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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 100A per uC schalten (2)


Autor: Ralf (Gast)
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Hallo, dies ist eine Weiterführung von einem anderen 
Thread(Beitrag "100A per uC schalten"

da dieser recht umfangreich geworden ist fasse ich noch mal kurz 
zusammen:
- supraleitende Spule (Bereich um 30mH) soll geschaltet werden
- Schaltzeit sollte unter 10ms sein(habe überlegt die Schaltzeit des 
Fets zu verlängern, um so die Induktionssp. zu minimieren)
- im Dauerzustand fließt Strom(Stromquelle DC) durch Spule, im Falle 
eines Quench soll sie abgeschaltet werden bis sie dann manuell wieder 
eingeschaltet wird

Ich habe es mit zwei parallel geschalteten MOSFETs bei 1A getestet, bei 
Quench wird die Stromquelle kurzgeschlossen. Jetzt möchte ich den Strom 
erhöhen, dazu wollte ich mir MOSFETs im SOT-227 Gehäuse 
bestellen(http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp...), 
die gibt es aber nicht mit Logic-Level, also werde ich auch noch Treiber 
brauchen, ist der TLP250 dafür geeignet? Worauf muss man bei Treibern 
achten? (http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp...)

Oder bietet ein IGBT 
Vorteile(http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp...), 
im Datenblatt steht meist nichts zum Widerstand im durchgeschaltetm 
Zustand(bzw. finde ich es nicht)?

Weiterhin wollte ich zusätzliche Dioden einsetzen, um die MosFets vor 
der Induktionsspannung zu schützen, ich weiß aber icht genau, welche 
dafür geeignet sind.  Rausgesucht habe ich so etwas 
http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp..., leider 
kann ich aber nichts mit fast-, soft-, standard recovery anfangen.

Gruß Ralf

Autor: Ralf (Gast)
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Hat keiner Meinungen, Ideen, Anregungen, sonstiges zu den oben genannten 
Themen?

Gruß Ralf

Autor: Compy (Gast)
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Ich bin beim besten Willen nicht ausreichend vertraut mit dem Gebiet, 
aber meines bescheidenen Wissens nach brauchste bei IGBTs recht hohe 
Abschaltströme, was bei gesteuerten 100A durchaus ins Gewicht fallen 
wird,

Autor: Thomas O. (kosmos)
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ich habe erst ein Gebläse das max. 40A zieht erfolgreich mittels 
IRFP2907 per PWM betrieben. Leider wird hier leider nichts über die 
Spannung geschrieben. Der IRFP2907 kann 75V/200A bei 25°C ab.

ich habe einen BC557 und BC548 in Push/Pull-Anordnung mit 14V Versorgung 
als Treiber verwendet, der IRFP2907 hat sich nicht merklich erwärmt 
trotz mehreren kHz die anfangs als PWM-Frequenz genutzt habe. Am Ende 
ist mir aufgefallen das man z.B. beim ATTiny26 auch den PWM Ausgänge so 
konfigurieren das diese +40mA/-40mA können, wenns dann noch ein TTL 
Pendant zum IRFP2907 gäbe könnte ich beim nächsten Mal den Treiber auch 
noch komplett einsparen einsparen.

Da der 2907 aber fast 500 Watt vernichten kann dürfte es ihn beim 
Abschalten nicht gleich himmeln wenn man es nicht übertreibt mit der 
Abdimmzeit.

Autor: Ralf (Gast)
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Muss ich denn zur Ansteuerung PWM benutzen? Ich weiß zwar was damit 
gemeint ist, nur hab ich das noch nie zur Anwendung gebracht.
Die Spannung sollte nicht das Problem sein, da ja nur die Spule mit drin 
hängt:
Stromquelle || MOSFET || Spule + MOSFET
oder sehe ich das falsch, nur die Induktionssp. beim Abschalten wird 
problematisch.

@Thomas:
Ich hatte zum testen den IRL3803. Die IRL-Typen sind alle LogicLevel und 
können mit TTL "voll" durchgesteuert werden.
Hast du den 2907 im TO-220 Gehäuse?, wenn ja, wie hast du da die Kabel 
dran gemacht und was für Kabel(40A)?

Ralf

Autor: Ralf (Gast)
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Wie finde ich denn z.B. den passenden Treiber zu meinem FET?

Autor: Tom (Gast)
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Der TLP250 von Farnell ist gut geeignet.

Habe ich das richtig erstanden, du willst im Falle eines Quench die 
Stromquelle kurzschliessen. Die in der Spule gespeicherte Energie soll 
sich in ihrem Widerstand verheizen. 30mH bei 100A sind 150 Joule, die 
hält deine Spule aus? Und Platz für das verdampfte Helium hast du auch?

Zum IGBT, die haben Spannungsabfälle von ca. 2 Volt, das sind 200 Watt - 
etwas viel.

Dein FET ist hat 6 mOhm, macht 0,6 Volt und 60 Watt, das kann man mit 
vernünftigem Aufwand abführen.

Ein Problem sehe ich darin: Wie hoch kann die Spannung am FET während 
des Quenchs werden? Vor dem Quench ist die Spannung wohl sehr klein, 
aber beim Quench steigt sie gewaltig an wegen des wachsenden Widerstands 
der Spule. 100 A mal der Warmwiderstand der Spule sollten nicht mehr als 
die maximale UDS des FET sein (plus Reserve).

Autor: Thomas O. (kosmos)
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@Ralf: War ne Nummer größer als TO220 glaube TO247, such ihn einfach mal 
bei www.reichelt.de Ich habe Drähte ca. 1mm über die Platine gespannt 
und das ganze dann mit Lötzinn aufgefüllt, damit der Durchmesser gegen 
ist, die Beine des Transistors waren die dünnste stelle für den Strom.

Der IRL3803 könnte es auch ohne Treiber machen wenn die Frequenz nicht 
so hoch ist. Kommt etwas auf deinen µC an. Die neueren AVRs machen schon 
40mA pro Pin, wenige KHz sollten hier überhaupt keine Probleme bereiten. 
Besser wäre es aber schon an die maximale Gatespannung zu gehen diese 
darf ja max. 16V sein könntest sie also auf 12 oder 15V begrenzen.

Was ist denn der Sinn deine Spule kurzzuschließen?

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Wenn man 100A in 10ms abbauen will, wird eine 30mH Spule eine 
Selbstinduktionsspannung von 300V erzeugen (bei konstantem dI/dt, sonst 
wirds noch mehr). Man kann das nicht mit einer Freilaufdiode 
unterbinden, weil sonst der Abschaltvorgang viel länger dauert. Also 
muss das das Schaltelement verkraften können (z.B. IXFN130N30, gibts bei 
Farnell). Die 150J sind aber zu viel für den Transistor, die muss man 
auf anderem Wege "verbraten" also vermutlich einem Leistungswiderstand. 
Bei einem einfachen Widerstand sinkt der Strom aber nicht linear, also 
mit konstantem dI/dt, sondern exponentiell. Dadurch entstehen dann 
entweder höhere Spitzenspannungen oder der Vorgang dauert länger. Will 
man z.B. innerhalb von 10ms den Strom auf 10% des Ausgangswerts 
reduzieren braucht man dazu einen 6,9 Ohm Widerstand an dem zu Beginn 
der Entladung 690V abfallen.

Gruß
Reinhard

Autor: Ralf (Gast)
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>Was ist denn der Sinn deine Spule kurzzuschließen?
Das soll die supraleitende Spule vor Überhitzung schützen, die bei 
Quench resistiv wird und dementsprechend Leistung umsetzt!

>150 Joule, die hält deine Spule aus?
das ist fraglich.. dann wohl mit einem Leistungs 
Widerstand(http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp...) 
wie Reinhard schon sagte, nicht gerade billig die Dinger. Ginge das denn 
nicht, wenn ich diesen mit Diode parallel schalte? Die PowerMosFets 
haben ja auch eine parasitäre Diode von Source nach Drain..

>300V
Das sind doch -300V, demnach ist das doch auch nicht von Uds des Fets 
abhängig, oder?

Achso, ich habe mal nach TLP250 gesucht, gibt es die eig. noch? Bei 
Farnell jedenfalls nicht und im Internet auch nur sperrlich.

Autor: Peter Roth (gelb)
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@Ralf:
nach dem Abschalten des Transistors fließt der Strom in der Spule doch 
erstmal weiter, bis sie sich entmagnetisiert hat. Die Verluste in der 
Spulenwicklung bemessen sich nach dem Strom und nicht nach der 
Spulenspannung.

Wird die Spule kurzgeschlossen, dauert es leider 30mH * 100A / 0,5V = 6 
Sekunden, bis die Spule "leer" (=stromlos) ist, wenn ich einfach mal 
annehme, dass der Kurzschluss mit 5 mOhm realisiert wird.

Daher sollte der Spule die Möglichkeit gegeben werden, sich über eine 
hohe Spannung schnell zu entmagnetisieren. Dann gilt das von Reinhard 
Berechnete und die Spule kann bei 300V in 10ms entladen werden.

Wie hoch ist der Widerstand der Spule im nicht-supraleitenden Zustand?

Vielleicht ist auch als Schaltzeit garnicht die Entmagnetisierung der 
Spule gemeint?

Grüße,
Peter

Autor: Christian (Gast)
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>nach dem Abschalten des Transistors fließt der Strom in der Spule doch
>erstmal weiter, bis sie sich entmagnetisiert hat. Die Verluste in der
>Spulenwicklung bemessen sich nach dem Strom und nicht nach der
>Spulenspannung.

Der geschaltet Strom bestimmt doch die Induktionsspannung(U=-L*dI/dt) 
und die Energie(E=1/2*L*I^2), wenn ich dann einen Widerstand mit 
einbringe kann ich doch den Strom anhand von R festlegen: Wenn R klein 
--> I groß, sollte doch die Energie schnell verschwinden, oder?

Wie hoch der Widerstand bei Quench wird kann ich nicht sagen, da die 
Spule noch nicht fertig ist(mR bzw. <mR), ich soll erst einmal (bin 
Praktikant) eine prinzipielle Schaltung entwerfen, die den Strom per 
Controller schaltet, getestet wird auch erst an einer normalleitenden 
dicken Kupferspule.

Mit Schaltzeit meinte ich die Zeit in der der Strom von der Quelle 
abgeschaltet werden soll.
Das Entmagnetisieren sollte ca. 350ms sein, das sind Richtwerte, die ich 
in einem Bericht gelesen habe, da ging es aber um weitaus größere 
Ströme, Induktivitäten, daher denke ich könnte es auch etwas länger 
dauern.

Gruß Ralf

anbei ein prinzipieller Entwurf

Autor: Peter Roth (gelb)
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>
> Der geschaltet Strom bestimmt doch die Induktionsspannung(U=-L*dI/dt)

nein: beim Abschalten ist dI/dt erstmal unendlich, die Spannung an der 
Induktivität polt sich um und erhöht sich so lange, bis der Strom einen 
neuen Weg findet. Notfalls bis zum Überschlag (Zündspule).

> und die Energie(E=1/2*L*I^2), wenn ich dann einen Widerstand mit
> einbringe kann ich doch den Strom anhand von R festlegen:
> Wenn R klein
> --> I groß, sollte doch die Energie schnell verschwinden, oder?

nein: die Drossel wird im ersten Moment nach dem Umschalten die 100A 
durch den Widerstand fließen lassen und dazu die passende Spannung 
generieren (U=R*I)

> Wie hoch der Widerstand bei Quench wird kann ich nicht sagen, da die
> Spule noch nicht fertig ist(mR bzw. <mR), ich soll erst einmal (bin
> Praktikant) eine prinzipielle Schaltung entwerfen, die den Strom per
> Controller schaltet, getestet wird auch erst an einer normalleitenden
> dicken Kupferspule.
>
> Mit Schaltzeit meinte ich die Zeit in der der Strom von der Quelle
> abgeschaltet werden soll.
> Das Entmagnetisieren sollte ca. 350ms sein, das sind Richtwerte, die ich
> in einem Bericht gelesen habe, da ging es aber um weitaus größere
> Ströme, Induktivitäten, daher denke ich könnte es auch etwas länger
> dauern.

> anbei ein prinzipieller Entwurf

In deiner Schaltung wird M2 sterben, sobald er ausgeschaltet wird, da 
seine Drain-Spannung unbegrenzt ansteigt.

Im Anhang mein Vorschlag. Beim Abschalten steigt die Spannung an der 
Anode der Schottky-Diode, bis U=R*100A. Dann nimmt der Strom bis auf 0 
ab.

Der Widerstand muss die Energie von 150Ws abkönnen. (gut 400W für 350ms)

Grüße,
Peter

Autor: Ralf (Gast)
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>nein: beim Abschalten ist dI/dt erstmal unendlich, die Spannung an der
>Induktivität polt sich um und erhöht sich so lange, bis der Strom einen
>neuen Weg findet. Notfalls bis zum Überschlag (Zündspule).

Dann habe ich das mit der Selbstinduktion wohl doch noch nicht 
verstanden, ich dachte, es entsteht eine entgegengesetzte Spannung, die 
dann den Strom auch entgegengesetzt treibt, obwohl sie ja versucht den 
Strom aufrecht zu erhalten, das passt nicht..
Ist denn die Induktionsspannung vom jeweiligen Widerstand abhängig und 
erhöht sich bis die 100A erreicht sind?

Zu deiner Schaltung: das habe ich schon oft gesehen mit nur einem FET, 
wird da nicht die Stromquelle die Spannung so hoch treiben, bis der 
Strom fließt bei abgeschaltetem Zustand? Ich habe immer das Bild vom 
steuerbaren Widerstand im Kopf, aber das ist wohl auch nicht passend..

Gruß Ralf

Autor: Peter Roth (gelb)
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Hallo Ralf,

> ich dachte, es entsteht eine entgegengesetzte Spannung, die
> dann den Strom auch entgegengesetzt treibt, obwohl sie ja versucht den
> Strom aufrecht zu erhalten, das passt nicht..

Ganz wichtig: die Stromrichtung bleibt erhalten.

> Ist denn die Induktionsspannung vom jeweiligen Widerstand abhängig und
> erhöht sich bis die 100A erreicht sind?

ja.

> Zu deiner Schaltung: das habe ich schon oft gesehen mit nur einem FET,
> wird da nicht die Stromquelle die Spannung so hoch treiben, bis der
> Strom fließt bei abgeschaltetem Zustand?

Die Stromquelle liefert ja nicht wie eine Spule unendlich viel Spannung, 
sondern ist in der Regel einstellbar.
In deinem Fall genügen wahrscheinlich wenige Volt aus der Stromquelle um 
die 100A fließen zu lassen, du hast ja Supraleitung!

Der Transistor muss diese Spannung plus die Abschaltspannung aushalten 
können.



Grüße,
Peter

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Hallo Ralf,

willst du die Spule in 10ms komplett entmagnetisieren, oder kann das, so 
wie Christian geschrieben hat, etwas länger (~350ms) dauern? In 
letzterem Falle wird die Sache ganz einfach. Man schaltet die 
supraleitende Spule wie jede andere "gewöhnliche" Induktivität auch, nur 
dass man halt statt einer einzigen Freilaufdiode mehrere in Serie 
geschaltene verwendet. Dadurch steigt der Spannungsabfall über die 
Dioden und die Entmagnetisierung geht schneller von statten. Im 
konkreten Fall (30mH) wären bei 100A in 350ms nur noch 8,6V nötig. Die 
Dioden sind dann idealerweise auf einen Dauerstrom von 100A ausgelegt. 
Das Modell das du oben herausgesucht hast wird ziemlich sicher 
überfordert sein. Die Diode schafft zwar 265A, aber nur bei einem 
halbsinusförmigen Impuls der 10ms dauert. Besser geeignet wären z.B. die 
IRK.91 Module von IRF 
(http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp...). Mit 6 
Stück von denen ist die Spule in ca. 300ms stromfrei.

Bei der Auswahl des Schaltelements darf man nicht vergessen dass es im 
Regelbetrieb dauernd stromführend ist. Daher scheiden Transistoren im 
TO-220 oder TO-247 Gehäuse schon mal grundsätzlich aus. Der IXFN200N07 
aus dem ersten Posting hat einen Rdson von 6mOhm. Da muss immerhin eine 
Dauerleistung von 60W weggekühlt werden. Das Netzgerät wird, wenn es 
speziell für supraleitende Spulen konzipiert wurde, mit den zusätzlichen 
600mV Spannungsabfall unter Umständen auch keine Freude haben. IGBTs 
sind in dieser Hinsicht, bei so "kleinen" Strömen, eher noch 
problematischer. Ev. ist da ein dicker Schütz die einfachste Lösung.

Gruß
Reinhard

Autor: Ralf (Gast)
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Hallo,

das Entmagnetisieren könnte sogar noch etwas länger als 350ms dauern, es 
sollte nur recht schnell der Strom von der Spule genommen werden, so 
dass diese sich nicht weiter erwärmt.
An Schütze hab ich auch schon gedacht, leider fand ich dazu wenig im 
Internet bzgl. Ansteuerung, Verwendung, Eigenschaften..

Wie bist du auf die 300ms gekommen?

Gruß Ralf

Autor: Dennis (Gast)
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IXYS VMM1500 ?

0,8 mOhm Rds(on) max. => 8 Watt / 80mV.

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Hallo Ralf,

nur zur Sicherheit, damit wir nicht aneinander vorbeireden, das 
Entmagnetisieren ist gleich zu setzen mit dem Abbau des Stromes. Es ist 
also nicht so, dass man das Netzgerät trennt und schon fließt kein Strom 
mehr, das liegt ja in der Natur der Induktivität. Für die thermischen 
Betrachtungen im Falle eines Quenches zählt also der gesamte 
Stromverlauf bis zum Abbau des Feldes wobei es egal ist ob der Strom aus 
dem Netzgerät kommt oder ob er von der Induktivität weiter getrieben 
wird.
In dem oben erwähnten Beispiel bleibt der Strom also konstant auf 100A 
bis die Stromquelle abgeschalten wird. Danach geht der Strom, er fließt 
jetzt durch die Freilaufdiode(n), mehr oder weniger linear innerhalb von 
300ms auf 0A zurück.

Die Berechnung ist ganz einfach. Für eine Induktivität gilt:
U = -L * dI/dt

Bei U = 10,2V (12 Dioden zu je 0,85V laut Datenblatt) und L = 30mH 
ergibt sich daraus ein dI/dt von ca. 340A/s. 100A werden folglich in ca. 
300ms abgebaut.

Schütze sind im Grunde genommen nur große Relais. Sie werden aufgrund 
ihrer Anwendung oft mir 230V angesteuert was man bei der Auslegung der 
Treiberstufe berücksichten muss. Bei Farnell findest du sie unter 
"Automatisierungstechnik". Die angegebenen Leistungswerte beziehen sich 
auf Wechselströme. DC Ströme sind, bei gleichen Werten, schwerer 
abzuschalten (der Lichtbogen verlischt nicht im Nulldurchgang). Das muss 
man berücksichtigen. Wenn aber die Spannung durch die Freilaufdioden auf 
ein paar Volt begrenzt wird sollte das aber nicht so schlimm sein.

Gruß
Reinhard

Autor: Ralf (Gast)
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Ich denke das wird gehen, ich werde es ma ausprobieren, danke! Habe 
gerade ein Dokument gefunden in dem ein ähnliches Problem beschrieben 
wird in dem steht, dass es bis zu 2s lang dauern kann bis die Spule 
stromlos sein sollte, aber ich muss da noch einen genaueren Blick 
reinwerfen.

@Reinhard
Muss das Diodenmodul so hohe Spannungen abkönnen(1,2kV)?
Ich habe da noch andere gefunden, in denen zwei Dioden sind und die eine 
größere Durchlassspannung haben!
http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/2959.pdf

Das mit der Selbstinduktion sitzt immer noch nicht richtig, ich finde 
auch nichts ausreichend Ausführliches im Netz dazu, ich werd mal einen 
neuen Thread aufmachen..

Gruß Ralf

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Hallo Ralf,

das Diodenmodul muss eigentlich nur eine sehr niedrige Sperrspannung 
verkraften, das supraleitende Spulen normalerweise ja nur langsam und 
somit niedrigen Spannungen hochgefahren werden. Ich habe einfach nur 
kurz nach der billigsten Diode gesucht die 100A verträgt. Das Modul dass 
du jetzt gefunden hast schafft "nur" einen Dauerstrom von 60A. Bei den 
erwünschten kurzen Abschaltzeiten wird das wohl gut gehen, aber das Heil 
einer teuren supraleitenden Spule würde ich auf so eine Konstruktion 
nicht verwetten. In Sachen Forwardspannung/€ schenken sich die beiden 
Module auch nicht viel also würde ich die IRKE91 nehmen (oder 
weitersuchen).

Gruß
Reinhard

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