Schnelles Abschalten einer induktiven Last

Aber warum denkst du dass durch eine höhere Diodenspannung ein 
schnelleres Abschalten stattfindet?
Die 0,7V werden doch viel schneller erreicht als z.B. 30V insofern 
leitet die Diode schneller und der Gegenindunktions Spannung wird somit 
schneller entgegengewirkt.

> Aber warum denkst du dass

Wahrscheinlich, weil er richtig nachgedacht hat,

die Stromänderungsgeschwindigkeit einer Spule hängt von der Spannung 
zwischen ihren Anschlüssen ab, bei 12V statt 0.7V geht es halt 17 mal 
schneller.

Richtig schnell schaltet er ab, in dem er die maximal mögliche negative 
Spannung anlegt, und im Strom-Nulldurchgang abschaltet.

Hallo Max,

du hast vollkommen Recht!

Die Lebensdauer beipielsweise eines Relais kann übrigens erheblich 
verbessert werden, wenn gerade keine einfache Diode als Freilaufdiode 
verwendet wird, sondern eine Anordnung, die eine deutlich höhere 
Abschaltspannung erlaubt. Wie MaWIn schon sagte, hängt die 
Stromänderungsgeschwindigkeit, und damit die Zeit die das Relais 
letztlich braucht um Abszuschalten, von der Spannung über den 
Relaisanschlüssen ab, getreu der Formel U = L x dI/dt. dI/dt soll die 
zeitliche Ableitung des Spulenstromes sein, also die 
Änderungsgeschwindigkeit.
Damit das Ganze richtig funktioniert, sollte die Abschaltspannung aber 
schon 20...30V betragen.

Hier ist ein interessanter Link:

http://relays.tycoelectronics.com/appnotes/app_pdfs/13c3311.pdf

Kai

@Kai: Danke für das Dokument, dass ist genau was ich gesucht habe zu dem 
Thema!

Noch ein paar unklare Punkte:

- im Dokument sind ja die verschiedenen Möglichkeiten (A-H) aufgezählt. 
Die Variante die ich angesprochen habe ist ja der Fall B: Eine normale 
(oder Gleichrichter-) Diode in Serie mit einer Zenerdiode. In diesem 
Fall wird ja die "normale" Diode wie eine normale Freilaufdiode 
verwendet und die Zenerdiode in Serie so geschalten, dass die beiden 
Kathoden zusammengeschalten sind. Wieso meinen die, dass man entweder 
Anode oder Kathode zusammenschalten kann? Wenn man die beiden Anoden 
zusammenschalten würde, würde man im Abschaltfall die "normale" Diode in 
Sperrrichtung verwenden und hätte keine definierte Sperrspannung?

- im Dokument ist erwähnt, dass in dem Fall mit einer Gleichrichtdiode 
und einer Zenerdiode in Serie man die Zenerdiode einfach parallel dem 
Schalttransistor (z.B. Low-Side Switch) schalten kann. Bei der 
Dimensionierung muss man wahrscheinlich dann nur aufpassen, dass die 
Betriebsspannung kleiner als die Zenerspannung ist und die Zenerspannung 
größer als die Udsmax ist oder? Wie sieht es dabei mit der 
Energieaufnahme der Zenerdiode aus? In diesem Fall darf man ja dann 
keine konventionelle Freilaufdiode verwenden?
--> mein Schluss: Wieso verwendet man eigentlich nicht immer eine 
Zenerdiode am Schaltbauteil (z.B.: MOSFET als Low-Side)? Damit schützt 
man den Schalter und verliert keine Schaltdynamik...

- ich habe jetzt auch bei der Suche Varianten gesehen, wo 2 Zenerdiode 
verwendet wurden, wobei eine in Sperrrichtung vom Drain zum Gate und die 
andere, ebenfalls in Sperrrichtung, vom Gate zu Source geschalten wurde. 
Wieso macht man das und nicht einfach 2 Zenerdioden vom Drain zum 
Source?

danke und lg,
max

@Jakob:
Das das stimmt schon, aber die Energieaufnahme von dem "Zenereffekt" 
oberhalb der Udsmax ist sehr gering ("Eas" oder so heisst das; in mJ).
Wenn man ohmsch-induktive Lasten mit mehreren Ampere, vielleicht noch 
mittels PWM, schaltet, hält das der MOSFET-Schalter meist nicht aus.

lg max

Nochwas.. eine Zehnerdiode hat natuerlich eine hoehere 
Peak-Verlustleistung

> was für einen Einfluss hat es eigentlich, wenn man beim Abschalten einer
> induktiven Last neben einer Freilaufdiode z.B. noch eine Diode oder
> zusätzlich eine Zenerdiode (in Sperrrichtung) hat?
> Durch eine einfache Freilaufdiode wird ja die Spannung nach dem
> Abschalten auf ~0.7V begrenzt und der Strom fliesst quasi im Kreis und
> durch die ohmschen Anteile klingt das Verhalten ab. Wenn man nun z.B. 2
> Dioden verwenden würde und/oder eine Zenerdiode, hätte man ja einen
> größeren Spannungsabfall. Könnte man damit nicht auch ein schnelleres
> Ausschalten erreichen und trotzdem keine hohen Spannungsspitzen
> zulassen, die meist den Schalter gefährden? (z.B. mittels Zenerdiode auf
> 30V begrenzen und die Uds dementsprechend auslegen)
Hallo Max,

die Überlegung ist genau richtig. Im ersten Moment nach dem Abschalten 
fließt der Spulenstrom einfach weiter, da das Magnetfeld erst abgebaut 
werden muß. Der Abbau des Magnetfeldes erfordert aufgrund seiner großen 
räumlichen Ausdehnung Zeit und kann daher nur kontinuierlich erfolgen. 
Daher baut sich beim Ausschalten - wenn man nichts unternimmt - eine 
große Spannung auf.

Schließt Du eine Zenerdiode an, so kann der Strom zunächst einmal 
weiterfließen. Er arbeitet dabei gegen die Zenerspannung.
Je höher die Zenerspannung UZ ist, umso größer ist die Verlustleistung 
P=UZ*I an der Zenerdiode, d. h. umso schneller baut sich das Magnetfeld 
ab.

     ---------
     |         |
     |        _|_
     |       / |
    ###       / \
    ###       ---
 L  ###        |
    ###        |
     |         |
     |         |
     |         |
     ---------

Die Spule selbst sieht von der Verlustleistung i. a. nur sehr wenig bis 
gar nichts. Der Grund ist, daß entlang der Spulenwicklung (im Draht) bei 
gut leitfähigem Draht keine Spannung existiert.

(Fehlerfalle: Ein häufiger Denkfehler besagt, daß in der Zenerdiode und 
in der Spule gleich viel Leistung umgesetzt wird, weil in beiden 
Bauelementen der gleiche Strom fließt und entsprechend der Maschenregel 
die gleiche Spannung herrscht. Tatsächlich gilt die Maschenregel bei 
Induktionsvorgängen nicht; nur das Induktionsgesetz in seiner 
allgemeinen Form liefert das richtige Ergebnis:
- Zenerspannung an der Diode
- U=0 im Spulendraht.)


Gruß,
  Michael

Nicht ganz...
Wenn dann eine Diode + Zener in gegenrichtung gepolt. Sonst fließt beim 
einschalten der Strom durch die Zener in Flußrichtung...

man koennte auch einen Varistor nehmen, oder?

> Nicht ganz...
> Wenn dann eine Diode + Zener in gegenrichtung gepolt. Sonst fließt beim
> einschalten der Strom durch die Zener in Flußrichtung...
Hallo Fralla,
ja, danke. Das ist natürlich richtig. Sonst habe ich ja gleich einen 
Kurzschluß in Flußrichtung.

Gruß,
  Michael

>(Fehlerfalle: Ein häufiger Denkfehler besagt, daß in der Zenerdiode und
>in der Spule gleich viel Leistung umgesetzt wird, weil in beiden
>Bauelementen der gleiche Strom fließt und entsprechend der Maschenregel
>die gleiche Spannung herrscht. Tatsächlich gilt die Maschenregel bei
>Induktionsvorgängen nicht

Doch die gilt auch da. Nur ist die Spule in dem Moment Spannungsquelle.
Die Energie, die ja in der ZDiode verheizt wird, kommt aus dem 
Magnetfeld, also aus der Spule.

Diese Energie ist 0,5 mal L mal I^2

>>(Fehlerfalle: Ein häufiger Denkfehler besagt, daß in der Zenerdiode und
>>in der Spule gleich viel Leistung umgesetzt wird, weil in beiden
>>Bauelementen der gleiche Strom fließt und entsprechend der Maschenregel
>>die gleiche Spannung herrscht. Tatsächlich gilt die Maschenregel bei
>>Induktionsvorgängen nicht
>
> Doch die gilt auch da. Nur ist die Spule in dem Moment Spannungsquelle.
> Die Energie, die ja in der ZDiode verheizt wird, kommt aus dem
> Magnetfeld, also aus der Spule.
>
> Diese Energie ist 0,5 mal L mal I^2

Hallo lippy,

da irrst Du Dich. Die Wirkung des Feldes kommt dadurch in den 
Stromkreis, dass die Summe aller Spannungen einmal im Kreis herum gerade 
nicht gleich Null ist, sondern -dPhi/dt:

Kirchhoff sagt, sie ist gleich Null. Das gilt aber nur, wenn keine 
Induktion da ist:

Die Spannung entlang des Drahtes in der Spule ist R*i(t), was bei 
kleinem R näherungsweise gleich Null ist und nichts mit Induktion zu tun 
hat.

Du bist aber mit Deiner (falschen) Auffassung aber nicht alleine. Denn 
leider beschreibt von 20 Lehrbüchern kaum eines das Induktionsgesetz 
richtig.

Wenn Dich die richtige Erklärung der Spulenspannung interessiert, lies 
mal meinen Eintrag
http://de.wikipedia.org/wiki/Diskussion:Elektromagnetische_Induktion#Selbstinduktion

genauer gesagt den Beitrag neben diesem Bild:
http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Induktionsgesetz1.png

Alternativ kannst Du es auch hier nachlesen. Aber denke nicht, das wäre 
eine unabhängige Information ;-)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln

Ich hoffe, Du kennst Dich mit Integration entlang eines parametrisierten 
Weges aus oder hattest mal eine Vorlesung "Feldtheorie", sonst wird es 
schwierig zu verstehen.


Gruß,
  Michael

>http://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln

>>Es handelt sich also um eine klemmenäquivalente Modellierung der Induktion 
>>mithilfe eines Netzwerkmodells. Der Vorteil dieser Modellierung besteht >>darin, 
dass bei der Berechnung der Netzwerke die üblichen >>Berechnungsverfahren für 
Gleichstromnetzwerke, also Maschen- und >>Knotengleichung, verwendet werden 
können. Nur innerhalb der Spulenwicklung >>selbst gibt dieses Modell die Physik 
nicht richtig wieder und führt zu >>Widersprüchen.

Ah ok. Ausserhalb der SPule funktioniert das Ganze also korrekt. Sonst 
würde ich jetzt anfangen zu zweifeln an mir ;-)

Und innerhalb der SPule. Das leuchtet ein, das ist wie bei der 
Gravitation, wenn man innerhalb des Körpers ist. (zB im Mittelpunkt der 
Erde => keine Anziehung, gegenüber dem "klassischen Gesetz" unendliche 
Anziehung)

>Ich hoffe, Du kennst Dich mit Integration entlang eines parametrisierten
>Weges aus oder hattest mal eine Vorlesung "Feldtheorie", sonst wird es
>schwierig zu verstehen.

Die Vorlesung leider! nicht, aber Ringintegrale sind mir aus Mathe 
bekannt.

Kommt drauf an, ob Du die elektrische Leistung meinst, in die investiert 
wird, oder die ohmsche Verlustleistung.

> Oje wieder so eine Diskussion von Maschenregel und Induktion.  Legt man
> eine Glaichspannung zb 10V an eine Spule an, ja der Strom steigt linear.
> Dann nimmt man eine Zeitpunkt her, zb wenn 1A fließt. Setzt die Spule
> dann 10Watt um?

Ja, wobei es auf die aktuelle Position im BH-Hysteresediagramm ankommt, 
ob diese 10W in Wärme umgesetzt werden, oder in die Spule geladen werden 
um das magnetische Feld aufzubauen, wo man dann das Watt gewöhnlich in 
Joule angibt.

Eine gesättigte Spule setzt sie in Wärme um,
eine ungesättigte weitestgend ins Feld.

Ich find Michael Lenz's Verbindung von Kirchhoff und Induktion recht 
anschaulich, man sieht daran wie Leiterschleifen zu (störenden) 
Magnetfeldern führen und welche EMV Effekte sie haben als Vorläufer zu 
Maxwell, wenn auch in den Fällen, in denen er sie in den Lehrbüchern 
vermisste, vielleicht die isolierte Betrachtung der Spule die nach 
aussen neutral ist und daher eine Ersatzspannunsquelle enthalten muss, 
Absicht gewesen sein kann.

Hallo MaWin,

> Ich find Michael Lenz's Verbindung von Kirchhoff und Induktion recht
> anschaulich, man sieht daran wie Leiterschleifen zu (störenden)
> Magnetfeldern führen und welche EMV Effekte sie haben als Vorläufer zu
> Maxwell, wenn auch in den Fällen, in denen er sie in den Lehrbüchern
> vermisste, vielleicht die isolierte Betrachtung der Spule die nach
> aussen neutral ist und daher eine Ersatzspannunsquelle enthalten muss,
> Absicht gewesen sein kann.

lies Dir mal beispielsweise folgende Erklärung durch (Kapitel 5.6.1):
http://books.google.de/books?id=RusXHBipxsYC&pg=PA157&dq=demtr%C3%B6der+transformator#v=onepage&q=&f=false

Du kannst Dir ja dann überlegen, ob es Absicht ist oder nicht. 
Angesichts der haarsträubenden Erklärungen (und Ergebnisse!) ist mir das 
ziemlich egal.


Gruß,
  Michael

>Es handelt sich also um eine klemmenäquivalente Modellierung der
>Induktion mithilfe eines Netzwerkmodells. Der Vorteil dieser
>Modellierung besteht darin, dass bei der Berechnung der Netzwerke die
>üblichen Berechnungsverfahren für Gleichstromnetzwerke, also Maschen-
>und Knotengleichung, verwendet werden können. Nur innerhalb der
>Spulenwicklung selbst gibt dieses Modell die Physik nicht richtig wieder
>und führt zu Widersprüchen.

So what? Ich kann mit diesen "Widersprüchen" sehr gut leben, wenn ich 
eine Schaltung berechnen will und nur an den Strömen und 
Spannungsabfällen interessiert bin. Es reicht doch zu wissen, daß U = L 
* dI/dt ist und I = C * dU/dt. Oder hat irgendjemand geglaubt, daß durch 
einen Kondensator wirklich Strom fließt?

Das sind sowieso alles vereinfachte Modelle, die uns helfen sollen 
konkret damit in der Praxis etwas anzufangen. Genauso gut könnte man 
argumentieren, daß SQRT(-1) garnicht existiert und man demzufolge damit 
auch nicht rechnen darf.

Also, Ball flach halten, die Dinge so einfach wie möglich halten, oder 
will hier irgendjemand wirklich behaupten, daß er die Physik zu 100% 
verstanden hat?

Kai

Hallo Max,

>In diesem Fall wird ja die "normale" Diode wie eine normale Freilaufdiode
>verwendet,...

Nein. Wie Falk schon sagte, wirkt die Zenerdiode als Freilaufdiode. Die 
normale Diode verhindert nur, daß die Zenerdiode in der anderen Richtung 
die Spannung über der induktiven Last kurzschließt.

>Wieso meinen die, dass man entweder Anode oder Kathode zusammenschalten
>kann? Wenn man die beiden Anoden zusammenschalten würde, würde man im
>Abschaltfall die "normale" Diode in Sperrrichtung verwenden und hätte
>keine definierte Sperrspannung?

Die Reihenschaltung aus normaler Diode und Zenerdiode sperrt durch die 
normale Diode in der einen Richtung und sieht in der anderen Richtung 
aus wie eine Zenerdiode mit der Schwellspannung Uzener + Udiode. 
Überlege dir wie du die beiden Dioden anordnen mußt, damit das passiert. 
Hierbei ist die Reihenfolge der beiden Dioden, wie Falk schon gesagt 
hat, egal.

>im Dokument ist erwähnt, dass in dem Fall mit einer Gleichrichtdiode
>und einer Zenerdiode in Serie man die Zenerdiode einfach parallel dem
>Schalttransistor (z.B. Low-Side Switch) schalten kann.

Ja, aber da kannst du die normale Diode weglassen. Die Zenerdiode 
alleine reicht schon. Stell dir vor, du hast ein Relais, das an der 
einen Seite an +12V hängt und auf der anderen Seite von einem 
NPN-Transistor nach Masse geschaltet wird. Jetzt befestigst du einfach 
einen 24V Zenerdiode mit der Kathode am Kollektor und mit der Anode an 
Masse. Wenn der Transistor durchschaltet, ist die Zenerediode 
spannungslos und wenn er öffnet, springt das Potential am Kollektor auf 
24V, sodaß die Zenerdiode leitet. Wenn sich das Magnetfeld vollständig 
abgebaut hat, ist das Relais stromlos und das Kollektorpotential liegt 
auf 12V, sodaß die Zenerdiode wird stromlos wird. Also, alles im Lot.

>Bei der Dimensionierung muss man wahrscheinlich dann nur aufpassen, dass
>die Betriebsspannung kleiner als die Zenerspannung ist und die
>Zenerspannung größer als die Udsmax ist oder?

Das erste ist richtig, das zweite nicht. Die Zenerspannung muß kleiner 
sein als Ucemax, da ja sonst der Transistor durchschlägt, bevor die 
Zenerdiode leitend wird.

Kai

Hallo Max,

Nachtrag:

>Wie sieht es dabei mit der Energieaufnahme der Zenerdiode aus?

Also, es fließt natürlich durch die Zenerdiode am Anfang der gleiche 
Strom, der vorher durch das Relais geflossen ist. Diesen Strom muß die 
Zenerdiode, wenn auch nur kurzzeitig, aushalten.

Kai

Hallo Matthias,

>Legt man eine Glaichspannung zb 10V an eine Spule an, ja der Strom
>steigt linear. Dann nimmt man eine Zeitpunkt her, zb wenn 1A fließt.
>Setzt die Spule dann 10Watt um?

Wenn du so fragst, dann fragst du nach der Verlustleistung und die ist 
ohmsch. Dann ist wichtig zu wissen, wie der ohmsche 
Ersatzserienwiderstand der Spule ist. Fällt an diesem 10V ab, dann wird 
tatsächlich in der Spule 10W verheizt.

Kai

Warum kein Varistor?

Varistoren parallel zur Induktivität. Das ist doch DAS Einsatzgebiet für 
einen Varistor.

siehe wiki

Hallo KaiKlaas,

> Auch ich finde die Erkärung anschaulich. Jedoch finde ich es Sinnlos
> darüber zu diskutieren wer das Induktions falsch erklärt und wer
> richtig.
Es gibt:
a) eine Erklärung, die aus falschem Grund zu den richtigen Ergebnissen 
führt und
b) eine Erklärung, die aus dem richtigen Grund zu den richtigen 
Ergebnissen führt
Ich entscheide mich für Variante b).

>>Dieser (der magn. Fluss, Anmerkung) bewirkt eine Induktionsspannung >[...],
> welche der von außen angelegten Spannung U1 entgegengesetzt gleich >ist, da nach
> dem Kirchhoffschen Gesetz im geschlossenen Stromkreis >gelten muss: U1 + Uind = 
0.
> erklären [Wiki]
> Klar ist das falsch und sollte nicht in einem Buch zu finden sein, aber
> ich kenne keine Stituation wo man in der Praxis dann falsche Annahmen
> und Berechnungen macht, auch wenn man Schaltnetzteile, Umrichter, etc
> entwickelt...
Probleme dürften bei konzentrierten Bauelementen meines Erachtens nicht 
auftreten. Bei ausgedehnten Bauelementen (und mehrfachen 
Stromverzweigungen) dürfte dann nicht mehr klar sein, an welcher Stelle 
die Ersatzspannungsquelle eingesetzt werden soll.

Gruß,
  Michael

Hallo Michael,

>Es gibt:
>a) eine Erklärung, die aus falschem Grund zu den richtigen Ergebnissen
>führt und
>b) eine Erklärung, die aus dem richtigen Grund zu den richtigen
>Ergebnissen führt
>Ich entscheide mich für Variante b).

Ich gehe nicht von einer falschen Erklärung aus. Wenn ich eine Schaltung 
mit RLC-Gliedern berechnen will muß ich jedes Bauteil mathematisch 
charakterisieren. Der erste Schritt dazu ist in Ersatzschaltbildern zu 
denken, also beispielsweise die reale Spule als eine Reihenschaltung aus 
Induktivität und Widerstand zu betrachten, wobei der Reihenschaltung in 
der Regel noch eine Kapazität parallelzuschalten ist.

R, L und C werden mathematisch so charakterisiert, daß für die 
Momentanspannungen und Momentanströmen an den "Klemmen" gilt:

U = I x R

U = L x dI/dt

I = C x dU/dt

Nun wird verwendet, daß die Summme der Ströme die in einen Knoten fließt 
=0 ist und die Summe aller Spannungsabfälle in einem Stromkreis 
ebebnfalls =0 ist, einfach als Ausdruck der Erhältungssätze, daß keine 
Ladung erzeugt werden kann und daß ein im Kreis geführtes Elektron genau 
soviel Energie aufnimmt wie abgibt, weil man sonst ein Perpetuum Mobile 
geschaffen hätte, was es nicht gibt.

Diese Betrachtungsweise funktioniert wunderbar, solange man nicht das 
Gebiet der Elektrodynamik betritt, in der sich ändernde Magnetfelder in 
ändernde elektrische Felder umwandeln (und umgekeht) und sich als 
elektromagnetische Wellen ablösen.

So, Michael, und jetzt erzähle mir welche von desen Annahmen falsch ist. 
Bei dieser phänomenologischen Betrachtungsweise interessiert mich weder, 
daß der Term L x dI/dt etwas mit der Induktion zu tun hat noch daß in 
Wirklichkeit durch einen Kondensator gar kein Strom fließt.

Achja, selbstverständlich enthält eine Indukitivität rein 
phänomenologisch betrachtet eine Spannungsquelle! Jeder Generator 
erzeugt an seinen Klemmen eine Spannung wie eine Batterie und es kann 
von außen nicht erkannt werden, welcher Natur diese Batterie ist. Dann 
muß sie sich aber mathematisch auch genauso charakterisieren lassen, wie 
eine gewöhnliche Spannungsquelle, auch wenn sie etwas speziellerer Natur 
ist.

Kai