Blitz

[micha2]

Da mich die Wirkungsgradangaben zu den (einfachen) Gegentaktwandlern hier etwas irritieren, habe ich mal die Theorie betrachtet:

http://www.untertage.com/1-mk2/Wirkungsgrad.htm

Wer diese Interpretation ablehnt, mag sich u.a. hier schlau machen:
http://www.hcrs.at/KOND.HTM

Diese Betrachtungen decken sich mit meinen Laborversuchen. Selbst mit einer fremdgesteuerten Mosfetschaltung (Rdson < 0,008 Ohm), extrem schnellen und niederohmigen Treibern, einem niederohmigen und streuarmen Trafo und ultraschnellen Gleichrichterdioden bin ich mit dieser Wandlertopologie nie über 43% Wirkungsgrad rausgekommen...

Sollte mich hier jemand eines Besseren belehren bzw. mir meine Denkfehler aufzeigen: Ich wäre dankbar!
(Der Kasten Bier ist Ihm gewiss)

Micha2 Krumrei
mkrumrei@untertage.com

[Wilm]

Gehen wir die Sache mal von einer anderen Sichtweise an:

Um 10.000µF auf 360 Volt zu laden benötigen wir laut Deinem Rechenbeispiel 12 Sekunden.
Damit haben wir in dem Kondensator 648 Joule an Energie gespeichert. Der Ladestrom soll konstant sein, in diesem Fall 0,3 Ampere.

Und hier ist der Knackpunkt der Theorie:

Die 360 Volt an den Kondensatoren entsprechen dem Effektivwert Ueff. Die Scheitelspannung unserer Wechselspannung beträgt aber nach den geltenden Formeln U_Scheitel = U_eff* Wurzel 2 = 360V * 1,4142135 = 509,1169 V_spitze.

Diesen Wert müssen wir annehmen, da wir auch für die Primärspannung die Scheitelspannung (12 V ) annehmen. Damit ergibt sich Pzu = Pab.

Vorraussetzung hierfür war die Maßgabe einen idealen Übertrager zu haben und keine Spannungsabfälle an der Graetz-Schaltung zu haben.

Im gleichen Sinne verhält es sich aber auch mit dem Strom. Unsere ungeglättete Gleichspannung hat nämlich keinen konstanten Ladestrom vom 0,3A, sondern ein um die Wurzel 2 verringerten Wert, nämlich nur 0,21213A effektiv. Nehmen wir nun das Übersetzungsverhältnis von 30:1 an, dann beträgt der primäre Strom nicht 9 Ampere, sondern 6,36396A_eff bei einer Effektivspannung von 8,48528V. Rechne mal nach und schon bist Du bei theoretischen 100%.

Das Übel Deiner Herleitung liegt einfach daran, dass man Effektivwerte mit Scheitelwerten vergleicht.


Glückauf !
Wilm

[micha2]

Die Betrachtungen siehe Bild 2 und 3 sind völlig unabhängig vom Trafo und der Spannungsform.

[JCF]

Hallo Micha2,

ich habe im Moment leider keine Zeit das alles im Détail nachzuprüfen (wird aber nachgeholt denn diese Überlegungen sind spannend), aber es erinnert mich an die Idee, die mich zum Sperrwandler geführt hat.

Man kann zeigen (es ist nicht schwer) dass beim Laden eines Kondensators über einen Widerstand (der Innenwiderstand der Spannungsquelle) die Hälfte der Energie im Widerstand verbrutzelt wird und die andere Hälfte im Kondensator gespeichert wird. Interessanterweise spielt der Wert des Widerstandes keine Rolle.

Das würde den Wirkungsgrad von max. 50% erklären.

Bin mal gespannt auf die weitere Diskussion.

Glück auf,

JC

[Lutz]

Hallo Expertenteam,

mit wenig Aufwand (ich habe ca. 12 verschiedene Trafovarianten gewickelt) wurde folgendes Ergebnis erzielt:

Aufladen von 58 auf 357 Volt in 24 Sekunden bei gemittelten 4,2 A Primärladestom und 11,6 V Ladespannung für 620,43 Joule. Dies entspricht einer Eingangsleistung von 48,72 Watt. Die Ausgangsleistung errechnet sich zu Leistung / Ladedauer = 25,85 Watt. Im Verhätnis sind dies 53,06% Wirkungsgrad, ohne großen Aufwand betrieben zu haben. Dies ist ein Dreisatz, der zu 100% stimmt. Wie erklärt sich dieser Wirkungsgrad, der mathematisch nicht nachvollziehbar zu sein scheint? Kleine Optimierungen brachten den Gegentaktwandler jenseits der 60% Wirkungsgrad.

Glückauf!

Lutz

[Lutz]

Um einen exakten Wirkungsgrad berechnen zu können, muß die exakte Kapazität der Elkos bestimmt werden. Bei meinen Foto-Flash Typen steht + 20 /- 10% drauf.

Frage: wie wird die Kapazität von Elkos bestimmt? Bei mir können es 7.920 - 10.560 µF sein. Im obigen Fall beträgt der Wirkungsgrad dann zwischen 43 und 57%, bei 500 - 665 Wattsekunden.

Wenn ich das bestimmen kann, melde ich mich erneut zum Thema Wirkungsgrad meines Gegentaktwandlers.

Glückauf!

Lutz

[micha2]

Bei der Nachladung eines Kondensators ist der max. Wirkungsgrad natürlich höher. Bei einer Nachladung von 60V auf 360V ist Etamax = 58,3%

Die Bestimmung der genauen Kapazität ist recht schwierig. Am besten gehts wenn man den Kondensator mit einem genau bekanntem Konstantstrom auf eine definierte Spannung aufläd und die Zeit misst.

Dann gilt: C = Ikonst*deltaT/deltaU

[Wilm]

Um einen exakten Wirkungsgrad berechnen zu können, muß die exakte Kapazität der Elkos bestimmt werden. Bei meinen Foto-Flash Typen steht + 20 /- 10% drauf.

Frage: wie wird die Kapazität von Elkos bestimmt? Bei mir können es 7.920 - 10.560 µF sein. Im obigen Fall beträgt der Wirkungsgrad dann zwischen 43 und 57%, bei 500 - 665 Wattsekunden.

Wenn ich das bestimmen kann, melde ich mich erneut zum Thema Wirkungsgrad meines Gegentaktwandlers.

Glückauf!

Lutz

Hallo Lutz,
die Kapazität wird seitens der Industrie bei einer genormten Temperatur von 298K (25°C) bestimmt. Die unterschiedlichen Kapazitätsangaben beziehen sich auch weniger auf die Produktionsunterschiede, sondern eher auch noch auf den Basisluftdruck. Kondensatoren werden für ihre Nennkapazität auf der Normdruckhöhe von 1012,5 hPa bei genannter Temperatur gemessen.
Demnach müssten wir unsere Kondensatoren für die erste Messung bei gegebener Schaltung eigentlich erst in den Kühlschrank legen um annähernd die Kapazität ermitteln zu können.

Da aber Kondensatoren laut Formel 50% in Ladung und 50% am Innenwiderstand "verbraten" stellt sich eher die Frage ob die Form des Wandlers überhaupt noch einen marginalen Einfluss auf den Gesamtschaltungswirkungsgrad ( was ein Wort ) hat.

Ich habe über einen Bekannten aus den Staaten eine nette Schaltung für 1/50.000tel Sekunde erhalten. Aber wer möchte schon mehr als 1 Farad durch einen Berg schleppen ? ( Das macht eigentlich Sinn, denn bei fast 5 Tau wird schon wieder beendet )

Daraus ergibt sich eigentlich die folgende Fragestellung:

- Macht der unterschiedliche Typ des Wandlers überhaupt einen Sinn ? Ob ich mit 50,60,70 oder 85% lade um auf theoretische 50% zu kommen macht wirklich sehr wenig aus !

- Defininiert sich daher der Wirkungsgrad eines transportablen ( noch tragbaren ) Blitzes nicht eher in Joule/ Gewicht * Anzahl der Blitze ?

Physikalisch gesehen ist nämlich t_lade nur ein Produkt des möglichen Stroms.

Kommen wir damit zum Ursprung dieser Diskussion :

Micha, wie kommst Du auf einem Wirkungsgrad von mehr als 80% ?

Selbst bei einem idealen Schaltungskonzept landen wir alle bei unter 50% der primären Energie .....


Glückauf !
Wilm

[micha2]

@Wilm
Mit einer zweistufigen Wandlertopologie kommt man schon auf theoretische 100% Wirkungsgrad. In der Praxis ist durch die zwei Wandler allerdings bei 80-85% Schluß, da sich die Verluste der beiden Wandler summieren.
Details möchte ich hier aus verständlichen Gründen (noch) nicht veröffentlichen, nur soviel: Der Aufwand ist (wie man ja an meiner Elektronik erkennen kann) recht groß.

[JCF]

@Micha2 + alle Grubenelektrotheoretiker,

Hallo!
Ich hab im Warte saal des Zahnarztes Zeit gehabt deine Überlegungen mal ein wenig nachzulesen, und ich meine ich hab den Denkfehler darin gefunden.

Du überlegst am Anfang mit konstantem Strom (das würde übrigens heissen Ri = unendlich). Daraus ergibt sich eine linear steigende Spannung (richtig).
Du nimmst dann (falsch!) eine konstante Ausgangsleistung an. Diese muss aber linear ansteigen da Pab=Uc*Ic, bis auf Pabmax = 360V*0.3A=108W.
Die gespeicherte Energie lässt sich über 1/2CU^2 oder Integral über Pab*dt (d.h eine Dreieckfläche mit 1/2*Pabmax*t = 1/2*108W*12s) berechnen. Beide Werte sind natürlich gleich.

Die von der Spannungsquelle am Eingang zugeführte Leistung muss natürlich bei verlustlosem Trafo + Wandler auch linear ansteigen, bis zum Wert Pzumax = Pabmax = 108W.
So dass alles in Ordnung ist mit Wzu = Wab. Wenn keine Verluste in der Schaltung angenommen werden (wie du es gemacht hast), geht natürlich auch nix verloren.

Tja, dann kommt die Praxis mit Ri <>0 und Verlusten. Da sieht es so aus dass tatsächlich die Hälfte an Ri verbraten wird.
(Beweis hier: http://staff.ltam.lu/feljc/Documents/CEnergie.jpg )

Nun ist aber Ri in der Praxis alles andere als konstant, was das bedeutet wäre auch mal interessant zu untersuchen.

Ob das Ganze eine überhaupt Bedeutung für den Selbstbau hat?
Keine Ahnung, aber es macht Spass mal wieder etwas theoretischer zu überlegen

Bin gespannt auf weiteres!

Glückauf,

JCF

P.S.: Ach, noch was: wie mir gerade wieder an einem LED-Schaltnetzteil aufgefallen ist, kann man beim Messen mit Multimetern ganz schöne Fehler machen:
- Achtung auf den Ri des A-Meters!
- Achtung auf Spannungseinbrüche der Versorgungsspannung durch impulsartige Ströme! Dann ist U<>konst und P=U*I falsch!

[micha2]

Hallo JCF,
Du hast natürlich recht. Meine Überlegungen sind nur für einen Ri ungleich Null gültig. Solange diese Randbedingung aber erfüllt ist, ist der Wert von Ri völlig egal und kann sich auch innerhalb der Ladezeit beliebig ändern.
Das "verbiegt" uns nur die Ladekurve.
Es gilt aber immer: U0 = Uri + Uc oder Pab = PRi + Pc = URi*Ic + Uc*Ic

Wir haben auch vorausgesetzt, daß U0 = Usec = Ucmax = konstant ist.
Diese Annahme ist bei einem einstufigem Wandlertyp auch (einigermaßen) zulässig.
Durch die Symetrie von URi = f(t) und Uc = f(t) kann man zeigen, daß PRi = Pc = 1/2 Pab gilt.

Sorgen wir nun dafür, daß Usec immer gerade um soviel höher als Uc(t) ist das wir noch einen gewählten Ladestrom Ic haben, so verheizen wir entsprechend wenig Leistung am Innenwiderstand. Diese Überlegung führte zu meinem Wandlerkonzept. Mehr möchte ich aber wegen der Konkurrenz nicht verraten.

Nachtrag für JCF:
Bei einem Innenwiderstand der Spannungsquelle von exakt 0 Ohm und einem verlustfreiem Kondensator gelten die ganzen Betrachtungen natürlich nicht mehr. Hier würde dann die gesamte Energie zwischen Quelle und Senke unendlich lange oszillieren. Außerdem wäre im Einschaltmoment der Ladestrom unendlich...
Da gebe ich unumwunden zu: Für diese Betrachtung reichen meine math. Kenntnisse nicht mehr aus.

[micha2]

Alle Achtung:
Wer sich im Wartezimmer des Zahnarztes noch solche Gedanken macht...
Jedenfalls macht es Spass auf diesem Niveau zu diskutieren

GA Micha2

[Lutz]

Bin derzeit in Utah.

Habe zu Hause noch zwei Elko-Typen ohne Abweichungsangaben.

Zum einen 1000 µF, zum anderen 3000 µF.

Werde die Aufladezeit meines Wandlers festhalten und dann auf die Elkos mit Kapazitätsabweichung -10 /+20% übertragen. Da dies bei gleicher Temperatur stattfindet und die Elkos nagelneu sind, dürfte dies dann übertragbar sein. Dies werde ich nach dem 4. August ausprobieren. Dann gibt es eine neue Aussage zum Wirkungsgrad des Wandlers, den ich gebaut habe.
Die bisherige Diskussion ist sehr interessant.

Glückauf!

Lutz

[micha2]

Hallo Lutz
Wenn bei Kondensatoren die Angabe zur Toleranz fehlt bedeutet das nicht, daß sie keine haben.
Hier muß man sich dann die Toleranz aus den Datenblättern des Herstellers raussuchen.

Wie gesagt: Die exakte Bestimmung einer Kapazität ist nicht ganz trivial.
Auch die Methode mit dem Konstantstrom hat so seine Tücken:
Der Konstantstrom der meist nie so richtig konstant ist, Hochleistungselkos einen nicht zu vernachlässigenden Isolationswiderstand aufweisen, Fehler der Messinstrumente für Strom/Spannung/Zeit (siehe die Anmerkung von JCF) usw. usf.

Letztendlich kann man die gemessenen Wirkungsgrade halt nur im Rahmen der Messgenauigkeit angeben. Und ohne eine exakte Fehlerbetrachtung kommen da Abweichungen von +- 5% leicht zusammen. Genaue Fehleranalysen mit Mehrfachmessungen, Ausgleichsrechnungen und statistischen Auswertungen sind meist auch nur für den Theoretiker oder Messtechniker interessant.

GA Micha2

[Wilm]

Kommen wir mal zurück zu der Ursprungsbetrachtung, dass 50% der Ladeenergie in einem Kondensator durch den dynamischen Innenwiderstand “verbraten” werden.:

Diese Betrachtung ist soweit richtig, sofern wir eine Spannungsquelle mit einem RiG=0 Ohm annehmen, welche einen maximalen Ladestrom von I_unendlich erzeugen kann und daher U_max permanent liefern kann.

Wie sieht das aber in der Realität aus ?

Mein Transformator hat einen Ri_sek von 9 Ohm. Abgesehen davon, dass ein Kondensator im ungeladenen Zustand einen Kurzschluss darstellt, addiert sich jetzt aber der Innenwiderstand der Wicklungen zum Ri des Kondensators. Damit hat die sekundäre Schaltungskomponente einen Ri_min von 9 Ohm. Wäre dem nicht so, könnten wir keinen Kondensator irgendeine Ladung auferzwingen.

Soweit die Betrachtung in Gleichstromkreis.

Da wir aber mit einer Wechselspannung ( egal welcher Form ) arbeiten ergibt sich noch eine andere Betrachtung: Der Kondensator liegt parallel zu der Induktivität der Sekundärwicklung in Reihe mit dem Innenwiderstand. Damit hätten wir einen Schwingkreis.

Wie integriere ich jetzt beide Formeln ? Ich bin mir in diesem Fall sicher, dass die Grundformel P_lade = 50% P_Kondensator dann nicht mehr stimmen kann. Wäre dieses anders, dann müssten wir alle in den ersten Stadien nur Hausnummern gemessen haben und 100% der Industrie alle Ergebnisse geschönt haben !

Die Frage in den Raum stellend:

Glückauf !
Wilm

[Lutz]

Sollte sich noch jemand für einen Hochleistungsblitzbau interessieren, ist hier der mechanische Zusammenbau (letztes Bild) der neuesten Variante abgebildet.

http://hometown.aol.de/LMarkworth/Hochl ... eraet.html

Der Blitz wiegt incl. HD-PE Rohr 3 kg und kann ca. 100 Blitze mit 640 Joule Blitzleistung aus 2,5 Ah Blei-Acid Akkus der Marke Hawker "Cyclon" generieren.

Glückauf!

Lutz

[JCF]

An die Blitz- und Grubenelektroniker:

Das Thema Blitz hat mich wieder ein wenig beschäftigt und ich habe Lust einen mikrocontrollergesteuerten Blitz zu bauen (auch wenn es sich wohl kaum lohnt, einfach spasseshalber). Auch spasseshalber habe ich mich ein wenig mit der Theorie der Boostwandler mit einfacher Induktivität (ohne Trafo!) beschäftigt, da man dazu eigentlich nichts findet.

Mir ging es um die Frage wie die Spannungskurve bei rein kapazitiver Last aussieht, und wie schnell man theoretisch überhaupt seinen Kondensator laden kann.

Wer Lust hat kann es hier lesen:
http://staff.ltam.lu/feljc/electronics/ ... tzteil.pdf

Kommentare erwünscht.

Soweit zur Theorie.
Ich hoffe die Praxis kommt auch bald.
Der Vorteil dieses Wandlertyps ist jedenfalls dass man z.B. recyclete Induktivitäten aus PC-Netzteilen o.ä. benutzen kann statt Trafos.

Na, gibt's jetzt wieder eine spannende Diskussion wie damals?

[micha2]

´Na, gibt's jetzt wieder eine spannende Diskussion wie damals?

Das glaube ich eher nicht! Was soll man denn nach Deiner großartigen Abhandlung noch diskutieren?
Es sei denn, daß sich gerade jetzt ein neuer Blitzelektroniker mit der gleichen Intention hier einfindet... sehr unwahrscheinlich!!!
Das Einzige was mir dazu noch einfallen würde: Teste das auch mal mit einem IGBT (anstatt dem MOSFET)
Gruß und Glück auf
Micha2