Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Freilaufdiode dimensionieren


von Vlad (Gast)


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Hallo!

Kann mir jemand sagen, wie ich eine Freilaufdiode dimensioniere wenn ich 
die Induktivität und den Strom im Betrieb kenne?
Vielen Dank!

: Verschoben durch Moderator
von Johannes M. (johnny-m)


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Die Induktivität selber spielt keine Rolle. Die Diode muss den 
Betriebsstrom beim Abschalten übernehmen. Sie muss also für den maximal 
zu erwartenden Betriebsstrom ausgelegt sein. Wenn größere 
Spannungsspitzen vermieden werden sollen und die Schaltfrequenz relativ 
hoch ist, dann sollte die Schaltgeschwindigkeit einigermaßen hoch und 
die Freiwerdezeit relativ kurz sein. Die Sperrspannung der Diode muss 
(logischerweise) größer sein als die höchste zu erwartende Spannung an 
der Last.

von Andreas K. (a-k)


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Wobei die Diode diesen Strom nur als wiederholten Spitzenstrom 
verkraften muss, nicht als Dauerstrom.

von Vlad (Gast)


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Wovon hängt die Dauer ab, die der Strom noch nach Abschalten fließt?
Von der gespeicherten Energie?

von Vlad (Gast)


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Wie berechne ich die Spitzenspannung beim Abschalten?

u = L * di/dt

L kenn ich
i ist nehme ich mal an der Betriebsstrom

Ich weiß, dass sind Basics, aber wie komme ich jetzt auf u? Was ist dt?

von Johannes M. (johnny-m)


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Vlad wrote:
> Wovon hängt die Dauer ab, die der Strom noch nach Abschalten fließt?
> Von der gespeicherten Energie?
Ja. In dem Sinne spielt die Größe der Induktivität natürlich schon eine 
Rolle.
Allerdings ist es oft eh sinnvoll, die Diode etwas überzudimensionieren.

von Andreas K. (a-k)


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Vlad wrote:

> Wie berechne ich die Spitzenspannung beim Abschalten?

Vorher: Betriebsspannung der Induktivität.
Nachher: Durchlassspannung der Diode ;-).

von Johannes M. (johnny-m)


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Vlad wrote:
> Wie berechne ich die Spitzenspannung beim Abschalten?
Wozu willst Du die haben? Die Diode muss die Betriebsspannung der Last 
sicher sperren können. Und die Betriebsspannung wirst Du ja hoffentlich 
kennen...

> u = L * di/dt

> L kenn ich
> i ist nehme ich mal an der Betriebsstrom
>
> Ich weiß, dass sind Basics, aber wie komme ich jetzt auf u? Was ist dt?
ist die Ableitung (das Differenzial) des Stromes nach der Zeit, was der 
Steigung des Stromes entspricht. Aber wie schon gesagt: Brauchst Du hier 
gar nicht. Nach dem Abschalten liegt lediglich die Flussspannung der 
Diode an.

von Vlad (Gast)


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Ich möchte es nur verstehen, also nehmen wir an, es ist keine Diode 
vorhanden, wie hoch ist dann diese Spitzenspannung?

von Εrnst B. (ernst)


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Vlad wrote:
> Ich möchte es nur verstehen, also nehmen wir an, es ist keine Diode
> vorhanden, wie hoch ist dann diese Spitzenspannung?

Nun... hängt davon ab, wie schnell du den Strom abschaltest...
Ideale Spule, Idealer Schalter: di/dt wird unendlich, => die Spannung an 
der Spule ebenso...

von Johannes M. (johnny-m)


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Ernst Bachmann wrote:
> Vlad wrote:
>> Ich möchte es nur verstehen, also nehmen wir an, es ist keine Diode
>> vorhanden, wie hoch ist dann diese Spitzenspannung?
>
> Nun... hängt davon ab, wie schnell du den Strom abschaltest...
> Ideale Spule, Idealer Schalter: di/dt wird unendlich, => die Spannung an
> der Spule ebenso...
...und wenn der Schalter nicht ganz ideal ist, dann steigt die 
Spannung bis zur Durchschlagspannung der Schaltkontakte und es gibt im 
Schalter einen Lichtbogen (vorausgesetzt, es schlägt vorher nichts 
Anderes durch).

von gast (Gast)


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kann man das gante irgendwie überschlagen?

Nach dem Motto

u= L * i/0,0000000000000000000001s

?

von Andreas K. (a-k)


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gast wrote:

> kann man das gante irgendwie überschlagen?

Nicht wirklich, weil du dabei über einige nötige Parameter stolperst, 
die nirgends sauber dokumentiert sind. Die du folglich erst einmal 
nachmessen müsstest. Und dann kannst du auch gleich die Spannung 
nachmessen.

von Bernd G. (Gast)


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> u = L * di/dt

da kommt noch ein Minus davor (zeigt die Polaritätsumkehr an):

u = - (L * di/dt  + I * dL/dt)

so hab ich das mal lernen müssen.

von Bernd G. (Gast)


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Der zweite Term in der Klammer entfaltet seine Wirkung voll bei 
abfallenden Relais und Magneten, darf also keinesfalls unterschlagen 
werden!

von Vlad (Gast)


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Und wie sieht das nun mit der Dauer ab? Wie lange dauert es bis kein 
Strom mehr fließt?

Wozu brauche ich die Formel
W = L*I^2/2

von gast (Gast)


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gibt es echt keine fausregel?

Diode muss ca. 5-fache betriebsspannung aushalten?
Diode muss ca. 5-fachen betriebsstrom aushalten?

von Andreas K. (a-k)


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gast wrote:

> gibt es echt keine fausregel?

Beitrag "Re: Freilaufdiode dimensionieren"

von gast (Gast)


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"Vorher: Betriebsspannung der Induktivität"

sicher? Fällt die Spitzenspannung nicht größer aus?

von Andreas K. (a-k)


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Vor dem Abschalten???

von Andreas K. (a-k)


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PS: In dem Thread mischen sich grad 2 verschiedene Fragen. Vlad will 
wissen, wie man eine Diode dimensionieren muss wenn man keine einbaut, 
und du willst wissen, wie man sie dimensionieren muss wenn man sie doch 
einbaut.

von Vlad (Gast)


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Also mir ist klar, dass die Diode die Spannungsspitze begrenzt, deswegen 
sollte ich ja auch so eine Diode verwenden.

Mich interessiert jedoch vor allem wie hoch und wie lange diese 
Spannungsspitze ist. Das muss man doch irgendwie berechnen können, denn 
nur so kann ich eine Freilaufdiode dimensionieren. Nehmen wir an, ich 
schalte einen Motor, der im Normalbetrieb 20A zieht. Ich werde jedoch 
mit Sicherheit keine 20A Freilaufdiode verwenden wollen, denn dafür 
reicht der Platz einfach nicht - die Dinger sind ja echt fett.
Wenn ich jedoch weiß wie lange die Spannungsspitzen sind, also wie lange 
der Motor nach Abschalten als Generator wirkt (wenn keine Diode 
vorhanden wäre), dann kann ich auch Dioden nehmen, die zwar weniger 
statischen Strom aushalten, aber genügend Pulsstrom.
Und für eine Freilaufdiode ist doch nur der Pulsstrom von Bedeutung, 
oder denk ich da jetzt falsch?

von Andreas K. (a-k)


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Vlad wrote:

> Also mir ist klar, dass die Diode die Spannungsspitze begrenzt,

Da liegt schon der Fehler. Sie begrenzt nicht die Spannungsspitze, 
sondern sie leitet den induzierten Strom ab, so dass erst garkeine 
Spannungsspitze entsteht. Eine Spule induziert Strom, nicht Spannung.

von Udo (Gast)


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hier ist das alles sehr schön erklärt: 
http://de.wikipedia.org/wiki/Schutzdiode

von gast (Gast)


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Danke Udo. Auf wiki hätte ich auch selber kommen müssen

von Vlad (Gast)


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Ich werd einfach nicht schlau daraus...

Jetzt weiß ich immer noch nicht wie ich die Freilaufdiode dimensioniere, 
wenn ich keine Diode nehmen mag, deren Dauerstrom dem Betriebsstrom 
entspricht. Immerhin "fließt" der Strom ja nicht ewig weiter.

von Udo (Gast)


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menno, soo schwierig ist es doch nicht...

Die Sperrspannung muß mindestens deiner Betriebsspannung entsprechen, 
besser etwas größer...
Zum Strom...
Die Dauer hängt natürlich von der Induktivität ab, aber nehmen wir mal 
eine P600 Siliziumdiode:
Deren "Maximum Average Forward Rectified Current" beträgt nur 6A, aber 
der "Maximum Overload Surge Current" beträgt 400A.. zwar nur für eine 
Periode von 60Hz, aber immerhin lt. Datenblatt noch 20A bei 100 Perioden 
von 60 Hz.
Ergibt eine Zeit von 1,6 Sekunden. Bis dahin ist die größte Induktivität 
leer.

Gruß
Udo

von Vlad (Gast)


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Okay, jetzt werd ich schon langsam erleuchtet :-)

Die Zeitkonstante t=L/R gibt mir an, wie lange es dauert bis die 
gespeicherte Energie abgebaut wurde.
Der Verlauf des Stromes durch die Induktivität bzw. die Freilaufdiode 
ist exponentiell. Wie verknüpf ich das nun mit der Angabe aus dem 
Datenblatt, denn bei der Angabe des Pulsstrom handelt es sich um einen 
Sinusverlauf und nicht um meinen tatsächlichen Verlauf. Wie weiß ich ob 
die Diode standhält wenn der Puls länger ist als 8.3ms aber dafür 
weniger Strom oder der Puls kürzer ist und der Strom dafür größer? Wie 
weiß ich welche Pulsdauer bei gegebenem Strom maximal erlaubt ist?

von Vlad (Gast)


Angehängte Dateien:

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Schaltung...

von Vlad (Gast)


Angehängte Dateien:

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Simulationsergebnis...


Wenn ich die Induktivität und den Strom erhöhe, wird mein t=L/R auch 
größer. Der Stromverlauf entspricht nicht einem Sinus, im Datenblatt 
selbst wird der Pulsstrom jedoch für Sinus angegeben, mich interessiert 
aber ob es für meine Schaltung auch funktionieren würde. Kann man das 
irgendwie über Integrale lösen?

von Udo (Gast)


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Die Angabe im Datenblatt bezieht sich auf eine Periode von 60 Hz = 
16,7ms.
D.h. für mich, 16,7ms lang dürfen 400A fließen....egal ob Gleich- oder 
Wechselstrom. Je länger der Strom fließen soll, umso kleiner muß er 
werden.Im Datenblatt hört die Angabe bei 100Perioden von 60 Hz = 1,66..s 
auf, d.h. wenn der Strom 1,66..s fließt darf er nur noch 20A betragen. 
Und bei ständig fließenden Strom darf er noch <6A betragen.

Gruß
Udo

von gast (Gast)


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Danke Udo. Das wollte ich wissen.

von Vlad (Gast)


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Naja aber genau da ist mein Problem. Wie "klein" muss der Strom werden 
um die Diode nicht zu zerstören?

400A hält die Diode bei einer sinusförmigen Halbwelle aus, wie groß darf 
jedoch der Strom werden, wenn die Diode mit einem Rechteck erregt wird?
Wenn ich den im Datenblatt definierten Sinus integriere, dann erhalte 
ich die Fläche unter dieser Kurve. Will ich meine Diode für einen 
Rechteckpuls dimensionieren kann ich über die berechnete Fläche die 
maximal erlaubte Pulsdauer des Rechtecks berechnen.
Oder ist hier nicht die Fläche relevant sondern der Mittelwert?
Wenn ich mich nicht täusche wird die Diode aufgrund der entstehenden 
Wärme zersört. Sieht der Wärmeverlauf bei Sinus und Rechteck mit der 
gleichen Fläche anders aus?

Klar, in der Praxis wählt man eine Diode mit viel Spielraum aus, aber 
ich möcht das einfach rechnerisch lösen können.

von Udo (Gast)


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> 400A hält die Diode bei einer sinusförmigen Halbwelle aus, wie groß darf
> jedoch der Strom werden, wenn die Diode mit einem Rechteck erregt wird?
> Wenn ich den im Datenblatt definierten Sinus integriere,..snip...

So wie ich das Datenblatt lese, redet es nicht von einem sinusförmigen 
Strom, sondern gibt den zulässigen Strom nur über die Periodendauer an.

> Will ich meine Diode für einen
> Rechteckpuls dimensionieren kann ich über die berechnete Fläche die
> maximal erlaubte Pulsdauer des Rechtecks berechnen.

nein. Über die maximal erlaubte Pulsdauer bei gegebenen Strom kannst du 
die Fläche berechnen.

> Wenn ich mich nicht täusche wird die Diode aufgrund der entstehenden
> Wärme zersört.

richtig.

Gruß
Udo

von Dieter H. (kyblord)


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Wie kann man abschätzen, wie lange sich die Spule über die Diode 
entlädt?
Bräuchte ich um die mittlere Verlustleistung zu berechnen. Damit P_tot 
nicht überschritten wird und die Diode gegrillt wird.

von Wolfgang (Gast)


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Dieter H. schrieb:
> Wie kann man abschätzen, wie lange sich die Spule über die Diode
> entlädt?

Unendlich lang. Das ist eine e-Funktion ;-)
Das war einfach.

Im Magnetfeld der Spule ist beim Abschalten eine bestimmte Energie 
gespeichert und die wird über Freilaufdiode und Verlustwiderstände in 
Wärme umgesetzt.

von Wolfgang (Gast)


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p.s.
Für den Fall, dass du keine Ideale Diode verwendest, ist die Antwort 
natürlich nicht ganz so einfach, weil die nichtlineare Kennlinie einer 
realen Diode den zeitlichen Verlauf bestimmt. Dann liefert dir z.B. 
LTSpice den Wert per nummerischer Simulation.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Dieter H. schrieb:
> Wie kann man abschätzen, wie lange sich die Spule über die Diode entlädt?
Die in der Spule gespeicherte Energie, die irgendwo vernichtet werden 
muss, ist im Grunde "Leistung mal Zeit".

Wenn man will, dass sich der Strom möglichst schnell abbaut, dann sorgt 
man dafür, dass irgendwo möglichst viel Leistung in kurzer Zeit 
verbraten wird. Da ist es natürlich ungeschickt, wenn man diese 
Verlustleistung reduzieren will. Dann fällt halt weniger Leistung in 
längerer Zeit an.

> Wie kann man abschätzen, wie lange sich die Spule über die Diode entlädt?
Wozu einen uralten Thread ausgraben? Hast du den überhaupt gelesen? Oder 
verstanden? Wenn nein: warum nicht?

: Bearbeitet durch Moderator
von H. H. (Gast)


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von Dieter H. (kyblord)


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Und wie kann man jetzt abschätzen wie lange die Spule braucht bis sie 
ungefähr entladen ist über der Diode?

von Wolfgang (Gast)


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Dieter H. schrieb:
> Und wie kann man jetzt abschätzen wie lange die Spule braucht bis sie
> ungefähr entladen ist über der Diode?

Was gefällt dir an der Antwort nicht?

Wolfgang schrieb:
> Dann liefert dir z.B. LTSpice den Wert per nummerischer Simulation.

von Wolfgang (Gast)


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Wofür interessiert dich überhaupt die Dauer, wenn du die mittlere P_tot 
abschätzen willst?
Die Dauer würde dir nur etwas bringen, wenn du auch den zeitlichen 
Verlauf kennst und dann daraus per Integration über die Zeit die Energie 
pro Abschaltvorgang ausrechnen könntest.

von H. H. (Gast)


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Dieter H. schrieb:
> Und wie kann man jetzt abschätzen wie lange die Spule braucht bis sie
> ungefähr entladen ist über der Diode?

Indem man Widerstand und Induktivität des Relais in die Formel einsetzt.

von Checker vom Neckar (Gast)


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Er kann E=0.5*L*i^2 Energie vor dem Entladen durch die Entladedauer 
teilen dann hat er Pmittel. Numerisch mit einem m bitte. Hat mit Nummer 
nix zu tun.

von Dieter H. (kyblord)


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Checker vom Neckar schrieb:
> Er kann E=0.5*L*i^2 Energie vor dem Entladen durch die
> Entladedauer
> teilen dann hat er Pmittel. Numerisch mit einem m bitte. Hat mit Nummer
> nix zu tun.

genau das mein ich. aber hier hat wohl keiner ne antwort.
Ich will über ne Diode entladen, und verstehe nicht warum Hinz mit R 
kommt?
Oder spielt Herr Hinz auf den differentiellen Widerstand der Diode an? 
Denn die Diode bleibt ja ungefähr konstant auf der Durchflussspannung?

von H. H. (Gast)


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Dieter H. schrieb:
> verstehe nicht warum Hinz mit R kommt?

Weil der ohmsche Widerstand der Relaisspule dabei eine wichtige Rolle 
spielt.

von Dr. Sommer (Gast)


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Dieter H. schrieb:
> Ich will über ne Diode entladen, und verstehe nicht warum Hinz mit R
> kommt?

Stell dir das Ersatzschaltbild beim Entladen vor. Das sind die 
Induktivität, der Spulenwiderstand und die Diode in Reihe geschaltet.
Bei einer idealen Diode ist die Lösung der Differentialgleichung für den 
Stromverlauf einfach, weil andere die Lösung, eine e-Funktion, schon in 
die Formelsammlung geschrieben haben.
Bei einer realen Diode ist die Lösung etwas komplizierter, daher sucht 
der Praktiker in seiner Verzweiflung die Rettung in einem 
Simulationsprogramm.
Das zeigt ihm dann den Stromverlauf und wieviel Energie im 
Spulenwiderstand und wieviel in der Diode verheizt wird.

von Wolfgang (Gast)


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Checker vom Neckar schrieb:
> Er kann E=0.5*L*i^2 Energie vor dem Entladen durch die Entladedauer
> teilen dann hat er Pmittel.

Falsch, für die mittlere Leistung fehlt noch die Schaltfrequenz.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Dieter H. schrieb:
> Ich will über ne Diode entladen, und verstehe nicht warum Hinz mit R kommt?
DENKST du auch mal über das nach, was du liest und schreibst? Oder rotzt 
du wie in allen möglichen anderen Threads nur irgendwas hin? Oder willst 
du wie üblich eigentlich doch nur trollen?

> aber hier hat wohl keiner ne antwort.
Wofür suchst du überhaupt die Strombelastbarkeit? Für eine Freilaufdiode 
im PWM-Betrieb mit xhundert Hz oder y kHz? Oder für einen 
Elektromagneten, der nur 1x pro Minute oder Stunde oder Tag geschaltet 
wird?
Denn im  ersten Fall musst du dich um die Dauerbelastung kümmern, im 
zweiten Fall ist die Impulsbelastbarkeit interessant.

Wolfgang schrieb:
> für die mittlere Leistung fehlt noch die Schaltfrequenz.
In vielen Datenblättern von Schaltreglern finden sich die Formeln zur 
Berechnung der Verlustleistung der Freilaufdiode. Die könnte man sich 
mal anschauen.

von Karl B. (gustav)


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Hi,
alter Thread:
Beitrag "Re: Relais-Schutzdiode verzichtbar?"
Mit Oszilloskop.

"...Und nicht negativ. QED..."

ciao
gustav

: Bearbeitet durch User
von Dieter H. (kyblord)


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Dr. Sommer schrieb:
> Stell dir das Ersatzschaltbild beim Entladen vor. Das sind die
> Induktivität, der Spulenwiderstand und die Diode in Reihe geschaltet.
> Bei einer idealen Diode ist die Lösung der Differentialgleichung für den
> Stromverlauf einfach, weil andere die Lösung, eine e-Funktion, schon in
> die Formelsammlung geschrieben haben.
> Bei einer realen Diode ist die Lösung etwas komplizierter, daher sucht
> der Praktiker in seiner Verzweiflung die Rettung in einem
> Simulationsprogramm.
> Das zeigt ihm dann den Stromverlauf und wieviel Energie im
> Spulenwiderstand und wieviel in der Diode verheizt wird.

ok verstehe. bei der idealen diode geht man davon aus, dass die spule 
sich instantan enlädt, wegen der unendlich hohen steigung der kurve bei 
der Durchflussspanung und dann ist nur noch der R relevant vom Relais. 
(Entladen einer Spule über R, wobei die Spannung auf Durchflussspanung 
geclampt wird). Okay, aber das entspricht ja nicht der realität, denn 
die Diode hat ja eine e-Funktion als kennlinie. Nutzt man die 
shockley-gleichung hat man eine nichtlineare DGL die man halt ohne 
weiteres nicht lösen kann und dann macht mans halt numerisch. Die 
Antwort ist also durch ideal Diode grob abschätzen und dann rumtesten in 
der Simulation...

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Dieter H. schrieb:
> wegen der unendlich hohen steigung der kurve bei der Durchflussspanung
Ich hoffe, dir ist grundsätzlich klar, dass da keine "unendlich hohe 
Spannung" entstehen kann, weil da kein "unendlich hoher Strom" fließt.
Sondern es fließt exakt der selbe Strom, der zuletzt durch die 
eingeschaltet Spule geflossen ist, dann nach dem Abschalten durch die 
Freilaufdiode. Und kein einziges mA mehr.

> denn die Diode hat ja eine e-Funktion als kennlinie
Genausowenig wie einen rechtwinkligen Knick.

BTW: hast du meine Fragen gesehen? Hast du sie gelesen? Und verstanden?

von Dr. Sommer (Gast)


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Dieter H. schrieb:
> ok verstehe. bei der idealen diode geht man davon aus, dass die spule
> sich instantan enlädt, wegen der unendlich hohen steigung der kurve bei
> der Durchflussspanung

nein, mit einer idealen Diode meinte ich eine mit Durchlassspannung =0. 
Dann klingt der Strom mit einer einfachen e-Funktion ab.
Für eine Abschätzung kannst du diesen Stromverlauf und die 
Durchlassspannung der Dode nehmen. Damit bist du auf der sicheren Seite.


Dieter H. schrieb:
> und dann rumtesten in
> der Simulation...

in der Simulation musst du nicht rumtasten.
daten eingeben, Simulation starten, Ergebnis ablesen, fertig.

Dieter H. schrieb:
> Okay, aber das entspricht ja nicht der realität, denn
> die Diode hat ja eine e-Funktion als kennlinie. Nutzt man die
> shockley-gleichung hat man eine nichtlineare DGL die man halt ohne
> weiteres nicht lösen kann

Wenn du dir bei der Dimensionierung einer Freilaufdiode solche Gedanken 
machst, wirst du dem Terminplan deines Chefs nicht gerecht werden 
können.

von Dr. Sommer (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Dieter H. schrieb:
>> wegen der unendlich hohen steigung der kurve bei der Durchflussspanung
> Ich hoffe, dir ist grundsätzlich klar, dass da keine "unendlich hohe
> Spannung" entstehen kann,

er meinte damit wohl nur, dass die Durchlassspannung als konstant 
angenommen wird. Man kann das sicher auch noch komplizierter ausdrücken, 
aber das war schon ganz gut.

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