Spulen sind für mich immer noch ein halbes Mysterium. Daher habe ich drei grundsätzliche Fragen: 1) Der Kern kann nur eine gewisse Menge Energie aufnehmen. Wenn man darüber hinaus geht, fällt die Induktivität der Spule plötzlich auf fast Null und der Strom steigt stark an. Kann man sagen, dass der Kern ein gewisses Energiepaket (in Joule) pro Impuls aufnehmen kann, so dass eine Verdoppelung der Schaltfrequenz auch eine Verdoppelung der übertragbaren Leistung bewirken würde (andere Verluste mal außen vor gelassen)? 2) Eine Luftspule kann beliebig viel Energie aufnehmen. Warum nutzt man dann nicht üblicherweise Luftspulen in Schaltwandlern? 3) Warum eignen sich Ferrit-Kerne nicht für 50 Hz Transformatoren? Ich brauche keine wissenschaftlich detaillierte Antwort. Ein grober Anhaltspunkt, der mit hilft, die Funktion der Spule besser zu verstehen, würde mir schon reichen.
Stefan ⛄ F. schrieb: > 1) Der Kern kann nur eine gewisse Menge Energie aufnehmen. Wenn man > darüber hinaus geht, fällt die Induktivität der Spule plötzlich auf fast > Null und der Strom steigt stark an. Kann man sagen, dass der Kern ein > gewisses Energiepaket (in Joule) pro Impuls aufnehmen kann, so dass eine > Verdoppelung der Schaltfrequenz auch eine Verdoppelung der übertragbaren > Leistung bewirken würde (andere Verluste mal außen vor gelassen)? Ja, aber die Sättigung kommt nicht "plötzlich". > 2) Eine Luftspule kann beliebig viel Energie aufnehmen. Warum nutzt man > dann nicht üblicherweise Luftspulen in Schaltwandlern? Zu teuer, zu groß. Du bräuchtest ja VIEL mehr Windungen aus teurem Kupfer. Und auch das Streufeld wäre größer. > 3) Warum eignen sich Ferrit-Kerne nicht für 50 Hz Transformatoren? Zu wenig Permeabilität, da wäre wieder viel mehr Kupfer nötig.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Der Kern kann nur eine gewisse Menge Energie aufnehmen. der magnetische Kreis (bestehend aus Kern und oft aus Luftspalt) kann nur eine gewisse Energie aufnehmen. Im Kreis mit Luftspalt wird die Energie im wesentlichen im Luftspalt gespeichert, nicht im Kern. Die Begrenzung ist dabei durch die Flussdichte B im Kern gegeben, für die man sich aufgrund der Sättigung ein gewisses Limit setzt. Stefan ⛄ F. schrieb: > Kann man sagen, dass der Kern ein > gewisses Energiepaket (in Joule) pro Impuls aufnehmen kann, so dass eine > Verdoppelung der Schaltfrequenz auch eine Verdoppelung der übertragbaren > Leistung bewirken würde (andere Verluste mal außen vor gelassen)? beim Sperrwandler ja: dort speichert man jeweils etwas Energie im Magnetfeld, welche in der Sperrphase an den Ausgang abgegeben wird. Beim Flusswandler (wie es z.B. beim klassischen 50 Hz-Trafo) ist das nicht der Fall.
Achim S. schrieb: > Beim Flusswandler (wie es z.B. beim klassischen 50 Hz-Trafo) ist das nicht > der Fall. Nicht ganz: Beim Flusswandler wird Energie in der Induktivität gespeichert, die in der Sperrphase wieder ganz oder teilweise (je nach Arbeitspunkt) abgegeben werden. Bei einem Trafo ist die im Kern gespeicherte Energie nur ein unvermeidliches Übel. Sie ist in erster Näherung auch unabhängig von der übertragenen Leistung. Nur Weil Kupfer nicht (fast) ideal leitet, kann man nicht mit (fast) unendlich vielen Windungen eine (fast) unendliche Primärinduktivität bei ganz, ganz kleinem Kern und ansonsten gleichen Verhalten des Trafos erreichen.
H. H. schrieb: > Stefan ⛄ F. schrieb: >> 1) Der Kern kann nur eine gewisse Menge Energie aufnehmen. Wenn man >> darüber hinaus geht, fällt die Induktivität der Spule plötzlich auf fast >> Null und der Strom steigt stark an. Kann man sagen, dass der Kern ein >> gewisses Energiepaket (in Joule) pro Impuls aufnehmen kann, so dass eine >> Verdoppelung der Schaltfrequenz auch eine Verdoppelung der übertragbaren >> Leistung bewirken würde (andere Verluste mal außen vor gelassen)? > > Ja, aber die Sättigung kommt nicht "plötzlich". Je nach Material und Bauform kommt sie sogar EXTREM "weich" (die Wicklung "umschließende" Ferritkerndrosseln und -speichertrafos, Ferrit-Stab- und diverse Kerne aus Pulvermaterialien). Deswegen sind solche Drosseln fast schon "nichtlinear" zu nennen. (Das bedeutet bei Speicherdrosseln für Schaltwandler übrigens meist etwas Gutes, zum Betrieb (mit) nutzbares (Ausdehnung des CCM).) H. H. schrieb: >> 2) Eine Luftspule kann beliebig viel Energie aufnehmen. Warum nutzt man >> dann nicht üblicherweise Luftspulen in Schaltwandlern? > > Zu teuer, zu groß. Du bräuchtest ja VIEL mehr Windungen aus teurem > Kupfer. Und auch das Streufeld wäre größer. Nicht zu vergessen der ohmsche Widerstand jenes Kupfers sowie auch die (Luftspulen kann man wegen der vielen nötigen Windungen praktisch nur "eng gedrängt" bauen, sonst ---> mehr Streuung und geringere L) C_par = C_Wicklung, hauptsächlich Berührflächen bzw. "Nähe" von Windungen zueinander. Das ist erst bei sehr hohen Frequenzen (je nach Anwendung) vielleicht praktikabel (habe mal einen MultiMHz-LLC gesehen wo das gemacht wurde, um L_r noch etwas anzupassen/zu vergrößern). Und/oder allgemeiner bei Resonanzwandlern - Du kennst vermutlich den Royer mit (große Fläche einfassendem) "Lufttrafo"? Geht natürlich prinzipiell, aber im Profibereich wird man selten extrem viel CuL aufwenden um etwas Kernmaterial zu sparen. H. H. schrieb: >> 3) Warum eignen sich Ferrit-Kerne nicht für 50 Hz Transformatoren? > > Zu wenig Permeabilität, da wäre wieder viel mehr Kupfer nötig. Das ist ein absolutes Extrembeispiel, schlimmer wäre höchstens noch gewesen "Warum keine Lufttrafos (und -drosseln) bei 50Hz?". ;-) Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Bei einem Trafo ist die im Kern gespeicherte Energie nur ein > unvermeidliches Übel. Bei Flußwandler-Trafos. Bei Speichertrafos natürlich nicht. ;-)
Stefan ⛄ F. schrieb: > 2) Eine Luftspule kann beliebig viel Energie aufnehmen. Das stimmt so nicht, wenn auch vordergründig wg. ohmscher Verluste.
nuja... schrieb: > Stefan ⛄ F. schrieb: >> 2) Eine Luftspule kann beliebig viel Energie aufnehmen. > > Das stimmt so nicht, wenn auch vordergründig wg. ohmscher Verluste. Supraleiter! Aber auch da gibts Grenzen.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Nicht ganz: Beim Flusswandler wird Energie in der Induktivität > gespeichert, die in der Sperrphase wieder ganz oder teilweise (je nach > Arbeitspunkt) abgegeben werden. Kannst du mir eine Flusswandlertopologie zeigen, die eine Sperrphase besitzt und bei der während der Sperrphase Energie an den Ausgang abgegeben wird? Ich kenne keine...
Bei einem Trafo kann das zur Netzspannung passende Magnetfeld durch das µr des Eisens um den Faktor 3000 leichter erzeugt werden als mit Luft. Also, die Windungen pro Volt bei Trafos für Netzspannung sind bei 50Hz mit Ferrit (µr im Bereich von 300) oder gar Luft (µr fast 1) kaum zu erreichen.
Peter R. schrieb: > Bei einem Trafo kann das zur Netzspannung passende Magnetfeld > durch das > µr des Eisens um den Faktor 3000 leichter erzeugt werden als mit Luft. > > Also, die Windungen pro Volt bei Trafos für Netzspannung sind bei 50Hz > mit Ferrit (µr im Bereich von 300) oder gar Luft (µr fast 1) kaum zu > erreichen. Und Trafoblech kann man viel stärker magnetisieren als Ferrit.
Achim S. meinte (sinngemäß) im Beitrag #7125389: > Bitte Flusswandlertopologie zeigen, die eine Sperrphase besitzt = Zeitraum, während welchem der oder die Leistungsschalter sperren. (Gibt es also logischerweise längst nicht nur beim Sperrwandler. :-) > und bei der während der Sperrphase Energie an den Ausgang > abgegeben wird? Er schrieb aber nur "abgegeben". Und meinte vermutlich speziell den Eintakt -Flußwandler (den viele Leute automatisch mit "Flußwandler" meinen/gleichsetzen). Zumindest paßt seine Beschreibung am besten hierzu, obwohl sie schon ein paar Ungenauigkeiten aufweist. Nach meiner Vermutung korrigiert: Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Beim Eintakt-Flusswandler wird in der Leitphase (ungewollterweise) > Energie in der (nämlich unerwünschten) Streuinduktivität des Trafos > gespeichert, > welche in der Sperrphase durch Zusatzbeschaltung "vernichtet" oder > teilweise (Anteil je nach Zusatzbeschaltung und Arbeitspunkt) zur > Versorgungsrail zurückgeführt wird. H. H. schrieb: > Peter R. schrieb: >> Bei einem Trafo kann das zur Netzspannung passende Magnetfeld >> durch das >> µr des Eisens um den Faktor 3000 leichter erzeugt werden als mit Luft. >> >> Also, die Windungen pro Volt bei Trafos für Netzspannung sind bei 50Hz >> mit Ferrit (µr im Bereich von 300) kaum, Es würde mit bestimmten Materialen so halbwegs gehen, aber Drossel oder Trafo für 50Hz aus Ferrit wären irre groß und schwer (auch viel Kupfer, nicht nur Ferrit), für ein Bauteil mit annähernd brauchbaren Eigenschaften. >> oder gar Luft (µr fast 1) so gut wie überhaupt nicht zu erreichen. "Mit Luft als Kern" brächte man so elend viel Kupfer schon für eine Leistungsübertragung von wenigen 100 Watt... die Frage wäre dann eher WIE man es UNTERBRINGT (100kg um ein Zimmer gewickelt ~ 100VA?). Das wäre technisch völliger Irrsinn. > Und Trafoblech kann man viel stärker magnetisieren als Ferrit. Sehr interessant für niedrigen bis mittleren Frequenzbereich sind die vor relativ kurzem (ok, Jahrzehnte... :-) entwickelten Ringbandkerne aus nanokristallinen oder amorphen Materialien. Für 50Hz, aber auch hinauf bis X00kHz - dort, bei höheren Frequenzen, dominieren immer mehr die eingesparten ohmschen Verluste durch weit höhere Permeabilität und auch Sättigungsflußdichte ggübr. Ferriten (beides nur knapp unterhalb Trafoblech). Ab einem gewissen Punkt aber sind Ferrite wieder besser (spätestens bei XMHz), zumindest für Leistungsübertrager. Eine recht ausführliche Zusammenfassung übrigens hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetkern
Achim S. schrieb: > Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: >> Nicht ganz: Beim Flusswandler wird Energie in der Induktivität >> gespeichert, die in der Sperrphase wieder ganz oder teilweise (je nach >> Arbeitspunkt) abgegeben werden. > > Kannst du mir eine Flusswandlertopologie zeigen, die eine Sperrphase > besitzt und bei der während der Sperrphase Energie an den Ausgang > abgegeben wird? Ich kenne keine... Jetzt muss ich aufpassen, weil ich leichtsinnigerweise den Flusswandler mit einem Step-Down-Wandler gleichgesetzt habe. Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/Eintaktflusswandler) sagt: "Der Eintaktflusswandler (englisch Forward Converter) ist eine Ausführungsform eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Energieübertragung ausschließlich in der Leitphase des einzelnen schaltenden Bauelementes stattfindet. Anwendungen dieses Wandler sind beispielsweise Schaltnetzteile." Wikipedia sagt aber auch im Kapitel _Sperrzustand_: "Bei geöffnetem Schalter S sperrt D1, da die Sekundärspannung sich umpolt. *Der Strom durch die Speicherdrossel L ist stetig und fließt in der Sperrphase über die dann leitende D2*. Gemeinsam mit dem Kondensator C wird so die Ausgangsspannung UA, bis auf eine kleine Restwelligkeit (Ripple), konstant gehalten." Also wird auch hier während der Sperrphase Energie an den Ausgang abgegeben. nuja... schrieb: > Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: >> Beim Eintakt-Flusswandler wird in der Leitphase (ungewollterweise) >> Energie in der (nämlich unerwünschten) Streuinduktivität des Trafos >> gespeichert, >> welche in der Sperrphase durch Zusatzbeschaltung "vernichtet" oder >> teilweise (Anteil je nach Zusatzbeschaltung und Arbeitspunkt) zur >> Versorgungsrail zurückgeführt wird. Das hatte ich nicht geschrieben, das hat anscheinend niemand geschrieben - egal.
Stefan ⛄ F. schrieb: > 2) Eine Luftspule kann beliebig viel Energie aufnehmen. Warum nutzt man > dann nicht üblicherweise Luftspulen in Schaltwandlern? Weil es noch nicht gesagt wurde: Weil der Kern eine Richtwirkung für die magnetischen Feldlinien hat. Wenn man den Kern weglässt, bildet sich ein magnetischer Fluss um die Spule herum aus, der wild überall hineinstrahlt. Und da es ein Wechselfeld ist, würde das eine Induktionsspannung im Umkreis der Spule bewirken, die dann ihrerseits enormen Ärger macht. Man müsste die Luftspule also gegen die Störabstrahlung sichern und das wäre ein nicht unerheblicher Aufwand.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > "Der Eintaktflusswandler (englisch Forward Converter) ist eine > Ausführungsform eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers, die > dadurch gekennzeichnet ist, dass die Energieübertragung ausschließlich > in der Leitphase des einzelnen schaltenden Bauelementes stattfindet. > Anwendungen dieses Wandler sind beispielsweise Schaltnetzteile." > > Wikipedia sagt aber auch im Kapitel _Sperrzustand_: > "Bei geöffnetem Schalter S sperrt D1, da die Sekundärspannung sich > umpolt. *Der Strom durch die Speicherdrossel L ist stetig und fließt in > der Sperrphase über die dann leitende D2*. Gemeinsam mit dem Kondensator > C wird so die Ausgangsspannung UA, bis auf eine kleine Restwelligkeit > (Ripple), konstant gehalten." Da lohnt es sich, die einzelnen magnetischen Teile auseinanderzuhalten. Der eigentliche Übetrager im Wiki-Artikel ist mit Tr gekennzeichnet, und dort wird Energie von der Primär- auf die Sekundärseite nur während der Flussphase übertragen. Dementsprechend ist der Trafo auch nicht zur Speicherung ausgelegt (kein Luftspalt). Während der Flussphase wird zwar unvermeidlich auch Energie im Trafo gespeichert, aber diese landet nicht auf der Sekundärseite sondern wird in der Sperrphase entweder verbraten oder in die Quelle reflektiert. (So wie beim 50 Hz Trafo, der auch eine Form von Flusswandler darstellt.) Das nachgeschaltete LC Glied zur Glättung der Ausgangsspannung nimmt tatsächlich abwechselnd Energie auf und gibt sie wieder ab (dementsprechend ist L auch eine Speicherdrossel mit Luftspalt). Aber den Effekt hat man auch, wenn man einen weiteren LC Filter hinter einen Buck-Wandler setzen würde, um dessen Ausgangsspannung noch zu filtern. Und dieser Filtereffekt hat wenig mit der häppchenweise Energieübertragung des Sperrwandlers zu tun, nach der Stefan ursprünglich gefragt hat und auf die sich mein Beitrag bezog.
Achim S. schrieb: > Da lohnt es sich, die einzelnen magnetischen Teile auseinanderzuhalten. > etc. Da sind wir uns absolut einig :-) > Aber den Effekt hat man auch, wenn man einen weiteren LC Filter hinter > einen Buck-Wandler setzen würde Ja, der Übergang von Filterdrossel zu Speicherdrossel ist fließend. Genau genommen, ist beides dasselbe. Am Eingang des "Filters" des Step-Downs liegt eine Rechteckspannung oder, im unterbrechenden Betrieb (ich weiß jetzt den amtlichen Ausdruck nicht), eine 3-pegeliges Signal, dessen Mittelwert + Ripple am Ausgang entsteht.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Spulen sind für mich immer noch ein halbes Mysterium. Tja, das geht wohl allen eher reinen Programmierern so. Man merkt es auch an den drei Fragen deinerseits. zu 1. denke mal daran, daß dI/dt = U/L gilt. Bei der idealen Luftspule bis unendlich, real bis zum Verglühen des Drahtes. Bei der Spule mit ferromagnetischem Kern bloß bis zur kompletten Ausrichtung und Verschmelzung der weißschen Bezirke, vom Elektrotechniker "Sättigung" genannt. Ab da tut nur noch das, was du "Luftspule" genannt hast das, was die o.g. Formel ansagt. Aber µ0 ist weitaus kleiner als das µr des Kernmaterials, also sinkt die wirksame Induktivität dramatisch ab. Das läßt den Strom weitaus steiler als zuvor in die Höhe schnellen. zu 2. die Induktivität einer Luftspule ist weitaus kleiner als die einer für deinen Schaltregler gemachten Speicherdrossel. Alternativ wäre eine riesengroße Luftspule aus weitaus dickerem Draht (dessen Widerstand ja direkt in die Verluste eingeht). zu 3. Netztransformatoren aus Ferrit sind durchaus baubar, wären aber dramatisch unökonomischer als ein Kern aus Eisenblechen mit Isolationslagen dazwischen (wegen der ansonsten auch im Kern fließenden Ströme). Das Umgekehrte kennt man vom klassischen Telefon: Dort hatte man auch Trafos mit Eisenkern, aber da dort höhere Frequenzen drüber mußten bei möglichst geringer Dämpfung, waren dort die Bleche viel dünner als beim Netztrafo. Eben damit die vom Magnetfeld umflossene Fläche pro Blech möglichst klein ist. Passende Speicherdrosseln zu kriegen für Schaltwandler war noch vor 30 Jahren ein Problem, zumal da die Schaltfrequenzen noch recht niedrig lagen, kaum über dem Hörbereich. Ist heutzutage anders, aber eben auch mit mehr HF-Störungen verbunden. W.S.
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