Spulendimensionierung bei Schaltnetzteil

[Olaf Kaluza]

Ich bin gerade dabei ein kleines Schaltnetzteil fuer meinen Laptop zu
bauen:

http://www.criseis.ruhr.de/sony.gif

Das funktioniert im Prinzip auch bereits sehr gut. Allerdings koennte
der Wirkungsgrad besser sein. Genauer gesagt die Spule wird sehr warm
und zwar besonders wenn die Eingangsspannung nach unten geht und damit
der Eingangsstrom nach oben.
Bei einer Belastung des Ausgangs mit 55Ohm, also etwa 5Watt 300mA habe
ich nur einen Wirkungsgrad von 60%.

Stellt sich natuerlich die Frage was man verbessern koennte. Laut
Applikation des MC34063 benoetige ich nur eine Spule mit 8uH.

Lasse ich mir mal hier

http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/aww_smps.html

eine Spule berechnen sollen es schon 43uH sein.

Gewickelt habe ich erstmal eine Spule mit 8uH. Und zwar mit 11Wdg auf
einem Spulenkoerper den ich mal von einem Motherboard abgeloetet
habe. Das ist ein Micrometall T50-26D mit einem Volumen von
0.7cm^3. (gelb/weiss)
Die Spule besteht aus drei parallelen Draehten mit 0.5mm
Durchmesser. Der Wandler laeuft mit 80kHz.

Ich vermute mal das meine Spule ein groesseren Spulenkern braucht. Ist
das richtig? Wie kann ich berechnen welchen Kern ich brauche?

Bei den Spulenkernen wie sie z.B bei Reichelt von Amidon verkauft
werden steht immer die obere Grenzfrequenz bei. Wie sieht das mit der
unteren aus? Mir ist nicht so ganz klar nach welchen Kriterien ich ein
fuer mich besonders geeignetes Kernmaterial aussuchen kann.

Wenn ich die Theorie richtig verstanden habe dann benoetigen solche
Spulen einen Luftspalt weil sie dort ihre Energie speichern. Haben
diese Ringkerne einen unsichtbaren Luftspalt oder sind die einfach
ungeeignet fuer das was ich vor habe?

Ich haette zufaellig noch einen Micrometall T90-26 70nH/N^2 V=2.3cm^3
rumliegen. Weiss einer ob der besser geeignet waere? Mir ist leider
gerade der Draht ausgegangen sonst wuerde ich es einfach mal
ausprobieren.


Olaf

 

[Andreas Weber]

Olaf Kaluza schrieb:

Wenn ich die Theorie richtig verstanden habe dann benoetigen solche
Spulen einen Luftspalt weil sie dort ihre Energie speichern. Haben
diese Ringkerne einen unsichtbaren Luftspalt

Ja, die nennen das dann "distributed air gap". Der "Kleber" für das
Eisenpulver wirkt quasi als Luftspalt.

btw: beim googlen nach einem LTSpice Modell bin ich auf
www.argv.de/mc34063.lib
www.argv.de/mc34063.asy
gestoßen. Leider sind diese Dateien nicht mehr vorhanden. Hat die
zufällig noch jemand ?
Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Olaf Kaluza schrieb:

[Boost, 7,2V->16,5V/1A]

Gewickelt habe ich erstmal eine Spule mit 8uH. Und zwar mit 11Wdg auf
einem Spulenkoerper den ich mal von einem Motherboard abgeloetet
habe. Das ist ein Micrometall T50-26D mit einem Volumen von
0.7cm^3. (gelb/weiss)
Die Spule besteht aus drei parallelen Draehten mit 0.5mm
Durchmesser. Der Wandler laeuft mit 80kHz.

Murks, bei dem Spitzenstrom geht die Induktivität schon deutlich zurück,
du brauchst also mehr Windungen. Zudem ist delta-B viel zu groß, das
gibt verdammt hohe Kernverluste.

Ich vermute mal das meine Spule ein groesseren Spulenkern braucht. Ist
das richtig? Wie kann ich berechnen welchen Kern ich brauche?

Anhand der Kernverlusttabellen, gibts bei Micrometals.

Bei den Spulenkernen wie sie z.B bei Reichelt von Amidon verkauft
werden steht immer die obere Grenzfrequenz bei. Wie sieht das mit der
unteren aus? Mir ist nicht so ganz klar nach welchen Kriterien ich ein
fuer mich besonders geeignetes Kernmaterial aussuchen kann.

Ist auch nicht mit ein paar Worten umfassend zu erkären.

Wenn ich die Theorie richtig verstanden habe dann benoetigen solche
Spulen einen Luftspalt weil sie dort ihre Energie speichern. Haben
diese Ringkerne einen unsichtbaren Luftspalt oder sind die einfach
ungeeignet fuer das was ich vor habe?

Der ist sozusagen über den gesamten Umfang verteilt.

Ich haette zufaellig noch einen Micrometall T90-26 70nH/N^2 V=2.3cm^3
rumliegen. Weiss einer ob der besser geeignet waere?

Besser schon, aber immer noch nicht sinnvoll. Nimm 18er Material und
dimensioniere für geringeres delta-B. Ich würde einen T68-18 mit 25
Windungen empfehlen.


Gruß Dieter

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

btw: beim googlen nach einem LTSpice Modell bin ich auf
www.argv.de/mc34063.lib
www.argv.de/mc34063.asy
gestoßen. Leider sind diese Dateien nicht mehr vorhanden. Hat die
zufällig noch jemand ?

Ja, an welche Adresse soll ichs schicken?


Gruß Dieter

 

[Olaf Kaluza]

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

Murks, bei dem Spitzenstrom geht die Induktivit?t schon deutlich zur?ck,
du brauchst also mehr Windungen.

Hm..dann stimmt also das Datenblatt fuer den MC34063 fuer meine
Anwendung nicht mehr? Wie kann ich denn dann die notwendige
Induktivitaet berechnen?

Zudem ist delta-B viel zu gro?, das
gibt verdammt hohe Kernverluste.

Ja da muss wohl was im argen liegen. Die Kernverluste kann man gut mit
dem Finger fuehlen.
Ich habe aber gerade mal ausgerechnet das mein Kern 144uWs speichern
muesste und der verwendete T50-26D aber 310uWs speichern koennte.

Anhand der Kernverlusttabellen, gibts bei Micrometals.

Hm..muss ich dann wohl uebersehen haben. Aber so rein rechnerrisch
sollte mein Kern ja okay gehen. Ich muss dann wohl nur deutlich mehr
Draht drauf machen?

Besser schon, aber immer noch nicht sinnvoll. Nimm 18er Material und
dimensioniere f?r geringeres delta-B. Ich w?rde einen T68-18 mit 25
Windungen empfehlen.

Wie kommst du zu den Zahlen?

Wenn ich richtig gerechnet hat dann hat der T68-18 497uWs. Ist das
nicht schon ueberdimensioniert? Wenn nein, wieviel Spielraum laesst
man da?
Sollten die 310uWs des T50-26D nicht auch genug Reserven haben oder
ist der Kern wegen seines Materials nicht geeignet?

Ist das richtig das der Hauptvorteil des T68 darin besteht das ich
nicht mehrere Lagen uebereinander wickeln muss weil das auch BOESE
ist?

Olaf

 

[Olaf Kaluza]

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

Besser schon, aber immer noch nicht sinnvoll. Nimm 18er Material und
dimensioniere f?r geringeres delta-B. Ich w?rde einen T68-18 mit 25
Windungen empfehlen.

Mir ist da noch eine Zusatzfrage eingefallen. Wuerde ein T50-18 mit
300uJ nicht auch ausreichen? Also Faktor zwei
ueberdimensioniert. Davon haette ich naemlich noch ein paar
rumliegen.

Olaf

 

[Dieter Wiedmann]

Olaf Kaluza schrieb:

Hm..dann stimmt also das Datenblatt fuer den MC34063 fuer meine
Anwendung nicht mehr?

Im Prinzip schon, aber um den Spitzenstrom kleiner zu halten ist es hier
halt sinnvoll etwas mehr Induktivität zu verwenden.

Wie kann ich denn dann die notwendige
Induktivitaet berechnen?

Iterativ, oder halt aus dem Bauch raus.

Ja da muss wohl was im argen liegen. Die Kernverluste kann man gut mit
dem Finger fuehlen.
Ich habe aber gerade mal ausgerechnet das mein Kern 144uWs speichern
muesste und der verwendete T50-26D aber 310uWs speichern koennte.

Das Speichervermögen hat nix mit den Kernverlusten zu tun.

Anhand der Kernverlusttabellen, gibts bei Micrometals.

Hm..muss ich dann wohl uebersehen haben. Aber so rein rechnerrisch
sollte mein Kern ja okay gehen. Ich muss dann wohl nur deutlich mehr
Draht drauf machen?

Eben nicht, lies nach.

Besser schon, aber immer noch nicht sinnvoll. Nimm 18er Material und
dimensioniere f?r geringeres delta-B. Ich w?rde einen T68-18 mit 25
Windungen empfehlen.

Wie kommst du zu den Zahlen?

20uH@4A

Wenn ich richtig gerechnet hat dann hat der T68-18 497uWs. Ist das
nicht schon ueberdimensioniert? Wenn nein, wieviel Spielraum laesst
man da?

Kommt drauf an wie warm der Kern werden darf, bedenke dabei auch die
Kernalterung.

Sollten die 310uWs des T50-26D nicht auch genug Reserven haben oder
ist der Kern wegen seines Materials nicht geeignet?

Falscher Ansatz, s.o..

Ist das richtig das der Hauptvorteil des T68 darin besteht das ich
nicht mehrere Lagen uebereinander wickeln muss weil das auch BOESE
ist?

Bei 80kHz noch nicht so wichtig, aber mehrere Lagen senken natürlich die
Resonanzfrequenz, man kommt näher an die Schaltfrequenz ran, und das
kann lustige Effekte geben.


Gruß Dieter

 

[Dieter Wiedmann]

Olaf Kaluza schrieb:

Mir ist da noch eine Zusatzfrage eingefallen. Wuerde ein T50-18 mit
300uJ nicht auch ausreichen? Also Faktor zwei
ueberdimensioniert. Davon haette ich naemlich noch ein paar
rumliegen.

Zu klein.


Gruß Dieter

 

[Andreas Weber]

Dieter Wiedmann schrieb:

Andreas Weber schrieb:

btw: beim googlen nach einem LTSpice Modell bin ich auf
www.argv.de/mc34063.lib
www.argv.de/mc34063.asy
gestoßen. Leider sind diese Dateien nicht mehr vorhanden. Hat die
zufällig noch jemand ?

Ja, an welche Adresse soll ichs schicken?
Gruß Dieter

Hi Dieter,
die angegebene Adresse ist gültig.
Alternativ auch an info at tech minus chat.de
TIA, Gruß Andy

 

[Dieter Wiedmann]

Andreas Weber schrieb:

Alternativ auch an info at tech minus chat.de

Du hast Post.


Gruß Dieter

 

[Joerg]

Hallo Dieter,

Das Speichervermögen hat nix mit den Kernverlusten zu tun.

Stimmt, aber man sollte es messen. Irgendwo an geschickter Stelle (FET
Source oder so) einen kleinen Strommesswiderstand einfuegen und ans
Scope haengen. Manchmal ist so ein Widerstand fuer Current Mode Control
schon da. Wenn sich statt eines schoen sauberen Dreiecks eine
Haifischflosse zeigt, geht das Ding in die Saettigung. Wenn man nicht
schnell genug abschaltet, gibt es danach meist einen gepflegten Knall.

Bei 80kHz noch nicht so wichtig, aber mehrere Lagen senken natürlich die
Resonanzfrequenz, man kommt näher an die Schaltfrequenz ran, und das
kann lustige Effekte geben.

In der Sylvesternacht wuerde das anschliessende spaktakulaere Ableben
des Reglers nicht so sehr auffallen...

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com

 

[Jan Bruns]

"Joerg":

Das Speichervermögen hat nix mit den Kernverlusten zu tun.

Stimmt, aber man sollte es messen. Irgendwo an geschickter Stelle (FET
Source oder so) einen kleinen Strommesswiderstand einfuegen und ans
Scope haengen. Manchmal ist so ein Widerstand fuer Current Mode Control
schon da. Wenn sich statt eines schoen sauberen Dreiecks eine
Haifischflosse zeigt, geht das Ding in die Saettigung. Wenn man nicht
schnell genug abschaltet, gibt es danach meist einen gepflegten Knall.

Naja, kommt wahrscheinlich aud den Steuertechnik drauf an.
Wenn die die Sättigung nicht mit einbeziehen mag, wird die
wohl zumeist ein selten hohles Schaltmuster aufweisen;
wegen der bei hoher Last vergleichsweise kleinen effektiven
Induktivität viel zu lange Arbeitspausen einlegen, um dann
nur schwallweise mal richtig viel Leistung überzubringen.

Frage an Olaf:

Was ist denn mit dem Widerstand in Reihe zur Spule?
Wie warm wird der?

Wenn Du diesem Kern gut 100e-6 J aufdrängen wollst, bist Du bei
grob 50% Sättigung, und brauchst grob 60 Amperewindungen, wenn ich
das halbwegs richtig überschlagen habe, mit 11 Windungen also 5,5A.
Das ist möglicherweise etwas viel Strom, scheint mir aber noch in einem
brauchbaren Bereich zu liegen (ca. 10% der Ausgangsleistung ohmsche
Verlustse bei Spule und Serienwiderstand @Vollast, habe ich da raus).

Irgendwie bezweifle ich noch, daß der hohe Verlust tatsächlich auf
Kernverluste zurückzuführen ist. Was ist nun also mit dem Widerstand?
Ist's nun ohmsche Wärme, oder nicht?

Gruss

Jan Bruns

 

[Marte Schwarz]

Hallo Dieter,

| > btw: beim googlen nach einem LTSpice Modell bin ich auf
| > www.argv.de/mc34063.lib
| > www.argv.de/mc34063.asy
| > gestoßen. Leider sind diese Dateien nicht mehr vorhanden. Hat die
| > zufällig noch jemand ?
|
| Ja, an welche Adresse soll ichs schicken?

Schickst Du mir die auch?

Danke,
Marte

 

[Dieter Wiedmann]

Jan Bruns schrieb:

[T50-26D]

Wenn Du diesem Kern gut 100e-6 J aufdrängen wollst, bist Du bei
grob 50% Sättigung,

Ehr noch 70% von mü_r0.

und brauchst grob 60 Amperewindungen, wenn ich
das halbwegs richtig überschlagen habe, mit 11 Windungen also 5,5A.
Das ist möglicherweise etwas viel Strom, scheint mir aber noch in einem
brauchbaren Bereich zu liegen (ca. 10% der Ausgangsleistung ohmsche
Verlustse bei Spule und Serienwiderstand @Vollast, habe ich da raus).

Irgendwie bezweifle ich noch, daß der hohe Verlust tatsächlich auf
Kernverluste zurückzuführen ist.

Ooch, einfach mal grob überschlagen sind das mehrere Watt.


Gruß Dieter

 

[Olaf Kaluza]

Joerg <notthisjoergsch@removethispacbell.net> wrote:

Stimmt, aber man sollte es messen. Irgendwo an geschickter Stelle (FET
Source oder so) einen kleinen Strommesswiderstand einfuegen und ans
Scope haengen. Manchmal ist so ein Widerstand fuer Current Mode Control
schon da.

Ich hab dafuer einen Ringkern genommen der in der Mitte einen dicken
Draht hat und aus einem PC-Netzteil stammt und dort wohl auch fuer die
Strommessung gedacht war.

Wenn sich statt eines schoen sauberen Dreiecks eine
Haifischflosse zeigt, geht das Ding in die Saettigung.

Du wirst nicht glauben was ich da alles schon fuer interessante
Kurvenformen gesehen habe. Ich hab zwar mal einen T68 bestellt aber
solange der noch nicht da ist habe ich einfach mal alles drangehaengen
was ich noch so da hatte.

Wenn man nicht
schnell genug abschaltet, gibt es danach meist einen gepflegten Knall.

Noe, das kann ich nicht sagen. Allerdings belaste ich auch erst mit
50% und die Schaltung ist in einigen Punkten wie z.B dem Mosfet und
der Diode satt ueberdimensioniert weil ich halt verwendet habe was da
war.

In der Sylvesternacht wuerde das anschliessende spaktakulaere Ableben
des Reglers nicht so sehr auffallen...

So einfach ist das nicht. Ich hab ja gehofft da mal was zu erleben
aber es will mir einfach nicht gelingen. Unter 50% Wirkungsgrad habe
ich es einfach nicht geschafft.

Olaf

 

[Olaf Kaluza]

Jan Bruns <testzugang_janbruns@arcor.de> wrote:

Was ist denn mit dem Widerstand in Reihe zur Spule?
Wie warm wird der?

Kein bisschen. Jedenfalls ist mir da nichts aufgefallen. Ausserdem
besteht der Widerstand nur aus einem Stueck Leiterbahn auf meiner
Platine.

Wenn Du diesem Kern gut 100e-6 J aufdr?ngen wollst, bist Du bei
grob 50% S?ttigung, und brauchst grob 60 Amperewindungen, wenn ich
das halbwegs richtig ?berschlagen habe, mit 11 Windungen also 5,5A.
Das ist m?glicherweise etwas viel Strom, scheint mir aber noch in einem
brauchbaren Bereich zu liegen (ca. 10% der Ausgangsleistung ohmsche
Verlustse bei Spule und Serienwiderstand @Vollast, habe ich da raus).

Naja, ich liege so bei 6V/1A am Eingang und 16V/290mA am Ausgang wenn
alles gut laeuft. Waren auch schonmal 6V/1.2A. Dabei wird die Spule
schon recht warm und ich belaste da noch nicht richtig. Das habe ich
mich noch nicht getraut. Aber selbst da sieht der Stromverlauf bereits
sehr nach Haifisch aus.

Irgendwie bezweifle ich noch, da? der hohe Verlust tats?chlich auf
Kernverluste zur?ckzuf?hren ist. Was ist nun also mit dem Widerstand?
Ist's nun ohmsche W?rme, oder nicht?

Fuehlbar warm wird bei mir ausschliesslich die Spule und die besteht
aus 11Wdg mit 3x0,5mm Kupferdraht. Ich werd die naechste Spule aber
wohl mit 3x0.7mm wickeln.

Olaf

 

[Jan Bruns]

"Dieter Wiedmann":

Jan Bruns schrieb:

[T50-26D]
Wenn Du diesem Kern gut 100e-6 J aufdrängen wollst, bist Du bei
grob 50% Sättigung,

Ehr noch 70% von mü_r0.

Jau, je nachdem, wie "gut" es 100ľJ sein sollen...

und brauchst grob 60 Amperewindungen, wenn ich
das halbwegs richtig überschlagen habe, mit 11 Windungen also 5,5A.
Das ist möglicherweise etwas viel Strom, scheint mir aber noch in einem
brauchbaren Bereich zu liegen (ca. 10% der Ausgangsleistung ohmsche
Verlustse bei Spule und Serienwiderstand @Vollast, habe ich da raus).

Irgendwie bezweifle ich noch, daß der hohe Verlust tatsächlich auf
Kernverluste zurückzuführen ist.

Ooch, einfach mal grob überschlagen sind das mehrere Watt.

Hm, sehe ich noch nicht. Gefragt sind, wenn ich das richtig sehe,
ca. 1250 Gauss magnetischer Fluss.

Das Datenblatt erwähnt Kernverluste von z.B.:
56[mW/(cm^3)]@1KHz@1500G
65[mW/(cm^3)]@10KHz@500G
90[mW/(cm^3)]@50KHz@225G
88[mW/(cm^3)]@100KHz@140G

Olaf schrieb, daß der Kern nur 0.7cm^3 hat.

Gruss

Jan Bruns

 

[Jan Bruns]

"Olaf Kaluza":

Fuehlbar warm wird bei mir ausschliesslich die Spule und die besteht
aus 11Wdg mit 3x0,5mm Kupferdraht. Ich werd die naechste Spule aber
wohl mit 3x0.7mm wickeln.

Ich würd's eher mit nut einem Draht, aber doppelt soviel Windungen
versuchen. Die Ohmschen Verluste gehen ja quadratisch mit dem Strom.

Wenn der Serienwiderstand nur Platinenmaterial ist, dann ist der ja
wohl auch einigermassen gekühlt, erstmal, und hat zudem auch eine grosse
Oberfläche.

Gruss

Jan Bruns

 

[Olaf Kaluza]

Jan Bruns <testzugang_janbruns@arcor.de> wrote:

Fuehlbar warm wird bei mir ausschliesslich die Spule und die besteht
aus 11Wdg mit 3x0,5mm Kupferdraht. Ich werd die naechste Spule aber
wohl mit 3x0.7mm wickeln.

Ich w?rd's eher mit nut einem Draht, aber doppelt soviel Windungen
versuchen. Die Ohmschen Verluste gehen ja quadratisch mit dem Strom.

Ich hab uebrigens rein aus Spass mal die drei Wicklungen aufgetrennt
und hintereinander geschaltet. Also dann 33Wdg mit
0.5mm. Interessanterweise hat dies am Wirkungsgrad kein bisschen was
geaendert.

Olaf

 

[Joerg]

Hallo Olaf,

Wenn man nicht
schnell genug abschaltet, gibt es danach meist einen gepflegten Knall.

Noe, das kann ich nicht sagen. Allerdings belaste ich auch erst mit
50% und die Schaltung ist in einigen Punkten wie z.B dem Mosfet und
der Diode satt ueberdimensioniert weil ich halt verwendet habe was da
war.

Glueck gehabt. Ich habe mal mitbekommen, wie das wirkt, ist aber noch
mal gut gegangen. Der Schaeferhund des Nachtwaechter wurde unruhig und
zuppelte an dessen Hosenbein. Irgendwann gab der Nachtwaechter bei und
der Hund zog ihn die Treppe rauf. Dort roch es nach verbranntem Plastik.
Kurz darauf heulte der Feueralarm los, aber er konnte wohl rechtzeitg
deaktiviert werden, bevor die Sprinkler einige Dutzend Arbeitsplaetze
mit teuren Messgeraeten unter Wasser gesetzt haetten.

Ein 1kW Schaltnetzteil hatte sich in Wohlgefallen aufgeloest. Grosser
schwarzer Fleck im Fussboden, im Umkreis von ein paar Metern fanden sich
Fragmente von Bauteilen, geschmolzene Plastikklumpen und Loetzinnspritzer.

IIRC bekam der Hund am naechsten Tag ein edles Filet Steak.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com