Elektronik ohne Ballast

Im ersten Teil des Buchs erfährt der Leser, dass ein tieferer Einstieg in die Elektronik bereits mit wenigen physikalischen Grundkenntnissen möglich ist. An zahlreichen praktischen Beispielen und Vergleichen wird aufgezeigt, dass die Beherrschung dieser Grundregeln das Pauken von "Faustformeln" und "Eselsbrücken" überflüssig macht. Eine theoretische, aber praktisch orientierte Minimalausrüstung ist also der Schlüssel für fundiertes Basiswissen. Die Vielzahl der vorgestellten Schaltungen basiert im Wesentlichen auf einigen Rundbauelementen, z. B. Widerständen, Kondensatoren, Dioden und Transistoren. Das Buch zeigt dem Leser die wichtigsten Kennwerte, Leistungs- und Funktionsmerkmale und erklärt anhand praktischer Beispiele die Einsatzmöglichkeiten. Da es für viele Leser in der Elektronik immer schwieriger wird, aus der vielfältigen Literatur die wesentlichen elektronischen Grundschaltungen herauszufinden und sich als Basiswissen anzueignen, liegt im zweiten Teil dieses Werks der Schwerpunkt auf der Darstellung und der Funktionserklärung repräsentativer Schaltungen. Die einzelnen Funktionen werden dazu unter dem Gesichtspunkt der praxis- und berufstypischen Situation beschrieben und ausgewertet. Wenn es für das Verständnis erforderlich erschien, wurden die Schaltungen auf vereinfachte Funktionsmodelle zurückgeführt. Der dritte Teil befasst sich mit wichtigen speziellen Ausprägungen der Elektronik. Die fortschreitende Automatisierung durch die Mikroelektronik etwa verlangt auch im elektrischen Energiebereich Schaltungen zur schnelleren und verlustärmeren Umwandlung bzw. Steuerung elektrischer Energie. Dieses Thema soll dem Anwender beispielhaft aufzeigen, auf welche Weise er die am besten geeigneten Schaltungen am zweckmäßigsten in der Energieelektronik einsetzen kann. Daher werden u. a. die gängigsten Bauelemente sowie die Geräte und Anlagen zur Energieversorgung und Antriebstechnik beschrieben. Beschreibungen praktisch angewendeter und aktueller Schaltungen aus den wichtigsten Anwendungsgebieten, z. B. aus der Fotovoltaik, runden das Thema ab.


Leseprobe:

4.4 Spule mit Massekern (S. 198-199)

Gepresstes Eisenpulver für Spulenkerne (Massekerne) wird als magnetischer Kern- werkstoff in der Nieder- und Hochfrequenztechnik in sehr vielen Ausführungsfor- men verwendet. Es hat die Aufgaben: ) die Spuleninduktivität zu erhöhen ) einen einfachen Induktivitätsabgleich in einem großen Abgleichbereich zu ermöglichen Bei der Entwicklung der Massekeme stand der Gedanke im Vordergrund, die Wir- belstromverluste des Eisens zu vermindern.

Da die Verluste von der Teilchengröße abhängen, wird für die Herstellung von Massekernen ein Eisenpulver (Carbonylei- sen) verwendet, dessen Teilchen einen Durchmesser bis herab zu 5 · 103mm aufwei- sen. Die magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität ` r) eines Massekerns ist – wegen der starken Streuung bei Kemen mit nicht geschlossenem Eisenweg – nur bei Ringker- nen genau anzugeben. Die sogenannte Ringpermeabilität ( ` r) ist die wirksame Permeabilität einer Toroid- spule mit ringförmigem Eisenkern und definiertem Spulenaufbau. Sie dient der Kennzeichnung des Pulverkern-Werkstoffs. Pulverkerne für Kurzwellenspulen haben eine Ringpermeabilität von ` r = 5 bis 7. Kerne für Mittel- und Langwellen- spulen haben einenWert von ` r = 7 bis 20. Pulverkern-Werkstoffe für Drosselspulen, Übertrager und Pupinspulen haben eine Ringpermeabilität von ` r = 30 und höher. Abb. 4.5 zeigt einige gebräuchliche Massekerne. Zu beachten sind bei Massekernen die Spulenverluste bei höheren Frequenzen.

Das einen Leiter umgebende Magnetfeld erzeugt bei hohen Frequenzen im Innern des Leiters Wirbelströme, die eine zusätzliche Erwärmung und damit Verluste bedingen (Wirbelstromverluste). Außerdem verursachen die Wirbelströme aber auch eine Stromverdrängung an die Oberfläche des Eisens (Skineffekt), sodass der Hochfrequenzstrom nur in einer dünnen Schicht an der Oberfläche des Leiters fließt (Verminderung der Leitfähigkeit des Leiters bei Hochfrequenz).

In einer vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Spule treten somit Verluste auf, die durch ) den ohmschenWiderstand, ) dieWirbelströme und ) den Skineffekt bedingt sind. Enthält eine Spule einen Eisenkern, so treten zu diesen drei Verlusten noch hinzu: ) Hystereseverluste (Ummagnetisierungsverluste im Eisen) und ) Wirbelstromverluste im Eisen. Bei Frequenzen über 2 MHz machen sich noch die Verluste im Isolierstoff des Spu- lenkörpers (dielektrische Verluste) bemerkbar. Diese sind der Spulenkapazität pro- portional.

4.5 Spule mit Eisenblechkernen

Spulen (z. B. Drosseln und Übertrager) werden mit einem Kern aus Eisenblechen versehen, wenn sie im Nieder- oder Mittelfrequenzbereich betrieben werden. Aus- nahmsweise werden auch Übertrager und Drosselspulen bis zu einer Betriebsfre- quenz von 500 kHz und höher mit Eisenblechen ausgerüstet, insbesondere dann, wenn das zu übertragende Frequenzband relativ schmal ist. In zunehmendemMaße werden für Übertrager (z. B. Sparübertrager) im Mittel- und Hochfrequenzgebiet Ferritkerne verwendet. Zur Verminderung der Hysterese- und Wirbelstromverluste werden die Bleche aus legiertem Eisen (mit Zusätzen von Aluminium, Chrom, Nickel und/oder Silizium) hergestellt.

Diese Legierungen haben eine kleine Koerzitivfeldstärke, eine hohe Induktion und z. T. einen hohen spezifischen Widerstand. Eine Eisen-Chrom- Nickel-Legierung (Hypern 20) hat z. B. einen etwa 15 mal so hohen spezifischen Widerstand als reines Eisen. Die Vergrößerung des spezifischen Widerstands des Eisenkerns wirkt sich unmittelbar durch eine Verminderung der Wirbelströme aus. Eine weitere Herabsetzung der Wirbelströme lässt sich erzielen durch Verminde- rung der Blechdicke. Für Hochfrequenzübertrager werden Bleche mit einer Dicke von nur 0,05 bis 0,1 mm verwendet. Kernwerkstoffe und Schnittformen sind weit- gehend in die Normung einbezogen.