Spoel wikkelen voor switchmode converter


Op 1 juni 2019 09:47:45 schreef SparkyGSX:
Natuurlijk moet je weten wat je doet als je zo'n layout ontwerpt, maar als je het nooit zelf doet, zul je die ervaring ook nooit krijgen, wel?

Daarmee heb je een halve loopbaan beschreven.

Herlees nu nog eens de startvraag ;)

LDmicro user.
LetterHenk

Golden Member

TS stelt om precies te zijn 2 vragen, welke site is aanbevolen? en is de spoel in het gegeven schema een spoel met een kern of luchtspleet?
Niet meer en niet minder.

verder:

Nu heb ik spoelen altijd erg eng gevonden en dus gemeden. Als ik dan toch met buck schakelingen aan de gang ga, dan maar helemaal het diepe in.

Blijkbaar begrijpt jwb al dat het geen eenvoudige materie betreft, maar wil graag meer weten en leren.
Waarom zoveel tegengas? laat TS lekker wat leren in het leven... En daar desnoods een halve 'loopbaan' aan besteden.

Bovendien, je hoeft niet eerst/direct naar expertmode eer je een project tot een succes kan brengen. Ergens 'maar' de helft of een deel van begrijpen en kunnen toepassen kan heel bevredigend zijn weet ik uit ervaring.
Wat SparkyGSX in andere woorden al schreef: Al Doende leert men.

On topic:
Link over ringkernspoelen
simpel maar leerzaam filmpje, meer een concept uitleg.

Action expresses priorities LH

wel, ik raad TS aan eerst de schakeling uit zijn openingspost te bouwen (en werkend te krijgen), met een gekochte spoel en dan verder te experimenteren met zelfgebouwde spoelen.

Maarrrr.... is het wikkelen van spoelen een handige manier om over DCDC converters te leren?

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Ik denk het niet, maar je kunt natuurlijk wel een converter bouwen van een voorbeeld of datasheet, en als dat eenmaal werkt met spoelen gaan experimenteren.

@TS: beschik je over een oscilloscoop? Dat is wel essentieel bij zulke projecten. Zoals ik al zei, een LCR meter is eigenlijk ook wel een vereiste, en die kun je kopen vanaf een paar tientjes op Aliexpress e.d., maar dan heb je iets wat beperkt inzetbaar is en je af en toe ongeveer de waarheid vertelt. Je kunt ook 100-300 euro uitgeven aan iets redelijks (ik heb o.a. een Voltcraft LCR-300 die goed bevalt), tot meer dan 1000 euro voor een luxe benchtop meetbrug.

Mijn eerste LCR meter was een Voltcraft 4080; iets dergelijks zal voorlopig wel volstaan; een meter met Kelvin probes (4-punts meting) is luxer, maar dat is vaak niet echt nodig, totdat je aan hele kleine inducties, weerstanden en capaciteiten gaat meten.

Uni-T maakt ook redelijke meters voor leuke prijzen, maar sommige daarvan beginnen pas bij 0.6mH of zo, en dat is echt veel te hoog. Bij grotere converters en hogere schakelfrequenties zijn spoelen van enige tientallen uH gebruikelijk, en dat wil je dan ook wel kunnen meten.

Zowel Uni-T als Voltcraft zijn niet fantastisch, maar voor de hobby vaak goed genoeg en nog redelijk betaalbaar. Echte professionele meters zijn al snel 1500 euro en duurder, en ik weet niet wat jouw hobby budget is, maar bij mij is dat ruimschoots niet meer in het "leuk voor thuis" bereik.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Ik heb een DER-DE-5000, werkt ook prima. Heb je al onder de 100 euro als je even goed zoekt...
Je moet alleen de meetsnoertjes vervangen, die zijn belachelijk kort... ;)

https://images-na.ssl-images-amazon.com/images/I/51k%2B5ITjn2L._SX466_.jpg

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

Op 1 juni 2019 12:18:45 schreef LetterHenk:
TS stelt om precies te zijn 2 vragen, welke site is aanbevolen? en is de spoel in het gegeven schema een spoel met een kern of luchtspleet?
Niet meer en niet minder.

Heel juist...

De tegengas is niet voor de TS bedoeld maar voor de ouwe rotten in het vak :p ik zal meer moeten quoten

LDmicro user.
fatbeard

Honourable Member

Op 1 juni 2019 08:18:40 schreef MGP:
...
Zelfs voor een MC34063 staan er layouts in de datasheet, het zal dus in hun ogen even belangrijk zijn.
...

Euhh... Het IS belangrijk. Punt.
Een slechte layout zorgt niet alleen voor (veel) ongewenste uitstraling (EMC), maar kan ook de prestaties onderuit halen (en wat erger is: onderdelen beschadigen).
Gelukkig is het geen raketwetenschap (zelfs geen WC-eend ;)) en met een paar simpele vuistregels (die vaak ook al -deels- in de datasheet staan) is altijd tot een goed resultaat te komen:

  • houdt de oppervlakte van de lus gevormd door ingangscondensator, schakeltransistor/-FET en diode zo klein mogelijk om de ongewenste uitstraling te beperken
  • houdt de terugkoppeling weg van deze lus om de schakeling stabiel te houden
  • plaats de diode 'tussen' de spoel en schakeltransistor/-FET om de laatste te beschermen tegen te grote pieken
  • houdt alle verbindingen van de switchnode (het knooppunt van diode, schakeltransistor/-FET en spoel) zo kort mogelijk om de prestaties van de schakeling te optimaliseren
  • houdt de parasitaire capaciteit van de switchnode (het knooppunt van diode, schakeltransistor/-FET en spoel) zo klein mogelijk om de prestaties van de schakeling te optimaliseren

Je kunt niet vroeg genoeg beginnen met het implementeren van deze zaken, ze worden naarmate de schakelfrequentie hoger wordt bijna exponentieel belangrijker.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Op 1 juni 2019 13:18:46 schreef rew:
Maarrrr.... is het wikkelen van spoelen een handige manier om over DCDC converters te leren?

TS wil ook iets van spoelen leren... Ik denk dat hij intussen wel overstelpt is met veel complexe informatie.. hij moet er aan beginnen

velen hebben schrik van spoelen ...nergens voor nodig. als je condensatoren begrijpt, waarom dan de spoel niet? zelfde theorie, maar gewoon alles omkeren.. :-)

@Fatbeard: een uitstekend begin, daar wil ik nog een paar puntjes aan toevoegen:
- houd het lusoppervlak van de gate en source van de schakel MOSFET naar de controller zo klein mogelijk, en deze lijnen zo kort mogelijk.
- zet een weerstand van een paar ohm (1-10 ohm, een beetje afhankelijk van de schakelfrequentie, gate capaciteit, etc.) tussen de controller en de gate van de MOSFET om ringing te dempen.

En tot slot:
- Bestel nooit precies genoeg onderdelen om je schakeling te maken, zeker als je nog aan het experimenteren bent. Er zal een keer iets stuk gaan, voor MOSFETs, en soms diodes en controllers. Condensators en spoelen kunnen bijna niet stuk in zo'n schakeling. Hang er ook, zeker in het begin, niets achter wat echt kostbaar is.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Op 31 mei 2019 13:46:52 schreef jwb:

http://www.romanblack.com/smps/a00.htm

De spoel die daar beschreven wordt (1.5mH RF choke type) is natuurlijk te bestellen, maar ik vraag me af of dergelijke spoelen die in buck schakelingen zitten niet zelf te wikkelen zijn.

Natuurlijk zijn die zelf te wikkelen :)

Nu heb ik spoelen altijd erg eng gevonden en dus gemeden. Als ik dan toch met buck schakelingen aan de gang ga, dan maar helemaal het diepe in.

Spoelen zijn fascinerende componenten en de kunst en kunde om die dingen te leren doorgronden, berekenen en te construeren zijn een studie op zich maar zeker de moeite waard.

Is de spoel in dit schema een luchtspoel of met kern?
Kan iemand een site aanbevelen waar eea uitgelegd wordt, oa van het berekenen van het aantal windingen en diameter?

Spoelen voor energie opslag zijn eigenlijk altijd met 'airgap' (luchtspleet) of een gedistribueerde airgap. Dit geldt zo goed als altijd voor ferriet kernen, poederijzer kernen hebben echter een hoog vermogen tot het opslaan van het magnetisch veld maar worden niet heel veel toegepast in vermogenselektronica. Spoelen zonder kern komen wij vooral in HF/VHF en UHF elektronica tegen. Belangrijke zaken voor het doorgronden van spoelen en spoelen met ferrietkern? Een goed natuurkunde boek welke elektromagnetische beschrijft, liefst op HBO en hoger niveau. Daarnaast zijn technologie application notes van ferrietkern fabrikanten als Ferroxcube en Epcos (nu onderdeel van TDK) een waardevolle bron van informatie. Daarnaast is het ook verstandig om zaken als het 'skin effect' en 'proximity effect' te doorgronden m.b.t. de geleidingsverliezen in je koperdraad bij de frequenties waarmee gewerkt wordt. Natuurlijk kun je voor de meeste doeleinden prima een spoel van de plank afpakken, er is tegenwoordig zoveel te koop maar als het vermogen een beetje omhoog gaat is zelf een spoel of transformator fabriceren best een heel leuk project.

Op 1 juni 2019 15:17:23 schreef kris van damme:

velen hebben schrik van spoelen ...nergens voor nodig. als je condensatoren begrijpt, waarom dan de spoel niet? zelfde theorie, maar gewoon alles omkeren.. :-)

Spoelen (niet de mathematische voorstelling van zelfinductie) zijn een order complexer dan condensatoren, hoewel condensatoren ook vrij complex kunnen worden, vooral de modellering van het verzadigingsgedrag is uiterst problematisch. De meeste ontwerpers vermijden dat door componenten te kiezen die beter gespecificeerd zijn voor bepaalde toepassingen, daarom zijn er ook zoveel typen condensatoren.

[Bericht gewijzigd door Blackfin op 1 juni 2019 16:42:16 (14%)]

This is the world we know best, the world of madness

Voor Spoelen zou ik het boek van Kolenel Lyman of L.H.Dixon aanraden, beiden zijn zeer goed, maar je moet niet bang zijn voor enige wiskunde.
De Volkskrant had ooit studie boeken als downloads, daar zat ook een goed boek bij over electro magnetisme (Mischien bestaat het nog?)P.s. @Blackfin De Volkskrant is Uw natuurkunde boek, Lyman en Dixon gaan dieper op de verschillende SMPS spoelen en transformatoren in.

"Stupidity is also a gift of God, but one mustn't misuse it." - Pope John Paul II

Op 1 juni 2019 16:38:39 schreef Blackfin:... een order complexer dan condensatoren, hoewel condensatoren ook vrij complex kunnen worden, vooral de modellering van het verzadigingsgedrag is uiterst problematisch.

Precies; materialen met een hoge dielectrische constante (zoals gebruikt wordt voor MLCCs bijvoorbeeld) hebben de vervelende eigenschap om effectief capaciteit te verliezen naarmate de spanning stijgt, dus inderdaad een soort van verzadiging. Sommige hebben nog 20-30% van hun opgegeven capaciteit als je in de buurt van de werkspanning komt. Daarbij zijn ze afhankelijk van temperatuur en frequentie, en zijn ze piezoelektrisch, wat zeker voor signaalverwerking onverwachte effecten kan hebben.

Echter, voor de TS lijkt het me helemaal niet nodig om alle nuances direct te snappen; de fundamentele eigenschap van een spoel is dat hij stroom die erdoor loopt, in stand wil houden zolang er nog energie opgeslagen zit in de spoel. Dat wil zeggen, als je via een transistor een bepaalde stroom door een spoel laat lopen, en je zet die transistor uit, zal de spoel er alles aan doen om die stroom, via een ander pad, door te laten lopen. Dat kan door een vrijloopdiode (zoals bij een relais), of door de diode van de Buck- of Boost converter. De spanning over de spoel zal stijgen totdat er een pad ontstaat, wat betekend dat het ook kan gebeuren dat de transistor doorslaat vanwege overspanning, omdat er geen ander pad was voor die stroom.

Vaak wordt beweerd dat er dingen omkeren; belangrijk is om te onthouden dat de richting van de stroom door de spoel hetzelfde blijft, maar omdat de spoel een stroombron wordt (energie afgeeft in plaats van opneemt), keert de polariteit van de spanning over de spoel wel om.

Voor een ideale spoel gelden een paar formules/verbanden die je regelmatig nodig hebt bij berekeningen:

De spanning over een spoel is U = L * dI/dt, dat wil zeggen, de spanning (in V) is gelijk aan de inductie (in Henry) keer de verandering van de stroom in de tijd (in A/s). Bij een spoel van 1mH waar je 1V overheen zet, waarbij de stroom begint op 0A, zal die stroom na 1ms gelijk zijn aan 1A. Als de spoel 0.5mH was geweest, zou de stroom 2A zijn na 1ms, als de spanning 10V is, neemt de stroom ook toe met 10A per milliseconde (bij 1mH). Hieruit volgt dus ook dat een spoel sneller ontladen zal zijn (stroom = 0A) als de spanning over de spoel groter is.

De tweede formule is voor de opgeslagen energie in de spoel: E = 1/2 * L * I^2. De energie (in J) is dus gelijk aan de helft van de inductie (in H) keer de stroom (in A) in het kwadraat. Twee keer zoveel stroom geeft dus 4x zoveel opgeslagen energie.

Als je zelf spoelen gaat wikkelen, moet je nog weten dat de inductie van een spoel gelijk is aan het Al waarde (meestal in nH) van de kern (dit wordt bepaald door het materiaal, gemiddelde lengte, doorsnede, luchtgat, etc.) keer het aantal windingen in het kwadraat. Dit laatste is logisch te beredeneren; stel dat je met 10 windingen begint, en je legt er een 11de winding bij. Die eerste 10 windingen maken een magnetisch veld dat inwerkt op die 11de winding, maar die 11de winding maakt zelf een veld dat inwerkt op de eerste 10 windingen.

De magnetische flux door een kern (die de verzadiging van de kern veroorzaakt) is recht evenredig (dus niet kwadratisch!) met het aantal windingen en de stroom die erdoor loopt. Dit lijkt raar, maar ook dat is logisch te beredeneren; elke winding met een gegeven stroom maakt een veld, en al die velden worden opgeteld. Voor de kern maakt het niet uit dat die velden allemaal invloed hebben op alle andere windingen. Als je 2x zoveel windingen legt, waarmee de inductie dus 4x zo groot wordt, zul je de stroom moeten halveren om op dezelfde veldsterkte te blijven. Aangezien de stroom kwadratisch in de formule voor de opgeslagen energie zit, blijft die opgeslagen energie dus gelijk.

Een wikkeling is een stuk draad dat één of meerdere keren rond de kern gaat, met 2 uiteinden; een winding is één rondje door de kern; een transformator heeft dan bijvoorbeeld 2 wikkelingen (zeg, 230V en 12V), en tientallen tot honderden windingen elk. Als je meerdere wikkelingen op dezelfde kern legt, maakt het voor de kern niet uit waar de stroom loopt; je mag zo'n kern opladen met één wikkeling, en vervolgende de energie dumpen in een andere wikkeling; dit is hoe een flyback converter (in kleine netvoedingen e.d.) werkt. De kern "ziet" alleen het magnetische veld, dus een stroom keer een aantal windingen.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Vergeet ook niet een belangrijke toepassing waarin spoelen gebruikt worden en dat zijn 'filters'.
Een stukje filter techniek behoort dan er eigenlijk oog nog bij.

"tijd is relatief"

Uiteraard, maar de natuurkunde van spoelen veranderd niet, en het ging hier over switchmode converters, dit is al heel veel informatie (die in het begin zeker niet eenvoudig is) voor de TS.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Hartelijk dank voor het rijke aanbod aan aanbevelingen en informatie.
Ik ben voorlopig onder de pannen.

De voornaamste reden om de spoel zelf te willen maken, behalve het plezier dan, is dat het mij leek dat als je de basismaterialen in huis hebt (kern materiaal, wikkeldraad) je niet hoeft te bestellen, maar gewoon door kunt gaan door een specifieke spoel zelf te maken.

Een tip die ook een aantal keer voorbij kwam is de aanschaf van een LC meter. Ik heb een zelfbouw kit besteld, en als ik de spoelenmaterie leuk blijf vinden komt er misschien wel een beter exemplaar.

Bij buck drivers worden schottky dioden gebruikt. Vaak wordt de 1N5819 gebruikt.
Hier zie ik erg veel prijsverschil tussen lokale aanbieders en overzee. Is dat te verklaren?

@hardbass
Ik heb reeds een goede baan en mechatronica is mijn hobby. Dus ik vind het leuk om te hannessen. Sterker nog ik doe dat voor mijn plezier :-)

@SparkyGSX
Ik heb informatie over de MC14063 bekeken. Ik ga er zeker een paar bestellen. Erg interresant.
En gelijk ook al een aandachtspunt gevonden:
http://tech.mattmillman.com/mc34063-a-tough-lesson/

@blackdog
Ik ben zoekende hoe het beste power LED's aan te sturen waarbij dim mogelijkheid een voorwaarde is. Ik had een testopstelling gemaakt met een LM317, maar zodra gePWMt wordt is er veel warmte ontwikkeling. In een andere post hier op CO kreeg ik het advies om in Buck technieken te duiken. En dat heb ik gedaan, erg leuk.

Ik ben een Buck LED driver aan het maken met een PWM input:
https://www.instructables.com/id/Poormans-Buck/

Het PWM signaal moet 5V zijn. Ik wil de PWM schakeling natuurlijk uit de LED driver voeding voeden en had mijn hand al in het bakje met de 7805. Maar dan krijg je weer behoorlijk dissipatie (12V naar 5V).

Ik was toch al in Buck technieken gedoken, dus ik dacht ik Buck even door. Het gaat maar om ca 30mA, en zo kwam ik bij Roman Black uit ipv meteen met een dedicated IC aan de slag te gaan.

Vroeger was ik Schizofreen, maar... nu gaat het goed met ons

Om spoelen te berekenen, heb ik indertijd zelf een spreadsheet gemaakt en veel gebruikt, met allerlei soorten kernen erin. Daarmee is het eenvoudig om een optimale spoel te berekenen. Zie de bijlage voor een voorbeeld, waar een RM8 kern ingevuld is voor een spoel van 1,5mH, en een stroom van 0,5A DC. Er zijn dan 49 windingen nodig met een draaddikte van 0,25mm. De luchtspleet moet 0,1mm zijn. De zelfinductie is dan net iets hoger dan 1,5mH, en de stroom mag ook iets hoger dan 0,5A zijn. De temperatuur verhoging is ongeveer 4 graden, dus de spoel is in feite overgedimensioneerd (de temperatuur is net niet meer te zien op het plaatje). Het zou nog met een kleinere kern kunnen. Maar het is maar even een voorbeeld.

Op het werk heb ik laatst veel uitgezocht omtrent de condensator keuze. We hadden namelijk veel meer rimpel dan verwacht. Dit bleek te liggen aan een zeer nare eigenschap van x7r condensatoren. Namelijk dat de capacitijd behoorlijk afhankelijk is van de spanning die erover staat. Deze appnote heeft me een eind de goeie kant op geduwd:
https://www.ti.com/lit/an/slta055/slta055.pdf

PI Expert van Power integrations is ook handig om buck/boost/flyback te berekenen. Geeft uitgebreide spoel informatie...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

@hardbass: het moet uit de lengte of uit de breedte komen; een grote capaciteit, werkspanning, en kleine package kan niet zonder dergelijke vervelende eigenschappen. Daar komt nog bij dat die "X7R" niets zegt over die specifieke eigenschap, dat is een temperatuurspecificatie, en veel fabrikanten reppen er met geen woord over die spanningsafhankelijkheid in hun datasheets.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Waarom zelf gemaakt, erg leerzaam natuurlijk, maar kant en klaar tekoop is natuurlijk veel zekerder n als het vermogen niet te groot is, gewoon een STEP-DOWN converter bestellen bij Conrad. Deze zijn binnen zekere grenzen nog regelbaar ook.

Groetjes Hans

Hoe het werkt is niet belangrijk, als het maar werkt!

Met een losse spoel is dat nog wel te koop, met een flyback trafo wordt 't een stuk lastiger meestal... ;)
(Daarom is PI expert heel handig, geeft exact hoe je de trafo in mekaar moet steken...)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com
fatbeard

Honourable Member

Op 3 juni 2019 23:35:12 schreef SparkyGSX:
@hardbass: het moet uit de lengte of uit de breedte komen; een grote capaciteit, werkspanning, en kleine package kan niet zonder dergelijke vervelende eigenschappen. Daar komt nog bij dat die "X7R" niets zegt over die specifieke eigenschap, dat is een temperatuurspecificatie, en veel fabrikanten reppen er met geen woord over die spanningsafhankelijkheid in hun datasheets.

Hear, hear.
Er zijn eerdere discussies hierover geweest, o.a. deze en deze.

Er zijn een aantal vuistregels die je de goede kant opsturen:

  • neem de grootste condensator die je kwijt kunt (en liever nóg groter): fysiek grotere condensatoren hebben -doorgaans- betere eigenschappen; dus als je de ruimte hebt voor een 1206, geen 0805 nemen maar kijken of je ook een 1210 kwijt kunt.
  • neem de dikste condensator uit de reeks: sommige condensatoren worden in verschillende diktes gemaakt, dikker is -doorgaans- beter.
  • neem de hoogste spanning die je kostentechnisch nog kunt verantwoorden: het eerste stukje van de grafiek is het vlakst (minste capaciteitsverlies); dus als je 5V nodig hebt is een 25V exemplaar -doorgaans- beter dan een 16V.

Sommige fabrikanten hebben de DC-bias gegevens niet online, die moet je specifiek (per condensator dus) opvragen. Anderen hebben het wel online, maar lastig te vinden.
De betere fabrikanten hebben een simulatie-tool waar alle gegevens in te vinden zijn, soms zelfs te gebruiken als selectie-tool.

Bottom line: verifiëer de DC-bias karakteristiek van de te gebruiken condensator op voorhand.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Daar staat tegenover dat grotere packages (zeker 1210 en 1206, maar ook 0805 al) relatief slecht verkrijgbaar zijn, en volgens de fabrikanten wordt dat alleen nog maar erger; 0603 en kleiner wordt veel meer gevraagd door de industrie, en daar wordt dus ook veel meer van geproduceerd.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Het is anderzom SparkyGSX, de industrie word gedwongen om kleinere behuizingen te kiezen.
De prijzen zijn bijna 3 keer over de kop gegaan het afgelopen jaar, door 0402 te produceren kunnen ze tien+ aantallen condensatoren produceren voor de zelfde hoeveelheid grondstoffen.
(Niet dat de prijs naar beneden gaat, maar ze nemen de 1206 productie lijnen gewoon offline)
Het afgelopen jaar hebben wij een pittig jaar gehad, de kostprijs van je PCB's is vastgesteld, ondertussen schroeven ze de kostprijs van componenten op, tot een punt van absolute schaarste.
Het gevolg is, je kan onderhandelen met je klanten, krijgt geen cent meer, uiteindelijk hebben we alles opnieuw ontworpen om aan de klanten te kunnen leveren.

"Stupidity is also a gift of God, but one mustn't misuse it." - Pope John Paul II