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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Stromverlauf vor nach Sättigung einer Spule


Autor: Thomas O. (Gast)
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Hallo,

habe mal eine Frage zu einer Zündspule. Diese nimmt ja eine gewisse
Energie beim Ladevorgang auf und gerät wenn sie voll ist in die
sogenannte Sättigung. Was verseht man jetzt genau darunter. Ich habe
mir das so zusammengereihmt, das sie nachdem sie gesättigt ist keinen
weitere Energie mehr speichert sondern diese in Wärme umwandelt.

Ist das richtig? Ließe sich das Anhand der Stromaufnahme irgendwie
feststellen? Steigt er nach der Sättigung an, fällt er sogar ab oder
bleibt die Stromaufnahme vielleicht auch gleich.

Autor: Daniel (Gast)
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Schaltet man an einer Spule die Spannung ein, so steigt die Stromstärke
von 0A zunächst rasch an. Je größer die Stromstärke durch die Spule
bereits ist, desto langsamer wird der weitere Stromanstieg, bis
schließlich der Sättigungsstrom erreicht ist und die Stromstärke
konstant bleibt.

Entnommen aus http://mitglied.lycos.de/Autoelektrik/Eai.htm
1. Link in google bei "Sättigung einer Spule"

Autor: Marian (Gast)
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Hi vielleicht hilft dir dieser Link weiter...

http://www.pulslaser.de/Allgemeines/schaltungen/in...

Autor: Thomas O. (Gast)
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danke für die flotte Antwort, dein Google scheint besser als meins zu
sein ;-)

wie würdet ihr das messtechn. erfassen, ich müsste doch nur den
Spannungsfall messen und wenn er seinen niedrigsten Wert erreicht hat
ist die Spule in der Sättigung.

Autor: Henning Lorch (lorchi)
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@Daniel: das ist nicht die sog. Sättigung einer Spule! Dein Fall ist der
Standardfall: die Stromzunahme ist durch die Induktivität begrenzt, und
wird dann geringer, der Maximalstrom ist nicht mehr durch die
Induktivität, sondern nur durch den verbleibenden ohmschen Widerstand
gegeben. Die Spannung habe ich jetzt mal außen vor gelassen.

Bei der Sättigung spricht man hier von der Sättigung des Eisenkerns:

Die Induktivität ergibt sich aus der Magnetisierbarkeit des Vakuums,
und  darauf addiert die des Eisenkerns. Im Kern richten sich lauter
kleine Magnetbereiche (Weiß'sche Bezirke) aus, und wenn alle
ausgerichtet sind, gibts keine Steigerung und keine weitere
Magnetisierbarkeit mehr.
Wenn der Kern gesättigt ist, verringert sich also mit zunehmendem
Magnetfeld die Induktivität zu der einer Spule OHNE Eisenkern (der
vorhandene wirkt nicht mehr).

Das führt dazu, dass der Stromanstieg plötzlich zunimmt,
vorausgesetzt der Maximalstrom (ohmsch) ist noch weit entfernt.

In Marians Link ist das Problem erwähnt und auf den Oszi-Bildern zu
sehen. Alternativ gibt's noch:
http://www.sprut.de/electronic/switch/parts.html

Autor: Henning Lorch (lorchi)
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Ps: vorausgesetzt, der ohmsche Anteil wäre am Sättigungspunkt noch
vergleichsweise gering, dann nimmt die Spule schon noch Energie auf
(nämlich im Vakuum- bzw. Luft-Magnetfeld). Der Strom wird dann aber
schnell den Maximalwert erreichen, und dann ist alles nur noch ohmsch
begrenzt, und alles was produziert wird, ist Wärme.

Autor: etsmart (Gast)
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haste Matlab, Scilab oder sowas. Wenn net mit Taschenrechner

x=0:0.1:10
plot(x,1*tanh(1*tanh(sin(x))
plot(x,2*tanh(1*tanh(sin(x))
plot(x,3*tanh(1*tanh(sin(x))
plot(x,4*tanh(1*tanh(sin(x))

Hat zwar keine qualitative Aussage, aber es zeigt dir den Einfluss der
Sättigung.

Autor: Daniel (Gast)
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Sorry Henning aber wenn mein Fall der Standardfall ist und er nicht von
einer Eisenkernspule sprach - was ist dann falsch??

Gibt hier hier immer jemanden der es besser weiß?

Ich meine, ich finde es ja gut dass wir uns hier so toll ergänzen aber
die einfachen Antworten von Marian und mir haben Thomas wohl
ausgereicht so dass wir auf unnötige Verkomplizierungen verzichten
konnten. Manchmal habe ich das Gefühl dass hier ab und an Leute unnötig
komplizierte Erklärungen abgeben um irgendwas darzustellen...

Die Weiß'schen Bezirke kennt jeder E-Technik-Student, nur muss er
nicht rumrennen und es allen erzählen. :P

Übrigens Thomas, gern geschehen und jeder Zeit wieder. ;)

Autor: etsmart (Gast)
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ups, kleiner fehler trotz doppelposting(warum auch immer das passiert
ist)

plot(x,tanh(Amplitude*sin(x)))
je höher die Amplitude, desto größer ist der konstante Bereich von dem
Daniel sprach

Autor: Henning Lorch (lorchi)
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@ Daniel: ich wollte Dich nicht angreifen, wenn das so rüberkam, dann
tut es mir leid.

Du beschreibst die Abnahme des Stromanstiegs, bis der ohmsch begrenzte
Maximalstrom I=U/R erreicht ist.

Bei Spulen wird aber i.d.R. ein (konstanter) Sättigungsstrom angegeben,
dieser ist materialabhängig, aber widerstand- und spannungsunabhängig.
Wenn dieser erreicht ist, dann erhöht sich der Stromanstieg wieder sehr
schnell - der Sättigungsstrom ist also der Punkt, ab dem der Strom
schnell noch viel höher wird.

Das beides sind zwei unterschiedliche Phänomene. Das erste von beiden
kennen die meisten.

Woher das kommt, wollte ich kurz erklären, die Erklärung fehlte bei
Marians Link nämlich leider. Dafür bin ich jetzt als Besserwisser
abgestempelt. Na danke. Ps: schonmal eine Zündspule ohne Kern gesehen?
Ich nicht.

Autor: buz11 (Gast)
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Mir sind komplette Antworten lieber als Halbwarheiten .
Was man nicht braucht , kann man ignorieren .
Dank an die "Besserwisser" .

Autor: Daniel (Gast)
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Moin Henning...cool bleiben.

Ich habe dich nicht abgestempelt..zumindest heute nicht.
Ich war Freitag nur etwas (sehr) schlecht gelaunt...sorry dass dir das
zum Verhängnis wurde. :)

Leider habe ich keine Zeit, mich des Problems weiter und genauer
anzunehmen. Daher war meine Antwort nur kurz recherchiert - scheinbar
nicht ausreichend.

Naja, schönen Tag noch ihr Besserwisser...:P

Der Abstempler, Daniel ;)

Autor: Clemens Helfmeier (sum)
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Hallo,

der Unterschied zwischen "ohmscher Sättigung" und "Sättigung" ist
klar in der Kurve erkennbar:
Bei konstanter Spannung wird durch die "ohmsche Sättigung" der Strom
konstant, durch die "Sättigung" hingegen, steigt er umsostärker an.

Schließlich bezieht sich das ohmsche auch auf die Windungen und die
"Sättigung" (oder "Sättigung des Kernes") auf den Kern - zwei
unterschiedliche Ursachen, zwei unterschiedliche Effekte.

Diese Effekte lassen sich nicht auf gleiche Weise messen.

Schöne Grüße, Clemens

Autor: Thomas O. (Gast)
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also steigt der Strom nach der Sättigung bei der Zündspule an? Mein
Leistungstreiber wird nach einiger Zeit Betrieb sehr warm so das ichs
dann wieder unterbrechen muss. Obwohl der Treiber ausreichend stark
dimensioniert ist, deswegen denke ich das der Strom nach der Sättigung
überproportional steigt bzw. mein Treiber nicht 100% im Schaltbetrieb
läuft ich versorge das Gate aber extra mit 12V anstatt mit 5V.
Vielleicht sollte ich den Wiederstand gegen Masse durch nen Transistor
ersetzten um dann noch schneller gegen Masse ziehen zu können und das
Gate noch schneller zu entladen.

Autor: Hannes Lux (hannes)
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Schaltet denn dein MOSFET ("Leistungstreiber") auch schnell genug?

Also ist der Übergang von geperrt zu leitend und von leitend zu
gesperrt schnell genug?

Steuerst du den FET mit einer Push/pull-Stufe an?

Wird die Gatekapazität schnell genug umgeladen?

Oder wird das Gate etwa nur durch einen Widerstand entladen?

Alles Fragen, die nix mit Magnetismus zu tun haben, aber wahrscheinlich
mit deinem Problem...

...

Autor: Thomas O. (Gast)
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ich verwende eben keine Push/Pull-Anordung von 2 Transistoren sondern
nur nen Wiederstand zum entladen. Habe schon vermutet das es daran
liegt. Werde meinen ufbau mal dahingehen ändern.

Autor: Hannes Lux (hannes)
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Tröste dich...

So schlau war ich auch mal. Einschalten per Transistor, Ausschalten per
Widerstand. Bringt aber nix...

Also habe ich das Gerät wieder demontiert. Ist halt Lehrgeld. Das Teil
hatte 6 P-Kanal- und 6 N-Kanal-MOSFETs gesteuert, sollte zur
Stromversorgung einer Gartenbahnanlage dienen. Das war aber noch ohne
AVR, noch mit Operationsverstärkern. Ich habe es zum Glück bemerkt, ehe
es in Betrieb genommen werden sollte. FETs, (gesteckte) OPVs,
Varistoren, Drosseln, Gleichrichter, Elkos und Polyswitch konnte ich
retten, auf Widerstände, Kondensatoren und (kleine) Transistoren habe
ich freiwillig verzichtet...

...

Autor: Thomas O. (Gast)
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wäre das so ok? Ich würde also mit einem Pin Spannung an den Mosfet
geben und wenn ich zünden will nehme ich dort die Spannung weg und geb
sie auf den anderen Transistor daduurch fällt am ersten Wiederstand die
Spannung ab und das Gate wird zudem kräftig gegen Masse gezogen oder
kann da was kaputt gehen? Diese FET-Treiber sind das Teile die das
Push/Pull-System integriert haben?

Autor: Hannes Lux (hannes)
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Weiß nicht?

Denn dein Schaltbild hat keinerlei Aussagekraft.
Böswillig könnte ich jetzt behaupten, dass das Einschalten jetzt über
einen (unbekannten!) Widerstand erfolgt, das Ausschalten über den
Transistor. ;-)

Es gibt keine Informationen darüber, was du unternimmst, damit die
Selbstinduktionsspannung der Zündspule (die ja auch primär auftritt und
einige hundert Volt erreicht) den Transistor nicht zerstört.

Du brauchst einen Baustein, der das Gate zwischen 0V und 12V hin und
her schaltet und zwischen dessen Ausgang und dem Gate einen Widerstand
von wenigen Ohm. Der Widerstand soll zusammen mit der Gatekapazität für
eine definierte Flankensteilheit sorgen. Denn zu flache Flanken erwärmen
den FET (er ist zu lange halboffen), zu steile Flanken  erzeugen zu
viele Störungen, wodurch dein MC abstürzt und/oder dir die RegTP ein
Bußgeld abknöpft und dein Gefährt stillegt. Es nützt dir also nix, von
einem Extrem zum anderen zu wechseln, du musst den "goldenen
Mittelweg" suchen und dieser Grat ist sehr schmal. Dazu gehört etwas
mehr, als zu wissen, an welchem Ende der Lötkolben warm wird. Ich würde
mir auch nicht zutrauen, mal so aus dem Hut eine funktionierende
Transistorzündanlage für meinen Trabbi zusammenzubauen, obwohl viele
der benötigten Grundlagen vorhanden sind.

Mit den (teuren) FET-Treibern habe ich noch nix gemacht. Da sie aber
speziell für diesen Zweck entwickelt wurden, werden sie wohl geeignet
sein.

AVR (dessen PWM) und hohe Leistungen brauchte ich noch nicht
zusammenbringen, daher kann ich nix (von mir erprobtes) empfehlen.

Für freilaufende PWM-Erzeugung (also keine Verbindung mit MCs, sondern
nur durch ein Poti geteuert) nehme ich gern den 4093 an 8 bis 12 Volt
(mit Widerstand, Z-Diode, Elko, Keramik-C aus der Versorgungsspannung
der Last abgezweigt) und den BUZ11. Das funktioniert als einfacher
Fahrtregler für Gartenbahn oder Niedervolt-Dimmer ganz gut. Allerdings
sind da noch einige Varistoren, 'ne schnelle Freilaufdiode und 'ne
Entstördrossel mit eingebaut, um den FET vor Überspannung zu schützen.
Ohne diese überlebt der Fahrtregler den recht rauhen Einsatz nicht auf
die Dauer.
Ich habe vor, mal zu testen, ob ich diese Schaltung auch per
Optokoppler vom AVR ansteuern kann (Optokoppler sind nicht übermäßig
schnell), bin aber noch nicht dazu gekommen, kann also noch keine
Aussagen darüber machen.

...

Autor: Thomas O. (Gast)
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ja ich habe die Schaltung jetzt mal ziemlich einfach dargestellt in
Wirklichkeit habe ich da nen Optokoppler zw. FET und µC, Abstürze
kommen auch keine vor weil ich die Stromversorgung des µC gut gefiltert
habe(Eigenes Netzteil gebaut). Der FET ist für 600V ausgelgt und ich
habe ne 400V bidirektionale Überspannungsschutzdiode parallel zur
Primärspule so das die Induktionsspannung auf einen unkritischen Wert
begrenzt wird. Den Wiederstand habe ich jetzt mal eingezeichnet um den
Ausgang des Optokopplers nicht zu überlasten wenn ich den 2ten
Transistor auf Masse durchschalten lasse, ansonsten wäre es ja ein
Kurzschluss

Autor: Hannes Lux (hannes)
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Also hast du das, worauf es ankommt (die komplette, dimensionierte
Schaltung vom Optokoppler bis zum FET) garnicht gezeigt. Daher wird dir
auch keiner helfen können.

Ich kann dir nur sagen, dass ich die Zeit der ersten elektronischen
Zündungen miterlebt habe und dass man da allerhand falsch machen kann.
Da steckt jahrelange Forschung drin und eine Menge hochkarätiges
Ingenieurwissen. Da bastelt man nicht schnell mal etwas, was die Welt
aus den Angeln hebt...

Ich halte mich da lieber an kleinere Projekte, die Aussicht auf Erfolg
haben.

Viel Erfolg noch...
...

Autor: Thomas O. (Gast)
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musste erstmal ne Schaltung zeichnen wobei es ja funktioniert und jetzt
nur die Ansteuerugn des Fets interessant wäre. Wenn ich ein
funktionierendes System einfach übernehmen wollte würde ich so ein
Zündsteuermodul verwenden das z.b. auch den Schließwinkel regelt.

Autor: Hannes Lux (hannes)
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Na ist das nicht eine Selbstverständlichkeit?

Wozu braucht mann denn sonst eine Transistorzündung?

Der Schließwinkel muss so geregelt werden, dass die Schließzeit
annähernd konstant bleibt, so dass die Zündspule gerade ganz kurz vor
der Sättigung steht, wenn zum Zündzeitpunkt der Stromfluss unterbrochen
wird.

...

Autor: Werner Just (werner_j)
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Hallo Thomas,

Du hattest auch in "AVR für Zündung geeignet" gefragt.

Als Leistungsglied verwende ich 2 SPW47N60C3 MosFets. Angesteuert
werden sie über einen MAX7667 MosFet-Treiber mit 12V Gatespannung.
Als Schutz vor Überspannungen sind den MosFets 460V Varistoren parallel
geschaltet. In der Theorie sollte das Uds unter den zulässigen 600V
halten. Obs wirklich funktioniert kann ich nicht sagen, mein Scopemeter
steigt aus, sobald ich es an die Endstufe hänge. Aber die MosFets haben
meine bisherigen Experimente jedenfalls überlebt ;-).

Dafür hab ich Probleme, daß der AVR gelegentlich abschmiert. An der
Spannungsversorgung/Siebung muß ich also noch nachbessern. Im Moment
ist aber mehr die Software mein Problemkind. Ich hab irgendwie den
Überblick verloren, bzw. zuviele Baustellen gleichzeitig angefangen.
:-((.

Ciao,
Werner

Autor: Thomas O. (Gast)
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das ist mir schon klar mit der Schleißwinkelregelung. Messen die
Zündmodule die Sättigung oder wird das einfach drehzahlabhängig linear
geregelt? Da ich von letzterem Ausging würde ich dafür ein Kennfeld
ablegen um die Möglichkeit zu haben die Zündspulen zu tauschen und den
Schleißwinkel dann neu anpassen zu können.

Also ich werde mir dann mal einen MOSFET-Treiber zulegen.

Autor: AxelR. (Gast)
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Ich habe schon mehrfach auf den Optokoppler TLP250 hingewiesen. Dieser
steuert hier einen 300A /1200V IGBT. Da wird nichts warm.
Betriebsspannung 120-140V, Arbeitstrom 30-70Ampere.(2x2.5PS Motore)
http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-194331...

den TLP250 gibt es für wenig Geld bei e***y. Steht auch dort mit im
Thread.
ich habe für 10 Stk. 9Eus bezahlt.
AxelR.

Autor: Werner Just (werner_j)
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Hallo HanneS, hallo Thomas

> Der Schließwinkel muss so geregelt werden, dass die Schließzeit
> annähernd konstant bleibt, so dass die Zündspule gerade ganz kurz
vor
> der Sättigung steht, wenn zum Zündzeitpunkt der Stromfluss
> unterbrochen wird.

Warum sollte man das machen?
Bei alten Zündanlagen wird nix geregelt. Der Schließwinkel wird fest so
eingestellt, dass bei höchster Drehzahl noch ein genügend starkes Feld
für die Zündspannungserzeugung aufgebaut wird. Im Extremfall (z.B. bei
Lucas Rita Zündanlagen) wird komplett darauf verzichtet, hier wird die
Zündspule direkt nach dem Zündfunken wieder eingeschaltet. Der Nachteil
dabei ist, daß die Zündspule ggf. warm und bei niedrigen Drehzahlen
unnötig Leistung verbraucht wird.

Bei neueren Zündanlagen wird nicht mehr mit einem Schließwinkel
gearbeitet. Sie arbeiten mit Schließzeiten. Die Schließzeit entspricht
dabei etwa 5x Tau (Tau = L/R; R = Ri_sp + Ri_zündbox), womit
sichergestellt ist, das rund 99% der maximal möglichen Energie in der
Spule gespeichert ist. Ggf. wird bei niedrigen Drehzahlen die
Schließzeit verlängert, aber nicht um mehr Energie in die Spule zu
bekommen, sondern weil die Drehzahl sich pro Umdrehung stärker ändern
kann.

Zu Diskussion über die Sättigung:
Nicht der Strom steigt bei erreichen der (Eisen)sättigung an, sondern
der Stromanstieg, also di/dt. Der Endwert des Stroms ist mit und ohne
Eisensättigung gleich. Spielt in der Praxis aber keine Rolle, da bei
einer 12V Zündspule an 12V der Kern i.a. nicht in die Sättigung geht.

Ciao,
Werner

Autor: Henning Lorch (lorchi)
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@Daniel: no Prob, trinken wir ein virtuelles Bier drauf ;)

Autor: Hannes Lux (hannes)
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> Warum sollte man das machen?

Ja warum eigentlich? Tuning? Braucht man Tuning am Auto? (Ich nicht)

Aber du schreibst ja selbst, dass man heute auf die Schließzeit achtet
und nicht mehr auf den (einfacher zu beherrschenden) Schließwinkel. So
in etwa hatte ich das auch gemeint, vielleicht nicht konkret genug
formuliert und mit zuwenig aktuellem Fachwissen in Richtung
KFZ-Technik.
Dass 5 mal Tau (fast) "voll" ist, setze ich übrigens als
Selbstverständlichkeit voraus.

Übrigens ist meine Zündanlage Original vom Hersteller. Das wird auch so
bleiben. Ach habe mich noch nicht mal schlau gemacht, ob es dich um eine
Transistorzündung oder Thyristorzündung handelt, ich tippe aber auf
Thyristorzündung (aufgeladener C wird über Zündspule entladen). Aber ob
ich das weiß, oder in Hamburg fällt 'ne Schaufel um... - Wo ist der
Unterschied?

Gruß...
...HanneS...

Autor: Werner Just (werner_j)
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Hallo HanneS,

ich muß zugeben, ich hatte überlesen, daß Du von "Schließzeit"
geschrieben hattest. Thomas scheint das auch durchgegangen zu sein,
denn er schreibt in seiner Antrowrt auch wieder Schließwinkel.

Worauf ich hinaus wollte war, das man auf die Schließzeit nicht
allzuviel Augenmerk legen braucht. Ob nun 5Tau vor dem Zündimpuls
eingeschaltet wird oder 6...7 Tau vorher, oder ob man es sich bei hohen
Drehzahlen ganz spart, macht kaum etwas aus. Einzig man sollte darauf
achten, daß die Schließzeit nicht zu klein wird. Ob man mit 2, 3 o. 4
auch noch hinkommt, hängt von der Zündspule/Zündkerze ab.

Ciao,
Werner

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