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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sehr großen Strom schalten


Autor: Stefan May (smay4finger)
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Hallo,

Ich suche eine Schaltung, mit der einige hundert Ampere für einige 
Millisekungen geschaltet werden können. Es handelt sich um einen 
Kondensator mit 47000µF/40V, der mit einer Spule kurzgeschlossen wird.

Kann man das einem Mosfet zutrauen? Welche schweren Geschütze muß ich 
auffahren?

mfg, Stefan.

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

Schau mal in der Parametersuche von IR oder Infineon die haben nette 
Sachen die auch noch bezahlbar sind...

Kondensator --> Spule, könnte das sein daß du ne Coilgun baust? :)

Autor: Compy (Gast)
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Halbleiter is schon OK, und so groß müssen die nichtmal sein. Für ein 
paar Mikrosekunden packen viele FETs das 10- bis 20-fache ihres 
Nennstromes, wenn nicht sogar mehr. Aber trotzdem kühlen!

Autor: gast (Gast)
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Hi,

du hast leider nicht genau geschreiben was Du tun willst.
Im Prinzip sollte das mit MOSFETS gehen. Wenn allerdings eine Spule mit 
im Spiel ist, muss Du aufpassen was beim Abschalten passiert. Wenn Du 
nur den einfachen Kreis aus Spule und Kodensator hast könnten bei 
Aussschalten durch die Spule große Induktioenspannungen auftreten, die 
den MOSFET sofort zerschießen. Ich würde daher für solche Anwendungen 
IGBTs empfehlen. Die können deutlich mehr Spannung ab und sind für 
solche Anwendungen zu bevorzugen. Weiterhin solltest Du sicherstellen, 
dass der Kondensator dauerhaft diese Kuzschlussströme kann.


Grüße,

ein Gast

Autor: Tango (Gast)
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Coilgun/Railgun?
Thyristor!

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Ja, es ist so eine Art Coilgun.

FET probiere ich mal aus. Schutzbrille hab ich ja schon :-)

Thyristor.... Gute Idee. Irgendeinen Vorschlag, welchen?

mfg, Stefan.

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Thyristor ist ein sehr gutes Stichwort für Google. Ich les erstmal ein 
wenig. :-)

Autor: Reinhard R. (reinhardr)
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Hi,

der Thyristor ist das richtige Schaltelement für diese Anwendung. 
Pulsbatterien zur Erzeugung hoher Magnetfelder funktionieren 
normalerweise auch so. Bei Farnell bekommst du z.B. Thyristoren die ein 
paar kA Pulsstrom verkraften für ~30€, ein vergleichbarer Transistor 
kostet ein Vielfaches.
Vergiss nicht dass die induktive Last den Strom weiter treiben wird und 
der Thyristor erst im Stromnulldurchgang abschaltet. Ohne 
Schutzbeschaltung wird dabei der Kondensator umgeladen (siehe 
Schwingkreis). Ein Elko verkraftet die negative Spannung normalerweise 
nicht.

Gruß
Reinhard

Autor: Thomas O. (kosmos)
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IRFP 2907, TO-247AC, Reichelt 4,70 Euro

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Hallo Reinhard,

Vorweg, ich hab kaum Ahnung, wie ein Thyristor wirklich funktioniert.

Ich habe mir mal die Schaltung bei 
http://www.rapp-instruments.de/accelerator/Coilgun... 
angesehen. Das Prinzip der Schaltung habe ich verstanden. Reinhard wirft 
aber eine Schutzschaltung in die Diskussion. Wirkt nicht aber der 
Thyristor als Diode in der Schaltung? Der Gegenstrom vom Abbau des 
Magnetfeldes in der Spule sollte der Thyristor doch vom Kondensator 
zuverlässig abhalten?

mfg, Stefan.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Von Mosfets würde ich abraten:
Das Problem an diesen ist, dass diese nur bei niedrigen Strömen den 
angegebenen Widerstand haben. Ab einem bestimmten Strom, wird der Mosfet 
eher zu einer Konstantstromquelle. Das sieht man schön aus dem Diagramm 
Fig1 im Datenblatt: Der Widerstand ist nur bei niedrigen Strömen (in 
diesem Fall also bis knapp über 1kA konstant, danach steigt er relativ 
schnell an.

Ich würde auch zu Thyristoren greifen, das sind eindeutig die beste Wahl 
für sowas. Die haben auch den Vorteil, dass man die Schaltung relativ 
leicht durchsimulieren kann, und z.B. den I²T Wert und die 
Anstiegsgeschwindigkeit bestimmen kann, was bei Thyristoren im Daenblatt 
angegeben ist. Dann kann man zumindest schonmal abschätzen, ob der 
Thyristor das überleben wird oder nicht.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Stefan May wrote:

> angesehen. Das Prinzip der Schaltung habe ich verstanden. Reinhard wirft
> aber eine Schutzschaltung in die Diskussion. Wirkt nicht aber der
> Thyristor als Diode in der Schaltung?

Stell dir anstelle der Spule mal eine Spannungsquelle vor, und ersetze 
den Thyristor in Gedanken durch eine Diode. Wierum wird der Elko jetzt 
aufgeladen ?

Wenn du das nicht glaubst, schau mal auf www.powerlabs.org, da ist 
beschrieben was passieren kann, wenn die Diode zu schwach dimensioniert 
ist.

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Die Spule induziert aber einen entgegengesetzten Spannung beim Abbau des 
Magnetfeldes.

mfg, Stefan.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Genau, und diese ist entgegengesetzt der ursprünglichen Spannung.

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Dann stimmt es doch, daß der Thyristor diese Gegenspannung auffängt. :-)

Oder bin ich jetzt total blind?

mfg, Stefan.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Stefan May wrote:
> Dann stimmt es doch, daß der Thyristor diese Gegenspannung auffängt. :-)

Nein !
Du verwechselst Spannung und Strom.

Schau dir das mal an:
http://www.hcrs.at/SMAG.HTM

Autor: Düsentrieb (Gast)
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guck mal da:
http://www.powerlabs.org/pssecc.htm
er hat nen netten thyristor. 30kA peak, 1300$ ...

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Ahhhhh, jetzt hat geschnallt. :-D

Autor: Thomas O. (kosmos)
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probiers mit dem IRFP 2907 aus, entweder klappts oder nicht danach bist 
du auf jedenfall 4,70€ schlauer.
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfp2907.pdf

Das Ding schafft 200A Dauerleistung und 800A Impulsleistung glaube kaum 
das du mit dem Widerstand deiner Spule, den Übergangswiderständen und 
dem Drain-Source Widerstand da nicht locker 0,1 zusammenbekommst.

Außerdem hat die Spule ja auch eine bestimmte Induktivität, die am 
Anfang die Stromaufnahme begrenzt bis sie in Sättigung geht und dann 
erst der reine ohmsche Widerstand zum tragen kommt.

Also ich sage das es geht.

Autor: Tom (Gast)
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Sonst guck mal den IRF1404 an, 1,xx Euro bei Reichelt. Kann auch 200A 
und 800A Puls.

Dass, wenn der Kondensator entladen ist, er sich dann durch den 
Spulenstrom wieder andersrum auflädt, weisst du? Einem Elko tut das 
nicht gut. Und nach einer Viertel Periode dreht auch der Strom um, dann 
leitet die Reverse Diode des FET.

Mit andern Worten, irgendwo muss die Energie des Kondensator hin, und 
wenn sie keiner absorbiert, dann pendelt sie endlos in der Schaltung 
rum.

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Holla,

Hab jetzt mit 'nem FET mal angefangen bei kleinen Spannungen, damit mir 
nicht gleich alles um die Ohren fliegt. Hab auch ein bisschen gemessen 
und die Gegenspannung auf dem Oszi gesehen. Holla die Waldfeh, aus 2V 
hat das Ding -40V gemacht. War zwar ein sehr kurzer Impuls, aber jetzt 
weiß ich, daß ohne Schutzschaltung nix geht.

Thyristor ist der nächste Schritt. Danke für die Hilfe soweit. Wenn ich 
Probleme kriege, melde ich mich.

mfg, Stefan.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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einfach ne Diode antiparallel schalten.

Autor: micha (Gast)
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Hey Stefan, bin neu hier und habe deine Frage nebst Antworten gelesen.

Als med. Techniker Röntgengeräte kann ich sagen, achte auf die 
Bezeichnung A²/s und Stromsteilheit.
D.h. Stromverdrängung pro Fläche und Zeit, sonst "Überkopfzündung".
Nicht auf die Impulsleistung bei 10ms !!!!!
Die Freiräumzeit des Halbleitermaterials ist wichtig. Ist sie zu groß 
bleibt er leitend und zermarmelt die Schaltung.

47000µF 40 Volt ist ein relativer Witz.
Kondensatorschweißgerät aus Elektor? Akkus Punktschweissen?

4x BUZ10 parallel sollten reichen, gibt von Elektor einen Schaltplan + 
Programm für PIC-- auf Atmel null problem.

Gruß
Micha

Autor: Stefan May (smay4finger)
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> 47000µF 40 Volt ist ein relativer Witz.

Nein, nicht in meiner Anwendung. :-)  Ich will damit keine Kanone bauen, 
sondern einfach nur Metallkugeln beschleunigen. Der Zweck dieses ganzen 
Versuches ist es, ein Modell für einen Teilchenbeschleuniger zu bauen. 
Die Magnetspule bildet sozusagen die HF-Strecke in meinem Modell.

Das Prinzip der Elektor-Schaltung würde mich trotzdem interessieren. Hat 
jemand einen Schaltplan davon?

Ich sollte im Betreff vielleicht das "Sehr" streichen. Im Moment 
scheinen alle an mehrere Kiloampere zu denken. :-)

mfg, Stefan.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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micha wrote:
> Als med. Techniker Röntgengeräte kann ich sagen, achte auf die
> Bezeichnung A²/s und Stromsteilheit.
> D.h. Stromverdrängung pro Fläche und Zeit, sonst "Überkopfzündung".
> Nicht auf die Impulsleistung bei 10ms !!!!!

Du scheinst dich ja ganz gut mit Thyristoren auszukennen.
Jetzt mal eine Frage dazu:
Wie ist dass, wenn ich die i²t, di/dt und dU/dt Werte einhalte, meine 
Entladung aber nur <1ms dauert. Kann ich dann mit dem Impulsstrom 
deutlich (5-10x) über den angegeben Wert für 10ms gehen, ohne dass der 
Thyristor kaputt geht ?

Stefan May wrote:
> Das Prinzip der Elektor-Schaltung würde mich trotzdem interessieren. Hat
> jemand einen Schaltplan davon?

Irgendwo habe ich die Schaltung, ich kann mal suchen wenn du unbedingt 
willst. Ich halte die Schaltung von Elektor aber für einen Witz. In der 
Anleitung steht u.a. dass man solange Mosfets parallel schalten soll, 
bis diese bei der Entladung nicht mehr kaputt gehen. Ich denke das sagt 
schon alles über die Professionalität von dieser Schaltung...

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Elektor? :-) Naja, den meisten Hobby-Elektronikern kann man das Rechnen 
scheinbar nicht zumuten. Zumindest den Elektor-lesenden. Ist ja auch gar 
nicht so einfach, eine solche Schaltung zu dimensionieren. Ich gehe ja 
prinzipiell mit den Thyristoren jetzt ähnlich vor. Allerdings will ich 
eher mit kleinen Lade-Spannungen und kleinen Kapazitäten anfangen und 
mich dann vortasten. Und dann möchte ich natürlich auch noch so halbwegs 
verstehen, was ich da so mache.

Ich hab jetzt zum Experimentieren ein paar Thyristoren bei der Bucht 
geschossen. Das sind SC30C400, technische Daten:

  U:     400 V
  I:      30 A
  I²t:  1500 A²s
  di/dt: 100 A/µs

Der I²t-Wert sagt mir irgendwie nix. Unter di/dt kann ich mir noch was 
vorstellen, das ist der maximale Stromanstieg beim Einschalten.

Beim Simulieren mit LTspice ist mir übrigends aufgefallen, daß es dort 
von der Spule keine Gegenspannung gibt. Simulationsfehler? Oder PEBCAC?

mfg, Stefan.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Stefan May wrote:

> Der I²t-Wert sagt mir irgendwie nix. Unter di/dt kann ich mir noch was
> vorstellen, das ist der maximale Stromanstieg beim Einschalten.

I²t gibt die Energiemenge an, bei der das Teil durchbrennt. Wenn ich das 
richtig verstanden habe, dann ist dass der eigentlich begrenzende Faktor 
für den Strom (der eine bestimmte Zeit lang fließt), daher auch meine 
Frage an micha.

Autor: juppi (Gast)
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di/dt und dU/dt Werte einhalten (einfach nicht einfach)
 und TSE Beschaltung
Induktivität und C  muß richtig berechnet werden,U auch
prinzipiell wie in der umrichtertechnik

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Tom wrote:

> Mit andern Worten, irgendwo muss die Energie des Kondensator hin, und
> wenn sie keiner absorbiert, dann pendelt sie endlos in der Schaltung
> rum.

Idealerweise sollte sie ja ins Geschoss, oder? ;-)

Autor: Stefan May (smay4finger)
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Klar soll die Energie ins Geschoss, allerdings soll die Schaltung ohne 
Geschoss nicht gleich abrauchen. :-)

Ich hab hier ein schönes Java-Applet gefunden, mit dem der Schwingkreis 
aus R, L und C simuliert werden kann.

http://www.coilgun.info/mark2/rlcsim.htm

Da ist schön die negative Spannung zu sehen, die von der Spule kommt. 
Durch geschicktes Wählen von R, L und C kann man den Schwingkreis jedoch 
so bedämpfen, daß keine negative Spannung entsteht.

Wie kann ich eigentlich die Kraft berechnen, die auf das Geschoß wirkt, 
wenn ich R, L und C kenne?

mfg, Stefan.

Autor: Stefan May (smay4finger)
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>Wie kann ich eigentlich die Kraft berechnen, die auf das Geschoß wirkt,
>wenn ich R, L und C kenne?

Ok, die Frage hat sich beim Studium von "Barry's Coilgun Design Site" 
erledigt. Eine sehr informative Quelle.

mfg, Stefan.

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