Speicherdrossel(-material) geschickt auswählen

[Andreas Weber]

Hallo NG,

ich bin seit 1 Woche auf der Suche nach Methoden um Speicherspulen für
Step-Up Wandler auszuwählen. Fertige Spulen von Murata,Coilcraft,Sumida
usw. bekommt man als Privatanwender ja nicht in kleinen Mengen, also muß
ich wohl Ringkerne(Amidon) nehmen und wickeln.
Und da tun sich jetzt große Verständnisprobleme auf. Was ich denke zu
wissen:

Der AL-Wert(Spulenkonstante) vereint das Material(Maß der
Magnetisierbarkeit)
und die Dimensionen(Querschnitt,mittlere Feldlinienlänge) L=N˛*AL

Die Permeabilität wird als "Linear"faktor von B und H angenommen.
"Linear" trifft aber nur zu, bis der Kern in die Sättigung gerät.
Aber wann gerät ein Kern in die Sättigung ? Ich finde in den
Datenblättern von Amidon keine Angaben dazu.

Mit einem Luftspalt kann ich den AL-Wert verkleinern und habe dadurch
niedrigere
magnetische Flußdichten, dafür gerät der Kern später in die Sättigung.
Ab welcher Leistung/Betriebsart "bringt" das etwas ?

Die Verluste im Kern hängen wohl mit der Remanenz beim Ummagnetisieren
zusammen.
Eisenpulver wird im Bereich bis 200kHz verwendet, Ferrit darüber.
Welches Kriterium ist für die Wahl des Materials entscheident ? Alleine
die Frequenz ?

Ich habe noch keine Webseite gefunden, die sich mit dem Spagat zwischen
den einzelnen Faktoren beschäftigt.
Bei höheren Frequenzen ist es wohl auch sinnvoll bifiliar zu wickeln.

Konkret geht es um eine Speicherspule für einen Step-Up Wandler.
600MHz; IRMS~800mA; Ipeak~1700mA; 1ľH; nichtlückender Strom
Also schlage ich den Rei**** Katalog auf und sehe bei "Ferrit-Ringe" z.B.
FT 23-43 (ui=850) das wären dann 2,3 Wicklungen mit 3mm Draht
FT 23-61 (ui=125) bis 200MHz sind 6,4 Wicklungen usw.

Zusammengefaßt: Nach welchen Kriterien wählt ihr das Kernmaterial aus ?
Ich denke mal, daß Speicherspulen nie in der Sättigung betrieben werden
sollten. Weshalb gibt es dann Kerne mit Luftspalt, wenn man auch
MAterial mit niedrigem ui nehmen könnte um den AL-Wert zu verkleinern ?
Und wie kann man berechnen, ab wann man in die Sättigung kommt ?

Links, Literatur, Antworten herzlich willkommen. Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

Ich habe noch keine Webseite gefunden, die sich mit dem Spagat zwischen
den einzelnen Faktoren beschäftigt.

Kein Wunder, es kommt auf soooo.. viele Faktoren an.

Bei höheren Frequenzen ist es wohl auch sinnvoll bifiliar zu wickeln.

.....oder gar HF-Litze zu verwenden.

Konkret geht es um eine Speicherspule für einen Step-Up Wandler.
600MHz; IRMS~800mA; Ipeak~1700mA; 1ľH; nichtlückender Strom

600MHz? Du meinst sicher 600kHz. Wie groß darf der Kern denn sein?

Also schlage ich den Rei**** Katalog auf und sehe bei "Ferrit-Ringe" z.B.
FT 23-43 (ui=850) das wären dann 2,3 Wicklungen mit 3mm Draht
FT 23-61 (ui=125) bis 200MHz sind 6,4 Wicklungen usw.

Ohne groß nachzurechnen: die sind längst in Sättigung.

Zusammengefaßt: Nach welchen Kriterien wählt ihr das Kernmaterial aus ?

Für Standardanwendungen: Eisenpulver -26, -18, -6, -2, oder Ferrit
N27,(N67), N87, N97, jeweils nach steigender Frequenz.

Ich denke mal, daß Speicherspulen nie in der Sättigung betrieben werden
sollten.

Aber sicher!

Weshalb gibt es dann Kerne mit Luftspalt, wenn man auch
MAterial mit niedrigem ui nehmen könnte um den AL-Wert zu verkleinern ?

Verlustfaktor?

Und wie kann man berechnen, ab wann man in die Sättigung kommt ?

Flussdichte berechnen und mit der Magnetisierungskurve vergleichen.



Gruß Dieter

 

[Andreas Weber]

Hallo Dieter,
Dieter Wiedmann wrote:

Andreas Weber schrieb:

Ich habe noch keine Webseite gefunden, die sich mit dem Spagat zwischen
den einzelnen Faktoren beschäftigt.

Kein Wunder, es kommt auf soooo.. viele Faktoren an.

Tja, schade daß es keine gibt...

600MHz? Du meinst sicher 600kHz. Wie groß darf der Kern denn sein?

Äh, natürlich 600kHz, sorry. Kern darf ruhig 10mm Aoßendurchmesser haben.

Für Standardanwendungen: Eisenpulver -26, -18, -6, -2, oder Ferrit
N27,(N67), N87, N97, jeweils nach steigender Frequenz.

-26 ist für höhere Frequenzen besser geiignet als -18 ?
Im Reichelt steht -18 rot/grün >50kHz; -26 gelb/weiß <50kHz

Ich denke mal, daß Speicherspulen nie in der Sättigung betrieben werden
sollten.

Aber sicher!

Sie "sollen" in der Sättigung bestrieben werden ?

Und wie kann man berechnen, ab wann man in die Sättigung kommt ?

Flussdichte berechnen und mit der Magnetisierungskurve vergleichen.

Naja, das sagt sich so leicht. Wie beschrieben finden sich in den
Amidondatenblätter keine B/H Kennlinien. Von anderen Herstellen hab ich
Werte von ca. 1,7-2 Tesla.

Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

[1uH/600kHz/1,7Apk]

Kern darf ruhig 10mm Aoßendurchmesser haben.

T30-18/7Wdg oder besser T30-2/15Wdg, aber die Windungen dürfen nicht zu
nahe aneinander liegen, bei 600kHz muss man schon auf die
Resonanzfrequenz der Drossel achten. Ein guter Trick ist einen
Nylonfaden mit aufzuwickeln.

Im Reichelt steht -18 rot/grün >50kHz; -26 gelb/weiß <50kHz

So hatte ich das ja auch geschrieben.

Sie "sollen" in der Sättigung bestrieben werden ?

Nein.

Werte von ca. 1,7-2 Tesla.

Das kommt schon hin, man geht aber normalerweise nicht über 0,8T hinaus,
die Kernverluste werden sonst zu groß.

 

[Heiko Weinbrenner]

Es begab sich, dass
Andreas Weber <spam@tech-chat.de> schrob:

Hallo!

Naja, das sagt sich so leicht. Wie beschrieben finden sich in den
Amidondatenblätter keine B/H Kennlinien. Von anderen Herstellen hab
ich Werte von ca. 1,7-2 Tesla.

Schon mal hier geguckt?

http://www.micrometals.com/materials_index.html

 

[Andreas Weber]

Dieter Wiedmann wrote:

Andreas Weber schrieb:
[1uH/600kHz/1,7Apk]

Kern darf ruhig 10mm Aoßendurchmesser haben.

T30-18/7Wdg

Perfekt, hab ich zu Hause liegen (von einem 50kHz Projekt)
Dachte 600kHz wären da schon "viel" zu viel.

Im Reichelt steht -18 rot/grün >50kHz; -26 gelb/weiß <50kHz
So hatte ich das ja auch geschrieben.

Achso, ich dachte hoher "Beiwert"-> hohe Frequenz.. andersrum

Sie "sollen" in der Sättigung bestrieben werden ?
Nein.

Ich war mir nicht sicher, ob "Aber sicher!" soviel wie "Aber sicher
können/sollen sie in die Sättigung getrieben werden." bedeutet, deshalb
meine verwunderte Nachfrage.

Das kommt schon hin, man geht aber normalerweise nicht über 0,8T hinaus,
die Kernverluste werden sonst zu groß.

Aaah, das ist jetzt mal ein Anhaltswert, mit dem man rechnen kann. Danke.

Die Ferrite sind für mich jetzt uninteressant ? Wann wird bevorzugt
Ferrit verwendet ? Und ab wann lohnt es sich Luftspalte einzubringen ?
Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

Dachte 600kHz wären da schon "viel" zu viel.

Naja, die Kernverluste von -18 sind zwar deutlich höher als von -2, aber
dafür sind die Kupferverluste geringer.

Wann wird bevorzugt Ferrit verwendet ?

Früher war das nur eine Frage der Frequenz. Mittlerweile kann man
Eisenpulver so feinkörnig und rein (und auch preiswert) herstellen, dass
es auch bei hohen Frequenzen gut geeignet ist. Bei Trafos (über 5000Hz)
ohne Gleichstromanteil nimmt man aber immer Ferritkerne ohne Luftspalt,
durch die deutlich höhere Permeabilität ergibt sich eine bessere
magnetische Kopplung.

Und ab wann lohnt es sich Luftspalte einzubringen ?

Bei DC-Anteil im Spulenstrom, Eisenpulverkerne haben ja prinzipiell
einen 'verteilten' Luftspalt.


Gruß Dieter

 

[Andreas Weber]

Dieter Wiedmann wrote:

Naja, die Kernverluste von -18 sind zwar deutlich höher als von -2, aber
dafür sind die Kupferverluste geringer.

Achja, dann wird einiges im Zusammenhang klar. Die Kunst ist es also
den Kern erstens nicht in die Sättigung zu treiben, und zweitens das
optimale Verhältnis Kernmaterial zu Windungen zu erreichen.
niedrigere Permeabilität -> weniger Kernverluste, dafür mehr Windungen
für die gewünschte Induktivität -> höhere Kupferverluste.

Bei DC-Anteil im Spulenstrom, Eisenpulverkerne haben ja prinzipiell
einen 'verteilten' Luftspalt.

Hab ich nicht daran gedacht, der "Kleber" hat ja niedriges ui.
Wieviel Volumen % Kleber ist in einem Eisenkern eigentlich so ca. drin ?
10% (nur interessehalber).

Danke Dieter, du hast mir echt weitergeholfen.
Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

Hab ich nicht daran gedacht, der "Kleber" hat ja niedriges ui.
Wieviel Volumen % Kleber ist in einem Eisenkern eigentlich so ca. drin ?
10% (nur interessehalber).

Die Menge an Füllstoffen und Bindemitteln reicht von 30% (-2) bis 1%
(-45), aber das ist nicht das alleine Entscheidende, die richtige
Korngröße und Reinheit sowie die elektrische Trennung der einzelnen
Körner macht den wesentlichen Unterschied.


Gruß Dieter

 

[MaWin]

Dieter Wiedmann <Dieter.Wiedmann@t-online.de> schrieb im Beitrag <3F97E803.6B35AAC7@t-online.de>...

[1uH/600kHz/1,7Apk]
Kern darf ruhig 10mm Aoßendurchmesser haben.

T30-18/7Wdg oder besser T30-2/15Wdg

Warum rechne ich was voellig anderes aus ?

T30-18 hat nach Reichelt 22nH/N2 und macht zwar 1uH,
aber T30-2 hat Reichelt gar nicht, Al irgendwas
zwischen 34 und 40 (Amidon sagt der 310 hat 32),
macht mindestens 7.5uH. Hmm...

Dann der Regler selbst: 1uH bei 1.7A macht 1.7uJ
600000 mal pro Sekunde macht 1 uebertragenes Watt,
oder ?

800mA RMS und 1.7A Peak nicht-lueckend kann ich mir
auch nicht ganz vorstellen, aber wenn wir mal von
800mA ausgehen geht es um eine Spannung von gerade
mal 1.25 Volt fuer das eine Watt. Hmm...

Fuer 1.7uJ reicht jeder Kern, aber 1.7A*1.7A*1uH
braucht nach einer Tabelle fuer MPP-Kerne wegen
maximalem Fluss einen mit 23mm Aussendurchmesser.
Der T30 hat gerade mal 8mm.

Was hab ich falsch gerechnet ?
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.

 

[Dieter Wiedmann]

MaWin schrieb:

aber T30-2 hat Reichelt gar nicht, Al irgendwas
zwischen 34 und 40 (Amidon sagt der 310 hat 32),
macht mindestens 7.5uH. Hmm...

Ja, Reichelt hat den nicht, allerdings den T37-2, an der Windungszahl
ändert das nichts. Ich hab da einen Al von 4,2nH.

Dann der Regler selbst: 1uH bei 1.7A macht 1.7uJ
600000 mal pro Sekunde macht 1 uebertragenes Watt,
oder ?

Das muss Andy schon selber wissen, ob ihm die paar mW genügen.

Fuer 1.7uJ reicht jeder Kern, aber 1.7A*1.7A*1uH
braucht nach einer Tabelle fuer MPP-Kerne wegen
maximalem Fluss einen mit 23mm Aussendurchmesser.
Der T30 hat gerade mal 8mm.

Die paar AWdg verträgt der locker. Was für eine Tabelle hast du da
verwendet?


Gruß Dieter

 

[Dieter Wiedmann]

MaWin schrieb:

Dann der Regler selbst: 1uH bei 1.7A macht 1.7uJ
600000 mal pro Sekunde macht 1 uebertragenes Watt,
oder ?

Hoppla, bei mir ist immer noch W=0.5*L*I^2 (eigentlich ja dW=L*I*dI).


Gruß Dieter

 

[Rolf Bombach]

Dieter Wiedmann wrote:

MaWin schrieb:

Dann der Regler selbst: 1uH bei 1.7A macht 1.7uJ
600000 mal pro Sekunde macht 1 uebertragenes Watt,
oder ?

Hoppla, bei mir ist immer noch W=0.5*L*I^2 (eigentlich ja dW=L*I*dI).

Naja, da 1.7 fast 2 ist, macht das hier kaum was aus )
15% daneben, was soll's ;-)

--
mfg Rolf Bombach

 

[Andreas Weber]

Hallo Manfred,

MaWin wrote:

Dann der Regler selbst: 1uH bei 1.7A macht 1.7uJ
600000 mal pro Sekunde macht 1 uebertragenes Watt,
oder ?

Ja, 1.13 W um genau zu sein bei 2V Input.

800mA RMS und 1.7A Peak nicht-lueckend kann ich mir
auch nicht ganz vorstellen,

Ich weiß auch nicht mehr was ich da gerechnet/simuliert habe. Gerade
nochmal mit Spice simuliert: I-RMS 870mA; I-Peak 1900mA
(doch lückend) und zwar steigende Flanke auf 1,8A in 940ns,
fallende Flanke 330ns auf 0, Strom lückt für 400ns.

Fuer 1.7uJ reicht jeder Kern, aber 1.7A*1.7A*1uH
braucht nach einer Tabelle fuer MPP-Kerne wegen
maximalem Fluss einen mit 23mm Aussendurchmesser.
Der T30 hat gerade mal 8mm.

MPP bedeutet ? Ich rate mal Metall-Pulver-P?
Was für eine Tabelle ist das, in welche du da geschaut hast ?

Gruß Andy

 

[Andreas Weber]

Dieter Wiedmann wrote:

Das muss Andy schon selber wissen, ob ihm die paar mW genügen.

900mW Ausgangsleistung reichen mir vollends.

Fuer 1.7uJ reicht jeder Kern, aber 1.7A*1.7A*1uH
braucht nach einer Tabelle fuer MPP-Kerne wegen
maximalem Fluss einen mit 23mm Aussendurchmesser.
Der T30 hat gerade mal 8mm.


Die paar AWdg verträgt der locker. Was für eine Tabelle hast du da
verwendet?

Ihr beide diskutiert jetzt, ob der Kern bei der Feldstärke in die
Sättigung kommt ?

Ich hab nochmal genauer gerechnet. Bräuchte dann ca. 700nH , restliche
Werte in meinem anderen Posting auf MaWin's Antwort.

T37-2 angenommen: 13 Wdg->700nH Feldstärke 1037A/m; 13mT kann das sein ?

DC-R müßte dann bei 4mOhm sein (1mm Draht, später bifiliar)

Was ich noch nicht ganz wegen dem Kernmaterial verstehe:
Du sagst -18 ist ganz okay, -2 besser.
-2 -> mehr Windungen (höherer DC-R) später in die Sättigung
-18 -> weniger Windungen (niedriger DC-R) früher in der Sättigung.

Und das ist nicht merklich "spürbar" ? Ich kann dazwischen wählen wie
ich will ?

Sorry, daß nochmal soviel Fragen kommen. Wenn ich das hier hinter mir
habe, dann kommt das auf meine Webseite. Gruß Andy

 

[MaWin]

Dieter Wiedmann <Dieter.Wiedmann@t-online.de> schrieb im Beitrag <3F9A3D58.2A993503@t-online.de>...

Was für eine Tabelle hast du da verwendet?

Das hat gedauert, bis ich das auf mag-inc's WebSeite widergefunden habe:

Damit habe ich gerechnet: http://www.mag-inc.com/pdf/sr-1a.pdf
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

Ich hab nochmal genauer gerechnet. Bräuchte dann ca. 700nH , restliche
Werte in meinem anderen Posting auf MaWin's Antwort.

T37-2 angenommen: 13 Wdg->700nH Feldstärke 1037A/m; 13mT kann das sein ?

Ja, das stimmt.

Du sagst -18 ist ganz okay, -2 besser.

Bei 600kHz und wenn es auf den Wirkungsgrad ankommt.

-2 -> mehr Windungen (höherer DC-R) später in die Sättigung
-18 -> weniger Windungen (niedriger DC-R) früher in der Sättigung.

Nein, da geht es um die Ummagnetisierungsverluste.

Und das ist nicht merklich "spürbar" ? Ich kann dazwischen wählen wie
ich will ?

In deiner Antwort auf Manfreds Einwand schreibst du '1,9A, lückender
Betrieb', das gibt bei einem T30-18/7Wdg ca. 800mW Kernverluste, das ist
natürlich heftig. Mit einem gleichgroßen -2 Kern werden das noch knapp
300mW und bei einem T37-2 sind es etwa 250mW.

Schreib halt mal was du da genau vorhast, dann lässt sich die Drossel
sicher besser dimensionieren. Wenn du auf nicht lückenden Betrieb gehst,
also den Wechselstromanteil runterschraubst, sinken die Kernverluste.
Durch die höhere Windungszahl gehen natürlich die Kupferverluste rauf,
aber das dürfte hier die geringere Rolle spielen.


Gruß Dieter

Sorry, daß nochmal soviel Fragen kommen. Wenn ich das hier hinter mir
habe, dann kommt das auf meine Webseite. Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

MaWin schrieb:

Damit habe ich gerechnet: http://www.mag-inc.com/pdf/sr-1a.pdf

uH <---> mH

Nach deren Methode kommt ein 55020-A2 in Frage, der hat 6,35mm
Aussendurchmesser.

Aber: die Methode an sich scheint mir zweifelhaft, da muss ich noch in
Ruhe drüber nachdenken.


Gruß Dieter

 

[Andreas Weber]

Dieter Wiedmann wrote:

Schreib halt mal was du da genau vorhast, dann lässt sich die Drossel
sicher besser dimensionieren. Wenn du auf nicht lückenden Betrieb gehst,
also den Wechselstromanteil runterschraubst, sinken die Kernverluste.
Durch die höhere Windungszahl gehen natürlich die Kupferverluste rauf,
aber das dürfte hier die geringere Rolle spielen.

Okay, mit 2,7ľH simuliert habe ich nichtlückend IRMS 560mA Peak 916mA.
Eigentlich wollte ich das "Auswählen der Speicherdrossel"
erlernen/verstehen und nicht die Anforderung posten um dann das
"Ergebnis" serviert zu bekommen.
Es geht um einen LT1308B von Linear (ist in SWCAD natürlich drin)
V-Input ist 1,8V(min.); Output 8V bei 100mA Last (Ripple von 0.1V ist
noch okay) Als Diode 'ne MBRS 140, Elkos sind eingangsseitig Nic 180ľF
43mOhm ESR, ausgangsseitig 82ľF 45mOhm ESR.

Wie gesagt, der Weg ist das Ziel.
Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

Okay, mit 2,7ľH simuliert habe ich nichtlückend IRMS 560mA Peak 916mA.
Eigentlich wollte ich das "Auswählen der Speicherdrossel"
erlernen/verstehen und nicht die Anforderung posten um dann das
"Ergebnis" serviert zu bekommen.

Na, dann machen wir das jetzt mal.

Es geht um einen LT1308B von Linear (ist in SWCAD natürlich drin)
V-Input ist 1,8V(min.); Output 8V bei 100mA Last (Ripple von 0.1V ist
noch okay) Als Diode 'ne MBRS 140, Elkos sind eingangsseitig Nic 180ľF
43mOhm ESR, ausgangsseitig 82ľF 45mOhm ESR.

Aha, das riecht ja förmlich nach Batterie-/Akkubetrieb, also steht der
Wirkungsgrad im Vordergrund. Die Größe hat du mit max. T37 festgelegt,
erhältlich soll der Kern auch sein, also beschränken wir uns mal auf das
Angebot von Reichelt. Da kommen dann folgende Kerne in Betracht: T37-2
und T30-18.

Als erstes ermittelt man die Zahl der nötigen Windungen, das wären 26
rsp. 11 Stück. Um zu prüfen, ob die Permeabilität bei der Feldstärke
nicht bereits relevant zurückgegangen ist, schaut man ins
Geometriedatenblatt (wg. eff. magn. Länge) und ins Materialdatenblatt
(wg. Permeabilität vs. Feldstärke), ggf. korrigiert man die
Windungszahl. Hier gibts schon mal eine wichtige Faustregel: Kerne, die
bei Ipk weniger als 50% ihrer Anfangspermeabilität haben sind
ungeeignet, ich bleibe sogar lieber bei 70%.
Im konkreten Fall ist der Rückgang der Permeabilität weniger als 1%,
also nicht relevant.

Als nächstes ermittelt man die Kernverluste, das ist einfach solange man
sich im linearen Bereich der Magnetisierungskurve befindet. Dazu
berechnet man B(ac)pp, das sind hier 13mT bzw. 38mT, ein Blick in die
Materialdatenblätter ergibt 150mW/cm^3 bzw. 5W/cm^3, mit den eff.
Kernvolumina macht das dann 22mW bzw. 550mW.

Zu guter letzt kommen die Kupferverluste dran. Welcher Drahtquerschnitt
und ob ein Massivdraht, bi-/multifilare Wicklung oder gar HF-Litze nötig
ist hängt von der Frequenz ab. Bei niedrigen Frequenzen reicht
Massivdraht, ruhig sogar mehrlagig. Mittlere Frequenzen erfordern
einlagige Wicklung, darf aber noch Draht an Draht gemacht werden. Bei
hohen Frequenzen, und das hast du hier, sollte Abstand zwischen den
Windungen gelassen werden, zudem sollte man den Kern nur zu ca. 80%
bewickeln, also eine Lücke zwischen Anfang und Ende lassen. Das explizit
durchzurechnen überlasse ich erstmal dir, so aus dem Bauch raus denke
ich mal an 0,2er CuL für den T37-2, der T30-18 dürfte wegen der
Kernverluste nicht mehr in Frage kommen, aber rechne den ruhig mal mit
6-7uH nochmal nach.


Gruß Dieter