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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stromregelung geht bei Kurzschluss kaputt


Autor: A. W. (wiwil)
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Hallo zusammen,

ich habe ein Problem mit der angehängten Stromregelung. Es soll der 
Strom durch die Spule( hier bestehend aus R7 und L1) geregelt werden. 
Der Strom kann über R4 und R5, was in Wirklichkeit ein Poti ist 
eingestellt werden. Soweit so gut. Die Schaltung ist nicht von mir, aber 
im Normalfall funktioniert das ganze.
Jetzt ist mir aus versehen ein Kurzschluss an der Spule passiert. Sollte 
ja bei der Strombegrenzung kein großes Problem sein. Hierbei ist jedoch 
die Sicherung (nicht dargestellt 5A flink) geflogen und auch der Mosfet 
ist jetzt defekt.
Was ist denn dabei jetzt passiert frage ich mich. In der Simulation 
bekomme ich das nicht hin, dass da ein dauerhaft so großer Strom fließt.
Die Sicherung ist auf jeden Fall in einer Zeit <1sec geflogen und sieht 
so aus, als ob der Strom auch entsprechend groß war.
Hat die Regelung irgendwelche Schwingungen gemacht und ist dadurch alles 
kaputt gegangen, ist der Mosfet direkt gestorben, wenn ja, wodurch, der 
kann immerhin 200V/50A und ist nur so groß, damit er die entstehende 
Wärme abführen kann. Ne Überspannung kann doch eigentlich auch nicht 
entstehen, oder? Wobei ich dazusagen muss, dass der Transistor der 
vorherigen Längsregelung auch kaputt gegangen ist, allerdings kann der 
nur 10A, das würde ich ja noch verstehen, der Strom muss ja wirklich 
recht hoch gewesen sein. Aber die Spannung am Netzkondensator beträgt 
auch nur ca. 70V.

Im Moment ist mir das alles ein Rätsel, ich hoffe ihr habt einen Tipp 
für mich.

Gruß
Andreas

Autor: Stabilo (Gast)
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Hallo,
ist der FET an einem Kühlkörper montiert? Wenn nicht, solltest du mal im 
Datenblatt nachschauen, was der ohne KK schafft. Sicherlich keine 50A...

LG

Autor: A. W. (wiwil)
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Ja, der ist auf einem Kühlkörper. Außerdem passiert das ganze innerhalb 
deutlich weniger als einer Sekunde, da bewirkt der Kühlkörper auch nicht 
viel

Autor: Jens G. (jensig)
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Wenn Du es so wie im Plan ohne irgendwelche Abblock-C's in der 
Versorgungsspanmnung für den OPV und den Mosfet gebaut hast, dann könnte 
das der Grund sein. OPV kann ins schwingen geraten, und die 
Mosfetleitung könnte, wenn etwas zu lang, als Induktivität 
Spannungsspitzen erzeugen, die für den Mosfet evtl. etwas ungesund sind. 
Da aber Überspannung von Mosfets relativ gut vertragen werden, wenn 
nicht zu viel Strom bzw. Energie dahinterhängt (der wirkt dann wie eine 
Z-Diode), denke ich eher ans Oszillieren, was viel Strom zog, den Mosfet 
aufheizte, bis er verglüht ist, inkl. Sicherung am Ende.

Autor: A. W. (wiwil)
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Ok, der Schaltplan ist nur aus der Simulation. Abgeblockt ist der OP 
jeweils mit 100n und 1u und die 50V-Versorgungsspannung mit 10u und 100n

Autor: Jens G. (jensig)
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Naja, wenn Du ein Oszilloskop hast, würde ich mal die Ausgangsspannung 
bei unterschiedlichen Lastzuständen (angefangen mit geringen Lasten bis 
zum (Fast-)Kurzschluß) prüfen/messen. Vielleicht siehste ja schon bei 
mäßigen Lasten beim An/Abklemmen derselben schon irgendwelche (noch 
ungefährliche) Überschwinger auf Drain oder Gate oder 50V. 
Möglicherweise überreagiert der OPV etwas bei stärkeren Lastsprüngen.

Autor: zzz (Gast)
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12V auf das Gate ist eher viel, es sollten 8V oder genuegen.

Autor: Wolf (Gast)
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Warum liegt die Anode der BZX am Stromfühl-Widerstand?
Damit bekommt das Gate eine sprunghaft hohe Spannung im Fehlerfall die 
vom OP nicht weggezogen werden kann.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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Bei einem Kurzschluss kann er sich auch innen so schnell aufheizen, dass 
die wärme garnicht außen ankommt, ohne innen abzubrennen.

Autor: A. W. (wiwil)
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Die Zenerdiode liegt doch ganz normal über Gate und Source. Wenn jetzt 
am Messwiderstand eine Spannung entsteht hebt sich Source doch auch, 
oder verstehe ich etwas falsch?

Autor: A. W. (wiwil)
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@ Da Pep
Dass er durch plötzliche Leistung kaputt geht denke ich eigentlich auch, 
aber warum entsteht die überhaupt, normalerweise soll die Regelung das 
ja begrenzen und in der Simulaltion tut sie das auch

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Die Regelung dürfte ganz einfach zu langsam sein.
Änder mal folgendes:
-Zenerdiode durch eine 8V Z-Diode ersetzen, wie weiter oben schon 
angesprochen wurde. Bei 8V ist der Innenwiderstand kaum größer, aber der 
Kurzschlussstrom sehr viel kleiner. Dies ist die erste Strombegrenzung.
-Zenerdiode an Masse anstelle an Source: Dadurch ergibt sich eine 
weitere Strombegrenzung bei etwa 20A: Wenn der Strom steigt, wird das 
Sourcepotential höher, und somit reduziert sich die Gate-Sourcespannung 
da die Gatespannung auf 8V begrenzt wird, was dem Stromanstieg entgegen 
wirkt. Dies ist die zweite Strombegrenzung. Die Verlustleistung wird 
somit ausreichend begrenzt, damit der Mosfet die Zeit bis zum Eingreifen 
der eigentlichen Regelung überlebt.

Zusammen mit der eigentlichen Stromregelung existieren dann 3 getrennte 
Strombegrenzungen die alle unterschiedlich schnell arbeiten. Mit einem 
schnellen Oszilloskop sieht man zumindest die 2. und 3. schön: Erst 
schießt der Strom auf >10A, wird dort aber begrenzt, dann regelt die 
eigentliche Regelung den Strom innerhalb wenige 10µs auf den Sollwert 
runter.

Auf diese Art habe ich ein 500V 0,2A Netzteil kurzschlussfest bekommen.

Autor: Jens G. (jensig)
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Also ich denke, in dieser Schaltung kann sicherlich nur ein (Puls-)Strom 
von max. 200A - bei 50V Uds macht er es lt. SOAR 100µs mit. Bei 1ms sind 
noch etwas 50-60A erlaubt. Das ist eigentlich noch hochgerechnet, denn 
der Mosi  bildet mit dem R3 einen Spannungsteiler, so daß weit weniger 
Spannung am Mosi verbleibt - also können wir uns bei gegebener Pulsdauer 
höhere Ströme leisten als bei 50V. Und ich nehme mal an, daß die 
Regelung keine 100µs braucht, die Lastsprünge auszuregeln - es sei denn, 
die oszilliert dabei.
Also Oszi ranhängen, und nachschauen, wie das dynamische Verhalten der 
Schaltung ist. Benedikts Vorschläge helfen natürlich, eine schlecht 
regelnde Schaltung in die Schranken zu verweisen.

Autor: faraday (Gast)
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>Jetzt ist mir aus versehen ein Kurzschluss an der Spule passiert.

Direkt über der Spule? Was sagt R7 dazu? Wenn der nicht dabei war, 
können doch nicht viele Amps fließen.
Vielleicht liegts am Aufbau.

Autor: yalu (Gast)
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In der gezeichneten Konfiguration (d.h. bei fast voll aufgedrehtem Poti)
fließen am Ausgang etwas über 5A. Im Kurzschlussfall wird der Mosfet
daher auch bei perfekt funktionierender Regelung mit 50V*5A=250W
gewärmt. Selbst bei einem idealen Kühlkörper mit Rth=0 steigt die
Temperatur im Mosfet um 0,74*250K=185K, bei Zimmertemperatur also auf
über 200°C. Bei einem realen Kühlkörper sind schnell auch 500°C und mehr
erreicht :)

faraday schrieb:

>> Jetzt ist mir aus versehen ein Kurzschluss an der Spule passiert.
>
> Direkt über der Spule? Was sagt R7 dazu?

R7 soll wahrscheinlich den Innenwiderstand der Spule darstellen und wird
deswegen mit kurzgeschlossen.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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yalu wrote:
> In der gezeichneten Konfiguration (d.h. bei fast voll aufgedrehtem Poti)
> fließen am Ausgang etwas über 5A. Im Kurzschlussfall wird der Mosfet
> daher auch bei perfekt funktionierender Regelung mit 50V*5A=250W
> gewärmt. Selbst bei einem idealen Kühlkörper mit Rth=0 steigt die
> Temperatur im Mosfet um 0,74*250K=185K, bei Zimmertemperatur also auf
> über 200°C. Bei einem realen Kühlkörper sind schnell auch 500°C und mehr
> erreicht :)

Oder mit einfachen Worten: Selbst bei verbesserter Regelung durch den OP 
sowie Limitierung durch 9V Z-Dode am Gate

zerlegt es den Mosfet in ganz urzer Zeit..



Genau das Verhalten ergibt Dein Experiment.
Nicht schön aber: works as designed.

Autor: Jens G. (jensig)
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wenn R7 wirklich der Spulen-R sein soll, dann ist's klar. Wenn nicht, 
dann wäre der Fall immer noch nicht klar. Denn dann wären es nur rund 
65W im Mosi im Punkte der Leistungsanpassung (wenn Ua=25V)

Autor: A. W. (wiwil)
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@Andrew und yalu

ihr habt vollkommen recht, hätte ich das vorher gelesen und auch mal so 
durchgerechnet hätte ich mir das letzte Mosfet-Opfer sparen können, aber 
ich bin experimentell zum gleichen Ergebnis gekommen:
Es ist eindeutig ein thermischer Effekt, denn das Oszilloskop mit 
Strommesszange sagt eindeutig, dass die eingestellten 4,5A erreicht 
werden und erst dann irgendwann der Mosfet stirbt und die Sicherung 
ebenfalls. Das passiert allerdings wirklich innerhalb kürzester Zeit.
Im Prinzip ist es kein wirkliches Problem, da dieser Kurzschlussfall bei 
sorgfältigem Einsatz nicht auftreten kann, aber ich wollte zumindest 
wissen, wo das Problem liegt.
Bin mal wieder Datenblattopfer geworden. Hatte auch schon überschlagen, 
dass das 250W sind, aber ich dachte, ja 300W stehen im Datenblatt, der 
Kühlkörper ist kalt, kein Isolator dazwischen, also müsste er das ja 
kurzzeitig aushalten.
Dass da der Übergangswiderstand ja auch angegeben ist und dann wirklich 
yalus Ergebnisse herauskommen, habe ich nicht beachtet.

Ich sehe das jetzt mal positiv, mehrere Wege, ein Ergebnis und die 
Mosfets sind halt für meine persönliche Wissenschaft gestorben ;-)

Noch zu R7:
R7 ist tatsächlich der Spuleninnenwiderstand und somit beim Kurzschluss 
ebenfalls überbrückt.

Vielen Dank aber für eure kompetente Hilfe.

Gruß
Andreas

Autor: faraday (Gast)
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ok, nehmen wir an R7 ist der Innenwiderstand.
Es handelt sich um einen einzelnen Impuls. Bei 1ms Reglerzeit haben wir 
dann ein Zthjc von 0,1 (Bild 11). Also auch vom Gefühl her würde ich 
sagen, daß die Regelung das packen müßte. Strom-und Leistungsmäßig sind 
die Dinger ganz schön zäh. Nur Überspannungen mögen sie garnicht. 
Vielleicht ist ja beim Kurzschluß 50V ans Gate gekommen?
Andreas weiß bestimmt noch mehr.

Autor: faraday (Gast)
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ist natürlich Quatsch, was ich geschrieben habe. Klar, der Regler hält 
seine 5A. Da kann nur noch die Sicherung retten.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Es gilt (hier) die alte Weisheit: Der Transistor schützt die Sicherung 
;-)

Autor: faraday (Gast)
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ist heute nicht mein Tag.

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