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Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte
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15.07.16 12:46
regency 

WGF-Premiumnutzer

15.07.16 12:46
regency 

WGF-Premiumnutzer

Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo zusammen,
meine wild gewickelte VLF Spule für den SAQ Empfang gibt mir folgende Frage auf. Die Güte eines Schwingkreises wird ja durch die parasitären Kapazitäten der Spule stark mitbestimmt. Das übliche Ersatzschaltbild für die reale Spule gibt das nicht her. Da geht man von einer reinen Parallelkapazität als Eigenkapazität aus. Man kann jedoch sicher annehmen, dass sich mit geringerer Eigenkapazität auch die Güte verbessert bei gleicher Frequenz des Schwingkreises.

Das ließe sich im Ersatzschaltbild heilen, wenn man einen weiteren seriellen Widerstand oder Zuschläge für den ohmschen Widerstand annimmt, der die Resonanz so verbreitert, dass man die reale Resonanzkurve erhält.

Gibt es eine Formel oder ein online Programm zur Abschätzung der Schwingkreisgüte aus den Werten ohmscher Widerstand, Induktivität, Kapazität, Eigenkapazität, die die Art der Wicklung mit beinhaltet?

Viele Grüße, Jan

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15.07.16 14:07
Vorkreis 

WGF-Nutzer Stufe 3

15.07.16 14:07
Vorkreis 

WGF-Nutzer Stufe 3

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo Zusammen,

sehr gute Frage, da schließe ich mich an und möchte noch erweitern. Ist es noch von Vorteil bei dieser Frequenz die
Wicklung mit Litze auszuführen? Die Eindringtiefe der HF dürfte doch bei fast schon NF sehr tief sein, so daß keine
große Oberfläche benötigt wird... oder?

Gruß Jürgen

15.07.16 14:22
HB9 

WGF-Premiumnutzer

15.07.16 14:22
HB9 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo zusammen,

nach meinen Erfahrungen mit HF-Leistungstrafos und -drosseln, wo man die Verluste sieht, wenn sie zu hoch sind, würde ich die Verschlechterung der Güte nicht der Wickelkapazität, sondern dem Proximity-Effekt zuschreiben. Der Proximity-Effekt ist vereinfacht gesagt eine Erhöhung des ohmschen Widerstands des Leiters durch das Magnetfeld der benachbarten Leiter (so wie der Skin-Effekt durch das Magnetfeld des eigenen Leiters). Durch das 'wilde' Wickeln (und generell mehrlagige Spulen) sehen die Drähte im Inneren der Spule wesentlich mehr Magnetfeld als die an der Oberfläche und haben dadurch mehr ohmschen Widerstand und somit mehr Verluste, was die Güte der Spule verschlechtert. Aus diesem Grund ist eine einlagige Wicklung (möglichst mit Abstand der einzelnen Windungen zueinander) von der Güte her am besten, ebenso soll ein magnetischer Luftspalt im Kern nicht unter der Wicklung sein, da dort das Magnetfeld am grössten ist.

Wegen HF-Litze: Auf den Proximity-Effekt hat sie praktisch keinen Einfluss, daher dürfte der Nutzen bei einer wild gewickelten Spule nicht allzu gross sein, während bei einer einlagigen Spule der Skin-Effekt reduziert wird, was die Güte erhöht.

Gruss HB9

15.07.16 14:32
Martin.M 

WGF-Premiumnutzer

15.07.16 14:32
Martin.M 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

regency:
Man kann jedoch sicher annehmen, dass sich mit geringerer Eigenkapazität auch die Güte verbessert bei gleicher Frequenz des Schwingkreises.

hallo Jan,

völlig richtig, höheres Q = mehr L, weniger C.

Bei 17.2kHz kommst du allerdings in einen Grenzbereich. Ein Resonanzkreis hoher Güte mit einer so niedrigen Frequenz wird im Scheitelpunkt einen Resonanzwiderstand im Megaohmbereich ausbilden, das ist schon ziemlich unpraktisch beim basteln. So greift da schon zu einem Parallel-R um die Güte und damit den Resonanz-R auf einen brauchbaren Wert zu verringern. Ich würde hier zu einer Spule mit einem schweren Kern tendieren, Topfkern ist ideal. Das unterdrückt auch prima die Harmonischen.

lG Martin

Zuletzt bearbeitet am 15.07.16 14:34

16.07.16 15:48
regency 

WGF-Premiumnutzer

16.07.16 15:48
regency 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo zusammen,
das scheint doch nicht so ganz trivial zu sein. Zunächst herzlichen Dank für die Antworten.

@HB9 Deine Erläuterung leuchtet mir ein. Den proximity effect kannte ich bisher nicht. Dass sich - vereinfacht - der ohmsche Widerstand durch Verdrängungen im inhomogenen Magnetfeld erhöht, würde sich ja mit meiner Vermutung, man könnte einen seriellen Zusatzwiderstand annehmen, decken. Nur wie hoch ist der in Abhängkeit der Spulengeometrie anzusetzen? Und gibt es dann nicht doch eine gute Korrelation zur Eigenkapazität?

@Martin: Ich habe bei gleicher Frequenz gleiche Induktivität und gleiche Parallelkapazität. Der Unterschied der Güte kommt durch den parasitären Anteil an der Parallelkapazität. Hier ist die Frage, wie der die Güte beeinträchtigt.

Zum Beispiel: 10 Prozent parasitärer Anteil an der Schwingkreiskapazität bringt 5 Prozent Verlust der Kreisgüte. So eine Art Faustformel suche ich.

Zum 17,2 kHz Kreis. Meiner Meinung nach sollte die Spule für SAQ eine Empfängerspule sein, also Ferritstab oder offene Rahmenspule o.ä. Bei einem geschlossenen Topfkern müsste man einen extrem langen Antennendraht anschließen und fängt sich alles ein, was man an harmonischen so darauf unterbringt. Einige Megaohm Resonanzwiderstand werden gebraucht, wenn die Bandbreite ca. 100 Hz stimmen soll. Daher auch der FET Verstärker, den Heinz qw123 ins Spiel gebracht hatte.

@Jürgen: Litze bringt bei niedrigen Frequenzen nichts. Aber ab Langwelle durchaus schon.

Ich werde jetzt mal den Simulator anwerfen und sehen, ob sich etwas Sinnvolles zeigt.

Viele Grüße,
Jan

16.07.16 20:48
HB9 

WGF-Premiumnutzer

16.07.16 20:48
HB9 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo Jan,

um wenig Verluste durch den Proximity-Effekt zu haben, müssen die Spulendrähte möglichst wenig Magnetfeld 'sehen'. Somit ist also eine möglichst lange Spule mit wenig Lagen angesagt, eventuell ist es auch besser, dünneren Draht zu verwenden, um weniger Lagen zu haben. Bei inhomogener Feldverteilung macht es zudem Sinn, die Wicklung vor allem dort anzubringen, wo das Feld schwach ist, also bei einem Ferritstab in der Mitte eher etwas mehr Lagen als am Rand. Weiter bringt eine saubere Lagenwicklung eine gewisse Verbesserung und natürlich eine hohe Permeabilität des Kerns, damit nicht so viele Windungen nötig sind.
Im Netz findet man dazu auch Simulationsprogramme, ich habe sie in der Praxis aber noch nicht getestet, im Geschäft verlassen wir uns da auf kompetente Lieferanten, welche das den ganzen Tag machen

Eine Korrelation zur Eigenkapazität gibt es nur bedingt, da die Kapazität neben der Wicklungsgeometrie auch von der Dicke der Isolation abhängt. Tendenziell bedeutet mehr Kapazität aber schon mehr Proximity-Effekt.

Gruss HB9

17.07.16 00:48
MB-RADIO 

WGF-Premiumnutzer

17.07.16 00:48
MB-RADIO 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo Zusammen,

ich kann hier nicht ganz folgen.
Ein 17kHz-Schwingkreis besteht doch aus einer Spule und einen relativ großen Kondensator. Da dürften doch die paar pF Eigenkapazität der Spule keine Rolle spielen.
Die Güte hängt ja von Vielem ab. Man muß das Optimum suchen.
Eine lange Spule hat wieder viel ohmschen Widerstand.
eine Kurze Mehrlagige wieder viel Kapazität.
Man muß eben das Optimum suchen oder ?

17.07.16 11:57
regency 

WGF-Premiumnutzer

17.07.16 11:57
regency 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo zusammen,
ich habe das Gefühl, wir bekommen immer mehr Erkenntnisse zusammen. Falls es den SAQ Spezialisten im Forum hier möglich ist, wäre ich sehr interessiert an den folgenden Daten:

Art der Spule und Antenne, Induktivität, ermittelte Eigenkapazität, zur Kontrolle verwendete Parallelkapazität bei 17,2 kHz. (Die Eigenkapazität lässt sich bestimmen durch Doppelmessung der Resonanzfrequenz mit zwei verschiedenen Parallelkapazitäten oder durch geeignete Oszillatorschaltung ohne Parallelkapazität.)

@HB9: Also hohe Güte durch möglichst lange und möglichst dicke Ferritstäbe. Wicklungen über die gesamte Länge. Die Lagen übereineinder so ausführen, dass die Wicklungen sich in der Mitte stärker konzentrieren.

@Bermd: Die Eigenkapazität ist nicht so klein, bei meiner Keulenspule für 17,2 kHz immerhin 100 pF bei einem Parallelkondensator kleiner 500 pF. Die beteiligten inneren parasitären Kapazitäten können dabei viel höher sein. Diese sind für die Minderung der Güte mitverantwortlich.

Ich fange mal mit einem Modellexperiment dazu an, um die Effekte begreiflicher zu machen. Jetzt zeige ich ein erstes Ergebnis. Die Güte entspricht der Spannungsüberhöhung. Die sinusförmige Spannung mit Innenwiderstand Null wird mit 1 Volt direkt in den Kreis gespeist, der sich aus ohmschen Widerstand, Spule und Kondenstaor zusammensetzt. Somit lässt sich an der Spannungsüberhöhung in Resonanz am Parallelkondensator direkt die Güte ablesen.

Zum Nachrechnen kann auch die Formel Q = Wurzel (L/C) / R,ohm herangezogen werden.

Die Spule setze ich aus 10 Teilwicklungen zusammen. Die parasitären Kapazitäten werden gebildet von Kondensatoren, die jeweils über zwei und über drei Teilwicklungen gehen. Außerdem setze ich noch zwei Kondensatoren aus dem Mittelteil gegen ein Ende (Masse) an. Zunächst wird die magnetische Kopplung zwischen den Teilwicklungen, die ja in Wirklichkeit gleich 1 ist, komplett vernachlässigt. In einer weiteren Simulation könnte sich dann der Proximity Effekt durch magnetische Kopplung abzeichnen.



Ergibt das trotz der Vereinfachung eine typische Resonanzkurve? Die Antwort lautet: Ja. Die aus diesen Teilen gebildeten vielfältigen Kombinationen reichen dazu aus. Damit ist das Modell zunächst nicht ungeeignet.

Jeder einzelne der 15 zusätzlichen Kondensatoren hat mehr Kapazität als die resultierende Eigenkapazität. Der Einfluss auf die Güte bleibt überschaubar. Durch Erhöhung des Ohmschen Widerstands um 2,5 Ohm (entspricht plus 11 Prozent) können beide Resonanzkurven exakt zur Deckung gebracht werden. In diesem Fall ein Güteverlust von 12 Prozent.

Es lassen sich nun die Werte der Kondensatoren variieren, der Teilwicklungen, der magnetischen Kopplungen usw.

Viele Grüße, Jan

Zuletzt bearbeitet am 17.07.16 12:23

Datei-Anhänge
Eigenkapazitaet-Kreisguete.gif Eigenkapazitaet-Kreisguete.gif (54x)

Mime-Type: image/gif, 15 kB

18.07.16 01:14
qw123 

WGF-Premiumnutzer

18.07.16 01:14
qw123 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo Jan,

regency:
...In diesem Fall ein Güteverlust von 12 Prozent.
ich habe den Eindruck, daß Du Dich da etwas verrennst. Ich fürchte, daß der Unterschied in der Rechnung eher durch Rundungsfehler im Simulations-Algorithmus zustande kommt. Bei gleichbleibender Gesamtkapazität sollte die Größe und Verteilung der Eigenkapazität theorethisch keinen Einfluß auf die Güte des Kreises haben.

Bei einem Schwingkreis für 17.2kHz ist es doch normalerweise so:
die Verluste im Kreis kommen im wesentlichen durch die Spulenverluste zustande. Der ohmsche Drahtwiderstand und die Verluste im Kernmaterial überwiegen normalerweise bei weitem. Skineffekt- und Proximity-Verluste sind immer vorhanden, in diesem Fall aber deutlich geringer. Noch geringer sind normalerweise die Verluste im Kreiskondensator und in der Eigenkapazität. Hier spielen die Verluste im Dielektrikum die größte Rolle. Bei der Eigenkapazitaet besteht das Dielektrikum im wesentlichen aus Luft und aus einem Anteil Lackisolation. Also eher aus Material mit geringen Verlusten. Wenn die Eigenkapazität wie üblich nur einen kleinen Prozentsatz der gesamten Kreiskapazitat ausmacht, dann hat das nur noch einen verschwindend geringen Einfluss auf die Gesamtverluste und damit auf die Kreisgüte.

Gruß

Heinz

18.07.16 12:25
regency 

WGF-Premiumnutzer

18.07.16 12:25
regency 

WGF-Premiumnutzer

Re: Eigenkapazität Spule und Schwingkreisgüte

Hallo Heinz,
du schaffst es wieder mich zu verblüffen, zu erden, und auf den rechten Pfad der Erkenntnis zurück zu geleiten. Dafür verrenne ich mich auch gerne mal ein bisschen. Kannst du mir bitte noch die Spulendaten inkl. Eigenkapazität deiner SAQ Ferrit-Spule mitteilen?

qw123:
Bei gleichbleibender Gesamtkapazität sollte die Größe und Verteilung der Eigenkapazität theorethisch keinen Einfluß auf die Güte des Kreises haben.

Ich sehe das nicht so kategorisch:
Resonanzkurven in inhomogenen Magnetfeldern führen zur Verbreiterung: Vollkommen richtig und abhängig von der Verteilungsfunktion dieser Inhomogenitäten.

Streukapazitäten erzeugen eine Vielzahl von Teilresonanzen, die mit kleiner, aber in Summe nicht immer vernachlässigbarer Weise in die Resonanzkurve eingehen. Das senkt das Signalmaximum und damit die Güte.

Es wird so sein, dass die anderen Verlustfaktoren dominieren, in Abhängigkeit der Spulengeometrie. Aber eine Wickeltechnik, die kapazitätsarm erfolgt, mindert indirekt keine Verluste?

Zum Simulationsprogramm: Bei PSpice muss man vor allem im Zeitbereich aufpassen, dass man die relevanten Zeitkonstanten vergehen lässt und die Berechnungszeit entsprechend wählt. Hier beim AC Sweep mit 10000 Datenpunkten glaube ich nicht, dass die Kurven unter Rundungsfehlern leiden.

Viele Grüße, Jan

Zuletzt bearbeitet am 18.07.16 16:39

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