Frage zu Rechteck an Trafo?
Hallo!
Man kann ja sofern die Primärquelle hohe Ströme liefern kann auch ein DC Rechteck an einem Trafo hochwandeln, oder?
1.) Muss man die Polarität nur ändern, weil der Strom durch L1 sonst zu hoch wird?
2.) Und ist es richtig, dass man mit einem Rechteck von -1V zu +1V dann einen Ueff von einer Gleichspannung erhält, egal welche Frequenz man beim Rechteck wählt?
3.) Mir wurde einmal gesagt der Trafo mag Sinusformen lieber, was bedeutet das?
Lg
3 Antworten
- Nicht nur. Das Netzteil oder der Kupferwiderstand wird irgendwann den Strom begrenzen und wenn der Strom durch die Primärspule nicht mehr steigt, wird auf der Sekundärseite auch keine Spannung mehr induziert.
- Was meinst du mit dieser Frage genau. Ueff bezeichnet immer eine "Gleichspannung". Ueff ist nicht zeitabhängig und auch nicht frequenzabhängig, weil es sich immer um eine eigene Art des Mittelwertes über die Länge einer Periode (bei Periodischen Signalen) handelt. Ueff wird erst dann frequenzabhängig wenn man keine idealen Spannungsquellen betrachtet.
- Bei einem Sinus handelt es sich um eine harmonische Schwingung. Auf der Primärseite geht ein Sinus rein und auf der Sekundärseite geht ein Sinus raus. Bei anderen Signalformen kann es zu hohen Spulenströmen kommen welche dann den Kern in die Sättigung treiben. Das Resultiert dann zum einen in hohen Verlusten und zum anderen führt das auch zu verzerrten Ausgangssignalen.
Wenn man mal von den Problemen absieht, liefert ein Trafo auf der Sekundärseite immer die Ableitung des Stromes auf der Primärseite. Sprich damit ein Rechteck auf der Sekundärseite raus kommt muss der Strom in der Spule auf der Primärseite Dreieckförmig sein. Sofern die Hauptinduktivität des Trafos jetzt nicht groß ist führt das zu sehr hohen Anstiegsraten des Stromes sowie generell zu sehr hohen Strömen wenn die Frequenz nicht sonderlich hoch ist.
Ich habe mich hier auf den unbelasteten idealen Transformator bezogen (Ideal bis auf den Magnetisierungsstrom), wollte es zwar noch dazu schreiben, ist dann aber irgendwie untergegangen.
Danke für die Ergänzung.
1.) Achja dass der Leiter auch einen Widerstand hat hatte ich schon wieder nicht bedacht!
2.) Ich meine: Eine Gleichspannung von 1V hat Ueff von 1V.
Und wenn die Spannung 1V von 0 +- 0,5 V beträgt ist Ueff auch 1V.
3.) Achso! Weil beim Rechteck der Strom sehr schnell ansteigt? Der Trafo will lieber einen langsamen anstieg? Und Dreieck oder Sinus ist etwa egal?
Naja Ueff hängt natürlich schon von der Form des Signals ab.
Ein Rechtecksignal hat aber immer den selben Effektivwert wie es Amplitude hat, sofern es symmetrisch um 0 ist. Andere Signalformen haben diese Eigenschaft nicht.
https://de.wikipedia.org/wiki/Formfaktor_(Elektrotechnik)
Mit dem Stromanstieg eher weniger. Es geht hier um die Maximalwerte des Stromes. Wenn der Sekundärkreis nicht belastet ist fließt nur Magnetisierungsstrom und ab einem gewissen Strom geht der Kern in die Sättigung, was bewirkt, dass das Magnetfeld kaum noch ansteigt. Der Transformater verzerrt in dem Fall das Signal ziemlich stark. Durch die Wahl des Kernmaterials ist aber auch die Bandbreite des Trafos begrenzt.
Weil alle Signalformen bis auf Sinussignale Oberwellen enthalten, verzerrt der Trafo je nach Bauart das Signal mehr oder weniger stark.
Achso! Weil beim Sinus nur kurz ein starker Strom fließt im Vergleich zum Rechteck?
Die meiste Leistung an der Sekundärseite erhält man aber mit einem Rechteck in entsprechend hoher Frequenz, ohne das der Kern in Sättigung geht?
Ist es netzbedingt, dass man Sinus verwendet oder hat das andere Vorteile auch noch?
Weil beim Sinus nur kurz ein starker Strom fließt im Vergleich zum Rechteck?
Nein.
Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an der Primärspule eines Transformators ist nach der Systemtheorie ein LTI-System, welches aufgrund der Linearität, bei einem Sinus am Eingang auch einen Sinus am Ausgang liefert (im Eingeschwungenen Zustand).
Eine Sinusförmige Spannung führt bei einem Trafo also auch auf einen Sinusförmigen Strom. Ein starker Stromimpuls kann nur beim Zuschalten auf das Netz auftreten. Im Normalfall sind die Magnetisierungsströme des Trafos im Sinusbetrieb allerdings minimal.
Je nach Frequenz können die Magentisierungsströme auch beim Rechteckbetrieb klein bleiben, die Bandbreite des Trafos verzerrt allerdings das Signal, wenn der Trafo nicht auf hohe Bandbreiten ausgelegt ist.
Die meiste Leistung an der Sekundärseite erhält man aber mit einem Rechteck in entsprechend hoher Frequenz, ohne das der Kern in Sättigung geht?
Die meiste Leistung im vergleich zu was?
Ein Rechteck kann genau so viel Leistung wie ein Sinus oder Dreieck liefern. Der Leistungsbegriff hat ja nichts mit der Wellenform zu tun. (Ich beziehe mich hierbei streng genommen auf die Scheinleistung. Jede nicht Sinusförmige Quelle liefert Verzerrungsleistung, daher gibt ein Sinus an LTI Systemen meist die größte Wirkleistung ab, bei gleicher Frequenz und Amplitude)
Ist es netzbedingt, dass man Sinus verwendet oder hat das andere Vorteile auch noch?
Wie bereits oben erwähnt verzerrt ein Leistungstranformator das Signal meistens. Diese Verzerrungen können auch als Leistungsverluste interpretiert werden, wodurch ein Trafo im Sinusbetrieb den höchsten Wirkungsgrad aufweist.
Was ist ein eingeschwungener Zustand?
Also kommt es bei einem Rechteck zur Sättigung wenn sich die Polarität nicht schnell genug ändert? Entsteht die Sättigung weil zu lange ein hoher Strom durch L1 fließt oder der Strom zu lange schnell ansteigt?
Eingeschwungener Zustand bedeutet, dass die Fourriertransformation des Eingangssignals (mit Einschaltvorgang) annähernd der Fourriertransformation des periodischen Signals entspricht.
Wenn man auf ein System einen Sinus aufschaltet ergeben sich zunächst überlagerte Schwingungen im Ausgang des Systems welche mit der Zeit immer weiter abnehmen (meistens exponentiel). Wenn diese, durch das Einschalten ausgelösten, Schwingungen abgeklungen sind spricht man vom eingeschwungenen Zustand.
Also kommt es bei einem Rechteck zur Sättigung wenn sich die Polarität nicht schnell genug ändert?
Richtig. Die Sättigung kann durch ein schnelles Rechtecksignal mit hoher Frequenz vermieden werden. Anders sieht es mit den Verzerrungen durch die Übertragungseigenschaften des Trafos aus.
Entnommen aus der Antwort von Franz1957:
http://www.sacthailand.com/Transformer_TestOutput.html
hier sieht man die Reaktion des Trafos auf eine Anregung mit einem Rechtecksignal. Besonders beim letzten Trafo in der Liste sieht man "schöne" Verzerrungen des Signals, bei 20kHz.
Entsteht die Sättigung weil zu lange ein hoher Strom durch L1 fließt oder der Strom zu lange schnell ansteigt?
Die Magnetische Flussdichte im Kern ist direkt Proportional zum Strom in der Primärspule. Sobald also der Strom in der Primärspule zu groß wird geht der Trafo in die Sättigung, das hat weder etwas mit der Flankensteilheit des Stromes noch mit der Länge des hohen Stromflusses zu tun. Wenn der Strom zu hoch ist, ist der Trafo in der Sättigung.
Meine Antwort mit der hohen Flankensteilheit bezieht sich einfach nur darauf, dass der Magnetisierungsstrom, beim Anlegen von Gleichspannung, linear mit der Zeit ansteigt. Wenn dieser Anstieg groß ist, kann der Strom während das Rechtecksignal zB +1V hat so groß werden, dass der Trafo in die Sättigung geht. Wenn das Rechtecksignal schneller wird, hat der Strom keine Zeit mehr die Sättigungsgrenze zu erreichen.
Wenn du dir die Bilder auf der von mir verlinkten Seite ansiehst, dann kannst du das auch bei dem 40Hz Rechteck erkennen. Der Kern geht in die Sättigung und die Spannung auf der Sekundärseite geht gegen 0. (Kann allerdings auch damit zusammenhängen, dass der Funktionsgenerator, zur Anregung, in die Begrenzung geht)
Also kann der Trafo durch zu hohen Strom zu großen Magnetisierungsfluss erzeugen und dann ist die Spannung U2 0V obwohl der durch den Kabelwiderstand begrenzte Strom noch gar nicht erreicht ist?
Ja. Wenn das Kernmaterial gesättigt ist steigt die Magnetische Flussdichte bei einer Erhöhung des Stromes kaum noch. Das hat zur Folge, dass sich der Fluss durch die Sekundärspule kaum mehr ändert und daher die Induzierte Spannung gegen 0 geht.
Gibt man dann an bei so und so viel Tesla geht der Kern in Sättigung?
Ja richtig. Es gibt da für jedes Material eine Sättigungsflussdichte.
https://de.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetismus#S%C3%A4ttigung
Da findet man die Sättigungsflussdichte für bestimmte Materialien.
Zur Ergänzung einige Abbildungen, wo man sehen kann, was passiert.
(a) Hier sind Diagramme, die das zeigen, was Joochen erklärt hat: wie das Rechtecksignal sich aus einem Spektrum von Sinussignalen vieler Frequenzen zusammensetzt.
(b) Die Sekundärspannung eines normalen Netztrafos, der dafür ausgelegt ist, bei Netzfrequenz Energie zu übertragen. Man sieht, wie die Induktivität auf die einzelnen Schaltvorgänge reagiert.
(c) Die Sekundärspannungen einiger Typen von Verstärker-Ausgangstrafos, die dafür ausgelegt sind, Tonsignale einigermaßen breitbandig und unverzerrt zu übertragen, für verschiedene Eingfangsfrequenzen. Bei 40 Hz sieht der Output so aus wie bei (b), aber bei Rechtecksignalen im kHz-Bereich kommen wieder annähernd Rechtecksignale heraus, weil die Antworten des Trafos auf die im Rechteck enthaltenen höheren Frequenzen sich zu der entsprechenden Summe überlagern.
Einer Rechteckschwingung entspricht eine Linearkombination von vielen Sinusschwingungen. Deren Frequenzen sind die ungeraden Vielfachen der Grundfrequenz.
Es hängt jetzt davon ab, wie der Transformator diese höheren Frequenzen auf seine Sekundärwicklung überträrt, wie gut dort das Rechtecksignal wiedergegeben wird.
Die Effektivspannung bei einer Rechteckschwingung ist gleich der Amplitude.
Sollte die Rechteckschingung einen Gleichspannungsanteil haben, so wird der nicht übertragen. Er erwärmt aber die Primärwicklung.
Bei 1) 2) und 3) bin ich voll bei Dir.
Wenn man mal von den Problemen absieht, liefert ein Trafo auf der Sekundärseite immer die Ableitung des Stromes auf der Primärseite. Sprich damit ein Rechteck auf der Sekundärseite raus kommt muss der Strom in der Spule auf der Primärseite Dreieckförmig sein.
Hier bin ich nicht so ganz 100% einverstanden, denn dies gilt nur für den primärseitigen Magnetisierungsstrom. Eine primäre Rechteckspannung führt auch am Ausgang zu einer Rechteckspannung (vorausgesetzt keine Sättigung oder Ohm'sche Strombegrenzung), daher ist der Sekundärstrom bei Ohm'scher Last ebenfalls rechteckförmig. Primärseitig habe ich dann diesen mit dem Übersetzungsverältnis transformierten Rechteckstrom, dem ein dreieckförmiger Magnetisierungsstrom überlagert ist. Oft kann man letzteren aber im Vergleich zur Last vernachlässigen. Wollte das nur noch klarstellen.