attempo Induktive Loesungen

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Hintergrundinformationen über Induktivitäten
Datenblätter finden Sie im Menü "Übertrager" und "Drosseln"

Induktive Baugruppen oder Bauteile verhalten sich selten so, wie die Schulweisheit es vorgaukelt.

Es gibt sehr viele beeinflussende Parameter:

durch das Bauteil selbst
durch seine Verwendung
durch seinen Aufbau
durch die Peripherie
durch Alterungsprozesse
durch Umwelteinflüsse

Verfügbare Informationen

Die praktisch angewendeten mathematischen Modelle sind und bleiben Näherungen und sind oft zu ungenau, um bestimmte Effekte zu beschreiben.
Der physikalische, funktionale Zusammenhang zwischen bestimmten Eigenschaften ist nicht bekannt und wird auch nicht mehr gelehrt.
Erschwerend ist auch, dass Datenblätter heutzutage, oft auf Powerpoint-Basis wegen der auf Propaganda angelegten Darstellung, als Entwicklungsunterlagen nicht brauchbar sind. Diese Informationen sind leider oft unvollständig, oberflächlich oder sogar falsch.
Die uneingeschränkte Nutzung einer Application Note für eine Anwendung ist nicht empfehlenswert und kaum verantwortbar.
Für induktiven Bauteile sind kaum wirklich brauchbare Informationen zu erhalten - Netzwerkanalyse, Leistungsverlauf usw.
Unterschiedliche Definitionen und Einheiten erschweren das Verständnis zusätzlich enorm.

Die Mathematik bietet allerdings unbestechliche Beschreibungs- möglichkeiten, wodurch komplexe Vorgänge eindeutig, übersichtlich und oft auch einfach interpretiert werden können.
Zumindest eine „grobe“, rechnerische Definition zur Bauteilauswahl ist bei den einzelnen Bauteilen bzw. Baugruppen zwingend erforderlich.
Die Brauchbarkeit einer Simulation und Berechnung steht und fällt aber mit der Modelltreue, dies setzt allerdings das Wissen um die Zusammenhänge, auch komplexer Vorgänge voraus.

Heute sind sehr gute Mathematik- und Simulationsprogramme, mit vorgefertigten Makros für die verschiedensten Anwendungen verfügbar. Bei Attempo arbeiten wir mit folgenden Programmen:

Mathematik:       SciLab/SciCos, Matlab, Mathcad
Simulation:         MicroCap
*Mathcad ist allerdings nicht empfehlenswert, da Probleme mit Update, Betriebssystem, Support usw.

Entwicklung durch „Auswechseln“ von Bauelementen ist
unseriös, fahrlässig und letztendlich teuer.

Induktivitäten sind elektromagnetischen Bauelemente, die in den üblichen Lehrbüchern stark idealisiert dargestellt werden. Man geht dabei oft von widerstandslosen, kapazitätsfreien, frequenz- und spannungsunabhängigen Bausteinen aus.
Das ist absolut falsch und praxisfremd. Auch muss eine Induktivität immer in Zusammenhang mit peripheren Bauteilen, auch gegenüber umschließenden Gehäusen betrachtet werden.

Der praktische Aufbau zeigt erst später durch Messungen, inwieweit Theorie und Praxis, Planungen und Berechnungen übereinstimmen. Das beste Beispiel ist der Aufbaueinfluss und die Problematik bei ansteigenden Frequenzen.
Projekte müssen immer durch die entwicklungsbegleitende Messungen kontrolliert werden.

Die Hersteller können selten applikationsabhängig prüfen:

Sind auf Fertigung spezialisiert
Die Kosten können nur bei Großserien umgesetzt werden, andernfalls ist der Preisdruck zu hoch
Es gibt gewachsene Messalgorithmen und Vorgehensweisen
Das physikalische bzw. elektronische Know How ist nicht vorhanden
Das Applikationsverständnis und die Applikationserfahrung fehlt
Die Messtechnik ist nicht vorhanden

Eigenschaften Induktiver Bauteile:

Welche idealen Eigenschaften hat eine Spule (Induktivität):

frequenzabhängigen Blindwiderstand X_L

Welche nicht idealen Eigenschaften hat eine Spule (Induktivität):

Sie hat einen ohmschen Widerstand (DC)
Sie hat einen frequenzabhängigen ohmschen Widerstand (Skin-Proximityeffekt)
Sie hat einen variablen ohmschen Widerstand durch Kontaktierung
Sie hat ein Netz von variablen Kapazitäten der Windungen gegeneinander
Sie hat ein Netz von variablen Kapazitäten der Wicklungslagen gegeneinander
Sie hat ein Netz von variablen Kapazitäten gegen die Umgebung z.B. benachbarte Leitungen
Sie hat ein Netz von variablen Kapazitäten durch Drahtisolationen
Sie hat ein Netz von variablen Kapazitäten durch Lagenisolationen
Sie hat ein Netz von variablen Kapazitäten durch Vergussmaterialien ε_r
Sie ändert ihre Induktivität mit verändertem Kernmaterial
Sie ändert ihre Induktivität mit verändertem Magnetfluss / Strom
Sie ändert ihre Induktivität mit veränderter Spannung
Sie ändert ihre Induktivität mit veränderter Frequenz und Signalform
Sie ändert ihre Induktivität mit veränderter Geometrie
Sie ändert ihre Induktivität mit dem Abstand der Windungen zum Kern
Sie ändert ihre Induktivität mit der Wicklungsart
Sie ändert ihre Induktivität mit veränderter Temperatur
Sie ändert ihre Induktivität mit der Zeit durch Alterung (Desakkommodation)
Sie ändert ihre Induktivität durch mechanische Spannung
Sie ändert ihr Volumen durch das magnetische Feld (Magnetostriktion)
Sie hat Leistungsverluste durch benachbarte Windungen(Proximity), Magnetfelder, Abstrahlung, Schirmung...
Sie beeinflusst und wird beeinflusst durch benachbarte Bauelemente
Sie übt mechanische Kräfte auf benachbarte Materie aus, hauptsächlich Eisen, Nickel, Kobalt...

Was sind eigentlich Induktivitäten:

eine Leiterbahn
eine Drahtverbindung
eine Drahtschleife(n) (Windungen)
auf einen Isolierkörper aufgewickelte Drahtschleife(n)
aufgewickelte Drahtschleife(n) mit magnetisch leitendem Kernmaterial

Verluste magnetischer Bauteile:

Die Verluste sind abgesehen vom ohmschen Widerstand R_CuDC des Drahtes frequenzabhängig.

Die Kupferverluste differieren je nach:
        Draht, Drahtführung, Lagen, Temperatur, Wickeltechnik, Spannung, Strom,
Signalform und Isolation
        Kupferverluste:
            Wicklungsverluste (f = 0, ohmscher Widerstand R_CuDC)
            Wirbelstromverluste der Wicklung (Skineffekt, Proximity) RCu(f)
            Dielektrische Verluste
            temperaturabhängige Verluste

Die Kernverluste differieren je nach:
         Kernmaterial, Kernform, Luftspalt, Temperatur, Lage der Wicklung,
Abstand der Wicklung zum Kern, Feldstärke, Induktion, Signalform,
Umgebung
         Kernverluste: RK(f)
            Hystereseverluste
           Wirbelstromverluste R(w), Skineffekt
           Nachwirkungsverluste
             temperaturabhängige Verluste

Weitere Verluste sind:
         Dielektrische Verluste R(De)
         Gyromagnetische Verluste
         Verluste durch Abschirmung R(As)
         Verluste durch Peripherie R(Ph)

Da die Verluste nur in der Summe interessieren, wurde der Verlustfaktor tan(a) nur für Kernmaterialen in Abhängigkeit von der Frequenz definiert. Dies ist allerdings nur ein Anhaltpunkt: Mit steigender Temperatur nehmen die Verluste, je niederer die Curietemperatur ist, stärker zu. Auch müssen bei nicht perfekter Sinus-Welle, die Oberwellen separat betrachtet werden. Bei einem Rechteck-, Dreieck, Sägezahnsignal muss, je nach Übertragungsqualität noch mindestens die 7 Oberwelle (K7) mit relativ geringen Verlusten übertragen werden können.

Beispiel : Messauswertung einer Drossel mit Netzwerkanalyse:
Auswertung Drossel

Diese Informationen und Berechnungsgrundlagen sind Teil des Seminars/Vorlesung "magnetische Bauteile - Magnetik1" von attempo

Was beeinflußt den Induktivitäswert hauptsächlich:

Die Signalform

Was sind Induktivitäten ?

Drosseln

Planarsysteme

Transformatoren

Coaxialtransformator

Leiterbahnen

Transponder

15.06.2009