Induktive Leistungsübertragung

[Mathias85]

Hallo!

Für ein konkretes Projekt müsste ich eine Leistung von ungefähr 600mW (
4V, 150mA) induktiv übertragen.

Die Schaltung dazu findet sich im Anhang!

Den Parallel-Schwingkreis betreibe ich mit einer Frequenz von 30kHz.

Die von mir gewickelte Primär sowie Sekundärspule besitzt eine
Induktivität von 128uH (~45 Windungen). Für den Kondensator ergibt sich
somit eine Kapazität von etwa 220nF.

Z0 müsste sich ja folgendermaßen berechnen:

Z0 = Rrei + L / (C*Rrei) = 466.7 Ohm ( bei Rrei = 1.25 Ohm)

Folglich müsste ja der maximale Strom der durch den Schwingkreis bei
Resonanz fließen kann U/Z0 sein oder? Das wären ja bei 12V 25.7mA!

Unabhängig davon dass dieser Strom für meine Anforderung zu gering wäre,
ist der gemessen Strom aber fast um den Faktor 10 größer!

Woran kann denn das liegen?

MfG, Mathias

[ranke]

Unabhängig davon dass dieser Strom für meine Anforderung zu gering wäre,
ist der gemessen Strom aber fast um den Faktor 10 größer!

Woran kann denn das liegen?


Das kann daran liegen, daß Du über die Sekundärspule Energie auskoppelst (in diesem Fall würde die von Dir angenommene Formel nicht gelten).

Es ist auch möglich, daß Du neben der Resonanzfrequenz liegst. Kannst Du die Frequenz durchstimmen und auf Stromminimum abgleichen?

Die Spannungen am (unbelasteten) Schwingkreis können dabei ziemlich hoch werden, Vorsicht bei der Auswahl des Transistors.

[Mathias85]

In Resonanz müsste ich liegen, kann man ja über das Spannungsmaximum am Kondensator bzw. der Spule messen? Oder muss ich es über das Stromminimum messen?

Den Strom habe ich ohne die Sekundärspule gemessen!

Eine Frage hätte ich noch zur Größe der Induktivität?

Gibt es irgendwelche Richtlinien für das Verhältniss Kondensator zur Spule? Die Güte des Schwingkreises müsste ja mit zunehmender Induktivität zunehmen?

Da ich vom Platz her ziehmlich limitiert bin, möchte ich eine möglichst kleine Spule verwenden. Nur weiß ich leider nicht genau, wie ich die minimale Induktivität für meine Anforderungen berechne?

Vielen Dank, MfG Mathias

[Mathias85]

So habe das Ganze jetzt nochmal gemessen! Den Schwingkreis steuere ich zur Zeit über einen n-Kanal Mosfet (irfz34n).

Testweise habe ich die UGS Spannung erhöht und plötzlich stieg der Strom in den Ampere - Bereich! Sollte der Strom bei Resonanz nicht durch Z0 des Schwingkreises limitiert werden, oder stehe ich gerade voll auf der Leitung?

[Manf]

Man kann mit dem Parallelschwingkreis eine recht hohe Spannung erzeugen.
Grob geschätzt kann die Spannung um den Faktor der Güte größer werden als die Anregung. Hier ist der Faktor etwa 20.
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingkreis#Kreisg.C3.BCte
In diesem Zustand fließt dann nur ein geringer Strom (wenn die Schaltung bis dahin mitspielt).
Manfred

[nikolaus10]

Hallo

Spulen beschreibt man in Henry nicht in F (sicherlich nur ein Schreibfehler).
Welche Messmoeglichkeiten hast du denn ? Oscilloskop?

MFG

[Mathias85]

Hallo

Ja das mit den Farrad war natürlich nur ein Schreibfehler..

Als Messmöglichkeit habe ich ein Oszilloskop!

@ Manfred: Wie meinst du das "Wenn die Schaltung bis dahin mitspielt"?

[Manf]

@ Manfred: Wie meinst du das "Wenn die Schaltung bis dahin mitspielt"?
Für den Strom betrachtest Du oben die Anregung U/Z0. Der Strom innerhalb des Schwingkreises ist bei Resonanz um den Faktor der Güte höher. Wenn dabei die Spannung auf 12V begrenzt ist, dann fließt der Strom nach dem Aufladen des Kondensators über den Transistor weiter.
Danach sperrt der Transistor und es kommt zu einer ordentlichen Spannungserhöhung am Kollektor. Die Spannung wird dabei kleiner als 20 * 12V bleiben, meistens auch deshalb, weil der Transistor reversibel durchbricht. So richtig kontrolliert ist das Verhalten nicht.
Manfred

[Mathias85]

So habe das Problem mit dem großen Strom gelöst! Habe den Transistor mit dem FG angesteuert und fälschlicherweise den DC-Offset und nicht den AC-Wert vergrößert... Ganz nach dem Motto: "Wer viel misst, misst viel Mist" :-)

Wenn ich jetzt die Spannung am Kondensator oder der Spule Messe, ist die positve Halbwelle um den Faktor 3 zur Versorgungsspannung verstärkt und die negative Halbwelle ist bei der Versorgungsspannung (in diesem Fall -12V begrentzt).

Die Resonanzfrequenz habe ich jetzt durch die Messung des Stromminimums gemessen. Nur habe ich beim Stromminimmum nicht das Spannungsmaximum!? Wie kann das sein?

Die Güte müsste rechnerisch ungefähr 16 betragen, nur dann müsste die Spannungsverstärkung an der Spule ja viel größer sein?

Den Transistor den ich zur Zeit verwende hat leider nur eine UDS von 55V, kann dass das Problem sein? Wenn dann müsste er ja maximal durchbrennen und nicht die Spannung begrenzen?

MfG, Mathias

[nikolaus10]

Uds max ist mehr so ein Zehner effect. dh. kaputt gehen muss er da noch nicht. Begrenzen kann er schon.

[Mathias85]

so habe jetzt einen transistor mit 140V verwendet und bekomme das gleiche Ergebnis.

Naja wird schon nicht besser funktionieren..

Kann mir vielleicht noch jemand eine Hilfe zur Dimensionierung der Spule geben? Da ich vom Platz her ziehmlich limitiert bin (20*30x3mm), müsste ich eine möglichst kleine Spule verwenden.

Wie wählt man denn das ideale Verhältniss von Kondensator zur Spule? Die Güte des Kreises wird ja mit sinkender Induktivität kleiner.

Gibt es eventuell besondere Wickeltechniken um kompakte Spulen mit großer Induktivität zu erreichen? Ich hätte an eine Flachspule beispielsweise eine Korbspule gedacht (http://www.jogis-roehrenbude.de/Spulenwickeln.htm)

Bei einem Drahtdurchmesser von 0.3mm, den ich bei 150mA wohl brauchen werde, wird es wahrscheinlich recht eng mit dem Platz!

[Manf]

Ich denke Du wirst die Felder der beiden Induktivitäten koppeln wollen.
Die Feldlinien sollte dabei auf so vollständig wie möglich in permeablem Material geführt werden.
Eine Konfiguration bei der die Streufelder nicht zu groß werden wäre dann vorteilhaft, auch für eine hohe Inuktivität pro Quardrat der Windungszahl.

[Mathias85]

Musste jetzt feststellen, dass mir aus Platzgründen (20*30x3mm), nur die Möglichkeit der Verwendung einer Kupferfolienspule bleibt! Müsste sich für meine Anwendung ja auch eignen oder?

Leider gibt es fertige Kupferfolienspulen nur mit Bauhöhen über 1cm, wie etwa die hier: http://www.hifi-zubehoer.info/mundorf-kupferfolienspule-ofc-16-awg-folie-17-mm-a-1286.htm?sessionnr=jslLOAVL17LHb59TlwTt&sessionid=1279201

Alternativ könnte ich das ganze natürlich selbst mit einem Kupferband machen. Nur das dünnste Band, welches ich bis jetzt gefunden habe, ist auch 1cm dick.

http://shop.spulen.com/default.php?cPath=160&osCsid=6ec6931bbe871c018233897955d5038d

Hat vielleicht jemand von euch eine Quelle für ein entsprechend dünnes Kupferband oder noch besser für eine fertige Spule (etwa 100uH).

Die Bauhöhe der Spule bzw. die Kupferbandbreite sollte 2-3mm nicht überschreiten!

MfG, Mathias

[shaun]

Wenn Du über dem Schwingkreis eine im Resonanzfall entsprechend erhöhte Spannung hast, wird diese in den Schaltpausen zur Hälfte auch noch durch die Bodydiode über die Speisequelle begrenzt, hast Du das bedacht? Ferner denk auch an die Kapazität des MOSFETs und daran, dass sich die "gesehene" Induktivität verändert, sobald etwas in die Feldlinien der Spule kommt (Gegeninduktivität!)

[ogni42]

Warum überhaupt ein Schwingkreis? Du möchtest doch Energie übertragen und keine Schwingungen erzeugen. Die Energie wird übertragen, indem die beiden Spulen induktiv miteinander gekoppelt werden.

Lass mal C1 und C2 weg und miss mal, wieviel Leistung Du übertragen bekommst.

[Manf]

Hat vielleicht jemand von euch eine Quelle für ein entsprechend dünnes Kupferband oder noch besser für eine fertige Spule (etwa 100uH).
Die Bauhöhe der Spule bzw. die Kupferbandbreite sollte 2-3mm nicht überschreiten!
Solche Kupferbandspulen habe ich schon ab und zu in floppy drives gesehen.

http://images1.snapfish.com/3474%3B3956%7Ffp342%3Enu%3D3262%3E898%3E%3B95%3EWS NRCG%3D323389739%3B48%3Anu0mrj

[Mathias85]

@ Shaun:


Wenn Du über dem Schwingkreis eine im Resonanzfall entsprechend erhöhte Spannung hast, wird diese in den Schaltpausen zur Hälfte auch noch durch die Bodydiode über die Speisequelle begrenzt, hast Du das bedacht? Würde das erklären warum eine Halbwelle bei -12V abgeschnitten wird?

Könntest du mir eventuell erklären, welchen Einfluss die Kapazität des Mosfets genau hat?

@ogni42:

Einen Schwingkreis verwende ich deshalb, da meine Schaltung nur mit einem 12V Netzteil versorgt wird und ich so einfach zu einer höheren Spannung komme! (Da ich sekundärseitig so und so Platzprobleme habe, bietet es sich nicht gerade an, die Spannung über die Windungszahl heraufzutransformieren)

Weiters habe ich eine einfache Strombegrenzung durch Z0 im Resonanzfall.

@ Manf: Danke für die Info! Habe mal eine paar alte Diskettenlaufwerke durchgesehen aber konnte auf Anhieb keine solchen Spulen finden. Hast du eventuell nähere Informationen über die Floppy Drives, auf denen du solche Spulen gesen hast?

MfG, Mathias

[Mathias85]

Hallo!

Welche Vorteile hätte denn die Verwendung eines Resonanzwandlers zu der Schaltung die ich vorgeschlagen habe?

Die Verluste am Mosfet müssten ja beim Resonanzwandler geringer sein.

Nur primär geht es mir darum möglichst viel Leistung Sekundärseitig zur Verfügung zu haben! Habe ich mit einem Resonanzwandler einen deutlich höheren Wirkungsgrad?

Hier noch ein Link zu einem Resonanzwandler:

http://www.trifolium.de/netzteil/kap10.html


MfG

[Mathias85]

Verwende jetzt immer noch die am Anfang gepostete Schaltung und kann damit mit einem Wirkungsgrad von ~65% eine Leistung von etwa 500mW übertragen! Wobei ich primärseitig einen Halbschalen Ferritkern verwende. Sekundärseitig ist die Verwendung eines Ferrits aufgrund des beschränkten Platzes leider nicht möglich.

Bin jetzt gerade dabei die Schaltung zu optimieren... Kann man eigentlich pauschal sagen bei welchem Spulenverhältnis (primär/sekundär) ich den besten Wirkungsgrad erziele bzw. am meisten Leistung übertragen kann?

Grundsätzlich sollten ja die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei einem normalen Trafo gelten?

MfG, Mathias