten. > Als Spule verwende ich eine WE-WPCC 6,3µH Spule, die einen RDC von 0,02 > Ohm besitzt. Wenn ich den Schwingkreis jedoch bei seiner Res.frequenz > schwingen lasse, fließen da sehr hohe Ströme, was das netztteil > definitiv nicht packt. > > Deswegen würde ich ihn bei einer höheren Frequenz schwingen lassen, > damit sich der Blindwiderstand erhöht und der Strom runter geht. Du könntest auch eine Impedanzwandlung durchführen um die niedrige Impedanz des Serienschwingkreises auf ein vernünftiges Maß (e.g 50Ohm) zu bringen. Das geht zB ganz einfach mit einem L-Glied aus zwei Kondensatoren. Da du einen Class-D Amplifier verwendest, braucht man zusätzlich einen Oberwellenfilter (LC Glied). Damit kann deine Spule bei moderaten Strömen effizient bei Resonanz betrieben werden. Ein Schaltungsbeispiel dazu findest du im Antenna Design Guide von NXP CLRC663 (NFC Reader) auf Seite 16: http://www.nxp.com/documents/application_note/AN11022.pdf Zusätzlich wird in dem Guide noch eine differentielle Ansteuerung verwendet um die Speisespannung des Netzwerkes zu verdoppeln.
@ Phil S. (audimania81) >Noch eine Frage: werden die Dioden und Kondensatoren, parallel zu den >Leistungsmosfest überhaupt benötigt? In der Simulation kann ich keinen >signifikanten Unterschied feststellen. Gestern war's wohl etwas spät, da hab ich den PDF-Schaltplan nicht gesehen 8-0 C14 und C15 sind VOLLKOMMEN falsch! weg damit! R4 und R5 sind viel zu hochohmig, die müssen eher Faktor 10 kleiner sein! Die sollen parasitäre Schwingungen dämpfen, nicht den MOSFET-Treiber ausbremsen. Der Masseanschluß an deiner USB-Buchse ist falsch, das ist Pin 4. Signalnamen schreibt man über das Netz, nicht AUF das Netz. Ein paar ander Bezeichner überlagern sich, das sollte man auch korrigieren. Es fehlt ein mittelgroßer Elko sowie ein Folienkondansator für den Leistungspfad, nah an den Mosfets (VCC/GND). Die zusätzlichen Dioden antiparallel zu den MOSFETs sind hoffentlich KEINE 4148, denn das sind Kleinsignaldioden, die halten nicht viel aus. Man braucht sie nicht unbedingt. Wenn schon, dann sowieso Schottkydioden. Sind C7 und C8 nicht ETWAS groß? Deine VCC Symbole sind jeweils um 180 Grad verdreht. Wozu soll R7 gut sein? Zur Strombegrenzung? Nicht sinnvoll! Niemand baut Längswiderstände in so einen Leistungspfad! Die Strombegrenzung kommt durch den Schwingkreis und die richtige Frequenz.
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Danke für die vielen Hinweise, ich habe die sachen soweit verbessert. > Signalnamen schreibt man über das Netz, nicht AUF das Netz. Wird noch erledigt, wenn ich später die Bibliothek dafür ändere. > Wozu soll R7 gut sein? Zur Strombegrenzung? Nicht sinnvoll! Niemand baut > Längswiderstände in so einen Leistungspfad! Die Strombegrenzung kommt > durch den Schwingkreis und die richtige Frequenz. Das war noch ein Überbleibsel aus der Simulation, er sollte den RDC von der Spule symbolisieren. Ich habe ihn inzwischen herausgenommen ;) @TB >Da du einen Class-D Amplifier verwendest, braucht man >zusätzlich einen Oberwellenfilter (LC Glied). Damit kann deine Spule bei >moderaten Strömen effizient bei Resonanz betrieben werden. Ein >Schaltungsbeispiel dazu findest du im Antenna Design Guide von NXP >CLRC663 (NFC Reader) auf Seite 16: Ich hab mir dein Beispiel angeschaut und einen LC Filter (Im Bsp L0& C0)in den Leistungspfad eingesetzt (siehe Anhang). Er wird später so ausgelegt, dass er etwas über der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises seine Grenzfrequenz hat. Sehe ich das so richtig? >Du könntest auch eine Impedanzwandlung durchführen um die niedrige >Impedanz des Serienschwingkreises auf ein vernünftiges Maß (e.g 50Ohm) >zu bringen. Das geht zB ganz einfach mit einem L-Glied aus zwei >Kondensatoren. Reicht der LC Filter für die Strombegrenzung eig. schon aus? Dienen die beiden C1`s im NXP Beispiel zur Impedanzwandlung? Ich finde leider nämlich nicht wirklich was zu einem L-Glied im Internet.
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Phil S. schrieb: > > Ich hab mir dein Beispiel angeschaut und einen LC Filter (Im Bsp L0& > C0)in den Leistungspfad eingesetzt (siehe Anhang). Ach da habe ich mich leider nicht klar ausgedrückt. Der LC Filter ist nur für das kapazitive Anpassnetzwerk zwingend notwendig, weil dieses für hohe Frequenzen einen Kurzschluss Richtung Masse darstellt. Bei einem reinen Serienschwingkreis mit hoher Güte übernimmt dieser schon selbst diese Funktion. > Er wird später so ausgelegt, dass er etwas über der Resonanzfrequenz des > Serienschwingkreises seine Grenzfrequenz hat. Sehe ich das so richtig? Ja genau. Im Bereich NFC (13.56 Mhz Träger) liegt die Grenzfrequenz typischerweise zwischen 15 und 20 MHz. > Reicht der LC Filter für die Strombegrenzung eig. schon aus? Das hängt davon ab wie flexibel du mit Impedanz, Resonanzfrequenz und Grenzfrequenz des gesamten Netzwerkes bist. Wenn zB 50 + 0j Ohm vorgegeben sind, dann kann man so nicht mehr frei über die Grenzfrequenz verfügen. Müsstest dir Anhand der Antenne einmal durchrechnen was sich da nur mit LC Netzwerk ausgeht. Dienen die > beiden C1`s im NXP Beispiel zur Impedanzwandlung? Ich finde leider > nämlich nicht wirklich was zu einem L-Glied im Internet. Ich hab dir mal einen Teil einer Arbeit von mir anfügt. Damit kannst du bei gegebener Antenne Z_A und gewünschter Impedanz Z_M deine Bauteilwerte bestimmen.
Ah und noch ein sehr wichtiger Punkt: Durch den Receiver im Feld kommt es zu einer Impedanzänderung der Antenne. Das heißt im Betrieb wird sich das Netzwerk deutlich verstimmen. Ohne automatischer Kompensation wird man hier uU die Güte und damit die Reichweite verringern müssen. Also bevor du das wirklich aufbaust am besten mal Spice Simulationen mit unterschiedlichen Kopplungsfaktoren machen. In der Literatur findet man das Thema zB unter dem Stichwort "Card Loading"
@ TB (Gast) >Ja genau. Im Bereich NFC (13.56 Mhz Träger) liegt die Grenzfrequenz >typischerweise zwischen 15 und 20 MHz. Ich glaube der OP will nur RFID mit 125 kHz machen, siehe Simulation.
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>Ich glaube der OP will nur RFID mit 125 kHz machen, siehe Simulation. Noch ein bisschen tiefer ;) die Schaltung sollte im bereich von 50k - 70kHz Schwingen, da der verwendete Halbbrückentreiber eine Totzeit von 1,65µs hat. @TB >Ich hab dir mal einen Teil einer Arbeit von mir anfügt. Damit kannst du >bei gegebener Antenne Z_A und gewünschter Impedanz Z_M deine >Bauteilwerte bestimmen. Ich habe auf Basis deines Posts und mit einem Tool von http://www.qrp4fun.de/de/s5i.htm ein Lc Anpassungsnetzwerk berechnet und mit diesem bei der Resonnanzfrequenz simuliert. Die Spannungsverläufe habe ich im Anhang. Rot ist der Stromverlauf durch die Ladespule L2, Grün der Ausgang des Halbbrückentreibers, blau der Ausgang des LC Filters. Die Höhe des strom Î ca 2,5A sind schinmal vielversprechend, jedoch bereitet mir die Ausgangsspannung des LC Filters noch Sorgen.
Finde das Thema sehr spannend. Ich habe ein ähnliches Problem vor Jahren gelöst, es ging darum, Energie auf eine rotierende Welle zu bekommen. Die größte Schwierigkeit war es, die magnetische Kopplung zwischen den Spulen zu optimieren, die Schaltung drumrum war eher problemlos. Der Wirkungsgrad war bestenfalls ca. 60 %. Wenn ich es recht im Gedächtnis habe, sollte man 50 kHz nicht überschreiten (Abstrahlung!), da gibt es eine Grenze, unterhalb derer man mehr Freiheiten hat. Abgesehen davon hatte damals der Wirkungsgrad meiner Übertrager ein Maximum bei 3-5 kHz, aber dann pfiff es unerträglich. Würde mich sehr interessieen, wie es bei dir weitergeht.
@ thomas s (Gast) >Die größte Schwierigkeit war es, die magnetische Kopplung zwischen den >Spulen zu optimieren, Das kann man mit einer kapazitiven Kompensation recht einfach, auch bei schlechter magnetischer Kopplung. Siehe Royer Converter. >Wirkungsgrad war bestenfalls ca. 60 %. Nicht so schlecht! >hatte damals der Wirkungsgrad meiner Übertrager ein Maximum bei 3-5 kHz, >aber dann pfiff es unerträglich. Naja, das war bestimmt nur eine der wilden MOSFET Schaltungen, die irgendwie eine Spule takten. Eine richtige Energieübertragung mit HF sieht anders aus.
Wie man mit einem Kondensator magnetische Feldlinien bändigt? Ganz einfach: Gar nicht! Wenn du die Feldlinien nicht sauber führst, verbrätst du Energie aus der Primärspule an der nächsten metallischen Gehäusewand, und die war 3 mm weg. Und in Anwesenheit eines Luftspaltes zwischen primärer und sekundärer Wicklung gibt es obere und untere Grenzfrequenzen und damit irgendwo einen maximalen Wirkungsgrad. Im vorliegenden Fall mag das aufgrund der Mechanik günstiger sein, hoffen wir es.
Falk Brunner schrieb: >>Die größte Schwierigkeit war es, die magnetische Kopplung zwischen den >>Spulen zu optimieren, > > Das kann man mit einer kapazitiven Kompensation recht einfach, auch bei > schlechter magnetischer Kopplung. thomas s schrieb: > Wenn du die Feldlinien nicht sauber führst, verbrätst du Energie aus der > Primärspule an der nächsten metallischen Gehäusewand, und die war 3 mm > weg. Und in Anwesenheit eines Luftspaltes zwischen primärer und > sekundärer Wicklung gibt es obere und untere Grenzfrequenzen und damit > irgendwo einen maximalen Wirkungsgrad. Ja, genau. Und bei einer geschickten Schaltung (Royer Converter) kann man den Wirkungsgrad insofern Optimieren, dass die optimale Frequenz mit einem guten Wirkungsgrad "automatisch" gefunden wird. So habe ich das jedenfalls bisher verstanden.
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> Und bei einer geschickten Schaltung (Royer Converter) kann > man den Wirkungsgrad insofern Optimieren, dass die optimale Frequenz mit > einem guten Wirkungsgrad "automatisch" gefunden wird Die Schaltung zum Royer Converter habe ich mir bereits angeschaut, jedoch wollte ich es mittels einer Halbbrücke ausprobieren, was ja in der Simulation im Groben funktioniert. Kann mir jemand bei der Impedanzanpassung des Systems weiter helfen? Die Stromamplitude wäre ja im erträglichen Rahmen. Jedoch ist der Spannungsverlauf nach dem LC-TP noch sehr gewöhnungsbedürftig. Der Wirkungsgrad der Schaltung spielt eher eine untergeordnete Rolle, da es eine Art Demonstrator für künftige Studenten werden sollte.
Simon K. schrieb: > Ja, genau. Und bei einer geschickten Schaltung (Royer Converter) kann > man den Wirkungsgrad insofern Optimieren, dass die optimale Frequenz mit > einem guten Wirkungsgrad "automatisch" gefunden wird. > So habe ich das jedenfalls bisher verstanden. Ja. Blöde isses halt, wenn das im hörbaren Bereich liegt.
thomas s schrieb: > Simon K. schrieb: >> Ja, genau. Und bei einer geschickten Schaltung (Royer Converter) kann >> man den Wirkungsgrad insofern Optimieren, dass die optimale Frequenz mit >> einem guten Wirkungsgrad "automatisch" gefunden wird. >> So habe ich das jedenfalls bisher verstanden. > > Ja. Blöde isses halt, wenn das im hörbaren Bereich liegt. Dann hast du das Problem aber auch mit deiner handabgeglichenen Halbbrücke starrer Frequenz.
Im Prinzip ja. Aber ich hatte im vorliegenden Fall die Frequenz auf 17 kHz gelegt, da war nichts mehr zu hören, dabei sank allerdings der Wirkungsgrad. Man muss halt Prioritäten setzen.
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Hallo zusammen, ich habe über die Feiertage noch einmal viel mit der Schaltung simuliert. Jedoch habe ich bei der Impedanzanpassung des Schwingkreises so einige Probleme. Wenn ich ein L Netzwerk nehme zur Aufwärtstransformation auf Zp=25Ohm (Siehe Bild im Anhang) und den Schwingkreis bei Resonanzfrequenz schwingen lasse (Zs=0,1Ohm), so verändert sich bei der Stromaufnahme der Quelle rein garnichts. Kann mir jemand erklären warum? Die Last müsste ja nach der Aufwärtstransformation die Impedanz von 25Ohm sehen.
Lass Q2, L4, C7 und C8 weg und probiere einfach mal verschiedene Frequenzen aus. Natürlich mit belasteter Sekundärspule. Da du auf der Sekundärseite einen Schaltregler hast, isses sowieso nicht so einfach mit Resonanz, da er sporadisch (oder mit fester Frequenz, hab den Typ nicht nachgesehen )Energie entnimmt.
Ich habe vor Jahren mal eine induktive 3W Ladung über 5mm Entfernung diskret aufgebaut. Mit einem Selbstschwinger habe ich ausser Hitze fast nix produziert. Mit einem Resonanzwandler IC und anderen Spulen habe ich 3W übertragen können, aber nur bei idealen Bedingungen und abgeglichenem Kreis. Lass das und nehme die QI Referenzdesigns. http://de.wikipedia.org/wiki/Qi_%28induktive_Energie%C3%BCbertragung%29 Die Probleme: - Du musst auf Resonanz arbeiten, sonst ist die Leistung beschi**en - Die Resonanzfrequenz ändert sich ständig mit Leistung, Entfernung, Temperatur etc. - Sender / Empfänger müssen kommunizieren um die Leistung anzupassen. Es ist entweder zu wenig, oder zu viel oder es liegt eine Büroklammer in der Ladeschale und brennt sich langsam durch das Gehäuse - Bei 150Khz beginne die EMI Messungen, Du must deutlich darunter bleiben Die Spulengeometrie ist auch so eine Wissenschaft für sich. Natürlich bekommst Du irgendwas hin was auch irgendwie Leistung überträgt, aber die ganze LTspice Berechnung kannst Du knicken weil Du die Übertragungsverhältnisse nie exakt kennst und konstant halten kannst.
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