Sperrwandler Trafo ausrechnen...

    Moin.
    Bin nicht sicher, ob das hierher gehört, aber ich finde keine bessere Rubrik.


    Kann mir jemand einen heissen Tipp geben, wie man einen Sperrwandler-Trafo ausrechnet / dimensioniert ?


    Zu entwickeln ist ein SMPS mit einem Eingangsbereich von 90V bis 264V.
    Ausgang: 12V, 5A
    Das sind 60 W bei einem Wirkungsgrad von 80%. Macht eine Gesamtleistung von geschätzten 72 W. PFC brauche ich nicht. Ich hab ein Steuer-IC ausgesucht, das mit 70 kHz arbeitet. Und jetzt...muss ich die Daten für den dämlichen Übertrager rausfinden.


    Ich googele und klicke schon seit 3 Tagen durch die Gegend. Mittlerweile hab ich die zwanzigste Wissensquelle für das Dimensionieren eines Sperrwandler-Trafos durch - und das zwanzigste Ergebnis. Teilweise widersprechen sich die Ergebnisse gegenseitig.
    Ich hab nun mal keine Erfahrung mit Schaltnetzteilen!
    Grrrrr. Es gibt soviele Parameter...die teilweise angenommen oder geschätzt werden müssen.


    Ich verzweifele gerade. Gleich macht's *bumm*, und ich platze! ;(

    Der gute Herr Schmidt-Walter...


    Das ist echt eine informative Seite...und so ziemlich die Standardantwort auf alle Fragen in allen Foren, die nur ansatzweise mit Schaltnetzteilen zu tun haben. Das Berechnungsformular auf dieser Seite spuckt ja auch ein Ergebnis aus;
    leider lässt sich nicht nachvollziehen, wie es dazu kommt.
    Das große Problem ist auch, daß dieses Ergebnis mit mindestens einem der 19 anderen, die ich ausgerechnet hab, in Widerspruch steht.


    ?(


    Es wäre toll, wenn es hier jemanden gäbe, der schon praktische Erfahrungen mit dem Entwurf eines Schaltnetzteils gemacht hat und mir sagen könnte, wie man vorgeht...welche Eckdaten man annehmen, aus Datenblättern entnehmen, schätzen oder berechnen muss.
    Hier wären also Erfahrungswerte gefragt... :(

    >welche Eckdaten man annehmen, aus Datenblättern entnehmen, schätzen
    oder berechnen muss.


    Maximale Magnetisierung im Auge behalten, beim Sperrwandler so viel Luftspalt, dass er die Energie auch speichern kann - aber soweit warst Du vermutlich selbst ;)
    Die größte Macke der (Online-)Tools ist, dass sie häufig nicht korrekt mit Umin, Unenn und Umax umgehen, und davon hängt ja nun mal eine Menge ab. Und ob netterweise noch die Toleranzen nach EN eingerechnet werden. Und ob Umin, Umax, die Mitte oder ein explizit einzugebendes Unenn für Simulation usw verwendet wird.
    Beim Schmidt steht in der Hilfe, wie und warum er rechnet, wie er rechnet. Je nach Anbieter werden vielleicht noch verschiedene Magnetisierungshübe gerechnet, eine andere Schwelle für diskontinuierlichen Betrieb usw. Daher sind Abweichungen normal.


    Ich hatte bisher das Glück, Trafo und Energiespeicher (sprich: Drossel) separat aufbauen zu können, demzufolge habe ich noch keinen Sperrwandler dimensionieren müssen.


    Probieren wirs mal mit dem Schmidt:
    Umin 125V Umax 374V
    Uaus 12V Iaus 5A


    Lprim soll 1,75mH sein. Wie weit weichen die anderen denn davon ab?
    Wenn Du das bauen solltest, würde ich zwei ETD29 Hälften mit nem 0,5er Spalt nehmen, sind zwar ein paar Windungen mehr als bei 0,5mm Gesamtspalt (119 statt 94), aber der Hub von 211mT wäre mir sympathischer, 269 liegt mir zu dicht and er magischen 300mT-Grenze.
    Aber anhand des AL-Wertes noch prüfen, welchen 29er-Kern der Schmidt da wohl in seiner Tabelle hat, ich würde auf N67 tippen, könnte aber auch N27 oder N87 sein - hab die Zahlen nicht im Kopf.


    Am Ende wird sowieso fast kein Schaltnetzteil ausschliesslich theoretisch dimensioniert, spätestens wenns an die EMV geht, wird doch noch mal der eine oder andere Snubber gebraucht etc.

    Zitat

    Original von shaun
    >welche Eckdaten man annehmen


    Ein Sperrwandler muss ja wärend eines Zyklus alle elektrische Energie "magnetisch zwischenspeichern" ohne in die Sättigung zu geraten.
    Ich denke, hier müssen die unteren Grenzwerte gerechnet werden, wobei in der Praxis ausreichend Tolleranz und Reserve einkalkuliert werden sollten.


    Ich habe dies bei meinen Entwicklungen immer so gehandhabt (kein Bauteil wurde so heiß, dass ich mir die Finger daran verbrenne), und Ausfälle gab es nur durch grobe äußere Einflüsse.


    Ich denke, bei dieser Prüfungsaufgabe geht es in 1. Linie um die Umrechnung von elektrischer in magnetische Energie, also Magnetkerne mit all den komplexen Zusammenhängen von µ0, µr usw., was ich in meiner Ausbildung auch immer gehasst habe. :D :D ;)


    Gruß Uwe

    Es ist egal, wo die Werte herkommen, denn sie stimmen. Als Entwickler kann man das 1:1 so übernehmen und das Netzteil wird funktionieren.


    Der Sperrwandler lädt je Zyklus die Energie in den Wandlertarfo und gibt sie dann im Sperrzyklus mit negativer Spannung beim Entmagnetisieren auf die Sekundärseitze ab. Daher sind die Wicklungen auf der Sekundärseite auch anders gepolt. Über die Ausgangsleistung und W=1/2LI^2 sowie die gewünschet Schaltfrequenz ergibt sich die Energie pro Zyklus.


    Zu beachten sind die Betriebsarten kontinuierlich oder lückend. Wenn es beim Schaltglied nicht auf ein paar cent ankommt, würde ich die lückende Betriebsart wählen. Lückgrenze ist dann bei Vollast+Reserve gerade noch nicht erreicht. Die Dauer der Entmagnetisierung hängt von dem Übersetzungsverhältnis ab. Primärseitig muss Zeit genug sein, auch bei geringster anzunehmender Eingangsspannung den Kern magnetisiert zu haben. Hieraus lässt sich dann die Induktivität berechnen. Ein gutes und einfaches Steuer-IC ist der UC3842. Für die Anlaufschaltung einen hochwertigen Widerstand benutzen, sonst fällt dieser aus. Es gibt Spezial-ICs mit eingebautem Anlauf, diese sind aber immer nur kurzzeitig erhältlich.

    Und nur kurzzeitig funktionsfähig :) Gegen Netztransienten ist ein Hochohm-R halt besser gewappnet als eine Micrometer-MOS-Struktur. Is so.


    Die Werte basieren IIRC auf der Annahme, lückenden Betrieb nur bis 50% Pmax zuzulassen. Wie gesagt, Sperrwandler waren nie meins. Der letzte, an dem ich mal dran war, hatte ganz seltsame Abstrahlungen, ein hart geschalteter Halbbrückenwandler war da flauschiger, nur Peaks bei n*fs, der Sperrige hatte noch seltsame Resonanzen. Man sollte Elektronik in den eigentlichen Pausenzeiten halt nicht arbeiten lassen ;)

    Man sollte den Übergang lückender Betrieb zu kontinuierlichem Betrieb möglichst vermeiden, weil man sonst beim Regler faule Kopmpromisse eingehen muss. Die Polstellen sind im kont. Betrieb völlig anders.


    Im lückenden Betrieb lässt sich schön einfach bestimmen, dass die pro Schaltzyklus überteragene Energie 1/2LI^2 ist. Dabei bietet sich ein current-mode Regler an (wie der UC3842...). In Verbindung mit dem ausgansseitigen Siebelko ergibt sich damit ein weitgehend linearer Regelkreis mit einer vernachlässigbaren Totzeit. Oft wird die Spannung noch über einen Optokoppler und TL431 auf der Sekundärseite gemessen und der 3842 nur als P-Regler beschaltet. Diese Schaltung ist völlig betriebssicher und weist gute Eigenschaften auf.


    Im Kontinuierlichen Betrieb sind die Verluste etwas geringer (Spitzenströme sind kleiner im Verhältnis zum Mittelwert der Ströme), aber das macht nur bei hohen Leistungen was aus - und da sind eh Resonanzwandler oder Gegentakt-Flußwandler zu empfehlen.

    Frank, so wie Du das schreibst muss ich vielleicht auch mal wieder in die Richtung schnuppern. Ich habe ja schon 15W-Wandler als Halbbrückenwandler gebaut (18-40V in, 2x8V out), aber so langsam wird es echt mal Zeit, die zweite Induktivität wieder loszuwerden ;)
    Die Vorzüge des lückenden Betriebes sind natürlich schlagende Argumente, müsste man noch mal durchrechnen, ob das mit den genannten Werten hinkommt.

    Erst mal Dank an alle Antwortschreiber! :)


    Das UC3842 hatte ich im Auge, ist mir aber zu "alt". Im Hinblick auf die Aufgabe sollte es wohl ein aktuelleres IC sein.
    Nach langem Gewurschtel bin ich bei Fairchild fündig geworden und habe mich für so einen Power Switch (FSDM07652) entschieden. Dafür gibt's auch massenweise application notes...
    Mit Hilfe solch einer application note habe ich das Ganze jetzt mal durchgerechnet und komme auf folgende Werte:
    Lprim = 420 mH
    Übersetzungsverhältnis: 7,56
    Für die gleichen Variablen spuckt der Schmidt-Walter was völlig anderes aus: Lprim = 1,7 mH, Übersetzungsverhältnis: knapp 20!


    *ratlos*


    Da ich aber so ein Fairchild-IC benutzen will, sollte ich mich wohl an die Werte halten, die von der entsprechenden application note geliefert werden...?
    Glücklicherweise gibt es bei Fairchild ziemlich viel Stoff für dummies wie mich inklusive kompletter Schaltungen plus Layout... :baby:

    Ohoh. Wenn Du so ein hochintegriertes Teil einsetzt, sind bei der Dimensionierung lt. Appnote ggf. schon Erfahrungswerte und Voraussetzungen im Bereich des Trafos eingearbeitet, die Du doch wohl eigentlich selbst herausarbeiten solltest, oder?
    Die Werte sind schon krass, bei Uin=90VAC (also irgendwas bei 125VDC am Elko) und 1:20 Wicklungsverhältnis kommen mir Zweifel.
    Dass die Induktivität vermutlich von den 1,7mH abweichen wird war an dem Punkt klar, als Frank die Vorzüge lückenden Betriebs noch einmal hervorhub.


    Was hast Du eigentlich genau für eine Aufgabe? Verrennst Du Dich oder ist er Aufgabesteller ein bisschen blöd? Warum sollte man ein eher teures Boutique-IC mit integrierem HV-Schalter nehmen, welches ehrlich gesagt auch alles andere als modern ist, wenn der 3842 in seinen Derivaten bestens dokumentiert, überall und billig verfügbar ist und Spielraum in der Auslegung des Leistungs-MOSFET lässt? Man kann direkt dran messen und muss nicht von der Drainkurvenform auf Interna schliessen.

    Die Aufgabe heisst: Schaltnetzteil mit den genannten Daten entwerfen.
    Plan: Es sollte *funktionieren*. Ich muss nicht unbedingt haarklein erläutern, wo die errechneten Werte für die Dimensionierung der Bauteile herkommen, aber so ein Online-Formular, das mir irgenwelche Daten vor die Füße wirft, ist auch problematisch.


    So teuer ist das IC doch gar nicht.
    Ich tendiere deshalb zu so nem IC, weil der Aufgabensteller wohl eine Vorliebe für Fairchild hat, die Schaltung so klein wie möglich sein soll...und weil es bei Fairchild - wie gesagt - Anleitungen für dummies gibt. 8)

    Seltsame Aufgabe. Die Schaltung muss soweit verstanden werden, wie es das Datenblatt eines Single-Source-IC hergibt, die Berechnung darf sich komplett auf die IC-Hersteller-Angaben stützen, aber dann muss ein Trafo, den man von der Stange optimiert kaufen kann speziell angefertigt werden. Denn: wirklichen Spielraum gibt so ein IC beim Trafodesign nicht, und bei so einer Allerweltsforderung wie 12V 5A dürfte jeder Fertigtrafo günstiger und besser sein als etwas gesondert Angefertigtes.

    Guten Morgen.
    Vielleicht gibt es den Trafo, den ich (hoffentlich) mehr oder weniger ausgerechnet haben werde, auch schon fertig bei irgendeinem Hersteller.
    Um die Kosten muss ich mir an dieser Stelle keine Gedanken machen. Du weißt ja wie das ist, wenn es sich um *öffentliche* Mittel handelt: Nur raus damit... :evil:

    Noch ne Zwischenfrage:
    Nur falls sich jemand die Mühe machen will, sich in meinen Ansatz reinzudenken, was ich ja kaum verlangen kann... ;(


    Zur Berechnung des Drahtdurchmessers hab ich mir folgendes ausgedacht:
    Als Richtwert für die Stromdichte S nimmt man 5 A/Quadratmillimeter, also S=I/A.
    Die Fläche A ist kreisförmig, also PI * Radius_Quadrat. Der Radius ist die Hälfte des Durchmessers d. Den Durchmesser suche ich ja.
    Dann wurschtel ich das alles zusammen und löse nach d auf.
    Den durch den Draht fließenden Strom hab ich vorher ausgerechnet (8,65 A).
    Nach diesem Ansatz krieg ich nen Durchmesser von 1,48 mm für die betreffende Windung raus. Das hat zur Folge, daß der verfügbare
    Raum für den Draht in dem von der application note vorgeschlagenen Kern nicht ausreicht. Und zwar bei weitem nicht! Ich bräuchte etwa 8 Mal soviel Platz.


    Was mache ich jetzt nur wieder falsch ???
    ?(