für ein Studiprojekt einer Hochschulgruppe habe ich die Aufgabe, einen
"Elektropermanentmagneten" umzupolen. Oberflächlich gesprochen besteht dieser aus zwei Permanentmagneten, wobei bei einem davon die Polarisation mittels einer Spule umgedreht werden kann. Man kann also diesen EPM ein- und ausschalten, ohne ständig Energie in einer Spule verheizen zu müssen.
Damit der EPM auch sicher umpolt, müssen für mindestens 100ms 1A durch eine Spule (Widerstand grob 4-5 Ohm, Induktivität bei 40uH) fließen.
Allerdings darf das Experiment nicht 1A auf der Power Line ziehen, weshalb nun mittels eines BJT eine Konstantstromquelle gebaut werden soll, die einen Kondensator (recht groß, 5mF bei 24V) auflädt. Dies sollte innerhalb von 0,7...o,8 Sekunden passieren.
Dazu habe ich zwei Fragen.
Ein Schaltplan der aktuellen Ladeschaltung liegt bei. R2 habe ich so groß gewählt, dass im Standby wenig Energie verblaßen wird. Dies erfordert allerdings einen sehr kleinen R1 (vermutlich sensibel gegenüber Abweichungen am PCB?) und drei bias-Dioden. Eventuell lässt sich das Design noch verbessern? Ich gebe zu, die Schaltung habe ich auch noch nicht komplett verstanden, obwohl ich schon einige Beiträge gelesen habe...
Das Ladungsreservoir soll anschließend mittels eines uC und einer Schaltung durch die Spule getrieben werden. Der Strom soll dabei - abhängig von den Steuersignalen am uC - in beide Richtungen fließen können (an- und ausschalten des EPMs). Erste Gedanken gingen in Richtung einer H-Brücke, die meisten auf mouser sind allerdings komplette Motortreiber ICs, und damit overkill, bzw unnötig komplex. Gibt es da noch andere Alternativen? Selbst das Ganze aus Einzel-Mosfets aufzubauen kommt mir jedoch auch nicht so schlau vor...
Vielen Dank schon mal vorab für Deine Ideen!
Beste Grüße,
Manuel
Wenn du eine 'PowerLine' aka Stromversorgung von 24V hast und ca. 5W fur die Spule brauchst, reichen 200mA.
Kannst du wenigstens den Strom ziehen ? Dann vergiss deinen Elko.
Dann bau einen step down. Das ginge einfach per ungeregelten NE555 der eine 20% PWM auf einen MOSFET legt und damit die Spule direkt an 24V schaltet, oder per geregeltem Hysterese-Stromschaltregler wie er für LED Beleuchtungen verwendet wird MP1584 PAM2861, oder per fertig gekauften 5V Schaltreglermodul
Dies
erfordert allerdings einen sehr kleinen R1 (vermutlich sensibel
gegenüber Abweichungen am PCB?) und drei bias-Dioden. Eventuell lässt
sich das Design noch verbessern? Ich gebe zu, die Schaltung habe ich
auch noch nicht komplett verstanden, obwohl ich schon einige Beiträge
gelesen habe...
Wenn Du diese Schaltung nicht verstehst dann mußt Du noch viel lernen. Aber Du nutzt ja wenigstens LTspice.
Der Transistor leitet ca. bei 0,7 V Basis - Emitter Spannung. Eine 1N4147 hat ca. 0,7 V Durchflußspannung. Ausgehend von +24 V fallen bis zur Basis 3 x 0,7 V ab. Von der Basis zum Emitter zurückgerechnet liegt am Widerstand R1 eine Spannung von Ur1 = 2,1 - 0,7 = 1,4 V an.
Der Strom durch R1 beträgt Ir1 = 1,4 V / 5 Ohm = 0,28 A .
Die kannst ja mit LTspice mal messen welche Leistung der kleine SOT23 da verkraften muß. Im Datenblatt findest Du auf Seite 9 die Thermal characteristics.
Erste Gedanken gingen in Richtung
einer H-Brücke, die meisten auf mouser sind allerdings komplette
Motortreiber ICs, und damit overkill, bzw unnötig komplex. Gibt es da
noch andere Alternativen? Selbst das Ganze aus Einzel-Mosfets aufzubauen
kommt mir jedoch auch nicht so schlau vor...
Mouser ist zwar gut, aber Reichelt genügt hier u.U. auch. Einer meiner ersten Treffer unter Microcontroller Suche nach "H-Brücke" war
Rudimentärer geht es nicht und kostet nur 1,60 €.
Falk rät aber von dieser sehr rudimentären Brücke ab. Da muß man etwas mehr Erfahrung haben.
Beitrag "Re: H-Brücke TTL-Pegel"
Dies
erfordert allerdings einen sehr kleinen R1 (vermutlich sensibel
gegenüber Abweichungen am PCB?) und drei bias-Dioden.
Ich denke nicht, dass die Platine hier irgendwelchen negativen Einfluss hat. 5Ω sind sehr weit weg von den Leiterbahnwiderständen, hätte eh nur Einfluss auf die Höhe des Stroms und der ist stärker durch die Erwärmung des BE-pn-Übergangs beeinflusst. Außerdem ist das doch für deine Anwendung egal - den Bereich von 0.7s - 0.8s wirst du immer treffen.
Und bei der Stromsparwahl des R2 wäre sowieso der BC817-40 bzw. eben einer mit hoher Stromverstärkung empfehlenswert.
Üblich sind übrigens bei solchen Schaltungen nur zwei Dioden. Je mehr, desto temperaturabhängiger wird der Strom. Auch das wird gehen, dann muss R1 eben auf 2Ω reduziert werden, wenn es der BC807 denn aushalten würde ...
Positiv: drei Dioden reduzieren auch die Verlustleistung am Transistor etwas.
Mein Ansatz war über den Strom in die Basis zu gehen, und dann daraus den Strom am Ausgang zu bestimmen. Ich wusste aber nicht, wie ich den Basis-Kollektorübergang modellieren sollte, aber das ist ja auch nur eine Diode im Wesentlichen. Dein Ansatz gefällt mir aber besser.
Ja, da muss ich wohl noch einiges an Input bringen. Bipolartransistoren haben wir uns nur in der Halbleitertechnik angeschaut, aber nie, wie man sie beschatet...aber hey, dafür kann ich wunderbar mit dem Residuensatz umgehen ^^
Mein Ansatz war über den Strom in die Basis zu gehen, und dann daraus
den Strom am Ausgang zu bestimmen. Ich wusste aber nicht, wie ich den
Basis-Kollektorübergang modellieren sollte,
Mit dem Basis-Kollektorübergang hat das nichts zu tun. Es ist eine Kollektorschaltung.
Du hast zwischen Basis und '+' zwei- bzw. dreimal die Diodenflussspannung.
Bei deinem kleinem Strom durch die Dioden so zwischen 550mV und 600mV pro Diode. Der Widerstand am Emitter sieht diesen Spannungsabfall minus den an der BE-Diode. Daraus ergibt sich auch die Berechnung des Stroms dieser Konstantstromquelle. Die ist schaltungstechnisch einfach, aber für den Zweck gut geeignet - bis auf die Verlustleistung beim BC807 😀.
Du musst nur dafür sorgen, dass die Stromverstärkung groß genug ist, dass die Basis auch noch genug abbekommt für den gewünschten Kollektorstrom. Deshalb mein Rat zu dem -40 bzw. einem mit hohem Stromverstärkungsfaktor, dann brauchst du wenig Basisstrom für einen gegebenen Kollektorstrom.
Das ist ja Linearbetrieb, d.h. für den Transistor kann man mit den Datenblattwerten für hFE rechnen - anders als im Schaltbetrieb. Und der Basisstrom stellt sich selbst passend ein: IC/hFE. Der BC807-40 ist hier mit 250...600 spezifiziert, es kann also deutlich unterschiedlich sein je nach Exemplar; der BC807-16 nur mit 100...250.
In deinem Fall müsste man einen Darlingtontransistor oder eine Darlingtonschaltung nehmen mit einem Transistor (z.B. aus BC557 und BD140), der die Leistung aushält. Dann sind auch die drei Dioden notwendig, allerdings wirst du nicht mehr ganz auf 24V kommen; es wird etwas mehr als ein halbes Volt fehlen.
Es sei denn, man baut noch einen 1k Widerstand (R3) dazu, dann hat man
wieder die vollen 24V.
Aber dann hat man 20mA Stromverbrauch, auch wenn der Kondensator aufgeladen ist. Er wollte sparsam unterwegs sein.
Ich würde dann eher die 24V um die Differenz anheben, falls das überhaupt relevant ist.
Zu deinem zweiten Problem (das erste wurde ja schon diskutiert):
Damit der EPM auch sicher umpolt, müssen für mindestens 100ms 1A durch
eine Spule (Widerstand grob 4-5 Ohm, Induktivität bei 40uH) fließen.
Allerdings darf das Experiment nicht 1A auf der Power Line ziehen,
weshalb nun mittels eines BJT eine Konstantstromquelle gebaut werden
soll, die einen Kondensator (recht groß, 5mF bei 24V) auflädt. Dies
sollte innerhalb von 0,7...o,8 Sekunden passieren.
Wenn die Induktivität diese Werte hat und du 24V drauf schaltest, dann hat sie 1A nach rund 2us erreicht. Wieso sollte da noch 100000 weitere us lang der Strom fließen? Der Magnet, den du ja magnetisieren willst, sollte seine Magnetisierung eigentlich quasi sofort haben, wenn der nötige Strom erreicht ist. Wenn ich richtig liege, dann müsste der Kondensator längst nicht so groß sein. Und wenn er nicht so groß sein muss, kannst du ihn auch einfach über einen Widerstand laden, das geht dann trotz kleinem Strom immer noch schnell genug.
Zum Problem: Ist es möglich, die Spule anders/neu/selbst zu wickeln? dann könntest du zwei Wicklungen bifilar drauf bringen, sozusagen für jede Magnetisierungsrichtung eine. Dann brauchst du nur zwei Mosfets lowside und kannst die möglicherweise (nur 24V/1A) direkt mit dem Microcontroller schalten. DMN3042L ist der erste beste Mosfet, den ich gefunden habe.
Wie gesagt, wenn du zwei Wicklungen machen kannst. Wenn nicht, wird es komplizierter.
Wenn die Induktivität diese Werte hat und du 24V drauf schaltest, dann
hat sie 1A nach rund 2us erreicht. Wieso sollte da noch 100000 weitere
us lang der Strom fließen? Der Magnet, den du ja magnetisieren willst,
sollte seine Magnetisierung eigentlich quasi sofort haben, wenn der
nötige Strom erreicht ist.
Ladeschaltung.png
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