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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Hochspannungspoti?


Autor: Jens (Gast)
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Hallo,

ich habe ein kleines Problem. Ich baue mir gerade ein Netzteil für 
"Nixie-Röhren", das sind Kaltkathodenröhren, die bis zu 10mA ziehen bei 
ca. 180V Brennspannung.

Sie benötigen einen Anodenwiderstand, typischerweise im 
20-30kOhm-Bereich. Daher wollte ich einfach ein handelsübliches 
100kOhm-Poti verwenden. Es hat jedoch den Anschein, dass das nicht 
funktioniert, die Schmiere in dem Poti fängt ein bisschen an zu riechen 
und bei längerem Betrieb an zu qualmen.

Daher meine Frage, gibt es Hochspanungspotis? Oder was kann ich 
stattdessen machen? Elektronisches Poti, aber wie?

Jens

Autor: Rainer M. (excogitator)
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Hallo Jens,

seh ich das richtig, das du 10mA durch 20k-30k fliessen lässt?
Wenn ja musst du halt Potis verwenden die eine entsprechende Leistung 
abkönnen (2-3W!), aber ob es da noch Sinn macht Potis einzusetzen sei 
mal dahingestellt.
Die hohe Spannung dürfte hier eher weniger dein Problem.

Gruß
Rainer

Autor: mhh (Gast)
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Das Poti muss die Spannung UND die Verlustleistung abkönnen.
Bei 1 Watt Poti 100 kOhm, eingestellt auf 30 kOhm landest Du bei 0,3 
Watt, was das Poti in Wärme umwandeln kann.

Autor: Rainer M. (excogitator)
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Klar muss das Poti die Spannung abkönnen, aber in dem Bereich (100-200V) 
seh ich jetzt bei normalen Potis noch nicht so das Problem.
Bei meinen Annahmen bin ich halt von einem Strom von 10mA ausgegangen 
und damit ergibt sich halt bei 30k eine Verlustleistung von 3W. Und 
diese 3W dürften das beschrieben Qualmen verursachen :). Denn die 
meinsten Potis die man so in der Bastelkiste hat dürften eher für 
0,1-0,5W ausgelegt sein.

Gruß
Rainer

Autor: Jens (Gast)
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Wo finde ich denn passende Potis?

Diese elektronischen Potis taugen nichts für die hohe Spannung oder?

Jens

Autor: Jens (Gast)
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Ach und ja, es fließen MAXIMAL 10mA, typisch sind eher 2-5mA bei 
R=10..20k

Jens

Autor: mhh (Gast)
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Du musst trotzdem von maximal ausgehen.
Was hast Du eigentlich gegen geeignete Festwiderstände? Zu billig im 
Vergleich zu passendem Poti?

Autor: mhh (Gast)
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Autor: Jens (Gast)
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Das wäre das perfekte Teil: 
http://www.mercateo.com/p/139-1307117/POTENTIOMETE...

Hmm ich würde den Widerstandswert aber separat gerne per Nixies anzeigen 
lassen, dachte mir dass dazu ein Stereo-Poti wohl am besten wäre, einen 
Kanal für die Steuerung, den anderen für den ADC.. Ideen?

Jens

Autor: mhh (Gast)
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Jens schrieb:
> Das wäre das perfekte Teil:

Bei 5 mA ok, bei auftretenden 10 mA zu schwach.

Autor: Jens (Gast)
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Hmm was bleibt dann? Gibt es eine alternative zum Poti? Evtl ein 
elektronisches Poti?

Autor: mhh (Gast)
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Jens schrieb:
> Evtl ein
> elektronisches Poti?

Wenn Du das umtaufst in einstellbare Konstantstromquelle, die für diese 
Spannungen geeignet ist.

Autor: mhh (Gast)
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Wobei das auch nicht korrekt ist...

Autor: Jens (Gast)
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Hmm so ganz wird das meinen Zweck nicht erfüllen denke ich. Ich habe 
meinen konzeptionellen Schaltplan mal angehängt.

Die Idee ist, sog. Nixie-Röhren anzusteuern. Dabei brauchen die Dinger 
einen Vorwiderstand damit sie nicht durchbrennen, so weit klar denke 
ich. Ich möchte gleichzeitig die aktuell anliegende Spannung anzeigen 
(mit dem R2,R3-Spannungsteiler und ADC), und nachher noch den fließenden 
Strom low-side (quasi "unter" JP2) messen. Zudem soll noch der gerade 
eingestellte Widerstand angezeigt werden. Und das ist das Problem, ich 
dachte ich nehme einfaach ein Stereo-Poti, den einen Kanal für die 
eigentliche Steuerung (R1 im Schaltplan) und den zweiten als Kanal, der 
0..5V dem ADC einspeist, sodass ich bequem den Widerstandswert kenne.

Daher sollte es schon ein einstellbarer Widerstand sein, da es oft 
praktisch ist anzugeben "Betreibe diese Nixie-Röhre mit 200V bei 22kOhm 
Anodenwiderstand" anstelle "Diese Röhre benötigt 2.7mA".

Also was tun?

Beste Grüße
Jens

Autor: Rainer M. (excogitator)
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Mein Vorschlag wäre, das du eine einstellbare "Konstantstromquelle" 
unterhalb von JP2 einsetzt, so ähnlich wie mhh es schon angemerkt hat. 
Den darin enthaltenen Shunt kannst du ja zum Strommessen verwenden. Über 
einen weiteren hochohmigen Spannungsteiler wird dann die Spannung über 
der Stromquelle gemessen. Den eingestellten Widerstand verrät dir dann 
das ohmsche Gesetz :)

Autor: Jens (Gast)
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Hmm sicher so ginge das, das Problem ist nur:

1. Ich weiß nicht wie man eine Konstantstromquelle baut, die zur Not 
300V verträgt (soll ja kurzschlussfest sein). Gut, dazu muss ich mir den 
Link gut durchlesen was ich gleich tun werde.

2. Der Widerstandswert soll auch angezeigt werden, wenn kein Strom 
fließt. Und peng, dann gehts nicht mehr über den Herrn Ohm.. Daher würde 
ich einen Stereo-Poti nehmen, und imm Falle der Konstantstromquelle dann 
den einen Kanal für deren Einstellung benutzen und den anderen um 
separat den Widerstand zu bestimmen, klingt das gut?

Jens

Autor: Lars (Gast)
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Hallo Jens,

Nixies können nicht über den Strom gedimmt werden. Das organge Licht ist 
das Kathodenglimmlicht - und die abgedeckte Fläche in einer 
Niederdruckentladung ist proportinal zum Strom, d.h. wenn Du den Strom 
verringerst, dann bekommst Du "dunkle Flecken" auf den Leuchtziffern in 
der Röhre. Es gibt einige Nixies die für Multiplexer-Betrieb ausgelegt 
sind, diese kann man dann über PWM dimmen. Std.-Nixies würden durch das 
häufige Zünden der Entladung sehr schnell altern. Welchen Typ willst Du 
einsetzen?

Der Anodenwiderstand der Nixie ist nur dazu da, um den Strom auf für die 
Nixie unschädliche Werte zu begrenzen. Du musst mindestens den 
Spannungshub zwischen Zündspannung (typ. 130-180V - ggf. mehr wenn Dein 
Netzteil mehr Spannung liefert) und Brennspannung (typ. 70-100V) 
"vernichten" - und dies bei dem Nennstrom. Sonst gibts nur Frust.

Gruß,

Lars

Autor: Jens (Gast)
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Ja danke Lars, das weiß ich auch. Ich war vllt etwas unklar. Es soll ein 
universelles Netzteil werden, mit dem ich beliebige Nixies testen kann. 
Das 100k-Poti soll dieser Anodenwiderstand sein.

Die Helligkeit will ich damit nicht ändern.

Ich möchte nur erreichen:

1) dass ich die Spannung einstellen kann (schon erledigt, ist hier nicht 
das Thema)
2) dass ich dann an einem Knöpfchen drehen kann, und dann auf einem 
Display steht z.B. "045 kOhm", und ich dann erst die Nixie-Röhre 
anklemme.

Die Konstantstromquelle ist so eine Sache, weil man da den Strom 
einstellt, ich will aber den Widerstand einstellen und vorher schon 
auslesen. Daher denke ich, dass das nur eine bedingt sinnvolle Lösung 
für mich ist.

Eine Alternative wäre ein 6W-Stereo-100kOhm-Poti, nur so etwas scheint 
es nicht zu geben. Stereo deshalb, weil ich den Wert des Widerstandes zu 
jedem Zeitpunkt angezeigt haben möchte.

Autor: Frank K. (fchk)
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Wie genau muss es denn sein?

Reicht es, wenn Du im Binärsystem einen 0k5, 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k 
Widerstand nimmst, die in Reihe schaltest und dann je nach Bedarf 
einzelne davon brückst, entweder per Relais oder Stufenschalter oder 
einzelne Kippschalter (Kopfrechnen gefragt)?

fchk

Autor: Lars (Gast)
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Hallo Jens,

ok, jetzt hab ichs verstanden ;-).

Du kannst auch einen Drehencoder nehmen, einen Microcontroller und ein 
paar Widerstände die Du mit Reed-Relais wahlweise kurzschließt - und 
fertig ist das digital gesteuerte linear abgestimmt Poti. Die Auflösung 
bestimmt Anzahl der Reedrelais...

Gruß,

Lars

Autor: Jens (Gast)
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Hmmm ja klar das geht natürlich, ist aber nicht so "schön" ;-)

Also sowas hab ich mir überlegt wie angehängt. Aber ist sehr 
aufwändig... Wie sähe das mit den Reed-Relais aus?

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Der Widerstand soll doch nur den Strom einstellen.
Ein Poti ist daher ungünstig, da Du dann ne reziproke Kennlinie hast.

Nimm besser eine einstellbare Stromquelle.
Den "Ersatzwiderstand" kannst Du ja dann von nem MC leicht ausrechnen 
lassen:
R = U / I


Peter

Autor: Jens (Gast)
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Ja sicher ginge das. Das Problem ist aber, dass der uC den Widerstand 
nur dann ausrechnen kann, wenn der Strom fließt i.e. wenn der Strom 
gemessen werden kann. Aber der Widerstandswert soll ja die ganze Zeit 
angezeigt werden, auch im unbelasteten Zustand, und das ginge mit deinem 
Vorschlag nicht, wenn ich das recht verstehe, oder?

Peter Dannegger schrieb:
> Ein Poti ist daher ungünstig, da Du dann ne reziproke Kennlinie hast.

Was meinst du damit, ich verstehe es leider nicht?

Danke,
Jens

Autor: Lars (Gast)
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Hallo Jens,

ich verwende Reed-Relais mit 5V - bei dem typ. Spulenwiderstand von 500R 
fließt ein Strom vom 10mA. (gibts bei Reichelt, Pollin, Conrad, ... 
eigentlich überall). Ein typ. Microcontroller hat 20mA pro Ausgang, d.h. 
die Transistormatrix kann entfallen. (Freilaufdiode nicht vergessen). 
Der Vorteil an Reed-Relais ist, dass Du automatisch eine galvamische 
Trennung zwischen Steuerkreis und Schalter geschenkt bekommst - und 
alles weitere sind nur noch ein paar Widerstände in Reihe (1k, 2k, 4k, 
8k, 16k, 32k, 64k, ...), die dann jeweils mit dem Schalter eines 
Reed-Ralis überbrückt sind. Wenn Du mit 1k startest und das zugehörige 
Reedrelais zwischen Bit0 des Ausgangsports und +5V schaltest, dann 
brauchst Du gar nicht mehr umskalieren (der binäre Wert entspricht dem 
Widerstandswert in kR).

Gruß,

Lars

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Jens schrieb:
> Ja sicher ginge das. Das Problem ist aber, dass der uC den Widerstand
> nur dann ausrechnen kann, wenn der Strom fließt i.e. wenn der Strom
> gemessen werden kann.

Nö, Du gibst ja der Stromquelle den Wert vor mit der Steuerspannung und 
die liegt immer an.

> Peter Dannegger schrieb:
>> Ein Poti ist daher ungünstig, da Du dann ne reziproke Kennlinie hast.
>
> Was meinst du damit, ich verstehe es leider nicht?

Der Betriebsparameter für die Röhre ist der Strom und nicht der 
Vorwiderstand!

I = f(1/R)

Großer Widerstand -> geringe Stromänderung,
kleiner Widerstand -> große Stromänderung.
Dein Poti hat also einen großen Bereich, wo sich wenig ändert und nen 
kleinen Bereich, wo sich viel ändert (bis zum Durchbrennen bei 0 Ohm).


Peter

Autor: Jens (Gast)
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Peter Dannegger schrieb:
> Jens schrieb:
>> Ja sicher ginge das. Das Problem ist aber, dass der uC den Widerstand
>> nur dann ausrechnen kann, wenn der Strom fließt i.e. wenn der Strom
>> gemessen werden kann.
>
> Nö, Du gibst ja der Stromquelle den Wert vor mit der Steuerspannung und
> die liegt immer an.

Touché, das hab ich natürlich übersehen in meiner "Logik". So ganz 
verstanden habe ich das Konzept der Konstantstromquelle aber noch nicht. 
Nehmen wir an, ich baue aus dem Artikel Konstantstromquelle selbige mit 
den bipolaren Transistoren. Dafür würde ich den MPSA42 als Transistor 
verwenden, auch wenn bei dem nach 300V Schluss ist. Aber wie 
dimensioniere ich meine Widerstände? Ich will den Strom ja variabel 
lassen, also muss da ja irgendwo ein Poti rein. Aber wo? R1 sicherlich. 
Den R2 hab ich gerade so auf ca. 250kOhm geschätzt kann das sein? 
(MPSA42: hFE >= 20, I_max = 30mA (gaaaanz viel Sicherheit ich weiß), 
U_e_max = 300V)

http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/2/28/Ksq.png

Peter Dannegger schrieb:
> I = f(1/R)

Jetzt verstehe ich was du meinst. Aber durchbrennen wird die Röhre 
nicht, da die 300V mit maximal 10mA "anmarschieren" können (ich hol sie 
mir aus einem SMPS).

Gruß
Jens

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Anbei die Standardschaltung für einstellbare Stromquellen.


Peter

Autor: Jens (Gast)
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Hallo Peter,

vielen lieben Dank für deine Mühe. Ein paar kleine Fragen noch:

1) Wie heißt diese Schaltung? Ich würde sie gerne verstehen.

2) Wo "stecken" da die 10mA und die 300V drin? Die 300V wohl eher nicht 
explizit, aber wie kann die Schaltung auf andere Ströme justiert werden?

3) Über den 1K würde ich dann den eigentlich fließenden Strom messen, 
ja? Also indem ich die Spannung über 1K gegen GND messe und dann I = 
U/R, korrekt?

Und die letzte Frage: Der OVP arbeitet mit 15V, der Poti mit 10V, warum?

Nochmals vielen Dank,
Jens

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Jens schrieb:
> Und die letzte Frage: Der OVP arbeitet mit 15V, der Poti mit 10V, warum?

Du kannst den Widerstand auch auf 100R setzen, dann muß das Poti 1V 
liefern für 10mA.
Der OPV braucht soviel Spannung, daß er den FET noch aufsteuern kann 
beim höchsten Strom. Sollte aber nicht >20V sein, da die meisten FETs 
nur 20V UGS vertragen.

Der OPV regelt den Transistor nach, bis die Spannung am Meßwiderstand 
gleich der Potispannung ist.


Peter

Autor: Jens (Gast)
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Danke für deine Antwort. Problem ist nur, dass ich mit OPVs (und jetzt 
schreibe ich sie mal richtig) noch nie wirklich was gemacht habe. Ich 
versuche mal zu klären was die Schaltung macht in meinen Worten:

Ein nichtinvertierender Verstärker wegen der Kopplung vom Ausgang zum 
invertierenden Eingang. Mit dem 10K-Poti stelle ich eine Spannung von 
0..10V ein. Über den 1K-Widerstand fällt bei angeschlossenem Verbraucher 
eine Spannung ab, diese "misst" der invertierende Eingang des OPV.

Der OPV regelt so lange nach (d.h. ändert deine Ausgangsspannung im 
Bereich 0..15V), bis die Spannung über den 1K-Widerstand gleich der 
Poti-Referenzspannung ist.

Gut, wenn das so stimmt, habe ich ein bisschen das Konzept verstanden.

D.h. wenn meine Spannungsquelle, die die 300V zur Verfügung stellt, 
theoretisch 20mA liefernm könnte, dann würde diese Schaltung bei 
Volldurchschalten des FETs auch 20mA durchlassen, sehe ich das richtig?

Was passiert eigentlich, wenn ich diese Stromquelle kurzschließe? D.h. 
wenn am Transistor auf einmal 300V anliegen?

Jens

Autor: Jens (Gast)
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Kann mir niemand antworten?

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Jens schrieb:
> D.h. wenn meine Spannungsquelle, die die 300V zur Verfügung stellt,
> theoretisch 20mA liefernm könnte, dann würde diese Schaltung bei
> Volldurchschalten des FETs auch 20mA durchlassen, sehe ich das richtig?

Das Vollduchschalten ist durch die VCC begrenzt.
Bei 15V VCC, 2V Abfall am OPV, 3V Abfall am Gate liegen max 10V am 
Widerstand und damit fließen max 10mA durch die 1k.
Anders gesagt, meine Dimensionierung ist zu knapp, nimm besser 18V VCC 
oder mach den Widerstand kleiner.


> Was passiert eigentlich, wenn ich diese Stromquelle kurzschließe? D.h.
> wenn am Transistor auf einmal 300V anliegen?

Dann muß der Transistor 3W abführen.
Der obige kann aber nur 2,5W.
Nimm also nen stärkeren, z.B. FQU3N60 (max 50W).


Peter

Autor: Jens (Gast)
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Danke für den Tip.

Aber wo liegt denn der "effektive" Widerstand den diese Schaltung ja 
simuliert? Und wie messe ich ihn?

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