Ripple-Strom von Elkos

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Hi Leute,
ich bin dabei, einen 5V/10A 150kHz Schaltregler zu bauen. Es ist ein
simpler Drossel-Abwärtswandler.
Als Ausgangskapazität dachte ich an ca. 2000µF.
Beim Suchen von passenden Elkos bin ich auf die Rippelstromangaben
gestoßen.
Ein guter 1000µF-Kondensator (6,3V) hat da um die 1000mA bei 100kHz.

Was sagt mir das? Ist das viel zu wenig für meine Anwendung, wenn ich
zwei davon nehmen würde?

Was sagt dieser Ripplestrom eigentlich aus?

Michael

Re: Ripple-Strom von Elkos
Michael Rübig schrieb:

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Nix wirklich wildes.


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Ob das reicht hängt vom ESR der Elkos, der Dimensionierung der
Speicherdrossel und dem maximalen Ripple der 5V ab.


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Na der Elko wird abwechselnd geladen und entladen, das ist also ein
Wechselstrom, der da durch den Elko fließt. Auch für Elkos gilt dann
P=I(eff)^2*ESR und irgendwann verglüht der Elko.


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Ohne genauere Daten deines Wandlers kann man das nicht sagen. Nenn mal
noch Eingangsspannung und vorgesehene Speicherdrossel, sowie den max.
Ausgangsspannungsripple.


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
hi,

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Die Speicherdrossel wird übel groß, ansonsten gehts.

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Hab mal gerechnet, ich denke, ich brauche doch mehr. Ich gehe jetzt mal
von 6000µF aus.


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Ahja. Den effektiven ausgangsseitigen Elkostrom auszurechnen ist nicht
ganz trivial. Aber offenbar ist die Ausgangsseite sowieso weniger das
Problem.
Ich habe in der Drossel einen Stromrippel von ca. 5App. Effektiv sind
das dann ca. 2A. Kann ich das so ansetzen für die Elko-Auswahl?
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Eingangsspannung max 35V, im Regelfall 28V. Speicherdrossel: 10µH oder
mehr, falls platzmäßig möglich.

Ausgangsspannungsrippel, hmm, den muss ich noch definieren. Bei 6000µF
sind es max. 0.1V (überschlagsmäßig).

Michael


Re: Ripple-Strom von Elkos
Michael Rübig schrieb:

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Groß? Ein T106-18 Kern ist schon sehr üppig dimensioniert, wenn nicht
der Wirkungsgrad im Vordergrund steht mach ich das auch mit einem
T80-18.

 
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Kreuzlahme Elkos? Du hast bei 10uH einen I(eff) von ca. 1A.

 
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Nicht trivial? Naja, Integralrechnung sollte man schon können, aber das
sind doch (in erster Näherung) triviale Funktionen.


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Wie kommst du auf den Wert?


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Dann nimm halt einen T106-18 mit 24 Windungen 4xCuL0,8, oder ist das zu
groß?

 
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Wie hast du das berechnet? Ich komme mit einer 30uH-Drossel (s.o.) und
einem geeigneten 1500uF Elko auf <100mV, mit Sekundärfilter
(T80-18/10Wdg./100uF) sind das sogar <<30mV. (und das jetzt aus dem
Bauch berechnet, ist ja schon spät).


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
Hi,
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Der Wirkungsgrad steht im Vordergrund.
Den T106-18 hatte ich auch rausgesucht. Allerdings hab ich den als
grenzwertig betrachtet.
Ich hab sogar eher zum T130 tendiert.

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http://www.elektroniknet.de/topics/bauelemente/fachthemen/2003/0015 /
mit dieser Formel hab ich das nötige L ausgerechnet. Da komme ich bei
35V auf eine Spule von 10µH. Der Ripplestromfaktor ist da mit 0,3
angenommen. Da bin ich dann von ca. 7-13A ausgegangen.
Um großzügig zu dimensionieren hab ich mir den Kern so rausgesucht, dass
er bei ca. 15A sättigt. Und da war der T106 schon knapp. Zumindest ist
die Permeabilität um über 20% zurückgegangen.
Tatsächlich hab ich mich wohl vertan und der Ripplestrom ist nur
zwischen ca. 8,5A und 11,5A, was das ganze deutlich freundlicher
aussehen lässt.

Gute Elkos von Sanyo haben ca. 1A bei 1000µF. Gibts bessere? Die MTBF
sollte auch möglichst hoch sein und 105°C ist Pflicht.
Also würden am Ausgang 2000µF-3000µF ausreichen.
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Wenn man den ausgangsseitigen Elkostrom dem Ripplestrom in der
Speicherdrossel gleichsetzt ists doch trivial, ok.

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Frag ich mich grad auch.
Tastverhältnis grob: 1:6

An-Zeit bei 150kHz -> 1µs

dI=U*dT/L = 35V*1µs/10µH = 3,5A -> Effektiv ca. 1,5A oder?
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moment, das sind 40µH, oder?
der Kern hat 70nH/N²
Ich komme auf 12 Windungungen für 10µH.

Irgendwo gabs eine Graph, ich finde ihn grad nicht, der die Sättigung in
Abhängigkeit von Strom und Windungszahl angibt. Und da war ich beim T106
bei 12 Windungen und 10A bei über 10% gesättigt (also Permeabilität um
mehr als 10% gefallen).
24 Windungen wären dann ja noch schlimmer.

http://www.micrometals.com/images/curves/DCpercentmagforce02.GIF

ich glaube, der wars. Hab die Unterlagen aber leider im Geschäft.
Und wie ich das berechnet habe, weiß ich auch nicht mehr.

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war wohl gestern abend nicht mehr ganz fit. weiß es nicht mehr.
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Die Eingangsseite macht mir auch noch etwas Bauchschmerzen, da das ganze
bis auf 9V runter funktionieren soll. Am Eingang hab ich den größeren
Rippelstrom im Elko.

Das ganze dann noch bei bis zu 100°C Umgebungstemperatur.
Aua.

Michael


Re: Ripple-Strom von Elkos
Michael Rübig schrieb:

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Wie stark?


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An den Kernverlusten ändert das nur wenig, du kriegst halt mehr Kupfer
drauf.


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Und? Solche Pauschalformeln kann ich überhaupt nicht leiden, die
suggerieren, dass man es _so_ machen müsse. Es ist immer besser die
Zusammenhänge _richtig_ zu verstehen, dann kann man die Dimensionierung
auch dem konkreten Problem sinnvoll anpassen.


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Macht doch nichts, das muss man halt beim Berechnen berücksichtigen.


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Naja, man kann welche mit Festkörperelektrolyt nehmen, sind aber affig
teuer.



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Bei H=0 schon, hast du aber nicht.


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13Wdg., s.o..

 
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Weshalb schlimm?

 
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Schau mal bei Micrometals nach dem Graph für Speicherenergie vs.
Amperewindungszahl für das -18er Material.

 
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Wie groß ist denn der Innenwiderstand deiner Spannungsquelle? Auch die
Zuleitungslänge darf man nicht vergessen.

 
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Hoppla! Wo soll das denn eingesetzt werden? Mach dich schon mal mit dem
Gedanken vertraut bei den div. Hrstellern nach 125°C Low-ESR-Elkos zu
betteln.


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
Hi,
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Sehr stark. Das Gerät ist ca. so groß wie ein 1l Tetrapack und braucht
insgesamt bis ca. 50W. Die Wärme wird ausschließlich über das
Aluminium-Gehäuse abgegeben. Da sollte ich an jedem Watt sparen.
Umgebungstemperatur bis 85°C.

Ob das überhaupt geht, wissen wir noch nicht, sind noch ziemlich am
Anfang und ich bin jetzt erst frisch zu dem Projekt dazugekommen.

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.. und mehr Induktivität, weniger Rippel, ...
weniger ohmsche Verluste, weniger Verluste im Elko und mehr Reserven.
Mehr als 2W will ich in der Speicherdrossel keinesfalls verlieren.

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Ich hab das Ergebnis als Minimum angesehen. Für mich ist weniger Rippel
auch erstrebenswert. Allerdings hab ich nur 15mm Bauhöhe zur Verfügung
und ansonsten auch nicht viel Platz.

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Dann wird der Rippel aber wieder größer.

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Kannst mir mal Hersteller nennen?

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Irgendwie fehlt mir da noch etwas Wissen. Deshalb wurde auch Literatur
bestellt, ist aber noch nicht da. Muss nochmal die Graphen aufmerksam
durchschauen und mir ne Formelsammlung für den magnetischen Kreis
zusammenstellen.

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Dann sättigt er bei gleichem Strom mehr.
Oder hab ich da was falsch verstanden.

Aber ok, wäre zu überlegen, dafür hab ich ne viel höhere Induktivität,
da muss er weit sättigen, bis ich wieder auf 10µH unten bin.

Gibts durch die Sättigung erhöhte Verluste im Kern?

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Ich mach am Montag weiter, jetzt ist erst mal WE.
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Aus EMV-Gründen darf da kaum ne Stromänderung drin sein. Es muss
eigentlich fast alles aus dem Eingangselko kommen.

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Da hab ich im Netz wenig gefunden. SMD muss es auch noch sein.

Es ist ein Gerät für Luftfahrzeuge. Die 5V versorgen ein kleines
Rechnerboard mit 800Mhz mobile Celeron + Peripherie.

Michael


Re: Ripple-Strom von Elkos
Michael Rübig schrieb:

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Wilde Sache, so Pi*Daumen gibt das schon 100°C Oberflächentemperatur.

 
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Mit dem T106-18 gibt das so ca. 1W (Kern+Kupfer), sofern man HF-Litze
nimmt und den Kern füllt.


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Das wären 1,6uH, aber die armen Elkos......



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Ich hab bisher nur die OS-Con von Sanyo verbaut, allerdings THM.

 

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Die Hystereseschleife umschließt schon eine größere Fläche, aber die
Kernverluste sind da noch recht gering. Wenn du dich der
Sättigungsgrenze näherst wirds allerdings schnell mehr.


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Naja, das wird die übliche Eingangsschaltung, allerdings mir einem
kleinen Elkograb.


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Hmm..., ein Celeron bei der Temperatur?


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
Hi,
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Ich habs nicht ausgelegt und bin auch noch skeptisch. Wir werden nächste
Woche mal erste Wärme-Versuche mit dem Gehäuse machen.
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Mach HF-Litze bei 150kHz schon viel aus? oder reichen vielleicht 4 Drähte.
Was bedeutet "Kern füllen" ?

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Ja, ok, dass weniger geht, war mir auch klar, aber das war für mich die
Untergrenze.

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Ok, danke, werde ich mal schauen. THM?
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Tja, was ist diese Grenze? Manche Quellen sprechen von 10% weniger
Permeabilität.
Aber das kanns ja nicht sein.
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grummel. Das passt mir aus anderen Gründen wieder nicht. Muss mal noch
mehr Infos sammeln und wieder rechnen (am Montag).
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Das Celeron-Die darf laut Datenblatt 100°C haben. Die maximale
Verlustleistung liegt bei ca. 15 Watt (worst case). Der Celeron wird
direkt ans Gehäuse angebunden. Dass es eng wird, weiß ich.

Michael


Re: Ripple-Strom von Elkos
Michael Rübig schrieb:

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Bei 150kHz hast du nur noch eine Endringtiefe von knapp 0,2mm. Draht mit
mehr als 0,5mm ist dann Platzverschwendung auf dem Kern, das macht man
nicht wenns eh knapp hergeht.


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Na den Kern richtig vollwickeln, drauf was Platz hat.


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Through Hole Mount, nix SMD eben.


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Kommt aufs Material an, da muss man halt Datenblätter lesen.


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Da bin ich mal gespannt, berichte doch mal bei Gelegenheit.


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
Hi,
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Das mit der Eindringtiefe. Wo kann ich sowas nachlesen? Oder gibts ne
einfache Formel, ne Tabelle oder ähnliches als richtwert?

Michael


Re: Ripple-Strom von Elkos
Michael Rübig schrieb:

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Freund Google antwortet auf die Frage nach dem Skineffekt mit:
http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2002/0207/15KapC.pdf

Im Tietze-Schenk ist auch ein Diagramm bis 140kHz.


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
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Daumenregel: Bei 50 Hz  und Kupfer 1 cm. (Das ist die Tiefe, in der
der Strom auf 1/e abgesunken ist).
Nimmt mit Frequenz und Leitwert (und magnetischer Permeabilität)
unter der Wurzel ab. Bei 150 kHz also 10mm * sqrt (50/150'000)
= 0.18 mm.
Silber ist so eine Sache, leitet besser, hat aber stärkeren
Skineffekt...

--
mfg Rolf Bombach


Re: Ripple-Strom von Elkos

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Sollte man da u.U. ueber die Verwendung von Silberdraht nachdenken?

 Gerrit

Re: Ripple-Strom von Elkos
Gerrit Heitsch schrieb:

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Naja, die Leitfähigkeit von Silber ist nur 10% besser als die von
Kupfer, das lohnt sich bei dem Wackelstrom noch nicht. In der HF-Technik
macht mans auch ehr wegen der Kreisgüte und bei den Frequenzen ist ja
nur noch eine dünne, aufgalvanisierte Schicht nötig.


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
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Hier sollte man dazuschreiben, daß bei einer Drossel der Skineffekt
natürlich nur auf den Ripplestrom wirkt, der Gleichstrom bleibt davon
unbeeindruckt.

Rick

Re: Ripple-Strom von Elkos
Rick Sickel schrieb:

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Ja, das ist natürlich richtig. Wenn Michael eine genügend große
Induktivität verwendet macht die Verwendung von HF-Litze nur recht wenig
aus.

Ergänzend noch:
Die Kernverluste hängen in erster Hinsicht ja auch nur vom
Wechselstromanteil ab, durch Gleichstromvormagnetisierung werden sie
dann aber größer.


Gruß Dieter

Re: Ripple-Strom von Elkos
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Kann man so nicht sagen, haengt von der Drossel ab. Wenn die so
gross ist, das die Stromaenderung in jedem Taktimpuls < 1A ist,
reicht es. Aber du wirst eine kleinere Induktivitaet haben wollen,
also Elkos fuer mehr Ripplestrom (also noch niedrigerem ESR).
Wie viel uF haengt von Rippple SPANNUNG ab, und die kannst du dir
aussuchen (na gut, 0.5V sind ein bischen viel).

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Durch den ESR erwaermt der Ripplestrom den Elko,
bei 1000mA um genau den Wert, das er innen maximal heiss wird (105GradC)
wenn aussen irgendeine Temperatur anliegt (70GradC ?).
Und wenn der Elko innen 105GradC hat, hat er eine Lebensdauer
laut Datenblatt (1500h?).
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff /
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