APEC 2017 An den Lippen von Ray Ridley

Dr. Ray Ridley hielt auf der APEC drei Stunden lang seine Zuhörer mit magnetischen Bauelementen gefesselt.
Dr. Ray Ridley hielt auf der APEC drei Stunden lang seine Zuhörer mit magnetischen Bauelementen gefesselt.

Das Seminar war gesteckt voll, aber es ging nicht um die neuesten Errungenschaften der Leistungshalbleiterei. Nein, es ging um Spulen und Transformatoren. Vielleicht 250 Anwesende hingen an den Lippen von Dr. Ray Ridley, als dieser versuchte, sein Publikum für magnetische Bauelemente zu begeistern.

Wer kann schon drei Stunden lang ein Publikum mit so etwas wie magnetische Bauelemente fesseln? Dr. Ray Ridley gelingt dieses Kunststück aber immer wieder. Selbst in der Kaffeepause und nach seinem Intensivseminar wurde er mit Fragen bestürmt.

Am Anfang seiner Ausführungen stehen die vier Maxwell-Gleichungen aus der Mitte des 19. Jahrhunderts; die sind auch im 21. Jahrhundert noch voll gültig. Skeptisch sieht er die Zukunft der magnetischen  Bauelemente, denn Kupfer bleibt eben Kupfer und die Hersteller der Kernmaterialien investieren relativ wenig in die Forschung.

Überhaupt die Hersteller der Kernmaterialien. An dieser Gruppe arbeitet sich Ray Ridley richtig ab. Unverhohlen kritisiert er sie dafür, dass bei den Datenblättern jeder sein eigenes Süppchen kocht, sodass eine Vergleichbarkeit der Kernmaterialien für erfahrene Entwickler sehr schwer, für ungeübte völlig unmöglich ist. Fürchten die Unternehmen etwa, dass dadurch offenbar wird, wie schlecht ihre Produkte sind?

Nach einigen sehr haarsträubenden Beispielen aus dem Panoptikum kundenspezifischer Magnetbauteile widmete er den nächsten Teil den Wicklungs- bzw. Kupferverlusten. Schon im Jahr 1966 veröffentlichte P. L. Dowell sein Paper zu den Effekten von Wirbelströmen in Trafowindungen. Der von ihm beschriebene Skin- und Proximity-Effekt bewirken, dass die Verluste frequenzabhängig sind. Ein besonders eindrucksvolles Beispiel präsentierte Ridley, als er berichtete, dass die Verluste sanken, als er statt des 10-mil-Folienleiters einen 5-mil-Folienleiter benutzte. Zwar stiegen die DC-Verluste, aber die frequenzabhängigen Verluste sanken stärker. Das widerspreche, so gab der Redner zu, jeder Intuition. Wie aber lassen sich Proximity-Verluste modellieren? Dazu präsentierte Dr. Ridley eine Parallelschaltung von fünf LR-Gliedern, mit der sich die Dowell-Gleichung und damit die Kupferverluste in LTSpice ziemlich gut abbilden ließen.

Auch die Eisen- bzw. Kernverluste ließen sich gut mithilfe einer modifizierten Steinmetz-Gleichung (aus dem Jahr 1892) modellieren. Und auch hier holte der Redner zum Schlag gegen die Hersteller der Kernmaterialien aus. Die Verlustkurven in den Datenblättern seien nur Annäherungen an die Messwerte, welche die Firmen unter Verschluss halten. So sind auch diese Verluste frequenzabhängig, aber die Steinmetz-Gleichung berücksichtigt das nicht. Außerdem sind sie temperaturabhängig, und das lineare Gleichungssystem, das diesen Effekt beschreibt, hat sechs Koeffizienten. Die Kernmaterialhersteller geben aber nur einen Wert für eine Temperatur an.

Schließlich versuchte sich Ridley an einem etwas genaueren Modell für einen schlichten Trafo und eine Spule. Ergebnis: Der Trafo umfasst ein Netzwerk von über 25 diskreten Elementen, eine Spule immerhin noch ein Netzwerk von über zehn.

Hinterher konnte ich Dr. Ridley noch ein wenig interviewen. Seine Antworten lesen Sie in einer der kommenden Ausgaben der DESIGN&ELEKTRONIK.