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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Booster-Schaltung optimieren?


Autor: Benjamin Zielke (Firma: TU Berlin) (benjamin_z)
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Schönen guten Tag!

Für meine Diplomarbeit, die eigentlich nicht besonders viel mit 
Elektronik zu tun hat, benötige ich eine Schaltung, die man so bauen 
könnte (funktioniert):

                                     VCC 12 V
                                      +
                                      |
                                      |
                  TLE2141CP           |
                             .--------o
                           |\|        |
                  o--------|+\      |/  T1
                           |  >-----|   D44H11
             0...3 V     .-|-/      |>
                         | |/|        |
                  o      |   |        |
                  |      |  ===       |
                 ===     |  GND       |
                 GND     |            |
                         '------------o
                                      |
                                     .-.
                                     | | Heizdraht, 1 Ohm, max. 3A/3W
                                     | |
                                     '-'
                                      |
                                      |
                                     ===
                                     GND

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)


Die Steuerspannung 0...3 Volt kommt dabei aus einem noch nicht näher 
festgelegten PC-Interface, so dass es per LabView gesteuert werden kann 
(momentan noch aus einer Labor-Spannungsquelle).

Diese Spannung soll dann auch am Heizdraht anliegen, wobei das Netzteil 
12 Volt bei max. 50 A liefert (insgesamt sollen 16 Heizdrähte separat 
geregelt werden).

Wie gesagt, die Schaltung funktioniert so wie oben abgebildet. 
Allerdings wird der Transistor ordentlich heiß, ist natürlich auch ein 
Kühlkörper dran. Dies ist natürlich ein Indikator dafür, dass das ganze 
keinen besonders hohen Wirkungsgrad hat.

Daher die Frage: gibt's da elegantere/effektivere Lösungen?

Bin für alle möglichen Hinweise dankbar!

Viele Grüße
Benjamin

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Wieviel Spannung fällt am Transistor ab, wenn er durchgeschaltet ist ?
Wenn der Heizdraht "oben" wäre, also in der "+"-Leitung, könnte man mehr 
Basisstrom kriegen, also sauberer durchschalten.

Autor: Testfall (Gast)
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Heizdraht ... und du meckerst über warme Transen ... ich muss mich 
irgendwie wundern. Macht doch nichts, oder?

Autor: Mine Fields (Gast)
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Da der Transistor im Linearbetrieb arbeitet, erzeugt er natürlich eine 
enorme Verlustleistung. Wenn durch den Heizdraht 1A fließen soll (was ja 
1 Watt Heizleistung entspricht), muss am Transistor 11V abfallen -> 11W 
Verlustleistung.

Die Alternativ- bzw. Standardlösung hier ist eine PWM.

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Hmm.. stimmt, die Schaltung ist ja seltsamerweise dafür gedacht, dass 
der Transistor nicht als Schalter betrieben wird...
Wenn der wirklich voll durchschaltet, sinds 12 Ampere und 144 Watt.
Das ganze passt überhaupt nicht zusammen - entweder hat der Heizdraht zu 
wenig Widerstand, oder die Betriebsspannung ist zu hoch.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Benjamin Z. (benjamin_z)

>Diese Spannung soll dann auch am Heizdraht anliegen, wobei das Netzteil
>12 Volt bei max. 50 A liefert (insgesamt sollen 16 Heizdrähte separat
>geregelt werden).

Hmm. Warum glaubst du, dass du für einen Heizdraht, welcher max. 3V 
sehen soll, eine 12V Spannungsquelle zu brauchen?

>Wie gesagt, die Schaltung funktioniert so wie oben abgebildet.
>Allerdings wird der Transistor ordentlich heiß, ist natürlich auch ein
>Kühlkörper dran. Dies ist natürlich ein Indikator dafür, dass das ganze
>keinen besonders hohen Wirkungsgrad hat.

Logisch, egal welcher Strom fließt, der Großteil der Spannung fällt am 
Transistor ab und macht ordentlich Wärme.

>Daher die Frage: gibt's da elegantere/effektivere Lösungen?

Aber immer. Das Zauberwort heisst DC-DC-Wandler, der macht dir aus einer 
hohen EIngangsspannung  eine niedrige Ausgangsspannung, und das mit 
wenig Verlusten. Für deine 3V/3A muss man halt was passendes suchen.

Wobei man es sinnvollerweise wie bereits geschrieben mit PWM macht. 
Also das Netzteil liefert dann direkt 3V, die Maximalspannung deiner 
Heizelemente. Ein MOSFET wird dann "schnell" getaktet. Damit wird es 
einfach, preiswert und verlustarm! Allerdings brauchst du dann ein 
3V/50A Netzteil. Dein 12V Teil, so es nicht regelbar ist, kannst du 
verschenken.

MfG
Falk

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Benjamin Z. schrieb:
> (insgesamt sollen 16 Heizdrähte separat
> geregelt werden).

Wozu eigentlich ? es wäre hilfreich, die Anwendung zu kennen.
Ein fauler Trick wäre, auf dem Transformator eine zusätzliche 3V 
Wicklung anzubringen... wenn genug Platz ist... das braucht einen sehr 
dicken Draht, möglichst hitzefest.

"Heizdraht, 1 Ohm, max. 3A/3W"
Wenn da 3V anliegen, fliessen 3A, aber die Leistung ist 9 Watt.

Autor: Michael M. (Gast)
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Ohforf Sake schrieb:
> Wozu eigentlich ? es wäre hilfreich, die Anwendung zu kennen.
blödsinn, das ist hier deine reine neugierde.

@Benjamin Z:
es gibt für LED-anwendungen effiziente schaltregler (z.b. LSP7502 oder 
TPS61500), die auf konstantstrom regeln.
wenn du zusätzlich die erzeugte spannung misst und den schaltregler 
danach modulierst, hast du eine schöne heizleistungsregelung für deine 
anwendung.

Autor: Mine Fields (Gast)
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Ich kann mir nicht vorstellen, dass der Heizdraht Probleme bekommt, wenn 
man ihn mit einer PWM bei 12V Versorgungsspannung und eben 
entsprechendem Tastverhältnis (also max. 1/4 betreibt).

Autor: Stephan (Gast)
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Stefan L. schrieb:
> also max. 1/4 betreibt

eher 1/16.

Autor: Mine Fields (Gast)
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Äh ja, genau, tschuldigung.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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gerade den Heizdraht als "Konstantstrommesswiderstand" zu verwenden, ist 
völliger Blödsinn.
Der Heizdraht mit seinem vorhandenen Temperaturkoeffizient kommt in den 
Kollektor. In die Emitterzuleitung kommt ein Widerstand, welcher über 
seinen Spannungsabfall den Strom vorgibt.
Die drei Volt am Eingang werden 1 zu 10 herunter geteilt. Der 
Messwiderstand besteht nunmehr aus 0.1 Ohm statt aus einem Ohm. Diese 
0.1 Ohm haben den Vorteil auch bei Stromfluss und etwaiger Erwärmung 
immernoch 0.1 Ohm zu haben und somit den fliessenden Strom tatsächlich 
von der angelegten Gleichspannung abhängig zu machen und nicht von der 
Temperatur des Heizdrahtes.
Die 12 Volt sind viiel zu hoch. Könnt ihr hier auf etwas anderes 
zurückgreifen? Man kann sich derart behelfen, den Messwiedertand so groß 
zu machen, das über dem Transistor und dem Messwiderstand in etwa die 
gleicge Leistung abfällt. Wegbekommen muss man die Leistung so oder so, 
wenn man analog regelt.
Ansonsten schließe ich mich meinen Vorrednern an. StepDown oder 
Tiefsetzsteller. Nur eben mit Strom - und nicht wie allg. üblich, mit 
Spannungsregelung.

Gruß
Axelr.

Autor: Michael M. (Gast)
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Axel Rühl schrieb:
> gerade den Heizdraht als "Konstantstrommesswiderstand" zu verwenden, ist
> völliger Blödsinn.
völlig richtig.
hoffentlich liest du so ein vorhaben nicht aus meinem beitrag raus.

Autor: Benjamin Zielke (Firma: TU Berlin) (benjamin_z)
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Guten Morgen,

ich bin überwältigt von so vielen Antworten in so kurzer Zeit. Vielen 
Dank!

Erstmal zwei Nachträge:

1. Die Versorgungsspannung wird wohl leider bei 12 Volt bleiben müssen. 
Das Netzteil könnte ich zwar auf 3 Volt einstellen, doch gehört zu dem 
Apparat auch noch eine Pumpe, die nach 12 Volt verlangt.

2. "max. 3A/3W" ist natürlich Quatsch, richtig ist: "max. 3A/9W".

Ich fasse mal zusammen:
Wegen der viel zu hohen Versorgungsspannung von 12 Volt wird bei einer 
analogen Steuerung immer ne Menge über den Transistor abfallen und daher 
sollte hier eine PWM eingesetzt werden? Der LSP7502 ist offenbar auch 
nichts anderes.

Dabei fällt mir auf, dass man sich dann eventuell sogar das PC-Interface 
mit analogem Ausgang sparen könnte und die PWM in die Software 
implementieren könnte und das dann über ein Interface mit TTL-Ausgang 
bringt (das ist billiger und einfacher zu beschaffen). Was ist davon zu 
halten?

Und dann habe ich noch Bedenken bezüglich der Gleichförmigkeit des 
Ausgangssignals. PWM kam mir schon früher in den Sinn, ich habe dann 
aber die Booster-Schaltung vorgezogen, weil die Heizung möglichst 
gleichmäßig heizen soll. Kann man den Ausgang einer PWM mit vertretbarem 
Aufwand einigermaßen glätten?

Gruß Benjamin

Autor: Mine Fields (Gast)
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Die Periodendauer deiner PWM sollte wesentlich niedriger sein als die 
thermische Zeitkonstante deines Systems, dann sollte das schon klappen. 
Dann wäre noch zu klären, ob der Heizwiderstand den Spitzenstrom während 
der Einschaltphase verkraftet.

Ansonsten würde ein LC-Filter da Abhilfe schaffen.

Autor: Michael M. (Gast)
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probier doch mal die pwm aus.
ich würde mich fast wetten trauen, dass sie dir deine messungen versaut.

und doch, doch, ein konstantstrom-schaltregler macht was anderes als 
eine pwm direkt auf den heizdraht.
schau dir mal beim TPS61500 das analog dimming an. klingt perfekt für 
deine anwendung.

Autor: eProfi (Gast)
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Nochmal: kannst du bitte etwas über die Verwendung sagen, das hilft uns, 
eine günstige Lösung zu finden.

Welcher Leistungsbereich (wie fein aufgelöst).
Soll das ein Regelkreis werden?
Geschwindigkeit / Trägheit
etc
Erzähl mal genauer.

Ich würde fast vorschlagen, das ganze gleich mit Wechselspannung direkt 
aus dem Trafo zu betreiben (Pulspaketsteuerung oder Sinusdimmer). So 
bekommst Du den besten Wirkungsgrad.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Mit 12V direkt auf einen Heizdraht mit (im Kaltzustand weniger als) 1 
Ohm, das hat schon was. Immerhin einen Strom von 12A, wo ja laut 
Aufgabenstellung max. 3 nötig wären.

Man könnte auch ganz einfach eine getaktete geregelte Stromquelle nehmen 
(aka. Schaltregler, Buck-Wandler, Tiefsetzsteller, usw.). Damit wäre 
auch die PWM-Fraktion zufrieden...  ;-)

Autor: Benjamin Zielke (Firma: TU Berlin) (benjamin_z)
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Servus,

das ganze hat folgenden Zweck.

Die Heizwendel soll in einem 10 Meter langen Schlauch zirkulierendes 
Wasser auf eine festgelegte Temperatur aufheizen. Der Draht besteht aus 
Konstantan (d = 0,5 mm) und befindet sich direkt im Wasser.
Die Temperatur nach der Heizung soll per Software (LabView) GEREGELT 
werden, ca. 30...40°C. Über die erforderliche Genauigkeit kann ich noch 
nichts sagen, das wird sich während der Versuche zeigen (es soll die 
Abkühlung des Wassers auf dem Weg durch den Schlauch ermittelt werden).

Den TPS61500 habe ich mir angeschaut, aber der kann ja nur 1 A schalten. 
Hier müsste er doch 12 A schalten, oder sehe ich das falsch? Und: wo 
könnte man den kaufen?

Es wäre doch auch schon eine deutliche Verbesserung, wenn ich meine 
Schaltung so nehme, wie sie ist, aber zwischen Quelle und Transistor 
einen DC-DC-Wandler einsetze, der aus 12 Volt 3 Volt macht?

Gruß
Benjamin

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Benjamin Zielke schrieb:
> Dabei fällt mir auf, dass man sich dann eventuell sogar das PC-Interface
> mit analogem Ausgang sparen könnte und die PWM in die Software
> implementieren könnte und das dann über ein Interface mit TTL-Ausgang
> bringt (das ist billiger und einfacher zu beschaffen). Was ist davon zu
> halten?

Hast Du schon überlegt, was passiert, wenn die PC-Software eine kleine 
Pause einlegt, während die Heizung gerade eingeschaltet ist? Dann 
verheizt der Widerstand über einen längeren Zeitraum 144W...

Ein 12V/3V-Wandler für 16 Heizdrähte ist wahrscheinlich auch nicht 
billiger als ein entsprechendes Netzteil.

Wenn man den PWM-Betrieb mit 12V für alle 16 Heizdrähte über einen 
Controller realisiert, kann man sie recht gut zeitlich versetzen. Dafür 
passt es sogar ganz gut, dass man jeden Heizdraht nur 1:16 der Zeit 
einschalten müsste.

Die gepulsten 12A zu schalten, ist jedoch keine typische 
Anfängeraufgabe...

Autor: Peter (Gast)
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müssen denn wirklich die Heizdrähte einzeln geregelt werden oder ist das 
nur eine idee um besser regeln zu können?
Sonst könnte man ja eventuell ein paar ein reihe schalten.

Autor: eProfi (Gast)
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> Der Draht besteht aus Konstantan (d = 0,5 mm) und befindet sich
> direkt im Wasser.

Ob da Gleichspannung der richtige Ansatz ist?
Elektrolyse --> Oxidation durch den entstehenden Sauerstoff

Autor: Michael M. (Gast)
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der strom fließt aber nicht durchs wasser, wenn er sich doch im 
konstatan viel leichter tut...

der TPS61500 kann mit 3A genügend strom für einen der drähte 
bereitstellen. eine entsprechende schaltung muss dann mehrfach aufgebaut 
werden.

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Wenn die Heizdrähte ständig unter Wasser sind, ist die Gefahr einer 
Überhitzung gering.
Nur wenn das Wasser sofort kocht und der Draht in einer Dampfblase 
liegt, kann er durchbrennen (Vermutung, muss nachgeprüft werden) :)

Aber jetzt mal praktisch : Wie wäre es mit einem neuen Heizdraht, der 
für 12V angepasst ist ?
Das könnte die einfachste und billigste Lösung sein - wenn die 
Betriebsspannung vorgegeben ist, macht man den Verbraucher passend.
Natürlich sind noch kleine Verbesserungen an der Elektronik fällig, aber 
das ist nicht schwer.

Autor: Michael M. (Gast)
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Ohforf Sake schrieb:
> Nur wenn das Wasser sofort kocht und der Draht in einer Dampfblase
> liegt, kann er durchbrennen (Vermutung, muss nachgeprüft werden) :)
9 (i.W. NEUN) watt...

> Aber jetzt mal praktisch : Wie wäre es mit einem neuen Heizdraht, der
> für 12V angepasst ist ?
nicht die schlechteste idee =)

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Michael M. schrieb:
> Ohforf Sake schrieb:
>> Nur wenn das Wasser sofort kocht und der Draht in einer Dampfblase
>> liegt, kann er durchbrennen (Vermutung, muss nachgeprüft werden) :)
> 9 (i.W. NEUN) watt...

Bei 12V und 1 Ohm sinds immerhin 144 Watt ...

Autor: Michael M. (Gast)
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jetzt seh ich grad, dass sich der TO mit dem TPS61500 schwer tun wird, 
denn das teil ist ein step-UP wandler...
nichtsdestotrotz halte ich an der lösung mit einem schaltregler fest und 
werfe den LT3743 ins rennen.

Autor: Benjamin Zielke (Firma: TU Berlin) (benjamin_z)
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Moin Moin,

der Heizdraht lässt sich leider nicht mehr verändern, da bereits 
eingebaut und abgedichtet.

Das ist ja schade, dass der TPS61500 ein Step-Up ist, wo steht denn das? 
Ich erwarte nämlich heute Free Samples davon. Kann ich die gleich 
entsorgen oder könnte es evtl. doch funktionieren?

Benjamin

Autor: Michael M. (Gast)
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Benjamin Zielke schrieb:
> Das ist ja schade, dass der TPS61500 ein Step-Up ist, wo steht denn das?
3A Boost Converter for High Brightness LED Driver
=(
> Ich erwarte nämlich heute Free Samples davon. Kann ich die gleich
Tut mir leid, dass ich dich da in die Irre geführt habe!
In den RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS steht geschrieben, dass die 
minimale Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist.
Du kannst mit dem IC also nichts anfangen.

> entsorgen oder könnte es evtl. doch funktionieren?
Ich würde sie hier im Forum verschenken =)

Nochmal, tut mir leid.
Grüße,
Michael

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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>> Elektrolyse --> Oxidation durch den entstehenden Sauerstoff

> der strom fließt aber nicht durchs wasser, wenn er sich doch im
> konstatan viel leichter tut...


Trotzdem liegen zwischen Anfang und Ende des Wassers (und des 
Widerstandsdrahtes) mindestens 3V. Oder wenn er dann doch PWM benutzt, 
12V.
Das blubbert auf Dauer doch ganz schoen elektrolytisch ;-)

Alles in Allem ist das eine Schnapsidee!

Ausser es ist nur fuer Kurzzeitbetrieb gedacht! Klingt aber nicht 
danach!

Gruss

Michael

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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Hallo Benjamin,

> der Heizdraht lässt sich leider nicht mehr verändern, da bereits
> eingebaut und abgedichtet.

Na, aber vielleicht jeweils 4 Draehte in Serie schalten statt parallel?

Wenn Du schon mit Labview arbeitest, dann kann das doch prima alles 
machen: Temperatur messen, Heizdraehte ein/ausschalten, Strom messen, 
Taktverhaeltnis einstellen......


Soll den die Temperatur auf 0.001 C genau sein?



Ich kenne solche Regelungen nur mit einem Heizdraht aussen um dem 
Wasserrohr. Nich drinnen....da laeuft mir ein eiskalter Schauer ueber 
den Ruecken: Strom im Wasser!!!!!



gruss

Michael

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Michael Roek-ramirez schrieb:
> Nich drinnen....da laeuft mir ein eiskalter Schauer ueber
> den Ruecken: Strom im Wasser!!!!!

Bei den niedrigen Spannungen und einer ordentlichen galvanischen 
Trennung ist das doch kein Sicherheitsproblem. Die Einschätzung der 
Elektrolysegefahr teile ich jedoch. Steuert man die Heizelemente jedoch 
mit einer höherfrequenten bipolaren Stromversorgung an, kann man die 
Elektrolyseauswirkungen, sprich den Materialabtrag, in erheblichem Maße 
reduzieren.

Heftiger finde ich die ramschigen Dampfbügeleisen, bei denen kein 
Heizelement eingebaut ist, sondern nur zwei Elektroden, die am 
Wasserbehälter anliegen. Zwecks Erhöhung der Leitfähigkeit muss man bei 
diesen Geräten eine Prise Salz ins Wasser geben.

Folglich bekommt man nicht nur eine hinsichtlich der elektrischen 
Sicherheit sehr fragwürdige Konstruktion, sondern auch noch eine schöne 
Salzkruste auf der Kleidung...

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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> Heftiger finde ich die ramschigen Dampfbügeleisen, bei denen kein
> Heizelement eingebaut ist, sondern nur zwei Elektroden, die am
> Wasserbehälter anliegen. Zwecks Erhöhung der Leitfähigkeit muss man bei
> diesen Geräten eine Prise Salz ins Wasser geben.


Ist doch nicht Dein Ernst! Sowas gibbet?

Autor: Michael M. (Gast)
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BTT!

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Michael Roek-ramirez schrieb:
> Ist doch nicht Dein Ernst! Sowas gibbet?

Ja, ich hatte solch ein Teil erstmalig auf irgendeiner 
Provinz-Verkaufsmesse Anfang der achtziger Jahre gesehen. Aber auch 
heutzutage gibt es den Mist immer noch zu kaufen, z.B. den "Wonder 
Steamer" aus dem Homeshopping-Kanal Deiner Wahl.

Autor: Benjamin Zielke (Firma: TU Berlin) (benjamin_z)
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Na wenn wir schon bei LED-PWM-Dimmern sind, könnte ich da ja auch eine 
fertige Lösung nehmen oder?

Zum Beispiel soetwas:

http://www.leds.de/LED-Zubehoer/Strom-und-Spannung...

Wie präzise die Regelung sein muss, wird sich erst noch zeigen. Der 
Aufbau, den ich hier habe, ist schwer physikalkisch zu modellieren, 
sodass ich für die Regelung die Sprungantwort zugrunde legen werde.

Benjamin

Autor: Benjamin Zielke (Firma: TU Berlin) (benjamin_z)
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Angehängte Dateien:

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Hallo nochmal,

Die Diplomarbeit hat schon vor längerer Zeit ein schönes Ende gefunden 
... Aber ich habe gerade bemerkt, dass dieser Thread noch nicht 
ordentlich beendet wurde. Also noch ein kleiner Nachtrag: Das Problem 
konnte mit einem USB-D/A-Wandler und einem fertigen PWM-Modul gelöst 
werden. Allerdings mussten sämtliche Thermoelement-Leitungen, die 
PWM-Module sowie Heizleitungen abgeschirmt werden, um elektromagnetische 
Übersprechungen auf die Thermoelemente zu unterbinden (siehe 
Oszilloskop-Bild -- unten: Heizungsspannung, oben: Spannung am 
Thermoelement, vor der Abschirmung).

Dass die Heizung gepulst wird ist aber thermisch gesehen kein Problem.

Verwendet habe ich den oben bereits erwähnten PWM-Dimmer und ein 
Interface von Abacom, hier die Links zu den Produkten:

PWM: 
http://www.leds.de/LED-Zubehoer/Strom-und-Spannung...

DAC: 
http://www.electronic-software-shop.com/product_in...

Elektrolyse findet offenbar nicht statt, wahrscheinlich, weil
1. demineralisiertes Wasser verwendet wird und
2. Der Heizdraht lackiert ist.

Die Anordnung des Heizdrahts im Rohr ist hier auch noch mal zu sehen.

Vielen Dank für eure Unterstützung,
Benjamin

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
Datum:

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So Abwegig sind die Blankdrahtheizungen mit AC gar nicht; Stiebel Eltron 
macht das schon ne ganze weile so: 
http://www.stiebel-eltron.de/warmwasser/informiere...

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