Mir ist klar, wie das grundsätzlich funktioniert: durch die induzierte Spannung im Abschaltmoment wird die Zenerdiode leitend und zieht das Gate wieder über U_GS(th) und schaltet den FET teilweise ein. Er arbeitet somit kurzfristig als Widerstand und verheizt die gespeicherte Energie aus der Induktivität (stark fallender Strom x Klemmspannung x Zeit). Dadurch baut sich das Magnetfeld schneller ab als mit einer Freilaufdiode (wichtig für mich, weil ich den Solenoid mit einer Feder schneller wieder zurückstellen möchte).
Nimmt der MOSFET dabei Schaden, selbst wenn er sich nicht stark erwärmt?
Wie hängt das mit dem E_AS Parameter zusammen und weshalb macht es einen Unterschied ob es ein einzelner oder ein sich wiederholender Puls ist? Ist nach dem einzelnen E_AS Puls der FET gerade so noch nicht kaputt (einen zweiten Puls würde er nicht mehr aushalten)? Oder gelten diese Parameter nur wenn es keine Aktive Klemmung gibt?
Die "Energy capability" zeigt dir die Werte, bei denen er keinen Schaden nimmt. Natürlich ist der "single pulse" stärker, weil der FET dazwischen sich wieder entwärmen kann...
Dadurch baut sich das Magnetfeld schneller ab als mit einer
Freilaufdiode (wichtig für mich, weil ich den Solenoid mit einer Feder
schneller wieder zurückstellen möchte).
So wie ich Dich verstehe ist das Dein hauptsächliches Problem, richtig?
Eine gängige Lösung zum schnellen Abbau des Magnetfelds ist, statt einer einfachen Freilaufdiode eine Z-Diode zu nehmen. Damit zwingt man dann das Magnetfeld dazu eine viel höhere Spannung zu induzieren als es bei der Freilaufdiode passiert. Die Z-Spannung und max. Sperrspannung des FETs muss man natürlich aneinander anpassen. Aber bei Betriebsspannung von 24V hat man da nach oben hin noch einen weiten Raum von gut verfügbaren FETs.
Die aktive Klemmung ist im Datenblatt nur symbolisch dargestellt. Wenn man das diskret nachbauen will, dann muss man den Gatetreiber passend gestalten. Einfacher ist eine TVS-Diode parallel zum MOSFET oder der Spule. Im letzteren Fall eine bidirektionale oder unidirektional plus normale Diode.
Dadurch baut sich das Magnetfeld schneller ab als mit einer
Freilaufdiode (wichtig für mich, weil ich den Solenoid mit einer Feder
schneller wieder zurückstellen möchte).
So wie ich Dich verstehe ist das Dein hauptsächliches Problem, richtig?
Ja, stimmt.
Eine gängige Lösung zum schnellen Abbau des Magnetfelds ist, statt einer
einfachen Freilaufdiode eine Z-Diode zu nehmen.
Wäre es in dem Fall sinnvoll auch einen Serienwiderstand zu verbauen (also R+D+ZD), damit die ZD nicht so viel Leistung aushalten muss?
Wäre es in dem Fall sinnvoll auch einen Serienwiderstand zu verbauen
(also R+D+ZD), damit die ZD nicht so viel Leistung aushalten muss?
Warum "+D"?
Mit Widerstand wird die Klemmspannung stärker abhängig vom Strom und damit vom Widerstand der Relaisspule und der Versorgungsspannung. Mann muss dann die typische Klemmspannung verringern. Das würde ich nicht tun.
Je höher die Klemmspannung ist, desto schneller wird die Energie aus der Spule abgebaut und das Relais fällt schneller ab. Nebenbei: Dann halten die Kontakte auch etwas länger.
Während dem Abschalten fließt der abklingende Strom weiter über die Energiequelle. Das klemmende Bauteil muss also die Energie aus der Spule (1/2 L * I²) und die nachgelieferte Energie aus der Energiequelle aufnehmen.
Bei Klemmspannung >> Versorgungsspannung ist die Energie W = 1/2 L * I²,
bei Klemmspannung = Versorgungsspannung ist die Energie doppelt so hoch W = L * I².
Bei der Induktivität muss man die (größere) Induktivität im angezogenen Zustand berücksichtigen.
Meine Empfehlung:
Zum Klemmen eine Z-Diode mit ausreichender Impuls-Spezifikation (Suppressordiode) und möglichst hoher Klemmspannung verwenden, selbstverständlich unter der maximal zulässigen Spannung am FET.
Bislang ging ich davon aus, dass TVS als Schutzelement dienen und im Normalbetrieb stromlos bleiben sollen. Darf man die wirklich so auslegen, dass die TVS-Diode bei jedem Vorgang aktiv wird?
Bislang ging ich davon aus, dass TVS als Schutzelement dienen und im
Normalbetrieb stromlos bleiben sollen. Darf man die wirklich so
auslegen, dass die TVS-Diode bei jedem Vorgang aktiv wird?
Die werden in zahllosen Schaltnetzteilen als Klemmglied benutzt, werden 100.000 mal pro Sekunde aktiv.
Mein MOSFET hat eine Durchbruchspannung von 55V. Ich habe nach bedrahteten TVS gesucht und denke, ich werde eine (relativ große) 18V unidirektionale TVS aus der P6KE Familie (P6KE18A, https://www.vishay.com/docs/88369/p6ke.pdf) und eine normale Diode für ein paar A sperrend in Serie nehmen. Damit komme ich dann auf ca. 24V+0.7V+25.2V = ~50V und bin damit noch sicher unter der Durchbruchspannung. Die TVS ist allerdings vermutlich etwas überdimensioniert (max. peak pulse current 23.8A, ich habe nominell 2A-3A). Allerdings sind die TVS für andere Pulsformen spezifiziert, also hoffe ich, dass das ungefähr hinkommt.
Die Suppressor-Diode nimmt den Strom, der durch die Relaisspule fließt und dann sinkt. Mehr Strom fließt nicht. Nimmt die Erregerspule des Relais tatsächlich bis zu 3 A auf?
Die "aktive Klemmung" wirkt zurück auf die Gate-Treiberschaltung (zieht das Gate-Potential hoch), bei der "passiven Klemmung", bei der die Suppressordiode den gesamten Strom übernimmt, gibt es keine Rückwirkung auf die Treiberschaltung. Oft kann man dann einen kleineren FET verwenden.
Egal ob "aktive" oder "passive" Klemmung mit Suppressordiode: Der FET oder die Diode nimmt die Energie bei jedem Abschalten auf. Bei hoher Schaltfrequenz wird das jeweilige Bauteil warm.
Die P6KE ist schon eine recht große Suppressordiode (600 W für 1 ms). Die Eigenschaften deines Relais und die Schalthäufigkeit kenne ich nicht, daher kann ich dazu keine Aussage machen.
Schaltbeispiel siehe Anlage
Die Klemmspannung der Suppressordiode muss (knapp) unter 55 V liegen und die Sperrspannung muss über der (unbekannten) maximalen Versorgungsspannung liegen. Vielleicht passt die P6KE39A besser oder etwas kleiner P4KE bzw. BZW04 oder noch kleiner.
Die Impulsformen kann man umrechnen. Üblicherweise nimmt man den gleichen Spitzenstrom und passt die Zeit so an, dass die Flächen unter den Strom-Zeit-Kurven gleich werden. Das ist manchmal etwas mühsam, aber entwickeln ist schließlich kein "Kinderspiel".
eben erst gesehen: Am Anfang hast du geschrieben "Elektromagneten/Solenoid mit ca. 4.5 mH, 3 Ohm, der an 24V und bis ca. 2A betrieben wird".
Das passt nicht ganz zusammen. 24 V / 3 Ohm = 8 A bzw. 24 V / 2 A = 12 Ohm. Entweder der Strom oder der Widerstand stimmt nicht.
Bei manchen MOSFETs ist die interne Diode zwischen Drain und Source (ist eigentlich ein Transistor) so designed, dass sie ein definiertes Durchbruchverhalten zeigt und für (kleine) induktive Lasten keine externe Schutzdiode benötigt wird. Dann ist die Energie, die diese Diode aufnehmen kann, im Datenblatt vermerkt.
Kurz zum Unterschied zwischen "normale" Diode und Z-Diode (Suppressordiode):
Bei beiden Typen erfolgt ein Lawinen-Durchbruch bei hoher Spannung (Feldstärke).
Bei normalen Dioden bricht meistens ein pn-Übergang im Bereich des oberen Diffusionsrands durch (an den "Ecken" ist die Feldstärke höher) und nicht die "große" Fläche der Sperrschicht. Die Durchbruchspannung am Rand hat große Toleranzen und die kleine Durchbruchstelle verträgt keine hohe Energie.
Bei Z- bzw. Suppressordioden werden die Ränder gesondert diffundiert, dass deren Durchbruchspannung höher ist (also nicht durchbricht) als die der "großen" Diodenfläche.
Dadurch wird die genutzte Diodenfläche etwas kleiner (-> Vorwärtsspannung ist etwas höher), aber die Durchbruchfläche ist homogen, verträgt relativ hohe Energie und die Durchbruchspannung ist bei der Herstellung gut einstellbar.
Zwischen Z-Diode und Suppressordiode gibt es konstruktiv keinen besonderen Unterschied. Der größte Unterschied liegt darin, welche Eigenschaften spezifiziert werden.
Nimmt der MOSFET dabei Schaden, selbst wenn er sich nicht stark erwärmt?
Warum sollte er?
Der Strom durch den MOSFET ist nicht größer als der Strom, der vor dem Abschalten durch die Spule geflossen ist. Den sollte er dann allerdings auch vertragen.
Bei hoher Schaltfrequenz wird das jeweilige Bauteil warm.
Die P6KE ist schon eine recht große Suppressordiode (600 W für 1 ms)
Im DaBla der P6KE steht "600 W peak pulse power capability with a
10/1000 μs waveform, repetitive rate (duty cycle): 0.01 %" und auch "Power dissipation on infinite heatsink at T_L = 75 °C (fig. 5) PD 5.0 W". In meinem Fall (solenoid) muss sie nicht nur einen vereinzelten Puls von 1ms Länge ableiten, sondern regelmäßig (PWM). Einen unendlichen Kühlkörper habe ich auch nicht.
Danke, so kann ich es tatsächlich (auch) machen. Ich hatte gedacht eine D und unidirektionale ZD/TVS antiparallel zur Last/Spule anzuschließen. Die D bräuchte ich dann, weil die Zenerspannung unter 24V Versorgungsspannung läge, damit ich unter der Durchbruchspannung des MOSFETs bliebe. Aber so, wie in deinem Vorschlag geht es auch und braucht keine extra Diode.
Nimmt der MOSFET dabei Schaden, selbst wenn er sich nicht stark erwärmt?
Warum sollte er?
Der Strom durch den MOSFET ist nicht größer als der Strom, der vor dem
Abschalten durch die Spule geflossen ist.
Der Strom ist nicht größer, aber die Spannung.
Im angeschalteten Zustand muss der FET
$$I^2 \cdot R_{DS(ON)}$$
aushalten, was fast nichts ist (I=2A, R < 100 mOhm).
Beim Abschaltvorgang mit aktiver Klemmung nur über den MOSFET wird er im nichtlinearen Bereich betrieben und es fallen die kompletten
$$U_{Klemm} \cdot I$$
an, also bei mir ca. 50V * 2A=100W für t=500µs (E=50mJ). Bei T=20ms wären das durchschnittlich also 2.5W (also auch nicht so viel), kurzzeitig aber halt schon, und ich meine gelesen zu haben, dass die Strukturen in FETs das nicht dauerhaft mögen (z.B. E_AS sind spezifiziert in den absolute maximum ratings und als einmaliger Puls, wenn wiederholte Pulse angegeben sind, dann ist der Wert häufig viel kleiner).
T=20 ms bzw. f=50 Hz. Einschaltdauer ist variabel (s.u.), aber nicht
mehr als ein paar ms (so ~4 ms vielleicht).
Ja. Der Solenoid/Elektromagnet soll einen Stößel mit ca. 50 Hz an eine Klangschale anschlagen. Sozusagen ein wagnerscher Hammer, aber elektrisch geschaltet (kein Kontaktbrand und -korrosion). Und die 2A sind ausreichend, um mit genügend Schmackes an die Schale zu schlagen. Sehr viel länger einschalten bzw. höherer Strom geht sowieso nicht, weil ansonsten der Stößel die Klangschale dämpft, wenn er dort "kleben" bleibt.
Der Solenoid/Elektromagnet soll einen Stößel mit ca. 50 Hz an eine
Klangschale anschlagen.
Mich interessiert es, wie das klingt. Magst Du ein Audio/Video machen?
Es bietet sich fast an, die in der Spule gespeicherte Energie ins Netzteil (C) zurückzuspeisen, dazu braucht man zwei Fets und zwei Dioden (oder gleich eine H-Brückenschaltung).
Der Solenoid/Elektromagnet soll einen Stößel mit ca. 50 Hz an
eine
Klangschale anschlagen.
Glatt überlesen.
Mich interessiert es, wie das klingt. Magst Du ein Audio/Video machen?
Es bietet sich fast an, die in der Spule gespeicherte Energie ins
Netzteil (C) zurückzuspeisen, dazu braucht man zwei Fets und zwei Dioden
(oder gleich eine H-Brückenschaltung).
Es wird nicht der Abbau des Stroms das Problem sein, sondern die Trägheit des Klöppels.
Naja, es soll so klingen so wie diese 20cm Durchmesser Feueralarmklingeln in (U-)Bahnhöfen oder Werkshallen oder vielleicht auch Schulen. Trilililiiing. https://www.youtube.com/watch?v=mvGqnDOGPjY
Es wird nicht der Abbau des Stroms das Problem sein, sondern die
Trägheit des Klöppels.
Ich habe bisher eine Freilaufdiode (MOSFET/MOS-Diode) verwendet, aber bei 20ms Anschlagintervallen habe ich im Oszilloskop gesehen, dass das Magnetfeld noch nicht abgebaut war, wenn der nächste Anschlag begonnen hat. Daher habe ich die Anschlagintervalle verlängert (100 ms) und die Glocke klang deutlich lauter (gleiche Einschaltdauer/Spitzenstrom der Spule). Daraus schloss ich, dass der Stößel bei dem kleineren Intervall noch nicht wieder in Ruhestellung war und somit nicht mit ausreichend Impuls auf die Schale schlagen konnte.
Eine andere elektromechanische Glocke (Wagnerscher Hammer) hat auch keine Freilaufdiode, sondern nur Öffnerkontakte (und Kontaktbrand). Daraus schloss ich, dass der Stößel aufgrund der Freilaufdiode und anhaltenden Magnetfelds nicht schnell genug zurückgestellt wird.
Der alte Wagnerscher Hammer hat den Vorteil, dass der Klöppel/Stößel stets mit der Eigenresonanzfrequenz schwingt, d. h. mit seiner größten Amplitude.
Bei dem fremderregten Klöppel/Stößel/Anker muss man die Frequenz und die Einschaltdauer so anpassen, dass die maximale Lautstärke erreicht wird. Die Resonanzfrequenz kann sich aber ändern, z. B. wenn die Erregerspule warm wird.
Überschlagsrechnung mit L = 4,5 mH; Iabschalt = 2 A; f = 25 Hz (wie der Wecker beim alten Telefon, 50 Hz ist vermutlich zu schnell):
Bei jedem Ausschalten wird im Begrenzungselement die Energie W in Wärme umgesetzt:
W = 0,61 * L * I² = 0,61 * 4,5 mH * 4 A² = 11 mJ
(Der Faktor 0,61 gilt für Klemmspannung = 2 * Betriebsspannung. Davon kommt der Faktor 0,5 von der gespeicherten Energie in der Spule und 0,11 liefert das Netzteil. Quelle: Eigene Herleitung über Differentialgleichung auf Papier -> ohne Gewähr.)
Bei f = 25 Hz wird 25 Mal je Sekunde W = 11 mJ = 11 mWs in Wärme umgewandelt.
Die mittlere Leistung in der Z-Diode ist daher P = 25 1/s * 11 mWs = 275 mW.
Das sieht soweit gut aus.
Der Abschaltstrom geht quadratisch in die Leistung ein. Bei 3 A steigt die Energie auf 25 mJ je Abschaltimpuls.
Vor kurzem habe ich einen Hubmagneten gemessen (ITS-LS 3830B-Z von RED Magnetics), der ist für DC 12 V (EDmax = 100 %) bzw. 24 V (EDmax = 25 %):
• Rs = 18 Ohm (-> bei 12 V: I = 670 mA; P = 8 W bzw. bei 24 V: I = 1,3 A; P = 32 W)
• Ls = 600 mH (Anker angezogen)
• Ls = 100 mH (Anker abgefallen)
Von daher finde ich L = 4,5 mH (Anker angezogen bzw. eingetaucht) extrem geringe Induktivität.
