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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Glas zum Leiten bringen - Strombegrenzun


Autor: Tobias (Gast)
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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

Autor: Tobias (Gast)
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Verdammt - kann ein Moderator vielleicht das fehlende g im Betreff 
einfügen? :) Danke!

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: Tobias (Gast)
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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!

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Eine Untersuchung der Eigenschaften ist Vorbedingung fuer ein Modell. 
Man kann natuerlich auch einfach ein wenig Probieren und schafft es dann 
vielleicht auch.

Autor: Jens Martin (jens-martin)
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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

Autor: Leo (Gast)
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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

Autor: Rolf Pfister (rolfp)
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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.

Autor: Sebastian (Gast)
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Ein Keltleiter regelt den Strom selber. Ein Heißleiter nicht.

Autor: Rolf Pfister (rolfp)
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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.

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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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... :-)

Autor: BeepBeep (Gast)
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Temperatur mit FBG (Fiber Bragg grating) messen und dann den Strom 
nachregeln...

Autor: Tobias (Gast)
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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

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