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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Für das Beispiel ergibt sich ein Ripple IRipplesek von 0,83 A. Die Sekundärinduktivität errechnet sich aus Formel (15). Die Induktivität ist proportional zum Quadrat der Windungszahl. Somit ergeben sich für die Primärinduktivität mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses aus Gleichung (10) etwa 212 µH.

3. Schritt: Auswahl des Kerns

Als Kernmaterial werden bei Frequenzen zwischen 100 und 500 kHz MnZn-Ferrite verwendet. Die Anfangspermeabilität µi dieser sog. Leistungsferrite liegt bei etwa 2000 bis 2500, ihre Sättigungsflussdichte Bsat bei ca. 360 mT. Die Bauform hängt von der zu übertragenden Leistung ab. Für das Beispiel wird ein EFD-15-Kern mit folgenden Kenndaten verwendet: Effektiver magnetischer Ferritquerschnitt Aeff = 15 mm², effektive magnetische Weglänge leff = 34 mm, effektives Volumen Veff = 510 mm³, thermischer Widerstand RTH = 75 K/W.

4. Schritt: Festlegen der Windungszahlen

Die minimale Windungszahl wird durch die maximale magnetische Flussdichte im Kern festgelegt. Bei maximalem Strom darf der Kern nicht in Sättigung geraten. Außerdem dürfen die durch die Änderung der magnetischen Flussdichte hervorgerufenen Kernverluste nicht zu groß werden. In dem Beispiel ergibt sich eine minimale Windungszahl (16) von 33. Sekundär ergeben sich mit dem Übersetzungsverhältnis aus Gleichung (10) acht Windungen. Die Änderung der magnetischen Flussdichte beträgt etwa 25% der durchschnittlichen Flussdichte, also ca. 80 mT. Beim Vergleich mit den Verlustkurven der Kernhersteller ergibt sich für einen EFD-15-MnZn-Leistungsferritkern eine Verlustleistung von 34 mW.

5. Schritt: Festlegen der Drahtquerschnitte

Die Drahtquerschnitte werden durch die auftretenden Effektivströme sowie durch den auf dem Spulenkörper vorhandenen Platz bestimmt. Ein guter Ausgangspunkt ist eine Stromdichte von 5 A/mm². Primär ergibt sich nach dieser Faustformel und dem Effektivstrom aus Gleichung (6) ein Querschnitt von 0,08 mm², was einem Drahtdurchmesser von 0,32 mm entspricht. Auf der Sekundärseite resultiert ein Querschnitt von 0,39 mm², also ein Drahtdurchmesser von 0,7 mm.

Nun muss geprüft werden, ob die Wicklungen mit den vorgeschlagenen Drähten in den Spulenkörper passen, der für den EFD-15-Kern eine Wickelfensterbreite von 9,25 mm hat. Pro Lage passen ca. 28 Primär- und 13 Sekundärwindungen ins Wickelfenster. Es ergeben sich also zwei Lagen primär mit einer Gesamthöhe von 0,64 mm und eine Sekundärlage mit einer Höhe von 0,7 mm. Bei einer Spulenkörperhöhe von 1,95 mm, passt die Wicklung gut hinein.

Um zu prüfen, ob die Kupferverluste mit den vorgeschlagenen Drähten nicht zu groß sind, wird aus den Drahtlängen und -querschnitten der DC-Widerstand berechnet. Bei einer mittleren Windungslänge von 24,1 mm (EFD-15-Spulenkörper) ergeben sich Drahtlängen von 795 bzw. 193 mm mit DC-Widerständen von 177 bzw. 9 mV. Multipliziert mit den effektiven Stromstärken im Quadrat, ergeben sich daraus Verluste von 24,3 und 36 mW. Zusammen sind dies rund 60 mW Kupferverluste. Skin- und Proximity-Verluste sind darin allerdings nicht enthalten.

Die verschiedenen Kernhersteller geben für EFD-15-Kerne einen RTH von 75 bis 80 K/W an. Zusammen mit den errechneten Kupferverlusten ergibt sich eine Eigenerwärmung von 8 K. Der so entwickelte Übertrager kann nun relativ schnell im Labor gewickelt und in der Schaltung getestet werden.

Als Alternative zur Schaltungsoptimierung stehen Übertrager der Reihe WE-FLEX zur Verfügung, die wie folgt ausgewählt werden: Aufgrund der Berechnung benötigt man ein Übersetzungsverhältnis von 4 : 1. Am besten schaltet man primär vier Wicklungen in Reihe und Sekundär zwei Wicklungen parallel (Bild 3). Sekundär fließt ein Effektivstrom von 1,9 A, primär von 0,33 A (aus Gleichungen (1) und (2)). Die Maximalströme liegen primär bei 0,93 A und sekundär bei 3,56 A (aus Gleichungen (3) bis (5)). Die Induktivität soll bei 213 µH liegen. Daraus ergibt sich für die Kenndaten des FLEX-Übertragers: Lbase = 13,3 µH (aus Lp/4²; Primär 4 Wicklungen in Reihe),

INbase = 0,95 A (aus IRMSsek /2; Sekundär 2 Wicklungen Parallel), Isatbase = 0,62 A (aus Ipprim/6 ? 4; 4 gleichzeitig bestromte Wicklungen). Geeignet ist z.B. der WE-FLEX-Übertrager 749196321. Da dieser als Standardübertrager verfügbar ist, kann damit ohne Zeitverzug für die Musterwicklung mit Schaltungsoptimierungen begonnen werden.

* Thomas Brander arbeitet als Produktmanager Übertrager bei Würth Elektronik in Waldenburg.

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