Hi
Wir bauen momentan einen Versuch, bei dem wir Glas dazu bringen, zu
leiten und zu leuchten. Dafür muss das Glas (und die Anschlüsse am Glas)
auf eine hohe Temperatur gebracht werden, dann wird es leitend und
produziert ein so grelles Licht, dass es einem in den Augen weh tut.
Leider ist der Spaß schon nach kurzer Zeit vorbei, dann ist das Glas so
heiß, dass es schmilzt, heruntertropft und "durchbrennt".
Eine Kontrolle über den Zeitpunkt des Durchbrennens ist derzeit schwer,
denn ist das Glas zu heiß durch den Bunsenbrenner erwärmt worden,
leuchtet es so hell und produziert so viel Hitze, dass es noch besser
leitet und noch heißer wird und dann eben durchbrennt. Ist es zu kalt,
wird das Leuchten wieder schwächer und erlischt, bis man wieder
aufheizt.
Nun kam die Idee, den durchfließenden Strom zu begrenzen, oder
zumindestens einstellbar zu machen, damit wir den Leuchteffekt
vielleicht etwas länger genießen können.
Dafür haben wir überlegt eine kleine elektronische Schaltung zu bauen.
Da gibt es bloß zwei Probleme:
Erstens: Die notwendige Leistung... Es handelt sich hier für die
Stromversorgung des Versuchs um eine Gleichspannungsquelle mit 220V und
40A. Über einen Vorwiderstand von ca. 11 Ohm begrenzen wir den Strom
schon mal auf 20A - trotzdem ist hier eine ganz schön große Leistung
erforderlich, die zu Regeln wäre und die 20A müssen es schon sein. Denn
mit einer 20A/220V Gleichspannungsquelle ist der Versuch nicht sicher
durchführbar und funktioniert manchmal nicht - und am Ende des Versuchs
soll das Glas auch ruhig durchbrennen, nur der Leuchteffekt bis zu dem
Punkt könnte etwas länger andauern. In dieser Leistungsklasse kenne ich
mich weder mit nötigen Bauteilen zur Steuerung noch mit der nötigen
Mindestbreite/-dicke von Leiterbahnen auf Platinen aus... Außerdem ist
das ganze natürlich auch schon ziemlich gefährlich und nichts, womit man
Spaßen und rumprobieren kann.
Zweitens: Wir haben den Versuch zwar nicht selbst durchgeführt, aber bei
einem Versuch mit einem regelbaren Netzteil mit Strombegrenzung hat sich
das System wohl stark aufgeschwungen, der Strom schwankte stark und der
Leuchteffekt war dann kaum brauchbar produzierbar.
Wenn ich das richtig sehe, müsste man also den Strom noch durch einen
Shunt schicken, messen/auswerten und die Regelsoftware dann deutlich
komplexer schreiben, um dieses Schwingen zu verhindern, oder?
Ist so eine Regelelektronik als Strombegrenzung oder einstellbare
Stromquelle mit relativ geringem Aufwand machbar? Oder ist das eher was
für eine Bachelor-/Master-/Doktorarbeit und wir sollten und damit
begnügen, dass der Stab halt nach kurzer Zeit durchbrennt?
Gruß Tobias
Die Regelung haengt von der Strecke ab. Dazu muesste man erst mal ein
Modell vom Verhalten der Strecke haben. Mir scheint es nicht linear zu
sein, was das Problem grad mal eine Stufe schwieriger macht. Wielleicht
kann man das Problem ja eine Stufe runterskalieren, dh anstelle dieses
Stabes ein kleines Roehrchen verwenden. Dann ist die Spannung kleiner,
und der Strom auch. Die Speisung sollte getaktet sein. Und die Endstufe
wuerde dann mit PWM arbeiten. Wenn man dann mal die Streckenparameter
hat, so kann man das Modell an einem Nachmittag in einen Regler
implementieren.
Ob sich das System linear verhält, kann ich nicht sagen - ich bezweifle
es aber auch sehr stark. Eine Untersuchung bringt wohl (abgesehen davon,
dass es sehr schwer wird) auch wenig neue nützliche Erkenntnisse.
Aber wieso ist ein Röhrchen einfacher zu regeln als ein Stab? Dass der
Strom kleiner ist, ergibt Sinn. Aber die Regelbarkeit? Vom Verhalten her
müsste es ja ähnlich sein...
Stäbe mit ca. 10mm Durchmesser und ausreichender Länge (effektive
stromdurchflossene Länge ca. 2-3cm plus einige cm zur Einspannung usw.)
sind in sehr großer Stückzahl vorhanden. Röhrchen nur in sehr
begrenzter, aber vorhanden wären sie auch!
Eine Untersuchung der Eigenschaften ist Vorbedingung fuer ein Modell.
Man kann natuerlich auch einfach ein wenig Probieren und schafft es dann
vielleicht auch.
Du brauchst doch im Prinzip "nur" den Strom abhängig von Glastemperatur
oder Helligkeit zu regeln. Z. B. Thermoelemente Infrarot oder
Fototransistor.
Die Regelung von hohen Strömen ist hier in diversen Beiträgen zu finden
Ich würde versuchen, "nicht an den Symptomen herumzudoktern", d.h. nicht
mit unterschiedlichen Glasquerschnitten zu spielen, oder pi-mal-Daumen
den Strom zu begrenzen, sondern versuchen, die physikalische Größe zu
regeln und zu limitieren, die für die Zerstörung verantwortlich ist, die
Temperatur.
Da diese Temperatur recht hoch ist, und die Messung für eine möglichst
überschwingfreie Regelung schnell sein sollte, bietet sich eine
Strahlungsmessung anstelle auf Kontakt beruhender Temperaturmesungen an.
Möglicherweise genügt auch eine einfache Lichtmessung - nicht nur die
Infrarotemission, sondern auch die im sichtbaren Bereich sollte mehr
oder weniger proportional mit der Temperatur steigen.
Wichtig wird sein, daß der Strahlungssensor die Strahlung des Glasstabes
möglichst vollständig und gleichmaässig erfasst. "Hotspots" könnten
dennoch ein Problem bleiben, wenn die Regelung zwar dafür sorgt daß die
mittlere Temperatur im zulässigen Bereich bleibt, aber punktuell der
Glasstab ausdünnt und dort das Glas überhitzt und überlastet wird. Wird
das tatsächlich zum Problem, könnte bspw. ein Zeilensensor auf den der
Glasstab fokussiert abgebildet wird erforderlich sein, und eine
entsprechend komplexe Auswertung, mit globalem und lokalem Scope auf die
Temperaturen. Verhindert werden, daß der Glasstab immer beginnen wird,
"an irgendeiner schwächsten Stelle aufzugeben", kann so aber immer noch
nicht. Dazu wäre es nötig bspw. eine punktuell auftretende Verdünnung zu
kompensieren oder rückgängig zu machen - damit beginnt die Sache dann
aber tatsächlich kompliziert zu werden... ;-)
Der Rest ist "normale" Regelungstechnik, vorzugsweise mit einer
PWM-Leistungsendstufe, wie bereits erwähnt wurde. Eine konventionelle
Strombegrenzung sollte nicht als Bestandteil des Regelkreises, wohl aber
zum Schutz der Enstufe selbst gegen den Heißleiter Glas vorgesehen
werden.
MfG
Wenn ich das richtig verstanden habe, dann verhält sich das Glas doch
wie ein Heissleiter. Wenn man einen konstanten Strom durch einen
Heissleiter schickt, regelt er seine Temperatur selbst. Also wenn er zu
heiss wird, dann ist der Widerstand kleiner, die Heizleistung also auch
kleiner. Wird er zu kalt ist der Widerstand und somit auch die
Heizleistung wieder grösser und er wärmt wieder auf.
Somit könnte also eine Konstantstromquelle eine mögliche Lösung sein.
Sebastian schrieb:> Ein Keltleiter regelt den Strom selber. Ein Heißleiter nicht.
Ja, den Strom regelt der Heissleiter nicht. Aber bei konstantem Strom
(Konstantstromquelle oder genug grosser Vorwiderstand) wird die
Temperatur geregelt.
Man könnte doch den Glasstab in ein Rohr aus hochschmelzendem Quarzglas
einschließen und so den allzuschnellen Zerfall der Glasschmalze unter
dem Einfluss der Schwerkraft verhindern.
Andererseits: Was da am Leuchten ist dürften die in dem stark
natriumhaltigen befindlichen Na-Ionen (--> gelbes Licht). Wenn's jetzt
nur um's Licht geht, könnte man das "Beiwerk" im Glas auch weg lassen
und gleich einen Natriumdampfbrenner nehmen... :-)
Hi
Den Glasstab zu umschließen dürfte schwer werden... Das ganze müsste ja
schon recht genau rumpassen, sollte sich selbst möglichst aus der
Reaktion raushalten (also nichtleitend, höhere Schmeltemperatur) und da
ja eine enorme Hitze im Glas nötig ist, damit der Effekt beginnt, muss
die Umschließung sehr gut Wärmeleitend sein und direkt anliegen - Luft
würde ja wieder isolieren. Das wird wohl schwer...
Den Vorschlag, die Temperatur anstatt den Strom zu regeln bzw. eher
gesagt die Temperatur als "Rückkopplung" zu benutzen, finde ich
interessant! Das ist ne gute Idee und dürfte besser funktionieren als
eine "blinde" Regelung des Stroms.
Fiber Bragg Grating schau ich mir also mal an :)
Danke bis hier
Tobias
