Rotary Transformer mit L297 und L298 ?

[drylemon]

Hi, ich hoffe ihr könnt mir bei einem kleinen Problem Helfen:

Ich möchte mir einen drehbaren Transformator bauen, mit dem ich meine Versorgungsspannung auf eine Scheibe übertragen kann.

Ich würde ungerne einen Lufttransformator verwenden, sonder viel lieber einen Ferrit-Kern, da der die bessere magnetische Kopplung garantieren sollte.

EINZELSCHALE; 14,4X7,5; N22 OL
Artikel-Nr.: 500162 - 62 (Conrad)

Zwei von denen übereinander, auf die eine Seite die Primär-, auf die andere die Sekundärspule,... so weit so gut,... nur mein Problem ist leider die Ansteuerung der Primärspule.

Es gäbe für mich einmal die Möglichkeit über den Sperrwandler und zum anderen die mit dem Vollbrückengegentaktwandler:

http://schmidt-walter.fbe.fh-darmsta...smps/smps.html

Da ich auf jedenfall den Strom auf der Primärseite begrenzen will, bin ich auf die Idee gekommen, dass ich ja eine Schrittmotorsteuerung ala L297+L298 nehmen könnte.

Oder gibts für meinen Fall eine einfachere Lösung ?


Vieleicht über einen ATmega8 und FET ? Wie müßte ich das für den Fall aufbauen ?
Kann ich hier auch einfach mit einem ADC-Eingang den Spannungsabfall über dem Sensorwiderstand messen und dann den FET deaktivieren ?
(Wäre dann wohl das mit dem Sperrwandler)

Wenn ich diese Schrittmotorsteuerung nehmen würde, dann würde ich den L297 in Vollschrittsteuerung versetzen und über den Mega8 mit einer bestimmten Frequenz immer einen Schritt weiter gehen und somit den Strom durch die Spule Umkehren. Die Chopperrate würde ich gerne deaktivieren.
Also sowas wie:
1) L298 lässt Strom durch die Spule fließen.
2) L297 generiert bei Imax einen Chop und wartet
3) Der yC sagt dem L297 er soll einen Schritt weiter gehen und deaktiviert den Chopstatus. Und weiter bei 1)

Jetzt quälen mich dabei folgende Fragen:

Machen die Freilaufdioden meinen Trafo nutzlos/kaputt ?
Gibt es bei einem Trafo auch diese Spannungsspitzen beim Abschalten der Last ?
Wie sage ich dem L297, dass er seine Ausgänge nach einem Chop wieder aktivieren soll, ohne dass ich diese Chopperrate verwende ?

Ich hoffe ihr könnt mir bei meinem Problem helfen.

Vielen vielen Dank schonmal im Vorhinein für eure hilfe

[ogni42]

Für Deinen Zweck reicht der L298 und ein TL494. So kannst Du den L298 für einen Vollbrückengegentaktwandler verwenden (der TL494 bietet schon die entsprechende Elektronik). Den Trafo (Primärwicklung) schliesst Du dann wie einen Motor an. Die Ausgangsspannung verwendest Du dann zur Regelung der PWM (und ggfs. einen Widerstand als Stromsensor). Freilaufdioden brauchst Du dann nicht.

[waste]

Hallo drylemon,

der Sperrwandler ist die einfachere Lösung, da brauchst du nur einen Transistor anstatt der Vollbrücke.
Durch den unvermeidlichen Luftspalt ergibt sich zudem gleich ein Speichertransformator, wie er für einen Sperrwandler benötigt wird. Wenn du die Konstruktion im Griff hast und der Luftspalt konstant bleibt, dann ist der Sperrwandler ideal. Wenn der Luftspalt sich ändert, dann ändert sich auch die Induktivität und damit die Stromaufnahme, da sollte dann über die Frequenz nachgeregelt werden.

Eine Schutzschaltung braucht es in beiden Fällen. Wegen der hohen Streuinduktivität treten auch große Spannungsspitzen auf, die auf jeden Fall abgeleitet werden müssen.

Waste

[ogni42]

Stimmt, der Sperrwandler ist auf jeden Fall die einfachere Lösung. Allerdings besteht da das Problem, dass der Kern in die Sättigung gerät.

Der VBG-Wandler hat das Problem nicht.

Dennoch ist waste's Vorschlag sicher der Weg den Du zuerst gehen könntest, weil er die wenigsten Bauteile verschlingt und Du statt des teuren Gespannes L297/L298 mit einem Tranistor für 90ct auskommt.

[waste]

Auch der Trafo für den Gegentaktwandler kann in die Sättigung gehen.
Zudem gehe ich davon aus, dass man wegen dem unvermeidlichen Luftspalt eher einen größeren Kern wählen muss um die erforderliche Induktivität zu erreichen. Da stellt sich dann die Frage der Sättigung wahrscheinlich nicht mehr.

Waste

[ogni42]

Da hast Du natürlich recht, allerdings sorgt der PWM Chip (TL494) dafür, dass das nicht passiert (PWM Ratio immer kleiner 50%).

[drylemon]

Hi ihr, danke für die schnellen Antworten
Ich habe mich gestern gleich mal hingesetzt und mir den von Dir (ogni42) vorgeschlagenen TL494 angeschaut und das Datenblatt durchgelesen, um nicht gleich wegen irgendwelchen kleinigkeiten nachfragen zu müssen.
Ich weiß zwar immernoch nicht genau, wie Leute daraus was erkennen können, aber naja,... nach etlichen Stunden Sucharbeit hab ich dann auch eine verständlichere Doku gefunden
Was ich sehr schade an dem TL494 finde, ist der nicht Vorhandene Latch für den Sensingresistor, welchen ich dann extern über 3 Transistoren nachbauen müßte, aber das sollte ja nicht das große Problem sein.
Da ich den L297 und den L298 schon bei mir zuhause rumliegen habe, könnte ich diese natürlich auch Problemlos nutzen.
Was ein echtes Problem werden könnte, ist dieser konstante Luftspalt, den Waste angesprochen hatte.
Leider habe ich bis jetzt, obwohl ich schon im 5ten Semester Physik studiere, noch nicht wirklich den Unterschied zwischen einem Vollbrückengegentakttrafo und dem Sperrtrafo erkannt, aber ich glaube ich werde aus Gründen der einfachereren Schaltung dann wohl doch eher den Sperrtrafo nehmen.
Ansteuern werde ich den dann wohl über den L297, wegen der Sensingresistorauswertung.

Zu dem was ich bis jetzt verstanden habe:

a) der Luftspalt zwischen den beiden Trafohälften sollte immer konstant sein
b) der Kern kann in die Sättigung kommen, wobei ich dann praktisch gesehen nach der Sättigung eine Luftspule hätte, in der der Strom sehr schnell ansteigt. Kann ich das nicht mit einem Sensingresistor abfangen ? Der dann einfach über den L297 einen "chop" durchführt ?
c) auf der sekundärseite sollte ich wegen hohen Spannungsspitzen wohl eine Z-Diode in Sperrrichtung paralell zum Brückengleichrichter einbauen, welche eine Durchbruchspannung von der Größenordnung des Kondensators (zum anschließenden Glätten der Spannung) hat.
d) auf der Primärseite könnte ich einfach einen ttl-Mosfet nehmen, welcher den Stromfluß schaltet. Muß ich da auch irgendwelche Spannungspitzen achten ? oder kann auf der Primärseite nur maximal eine Spannung in der Höhe der Versorgungsspannung auftreten ?

Was ich noch nicht verstanden habe ist:

Warum brauche ich auf der Primärseite keine Freilaufdiode ? Kann nicht nach der Lentzschen Regel dort doch eine selbstinduktion auftreten oder geschieht das nur nicht, weil die Magnetfeldenergie von der Sekundärseite aufgefangen wird ?

Was passiert in der Totzeit, also dort wo der Transistor/FET sperrt, ist das beim Sperrwandler egal, wie lang die ist und übertrage ich in dieser Zeit nur einfach keine Energie ?

Vielen Dank noch einmal und im Vorraus für eure Antworten

[waste]

Leider habe ich bis jetzt, obwohl ich schon im 5ten Semester Physik studiere, noch nicht wirklich den Unterschied zwischen einem Vollbrückengegentakttrafo und dem Sperrtrafo erkannt

Der Vollbrückengegentakttrafo ist ein normaler Trafo, die Ströme fließen gleichzeitig in der Primär- und Sekundärwicklung. Der Sperrwandlertrafo ist ein Speichertrafo, da fließt während der On-Phase des Transistors nur in der Primärwicklung ein Strom. Die Energie wird im Magnetfeld gespeichert. Während der Off-Phase des Transistors fließt dann im Sekundärzweig der Strom. Daher braucht ein Sperrwandlertrafo vom Prinzip her schon einen Luftspalt oder einen entsprechenden Kern um die Energie zu speichern.

b) der Kern kann in die Sättigung kommen, wobei ich dann praktisch gesehen nach der Sättigung eine Luftspule hätte, in der der Strom sehr schnell ansteigt. Kann ich das nicht mit einem Sensingresistor abfangen ? Der dann einfach über den L297 einen "chop" durchführt ?

Die Größe des Kerns muss natürlich so gewählt werden, dass keine Sättigung auftreten kann. Das hängt von der übertragenen Leistung ab. Üblicherweise wird bei einem Sperrwandler von der Sekundärseite zurück zur Primärseite geregelt. Ich kenn jetzt deine Anwendung nicht, ob das nötig ist. Notfalls reicht eine Stromregelung auf der Primärseite aus, das könnte dann auch ein L297.

c) auf der sekundärseite sollte ich wegen hohen Spannungsspitzen wohl eine Z-Diode in Sperrrichtung paralell zum Brückengleichrichter einbauen, welche eine Durchbruchspannung von der Größenordnung des Kondensators (zum anschließenden Glätten der Spannung) hat.

Beim Gegentaktwandler braucht es keine Z-Diode, da treten sekundär keine höheren Spannungen auf. Beim Sperrwandler könnte eine Z-Diode nötig sein, wenn nicht geregelt wird. Dafür braucht es beim Sperrwandler keinen Brückengleichrichter, der würde nur Verluste verursachen.

d) auf der Primärseite könnte ich einfach einen ttl-Mosfet nehmen, welcher den Stromfluß schaltet. Muß ich da auch irgendwelche Spannungspitzen achten ? oder kann auf der Primärseite nur maximal eine Spannung in der Höhe der Versorgungsspannung auftreten?

Gerade an der Primärseite treten die Spannungsspitzen auf. Wegen dem Luftspalt ist mit relativ großer Streuinduktivität und damit auch mit großen Spannungsspitzen zu rechnen. Bei dem Gegentaktwandler reichen Freilaufdioden aus, um die Spannungspitzen abzufangen. Bei dem Sperrwandler tritt prinzipbedingt schon eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung in der Off-Phase an der Primärwicklung auf. Hier ist eine spezielle Schutzschaltung ratsam, die eine Begrenzung auf möglichst hoher Spannung durchführt, damit sich die Energie der Streuinduktivität möglichst schnell abbaut. Das verbessert den Wirkungsgrad.

Warum brauche ich auf der Primärseite keine Freilaufdiode ? Kann nicht nach der Lentzschen Regel dort doch eine selbstinduktion auftreten oder geschieht das nur nicht, weil die Magnetfeldenergie von der Sekundärseite aufgefangen wird ?

siehe vorherige Antwort

Was passiert in der Totzeit, also dort wo der Transistor/FET sperrt, ist das beim Sperrwandler egal, wie lang die ist und übertrage ich in dieser Zeit nur einfach keine Energie ?

Die Zeit sollte so lang sein, dass sich die gespeicherte Energie in den Sekundärkreis abgebaut hat. Diese Off-Phase ist normalerweise mindestens solang wie die On-Phase. Ist sie zu kurz, so integriert sich die Restenergie auf bis sie irgendwie begrenzt wird, was nicht sehr effektiv ist.

Grundsätzlich wäre es von Interesse zu wissen, was du genau vor hast und um welche Leistung und Spannung es sich handelt. Dann könnte man gezielter darauf eingehen.

Waste

[drylemon]

Danke, für Deine Antworten Waste, die haben mir beim Verständnis wirklich um einiges weiter geholfen

Bei meinem Projekt geht es um ein Geburtstagsgeschenk für meine Freundin (die steht nämlich total auf Lichter und Lampen) und es handelt sich dabei um eine drehende Plexiglasscheibe mit 3000UPM, auf der ich über Dioden die Uhrzeit, Text, ein Herz etc. anzeigen möchte.

Am Anfang wollte ich am Rand in die Plexiglasscheibe Permanentmagnete einlassen und über Spulen in einem Rahmen einen Motor zum drehen der Platte bauen und den Strom per Luftspule (ebenfalls im Rahmen) auf die Plexiglasscheibe übertragen. Nach einigem Stöbern im Internet habe ich dann auch den passenden Namen dafür gefunden,... eine Propeller Clock.

Naja,... ist schon komisch, dass so viele Leute immer auf die gleiche Ideen kommen müssen
Leider habe ich bei so Sachen immer den Ergeiz es nicht einfach nur nachzubauen und mir keine Gedanken zu machen, ich möchte gerne alles Verstehen und es anschließend verbessern.
So hoffe ich die Plexiglasscheibe jetzt mit einen Brushless-PC-Lüfter mit 5W an 12V auf Turen zu bekommen.
Auf einigen Seiten wurden dann auch solche Luftspulen gebastelt, welche aber wegen einer effizienz von nur ca. 40% nicht wirklich aktzeptabel sind.

Alles in allem sollen später auf die Platte 16 rote und 16 blaue LED's, ein ATmega8, 4*ULN2803A, 4*74HC595, eine kleine RC5 decoder Diode und eine Lichtschranke zur Positionserfassung.

Ich Rechne momentan mit 9V Sekundär, für den Spannungsregler und 1A.

[waste]

Hallo drylemon,

der Schalenkern 14,4x7,5 wird für eine Leistung von 9W nicht ganz ausreichen. Es sollte schon ein Kern mit mindestens 22x13 sein, besser noch größer, weil die Kopplung nicht ideal ist. Ich bin mir auch nicht sicher, ob die magnetische Kopplung bei deiner Konstruktion mit den Schalenkernen besser ist als bei ineinander gesteckten Zylinderspulen. Vom Gefühl würde ich eher den Zylinderspulen eine bessere Kopplung zusprechen. Aber um das herauszufinden muss man es wohl ausprobieren oder berechnen. Zur Berechnung gibt es Programme, die mit der Finite-Elemente-Methode arbeiten, z.B. QuickField oder FEMM. Die Berechnung wäre doch eine interessante Aufgabe für einen angehenden Physiker.

Noch eine Anmerkung zu den Wandlern. Beim Gegentaktwandler stellt sich der Strom nach der Last ein, da bräuchtest keine Stromregelung auf der Primärseite. Das ist so wie bei einem Netztrafo.
Bei dem Sperrwandler wird normalerweise über die Sekundärseite das Tastverhältnis geregelt, was aber bei der Konstruktion etwas aufwändig wird. Notfalls könntest den Strom primär auf den Maximalverbrauch einstellen oder regeln, was aber bei geringerem Stromverbrauch unnütz Leistung verbrät. Aus dieser Sicht wäre ein Gegentaktwandler wirtschaftlicher.

Waste