Dimensionieren von (Schalt-)Transformatoren

[Heiko Weinbrenner]

Hallo!

Ich möchte mich mal in die Richtung Trafo-Dimensionieren weiterbilden.
Mein Grundproblem ist schon die Dimensionierung der Primärspule (bei
rechteckförmiger Ansteuerung). Im Internet fand ich folgende Formel:

Umax*vt
Nprim=-----------
dB*Ae*f
created by Andy´s ASCII-Circuit v1.22.310103 Beta www.tech-chat.de

Weiterhin fand ich unter:
http://www.energie.ch/at/trafo/dimensionierung.htm

eine kleine, stark gekürzte Herleitung wie man zu einer
"Dimensionierungsformel" kommt.
Nur wie komme ich denn auf die Funtion der mag. Flußdichte bei
rechteckförmiger Ansteuerung?
Ist die obige Formel denn so richtig (davon gehe ich aus)?

Also verstehen, wie man auf die obige Formel kommt würde mich fürs erste
schonmal etwas weiterbringen.

Danke!

MfG, Heiko.

 

[Uwe Hercksen]

Heiko Weinbrenner schrieb:

Weiterhin fand ich unter:
http://www.energie.ch/at/trafo/dimensionierung.htm

eine kleine, stark gekürzte Herleitung wie man zu einer
"Dimensionierungsformel" kommt.
Nur wie komme ich denn auf die Funtion der mag. Flußdichte bei
rechteckförmiger Ansteuerung?
Ist die obige Formel denn so richtig (davon gehe ich aus)?

Hallo,

die üblichen Ableitungen gelten alle für sinusförmigen Strom. In den
ausführlicheren steht dann auch das das nötige Eisengewicht umgekehrt
proportional zur Frequenz ist, die Zahl der Windungen werden bei höherer
Frequenz auch kleiner. Ein Trafo der für 50 Hz richtig bemessen ist ist
für 60 Hz leicht überdimensioniert.

Für was für ein Rechteck soll es denn bei Dir gelten?
Bei einer "square wave" könnte man einfach den Trafo für die
Grundfrequenz auslegen, allerdings machen dann bei den höheren
Oberwellen schliesslich die Wicklungskapazitäten Ärger.
Rechtecke ohne Gleichspannungsanteil sollten es schon sein.

Bye

 

[Heiko Weinbrenner]

Uwe Hercksen <hercksen@mew.uni-erlangen.de> schrob:

die üblichen Ableitungen gelten alle für sinusförmigen Strom.

Das heißt bei Rechteck Fourier-Analyse?
Und dann kommt man auf so eine schöne Formel wie die Erstgenannte (die war
schon für "Rechtecke")?

Für was für ein Rechteck soll es denn bei Dir gelten?
Bei einer "square wave" könnte man einfach den Trafo für die
Grundfrequenz auslegen, allerdings machen dann bei den höheren
Oberwellen schliesslich die Wicklungskapazitäten Ärger.
Rechtecke ohne Gleichspannungsanteil sollten es schon sein.

Sind schon mit Gleichanteil, also einfaches "An- und Ausschalten", der Kern
wird also "vormagnetisiert".
Kann man da einfach für die Grundfrequenz auslegen?
Dann fehlt in der erstgenannten Formel aber noch das 2*PI. Wieso nimmt der
eigentlich den Mittelwert der Spannung in der erstgenannten Formel?


Danke.

MfG, Heiko.

 

[Rick Sickel]

Heiko Weinbrenner wrote:

Sind schon mit Gleichanteil, also einfaches "An- und Ausschalten", der Kern
wird also "vormagnetisiert".
Kann man da einfach für die Grundfrequenz auslegen?
Dann fehlt in der erstgenannten Formel aber noch das 2*PI. Wieso nimmt der
eigentlich den Mittelwert der Spannung in der erstgenannten Formel?

Dann gehts gar nicht mehr, denn der Kern sättigt, wenn dauerhaf

Gleichspannung anliegt. Eine Entmagnetisierungsschaltung ist schon
nötig: entweder zweit Wicklung mit Diode -> siehe "Forward-Converter"
oder mit einer Wicklung als "Two-Transistor Forward-Converter", oder die
Holzhammemethode anwenden, und die Magnetisierungsenergie in einer große
Z-Diode verheizen.

Zur Trafodimensionierung. Das wichtigste ist die thermische
Dimensionierung, also wie groß muß der Kern werde, damit Verlustleistung
und Wärmewiderstand der Anordnung die gewünschte Übertemperatur ergeben.
Dazu finden sich zu Ferrit-Kernen z.B. bei EPcos und Forroxcube
entsprechende Richtwerte. Für Eisenkerne kann man die
Dimensionierungswerte für 50Hz heranziehen, dabei sind bei höheren
Frequenzen die Eisenverluste zu berücksichtigen, die quadratisch mit dem
Fluß, und linera mit der Frequenz steigen.

Nun zu der Windungszahl:
Das Induktionsgestez: U=N*dPhi/dt
Phi..mag. Fluß Phi=B*A
Zuerst legt man eine maximale Induktion B_max fest, bei Ferritkerne
100..200mT, bei Eisenkernen 1..1,7T
Je nach Schaltung erhält man dann eine max. Änderung der Induktion
Delta_B
Für Eintaktwandler gilt DeltaB=B_max, für Gegentaktwandler
DeltaB=2*B_max

Das kann man jetzt in das Induktionsgesetz einsetzen und nach N
umstellen:
Deltat*U
N=---------- Deltat ist die Zeit, in der die Spynnung jeweils anliegt.
DeltaB*A

Rick

 

[Rick Sickel]

Heiko Weinbrenner wrote:

Rick Sickel <r.sic_nospam_kel@freenet.de> schrob:

Dann gehts gar nicht mehr, denn der Kern sättigt, wenn dauerhaf
Gleichspannung anliegt.

Dauerhaft ja nicht- "An- und Ausschalten" eben. Im zeitlichen Mittel liegt
dann allerdings ein Mittelwert an.
Und wenn dieser Mittelwert ungleich 0 ist, dann sättigt der Kern

irgendwann, da Phi=Int(U/N,t).

oder mit einer Wicklung als "Two-Transistor Forward-Converter", oder

Das auch- wo ist hier die Besonderheit? Also bei den zwei Transistoren?
Hier spart man die Entmagnetisierungswicklung.

Zuerst legt man eine maximale Induktion B_max fest, bei Ferritkerne
100..200mT, bei Eisenkernen 1..1,7T

N27 hat doch z.B. 500mT, soll man da trotzdem 200mT nehmen?
Kommt wieder auf die Frequenz an. Bei niedrigen Frequenzen kann man mit

der Induktion höher gehen. In den Daten zu den Kernmaterialien sollten
die spezifischen Kernverluste in Abhängikeit von Induktion, Frequenz und
Temperatur dargestellt sein.

 

[Dieter Wiedmann]

Heiko Weinbrenner schrieb:

Ich möchte mich mal in die Richtung Trafo-Dimensionieren weiterbilden.
Mein Grundproblem ist schon die Dimensionierung der Primärspule (bei
rechteckförmiger Ansteuerung). Im Internet fand ich folgende Formel:

Umax*vt
Nprim=-----------
dB*Ae*f

Was willst du? Dicke, fette Eisenkerntrafos oder Ferritkerntrafos? Im
Prinzip gilt das zwar für beide, aber die Frequenz macht einen
erheblichen Unterschied. Auch der Kopplungsfaktor der Wicklungen ist in
der 'Formel' nicht berücksichtigt. Kennst du den Unterschied zwischen
Speicher- und Durchflusstrafos?

created by Andy´s ASCII-Circuit v1.22.310103 Beta www.tech-chat.de

Andys schöne Software dafür?

Weiterhin fand ich unter:
http://www.energie.ch/at/trafo/dimensionierung.htm

So kennt das jeder Ankerwickler, der muss dafür aber nicht lange
nachdenken; Tabellenbuch.

eine kleine, stark gekürzte Herleitung wie man zu einer
"Dimensionierungsformel" kommt.

Kommt eben auf die Art des Trafos an. Stark gekürzt führt stets zu
Murks.

Nur wie komme ich denn auf die Funtion der mag. Flußdichte bei
rechteckförmiger Ansteuerung?

Wie sonst auch, aber einen Diracimpuls kann man gerademal theoretisch
übertragen.

Ist die obige Formel denn so richtig (davon gehe ich aus)?

Nur für einen Durchflusstrafo.

Also verstehen, wie man auf die obige Formel kommt würde mich fürs erste
schonmal etwas weiterbringen.

GK Physik?


Gruß Dieter

 

[Johannes Bauer]

On Wed, 23 Jul 2003 01:58:11 +0200, Dieter Wiedmann
<Dieter.Wiedmann@t-online.de> wrote:

Also verstehen, wie man auf die obige Formel kommt würde mich fürs erste
schonmal etwas weiterbringen.

GK Physik?

Huiiii... in was für einem GK Physik warst du denn? Ist das irgendeine
vernobbte Hochbegabtenschule gewesen? Der Stoff der in dem Thread
nämlich angesprochen wird (und allgemein hier im der NG behandelt
wird) ist nämlich meilenweit vom _LK_ Physik entfernt. Vom GK ganz zu
schweigen. Zumindest gilt das für Bayern.

Mit freundlichen Grüßen
Johannes

 

[Heiko Weinbrenner]

Dieter Wiedmann <Dieter.Wiedmann@t-online.de> schrob:

Was willst du? Dicke, fette Eisenkerntrafos oder Ferritkerntrafos?

Na, Ferrit natürlich

Im
Prinzip gilt das zwar für beide, aber die Frequenz macht einen
erheblichen Unterschied. Auch der Kopplungsfaktor der Wicklungen ist
in der 'Formel' nicht berücksichtigt. Kennst du den Unterschied
zwischen Speicher- und Durchflusstrafos?

Also, ich denke mal:

Ein Speichertrafo soll wohl Energie in magnetischer Form speichern um somit
einen Stromfluss auf der Sekundärseite recht lange aufrecht zu erhalten,
wenn primär keine Energie mehr eingespeist wird (ist wohl nur bei
Gleichstrom auf der Sekundärseite sinnvoll).

Ein Durchflusstrafo (hab ich bis jetzt noch nie gehört- ich dachte, dass das
die "normalen" sind) soll wohl die primär eingespeiste el. Energie direkt
auf der sekundärseite wieder in el. Energie umwandeln.

Andys schöne Software dafür?

Naja, dann braucht man nicht so viel nachdenken, dass das am Ende auch so
passt (ok, ok...)

Kommt eben auf die Art des Trafos an. Stark gekürzt führt stets zu
Murks.

Deshalb frag ich ja. Schon alleine "Bei einem sinusförmigen Fluss ist die
Ableitung von dB/dt = w B." ist ja schon ein Dingen. Ich denke mal, dass die
den Maximalwert wollen und deshalb den Kosinus weggelassen haben.

Wie sonst auch, aber einen Diracimpuls kann man gerademal theoretisch
übertragen.

Für die Flussdichte brauch ich ja den Strom und da muss ich entweder eine
DGL lösen (was hier wohl nicht zum Ziel führt, da periodisches Signal), oder
ich muss die Rechtecke einer Fourieranalyse unterziehen und dann mit jeder
einzelnen Spannungs-Komponente über den komplexen Widerstand der
Induktivität den Strom berechnen. Aber was mache ich mit dem Gleichanteil?
Ist das so überhaupt richtig?
War der Dirac-Impuls ein Hinweis? Soll man anstelle der Analyse eine
Transformation machen?

Nur für einen Durchflusstrafo.

Sowas wollte ich haben.

GK Physik?

Also ich war im LK-Physik und das Einzige, was ich über Trafos in Physik
gehört habe, war glaube ich in Klasse 9 und mehr als, dass sich die
Spannungen im Verhältnis wie die Windungen verhalten, war da nicht drin.

MfG, Heiko.

 

[Johannes Bauer]

On Wed, 23 Jul 2003 12:03:37 +0200, Dieter Wiedmann
<Dieter.Wiedmann@t-online.de> wrote:

Huiiii... in was für einem GK Physik warst du denn?

LK, ist aber schon sehr lange her.

Was aber heutzutage im LK gelehrt wird ist absolut erbärmlich. Ich
bezweifele aber wirklich nicht, dass das mal vielleicht sogar der
anspruchsvollste LK war. Aber nachdem da soviel gekürzt und verändert
wurde... Der Lehrplan ist auf
http://didaktik.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/phy23lk.html zu
finden. Ich hab mir mal die Mühe gemacht und das LK Abitur 2003
heruntergeladen. Das war reines
Zahlen-In-Formeln-Aus-Formelsammlung-Einsetzen. Schwach.

Nein. Weshalb sollen Hochbegabtenschulen versnobt sein?

Hast Recht. Ich bin vorbelastet mit bestimmten Personen die mit mir
Abitur gemacht haben. Die haben wirklich gut abgeschlossen, eine
wirklich einwandfreie Ausbildung abgeschlossen und waren dann danach
(!) in unserer Schule wieder anzutreffen um vor 12.-Kläßlern und den
ehemaligen Lehrern anzugeben. Da mach ich mir nichtmal die Mühe die
Augen zu verdrehen.

Man muss das Wissen eben auch auf andere Bereiche übertragen können.

Genau _das_ wird einem in der Schule nicht begebracht. Im GK sowieso
nicht. Da ist das höchste der Gefühle, dass Du mal R=U/I nach I
auflöst. Also echt auf nen Dreisatz kann ich ne Kuh dressieren. Einige
GKler trotzdem nicht (sonst wären nicht Null Punkte im schriftlichen
Abi bei einigen Leuten herausgekommen).

Achach Bildungssystem Deutschland, quo vadis?

Viele Grüße
Johannes

 

[Dieter Wiedmann]

Johannes Bauer schrieb:

Das war reines
Zahlen-In-Formeln-Aus-Formelsammlung-Einsetzen. Schwach.

Traurig.

Also echt auf nen Dreisatz kann ich ne Kuh dressieren.

Sehen will.

Achach Bildungssystem Deutschland, quo vadis?

O tempora, o mores.


Gruß Dieter

 

[Heiko Weinbrenner]

Rick Sickel <r.sic_nospam_kel@freenet.de> schrob:

Und wenn dieser Mittelwert ungleich 0 ist, dann sättigt der Kern
irgendwann, da Phi=Int(U/N,t).

Ok.

Hier spart man die Entmagnetisierungswicklung.

Funktioniert dann aber auch nur gut bei einem 50% Tastverhältnis, oder?
Sonst würde ich ja den Kern in die andere Richtung sättigen.

Hmm... Da kann man doch auch gleich einen Gegentaktwandler mit zwei
Primärwicklungen bauen, oder?
Dann wird die Ansteuerung nur schwerer.

In den Daten zu den Kernmaterialien sollten
die spezifischen Kernverluste in Abhängikeit von Induktion, Frequenz
und Temperatur dargestellt sein.

Da hier meistens auch bei 200mT die Graphen enden, geht man wohl von max.
200mT aus. In der Hystereseschleife ist bei 500mT auch nichts mehr von
Steigung zu sehen.

Danke!

MfG, Heiko.

 

[Heiko Weinbrenner]

Dieter Wiedmann <Dieter.Wiedmann@t-online.de> schrob:

Aha, also wohl für Schaltnetzteile.

Ja. Also für die ersten ernstgemeinten Geh- und Wickelversuche...

So etwa. Bei einem Sperrwandler (da nimmt man Speichertrafos,
erkennbar
am Luftspalt) wird zunächst ein Magnetfeld aufgebaut, in dieser Phase
wird sekundär keine Energie entnommen, dann sperrt der
Schalttransistor
und die gespeicherte Energie wird sekundär entnommen.

Was wohl wirklich nur bei gewollten sekundären Gleichstrom sinnvoll ist,
oder?

Nö, geht viel einfacher.

Ich habs nochmal versucht!
Alle in Deckung!

Das ist schwieriger als beim Speichertrafo weil man zur
Dimensionierung unbedingt die Streuinduktivität braucht und die hängt
stark vom Wicklungsaufbau ab.

Da wirds ja schon wieder eklig.
Scheint ja nichts "einfaches" zu geben in der Elektronik

Aber das Induktionsgesetz kennst du? Auch eine Hystereskurve ist dir
ja
ein Begriff. Einfach mal richtig kombinieren.

Wurde ja schon hier gesagt, aber ich glaub, dass es jetzt "klick" gemacht
hat.

Also- Induktionsgesetz:

dPsi
uind = ------
dt

mit:


dPsi dPhi
------ = N * ------
dt dt


dPhi dB
------ = A * ------
dt dt


-->

dB
uind = N * A * ----
dt


Hieraus ist nun ersichtlich, dass:

1
B = ----- * INT(uind)dt
N*A

Also bei rechteckförmiger Spannung, "erhält" man eine dreieckförmige
magnetische Flussdichte (nur wenn in der "Aus-Zeit" das Magnetfeld wieder
abgebaut wird).

Nun können wir aus

dB
uind = N * A * ----
dt

uind * dt
N = -----------
A * dB


machen.

dB ist also die maximal mögliche Flussdichte, die in der Zeit dt aufgebaut
werden darf.
Die Zeit dt ist gleich der "An-Zeit", welche sich auch aus Tastverhältnis
mal Periodendauer ergibt.

1
dt = v * T = v * ---
f


So erhalten wir:


uind * v
N = ------------
A * dB * f


Ich hoffe, dass das jetzt richtig in meinm Kopf rumschwirrt...

Hier kannst du mal ein bischen lesen:
http://www.epcos.de/inf/80/db/fer_01/01240150.pdf

Epcos scheint ne gute Firma zu sein.
Also jetzt muss ich mir "nur noch" das mit dem Draht begrifflich machen?

Danke! MfG, Heiko.

 

[Rick Sickel]

Heiko Weinbrenner wrote:

Funktioniert dann aber auch nur gut bei einem 50% Tastverhältnis, oder?
Sonst würde ich ja den Kern in die andere Richtung sättigen.
Tastverhältnis ist von 0 bis 50% einstellbar. Die Dioden zur

Entmagnetisierung leiten nur so lange, bis der Kern entmagnetisiert ist,
also circa genauso lang, wie vorher eingeschaltet war.

Hmm... Da kann man doch auch gleich einen Gegentaktwandler mit zwei
Primärwicklungen bauen, oder?
Dann wird die Ansteuerung nur schwerer.
Eher einfacher, beim Two-Transistor-Forward-Converte braucht man einen

Low- und einen High-Sige-Treiber. Da das Tastverhältnis kleiner als 50%
bleibt, läßt sich das jedoch mit einem Übertrager lösen, oder einem
Halbbrückentreibe wie z.B. IR2110.

Beim Gegentaktwandler brauch man nur 2 Low-Side-Treiber. Aber der Trafo
braucht 2 Wicklungen, die für hohe Spannungen isoliert sein müssen, und
gut magnetische Kopplung haben müssen. Das ist nicht leicht zu
realisieren. Bei niedrigen Spannungen kann man allerdings bifilar
Wicklen.

Alternativ wäre ein Halbbrückenwandler möglich, hier hat man bei
gleicher Bauelemente und Treiberanzahl auf der Primärseite die doppelte
Trafoausnutzung. Allerdings braucht man sekundärseitig zwei Wicklungen
oder einen Brückengleichrichter.

Näheres zu diesen Topologien findet sich z.B. in Application Notes von
On-Semiconductor, Fairchild oder International Rectifiers etc., oder
hier http://henry.fbe.fh-darmstadt.de/smps/

Rick

 

[Heiko Weinbrenner]

Rick Sickel <r.sic_nospam_kel@freenet.de> schrob:

Beim Gegentaktwandler brauch man nur 2 Low-Side-Treiber. Aber der
Trafo braucht 2 Wicklungen, die für hohe Spannungen isoliert sein
müssen, und gut magnetische Kopplung haben müssen. Das ist nicht
leicht zu realisieren. Bei niedrigen Spannungen kann man allerdings
bifilar Wicklen.

Ja, also ich wollte keinen "Netz-Trafo" bauen. Das ist für den Anfang
bestimmt auch nicht das Richtige.
Die Ansteuerung muss hier aber durch zwei "Rechtecke" erfolgen, wobei das
zweite Rechteck von der fallenden Flanke des ersten Rechtecks getriggert
werden muss.
Oder geht das auch wieder einfacher?

Alternativ wäre ein Halbbrückenwandler möglich, hier hat man bei
gleicher Bauelemente und Treiberanzahl auf der Primärseite die
doppelte Trafoausnutzung. Allerdings braucht man sekundärseitig zwei
Wicklungen oder einen Brückengleichrichter.

Wie ist das denn, wenn man sowieso einen Brückengleichrichter benutzt?
Dann spart man sich doch das ganze Entmagnetisieren, oder?
Die Sekundärspule übernimmt dann ja den Teil.
Also wenn sekundärseitig beide Halbwellen "benutzt" werden, dann braucht man
doch auch nicht Entmagnetisieren, oder sehe ich das auch wieder falsch?

hier http://henry.fbe.fh-darmstadt.de/smps/

Auch sehr nett.

Danke.

MfG, Heiko.

 

[Rick Sickel]

Heiko Weinbrenner wrote:

Die Ansteuerung muss hier aber durch zwei "Rechtecke" erfolgen, wobei das
zweite Rechteck von der fallenden Flanke des ersten Rechtecks getriggert
werden muss.
Oder geht das auch wieder einfacher?
Dafür gibt es eine Reihe fertiger Ansteuer ICs, zB.: TL494,SG3525,...

Wie ist das denn, wenn man sowieso einen Brückengleichrichter benutzt?
Dann spart man sich doch das ganze Entmagnetisieren, oder?
Die Sekundärspule übernimmt dann ja den Teil.
Also wenn sekundärseitig beide Halbwellen "benutzt" werden, dann braucht man
doch auch nicht Entmagnetisieren, oder sehe ich das auch wieder falsch?
Beim normalen Wandler, also mit Glättungsdrossel, geht das nicht, da der

Magnetisierungsstrom deutlich kleiner ist, als der Drosselstrom, dadurch
die Ausgangsspannung zu 0 wird, da der Drosselstrom durch alle Dioden
fließen muß, und dadurch das Magnetfeld nicht abgebaut werden kann.
Ohne Glättungsdrossel wäre das möglich, da kann man dann aber die
Ausgangsspannung nicht mehr so richtig verstellen, und auch so ist so
eine Variante recht problematisch.

Rick

 

[Dieter Wiedmann]

Heiko Weinbrenner schrieb:

Ja. Also für die ersten ernstgemeinten Geh- und Wickelversuche...

Die mach mal besser mit einem Sperrwandler, ist wirklich viel einfacher.

Was wohl wirklich nur bei gewollten sekundären Gleichstrom sinnvoll ist,
oder?

Richtig.

Da wirds ja schon wieder eklig.
Scheint ja nichts "einfaches" zu geben in der Elektronik

Ach je, so schwierig ists dann doch wieder nicht. Man muss halt entweder
das passende Messequipment haben oder den Kern deutlich
überdimensionieren.


[Herleitung gesnippt]

Ich hoffe, dass das jetzt richtig in meinm Kopf rumschwirrt...

Ich habs nur kurz überflogen, konnte keinen Fehler entdecken.

Epcos scheint ne gute Firma zu sein.

Die hatten mal ein prima Paper wo das alles schön erklärt und
hergeleitet wurde, irgendwo müsste ich noch eine Kopie (pdf) haben. Auf
deren Server hab ichs nicht wiedergefunden.

Also jetzt muss ich mir "nur noch" das mit dem Draht begrifflich machen?

Der ist lang und dünn. Sonst noch was?


Gruß Dieter

 

[Heiko Weinbrenner]

Dieter Wiedmann <Dieter.Wiedmann@t-online.de> schrob:

Ach je, so schwierig ists dann doch wieder nicht. Man muss halt
entweder das passende Messequipment haben oder den Kern deutlich
überdimensionieren.

Gut, dann überdimensionieren

Ich habs nur kurz überflogen, konnte keinen Fehler entdecken.

Das ist doch mal eine Erfolgsmeldung.

Der ist lang und dünn. Sonst noch was?

Sollte isoliert sein

Ok, ich glaub ich hab nun genug für einen ersten (Miß-)Erfolg, aber man lebt
ja um zu lernen...

Danke an alle, die hier meinen Verstand erweitern konnten...
Jetzt nichts negatives sagen oder denken...


MfG, Heiko.