Hallo alle zusammen! Eigendlich muß ich mich z.Z mit anderem beschäftigen, aber ich habe da eine Frage, die mir nur zusehr auf der Zunge brennt. Es geht um ein Gerät für die Werkstoffprüfung, das zur Schock-Magnetisierungen von Proben gebraucht wird, über das ich kürzlich mit einem Mitstudenten sprach. Hier einige Überlegungen: In diesem Gerät soll eine Kondensator-Batterie auf ca. 400V aufgeladen werden. Diese Batterie soll für eine Zeit zwischen 0.05-2ms an eine Spule angeschlossen werden, wo Ströme zwischen 150 und 200A fließen sollen. Die Frage ist, wie man solch eine Leistung schalten kann? Einige Power-Mosfets können zwar 200A schalten, vertragen aber keine 400V zwischen Drain und Source. Das Par. Schalten von mehreren wäre denkbar, aber bei den uns bekannten Typen müssten das schon ein Dutzend sein. Ein weiteres Problem bei Mosfets könnte R(DS) sein. Der (reelle) Widerstand von Spule und Fet darf max 2.5-2 Ohm betragen, ein möglichst kleiner Widerstand des/der Fet(s) wäre also wünschenswert. Es wird nur für max. 2ms diese Leistung gebraucht! Muß man da wirklich zu einem IGBT greifen? Bei der Lösung ist gefordert: Billig und mechanisch möglichst klein. Wer kann da weiter helfen? Gruß Henrik
Also ich habe gar keine Ahnung von Starkstrom, ich bin ja nur ein Digitaltechniker. :-) Kann man dafür nicht eine Funkenstrecke nehmen? Oder ist das ein total anderes Thema? ciao, Stefan.
Hallo Hendrik, du solltest dir nicht um das Einschalten sorgen machen, sondern um das Abschalten. Reicht es eventuell wenn du gar nicht abschaltest und einfach wartest bis die Kondensatoren leer sind? Dann könntest du Triacs oder Thyristoren als Schalter verwenden.
@Stefan: Nein, das geht leider garnicht, der Impuls muß elektronisch steuerbar sein. @Werner: Leider muß der Impuls ganz schnell wieder abgeschaltet werden, wenn die eingestellte Zeit abgelaufen ist. Das ist ja das Problem, sonst hätte man es wahrscheinlich so oder mit einem Relais machen können. Gruß Henrik
Wäre es nicht eine Möglichkeit den Kondensator auf eine bestimmte Spannung definiert aufzuladen und dadurch die Länge/Intensität des Impulses zu bestimmen ?
"Muß man da wirklich zu einem IGBT greifen?" Was ist daran so schlimm? Die gibts mit deinen Anforderungen. Aber wie Werner schon sagte: Das Ausschalten ist das grössere Problem. Im Magnetfeld hast du eine gehörige Portion gespeichert, und wenn du schnell ausschalten willst/musst, gibt das eine gewaltige Spannungsspitze.
Ein FET, der ca. 50A schafft, müßte doch gehen. Die SOA ist immer im Datenblatt und bei 1-2ms sehe ich da keine Probleme. Aber wahrscheinlich gibt's garkeinen mit 50A und 400V.
Ist doch Pipifax. Der FDH44N50 von Fairchild [1] schafft 44A bei 500V. Der maximale Impulsstrom liegt bei 176A, und das ist ein repetitive Wert. Die maximale Pulsdauer wird nur durch die Gehäusetemperatur begrenzt. Zwei von den Babies parallel sollten für Dein "Problem" reichen. Kosten bei Farnell EUR 5,35 das Stück. Ich hoffe mal, das ist Dir "billig" genug. Beim Ausschalten mußt Du ein wenig rechnen. Der FDH44N50 hat ein Avalanche Rating von 1.5J und 44A. Bei zwei FETs verteilt sich das aber nicht gleichmäßig, ich würde die Werte in dem Fall grob mal 1.5 nehmen. Wenn das dann nicht überschritten wird, dann reicht eine Freilaufdiode. [1] http://www.fairchildsemi.com/ds/FD/FDH44N50.pdf P.S. Der mit der Funkenstrecke war gut :P
Hallo schau doch mal bei eupec.com vorbei, da findest du sicher was. Ich wurde eine IGBT-Halbbrücke 1200V/200A verwenden. Denn oberen IGBT würde ich zw. Gate und Drain kurzschließen u. zw. Drain und Source (Freilaufdiode) die Last anschließen. Zum Ansteuern kannst du fertige IBGT-Treiber-IC mit integ. Optokoppler verwenden. Ich verwende immer TLP582 + TC429. Gruß Walter http://www.eupec.com/gb/2_PRODUCTS/2_1_ProductRange/pdf/200gb120dn2.pdf
@Konrad Heisig: Es soll nur die Länge des Impulses verändert werden. Die Stärke des Magnetfeldes muß (ungefähr) gleichbleiben. Aber trotzdem überlegenswert. Ich werde das mal weitergeben. Danke. @crazy horse: Schlimm ist daran eigendlich nichts. Mein(unser) Wissen bzgl. IGBTs ist aber begrenzt. Ich weiß ungefähr wie die Dinger aufgebaut sind. Da hört es aber schon fast auf. Ich kenne keine Familien, keine Hersteller und keine Bezugsquellen. Auch weiß ich nicht, ob ich die parrallel schalten (mit oder ohne Emitterwiderstände) darf, ob man die Dinger überlasten kann usw. . Ich habe im Internet auch nicht wirklich viel darüber gefunden, was die praktische Anwendung betrifft. Ein Tutorial "Wir schalten 300A" wäre zwar schön, gibt es aber wohl nicht. Wenn du da einen Link hast wäre das schon toll. Danke. @Alexander: Der Leistungsfähigste Fet den wir fanden konnte 15A (bei 400V U(DS)). 3 oder 4 parrallel zu schalten ist nicht das Problem, aber 13 Stück ist doch etwas viel. @Marco B: Danke für den Tip, das Ding werden wir mal genauer betrachten. Das mit der Pulsdauer ist einer der Tips, auf die ich immer wieder hoffe, weil man sie so inder Literatur meist nicht findet. Mit "billig" ist nicht gemeint, das auf 10 gekautscht wird; bisher haben wir nur IGBTs gesehen, die weit über 50 kosteten und für die die Anforderungen lächerlich sind. Bevor Geld für Leistung ausgegeben wird, die man garnicht braucht, wollten wir da mal nachfragen. Was meinst du mit "Avalanche Rating" (Lawinen Rate?)? Eine dicke Freilauf-Diode über der Spule war sowieso vorgesehen (eine mit max. Dauerstrom 50A sollte reichen). @Walter: Danke dir, wir werden darüber nachdenken. Am liebsten wären uns 1 bis 2 Teile im TO220-Gehäuse (oder ähnlich). Die könnte man am allerbesten unterbringen. Gruß Henrik
Einzelstücke findet man immer wieder mal bei ibäh http://cgi.ebay.de/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&category=31336&item=5754714949&rd=1 Der passt :-) Ansteuerung: im Prinzip wie ein Mosfet.
Henrik: informier Dich mal über das Avalanche-Prinzip bei MOSFETS. [1] Wenn man mit einem Power-MOSFET eine Induktivität (aus-) schaltet, dann kann die DS-Spannung über die Breakdown-Spannung ansteigen. Der FET schaltet dann durch und die in der Induktivität gespeicherte Restenergie entlädt sich durch den MOSFET. Wenn ein FET für Avalanche-Betrieb ausgelegt ist, dann wird er dadurch nicht zerstört. Das Avalanche Rating bezeichnet eben die maximale Energie, die ein MOSFET im Avalanche-Betrieb verkraftet. [1] http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1005.pdf
Hast Du überhaupt schon mal die Induktivität Deiner Spule berechnet ? Um überhaupt einen Stromanstieg von 200A innerhalb 50µs zu erzielen, müßte sie kleiner als 100µH sein. Was für Kondensatoren hast Du denn ausgesucht ? Übliche 450V Netzteil-Elkos können so um die 3A ab. Hast Du denn überhaupt schon Erfahrung mit Leistungselektronik ? 80kW innerhalb 50µs an- und wieder abzuschalten stelle ich mir ähnlich einfach vor, wie Supraleiter bei Zimmertemperatur. Peter
Wenn du über die Induktivität eine Freilaufdiode klemmst, muß du dir keine Gedanken wegen der Avalanche-Energie machen. Der Vorteil von einem IGBT liegt in der Durchlaßspannung (Ansteuerung wie MOS, Ausgang wie Bipolartransistor, Uce ca. 1,5V). Ein Standard-MOS in dieser Spannungsklasse hat ca. 2-3 Ohm, das heist, das die Spannung größtenteils am MOS anliegt und nicht an der Spule. Wenn du unbedingt einen MOS verwenden willst, schau dir mal das Datenblatt von der Firma IXYS, Type IXFB38N100Q an (1000V, Id=38A, Ip=152A, Ron = 0,26 Ohm, TO-247). Einen Schalter in TO220 wirst du für deine Anwendung nicht finden. Zusätzlich möchte ich die den Tip geben, die Ansteuerung mit galvanischer Trennung aufzubauen. Viel Spaß Gruß Walter
Eine Freilaufdiode ist kontraproduktiv: Nach dem Abschalten verlängert diese den Stromfluss(Selbstinduktion) durch die Spule. Es entsteht ein umgekehrtes Magnetfeld. Norbert
"Eine Freilaufdiode ist kontraproduktiv" Eine Spule an 400V / 80kW ohne Freilaufdiode abzuschalten dürfte mit Leichtigkeit 10..100kV Induktionsspannung erzeugen. Kauf Dir von den MOSFETs / IGBT gleich einen Tausender-Pack, Du wirst ihn (auf-)brauchen. Peter
Hey Peter, Du bist ja ein richtiger Pessimist. :-) Kann man überhaupt ein Magnetfeld in 2ms aufbauen? Und dazu noch ein so starkes? Oder ist das alles eine Frage der Ampere? Ich meine der Einwand mit der Freilaufdiode ist doch berechtigt. Es entsteht ein umgekehrtes Magnetfeld, welches die gewünschte Magnetisierung wieder aufhebt. Wie soll man das anders machen? ciao, Stefan.
@Peter Mein Einwand ging in Richtung der geforderten Stromflusszeit von 0,05-2ms. Nochmals: Mit einer Freilaufdiode wird es keine, so kurze, definierte Stromflusszeit geben. Norbert
warum nicht, die Freilaufdiode hat nichts mit der Stromflußzeit zu tun, sie wirkt erst beim Ausschalten, wenn der Spulenstrom auf die Freilaufdiode komutiert. Gruß Walter
Eben, und wenn der Strom in die Diode kommutiert, heißt das, er fließt weiter. Und zwar unkontrolliert...
<< Das ist ja das Problem, sonst hätte man es wahrscheinlich so oder mit einem Relais machen können. Bei den Ströme, mit denen Du hier hantierst gehe ich mal davon aus, dass es sich nicht mehr um eine Steuerungsaufgabe handelt sondern um eine Schaltaufgabe und da wäre dann ein Schütz das gefragte Bauteil. Tatsächlich ist es schwer, mit einem Schütz die gefragte Impulsdauer zu erreichen. Ob der FET den Einschatstrom Deiner Spule zu überleben vermag, kann ich nicht sagen, sicher wird es da welche geben, bei den Induktionsspannungen die beim Abschalten auftreten, beschleichen mich Zweifel. Was spricht dagegen, eine Schütz zu nehmen, oder besser gesagt Zwei. Du kennst die Ansprechzeiten der Teile und die Abfallzeit, also kannst Du berechnen, wann eins abfallen muss, wenn 2 einschaltet um die gewünschte Impulslänge zu erreichen. Ich sags Dir aber vorher. Ich habe was Ähnliches mal mit (nur) 50A versucht und die EMV-Impulse die ich dabei verursacht habe, haben alles an Elektronik zerlegt, was sich in der Nähe befand.
Wie kommst Du darauf, dass das Magnetfeld umpolt?? Die Spannung polt sich um, aber der Strom und das Magnetfeld bleiben gleich gerichtet. Die Indduktivität versucht ja, den Strom konstant zu halten. Allerdings wird er wg. verschiedener Verluste langsam abklingen. So kannst Du die Dauer des Impulses nicht steuern. Wenn dann mußt Du die in der Spule gespeicherte Energie mindestens in den C zurückspeisen oder anderswie vernichten, aber mit einer parallelen Freilaufdiode bleibt sie in der Spule. Das mit der Funkenstrecke ist gar keine so abwegige Idee. Du wirst sicher einige Halbleiter verbraten, glaub mir! Um dieses Lehrgeld kommt keiner rum.
Die Energie vernichtest du in der Freilaufdiode. Du muß nur eine Weile warten. Gruß Walter
@Profi
>Wie kommst Du darauf, dass das Magnetfeld umpolt??
Weil ein Strom durch Diode und Spule fliesst, und zwar entgegengesetzt
des normalen Betriebsstromes.
Norbert
Die Richtung des Spulenstromes ist immer die gleiche, eimal durch den Schalter, und wenn der geschlossen ist fließt der Strom über die Diode. Gruß Walter
Walter meinte wohl: ...und wenn der geöffnet wird fließt der Strom über die Diode (weiter, solange bis die gespeicherte Energie abgebaut ist).
Zeichne dir mal folgende Schaltung auf: Kondensator+ geht auf 1. Anschluß Induktivität u. auf Kathode der Freilaufdiode. Anschluß Anode geht auf 2. Anschluß Induktivität und auf Kollektor IGBT. Anschluß Emitter IGBT geht auf Kondensator- Wo fließt da der Strom plötzlich entgegengesetzt ? Gruß Walter
sorry, natürlich, wenn er offen ist. Gruß Walter
Nochmal: So wie ein Kondensator versucht, die Spannung konstant zu halten, versucht die Spule, den Strom konstant zu halten. Die Spannung am C polt sich doch auch nicht um, wenn Du mit dem Laden aufhörst. Und nochmal: solche Leistungen zu schalten ist kein Kinderspiel. Das setzt einiges an Erfahrung und (nicht nur Grundlagen-)Wissen voraus. Und diese muss Du Dir erst mal zulegen.
Ohne die Induktivität der Spule zu kennen macht die Diskussion denke ich wenig Sinn... Luftspule mit 10 Windungen, Fläche 0,01 qm, Länge 0,1 m macht 12,5 uH. Bei 200A sinds dann 0,25 Ws gespeicherte Energie; Stromsteilheit von 30 A/us. (Hoffe ich hab mich nicht verrechnet) Die meiste Leistung geht in nen Vorwiderstand, quasi als lausige "Konstantstromquelle". Scheint mir machbar, auch wenn nebenher Radiohören wohl nicht mehr geht... Wenn die Induktivität deutlich größer wird und die 200 A auch bei der kurzen Einschaltauer erreicht werden sollen brauchts ne ordentliche Konstantstomquelle/Strombegrenzung. Da wirds dann sicher spaßig werden ;) Stephan
Du hast schon richtig gerechnet, aber du brauchst keine ordentliche Konstantstromquelle, sondern einen Bipolarkondensator mit genügender Kapazität der dir den Strom liefert, da es sich ja sicher um eine Einzelpulsmessung handelt. Wenn man die richtigen Bauteile verwendet, so wie ich es weiter oben vorgeschlagen habe, ist es fast ein Kinderspiel. Gruß Walter
Nach Post Nr. 4 kann aber der Impuls nicht durch die Ladungsmenge im Kondensator festgelegt werden. Ich gehe daher davon aus, dass sich die Spannung am Kondensator während des Pulses nicht wesentlich ändert. Wenn nach 50 us der Strom bei 200 A liegt, dann sinds nach 2 ms vereinfacht gerechnet aber 40 mal mehr...
Das di/dt ist nur konstant, wenn die Spannung konstant ist, da du aber dem Kondensator Ladung entziehst, sinkt auch die Spannung am Kondensator, und somit sinkt auch das di/dt Gruß Walter
Die Spule ist größer als 100uH (1,5-2,5mH *Achtung bisher angepeilter Wert!*). Es wird also eine (mechanisch) recht große Spule werden, was sie sogar soll. Es ist nicht nötig, das bereits nach 50us der max. Srom erreicht wird, im Gegenteil, ein mehr oder weniger "langsamer" Stromanstieg (und somit auch des H-Feldes) durch die Spule ist für die Anwendung nicht das schlechteste. Der Wert von 50us sollte nur andeuten, dass der Schalter in dieser Zeit reagieren soll (um an jeder Stelle der Aufladung abschalten zu können). Der Wert für den Strom wurde deshalb hoch angesetzt weil: 1. damit sich im (recht großen) Innenraum der Spule ein H-Feld entsprechender Stärke befindet. 2. Werden 200A wohl nicht erreicht werden, weil sich die Kondensator-Batterie sich ja auch entläd. Der Schalter sollte dafür aber trotzdem geeignet sein, einfach zur Sicherheit. Bereits nachdem ich mir das erste Datenblatt von Marco B. angesehen hatte, war ich mich mir eigendlich recht sicher, dass diese Ströme schaltbar sind. Ich habe jedenfalls nichts darin gefunden, was dem widerspricht (bei Verwendung von min. 2 dieser Bausteine). Wenn ich da etwas übersehen habe bitte ich denjenigen der es bemerkt mich zu korrigieren. Desweiteren sind die Werte für die (Übergangs-)Widerstände wohl zuhoch eingeschätzt worden => eine Spannung von 400V ist nicht nötig. Das das Magnetfeld nachdem Abschalten des Schalters noch eine Weile besteht ist nicht toll, lässt sich aber nicht verhindern; wichtig ist, dass es nicht stärker wird, sondern abklingt. Es verändert beim Abschalten nicht seine Richtung (das tut nur die Spule mit ihrer Polarität). Was aber zudenken gibt ist die unkontrollierte Abstrahlung. Das sollte natürlich nicht sein. Wäre es möglich, dass zu unterbinden, indem man in Reihe zu der Freilaufdiode einen Widerstand schaltet, der die Entladung kontrolliert ablaufen lässt (schießt mir so gerade durch den Kopf, könnte auch Blödsinn sein)? Kurzes Statement zu einigen Antworten: Dies ist im übrigen ein mehr oder weniger selbst auferlegtes Lehrprojekt. Ob sich das alles so verwirklichen lässt soll ja gerade abgeschätzt werden! Aus diesem Grund schrieb ich auch in meinem ersten Thread "Hier einige Überlegungen". Wir werden nicht mit Wissen geboren! Lernen und Erfahrungen sammeln sind Prozesse, die Zeit brauchen. Wo gehobelt wird, da fallen Späne. Mit Kommentaren wie "lass es" oder "dazu braucht man mehr Wissen" gebe ich mich nicht zufrieden. Ich bin zwar kein Mensch der mit dem Kopf durch die Wand will, aber ich gebe schwierige Projekte solange nicht auf, bis ich zumindest die Problematik verstanden habe, warum es (für mich) (noch) nicht realsisierbar sein soll. Ich bin stets offen für Kritik. Diese Kritik muß aber konstruktiv sein! @peter dannegger: Das mit den Kondensatoren ist habe ich nicht bedacht. Jedoch habe ich im Datenblatt auch nichts bemerkt, das einer Belastung von kurzzeitig 20-40A widerspricht. Das Datenblatt ist hier zu finden: http://www.reichelt.de/inhalt.html?SID=18ujgfp6wQARMAAEnUZt8ea9dc4091b5cb2dda0604b4ad869f7a8;ACTION=7;LASTACTION=6;SORT=artikel.artnr;GRUPPE=B316;GRUPPEA=B31;WG=0;ARTIKEL=BE%25201.000%252F385;START=0;END=16;STATIC=0;FC=8;PROVID=0;TITEL=0;DATASHEETSEARCH=BE%201.000%2F385;FOLDER=B300;FILE=BE1_BE2_BE3_BE4%2523BCC.pdf;DOWNLOADTYP=1;DATASHEETAUTO= (385V Elkos, angenommen wurde immer 400V da es bestimmt kein Fet/IGBT gibt, das für 385V ausgelegt ist; natürlich war es aber nie geplant die Elkos zu überladen!) Was habe ich da übersehen, bzw. nicht verstanden? Ich möchte dir nicht unterstellen, dass du es so gemeint hast, aber vorallem die Sätze: "80kW innerhalb 50µs an- und wieder abzuschalten stelle ich mir ähnlich einfach vor, wie Supraleiter bei Zimmertemperatur." und "Kauf Dir von den MOSFETs / IGBT gleich einen Tausender-Pack, Du wirst ihn (auf-)brauchen." erwecken bei mir den Eindruck, dass deine Beiträge eher destruktiv gemeint sind. Oder habe ich das falsch interpretiert? Gruß Henrik
Also der höchste "Ripplecurrent" für den Kondensator 385V/1mF in dem Datenblatt ist 10,3A (3,7A * 1,2 * 2,33) bei 40°C. Die Lebensdauer ist dann immer noch die nominalen 12.000 Stunden. 20A sollten für die Anwendung aber denke ich schon drin sein. Das Magnetfeld wird nach dem Abschalten des Stroms nicht stärker, die Technik zum Abschalten bestimmt aber den Verlauf des magnetischen Impulses und das EMV-Verhalten. Nach zunehmenden Störungen: 1. Supraleiter: Feld bleibt nach Abschalten unverändert 2. Freilaufdiode: langsammes Abklingen entsprechend Innenwiderständen 3. Freilaufdiode+R: schnelleres Abklingen entspr. Innenwiderständen+R alt. Freilaufdiode gegen neg. Versorgung alt. Freilaufdiode gegen C 4. Funkenstrecke: sehr schneller Feldabbau, Transistorsterben Je schneller das Feld abgebaut wird, desto höher die Störungen. Widerstand in Reihe mit der Freilaufdiode ist im Hinblick auf die EMV eher kontraproduktiv (Induktionsspannung höher, dI/dT höher). Dafür wird das Magnetfeld schneller abgebaut. Schau dir vielleicht auch mal Aufwärtswandler/Invertierende Wandler an. Der Fall Freilaufdiode gegen C ist letztenendes ein SNT. @Walter Schon klar, ich hatte es bislang nur so interpretiert, dass die Ladung der Kondensatoren fix ist, deutlich höher als für einen Impuls erforderlich und dass das Magnetfeld sehr schnell aufgebaut wird und konstant bleibt. Nach Henriks letztem Post wird die Spannung eher niedriger werden, und bei 2mH kann der Strom auch bei 400V in 2ms ja nur auf max 400A ansteigen.
Nun Du hast mich schon richtig verstanden, ich halte 80kW zu schalten definitiv für kein Anfängerprojekt. Soweit ich weiß, werden kurze Impulse mit hoher Leistung am besten nach der Resonanzmethode erzeugt. D.h Du wählst das LC-Glied so, daß eine Halbwelle der gewünschten Impulsdauer entspricht. Der Kondensator wird an die Spule geschaltet, der Strom steigt an, bis der Kondensaotr entladen ist und fällt wieder ab. Dann im Stromnullduchgang schaltest Du einfach wieder ab. Die nicht verbrauchte Energie befindet sich dann wieder im Kondensator, allerdings mit umgekehrter Polarität (kein Elko verwenden !). Auch Schaltnetzteile sehr großer Leistung arbeiten nach dem Resonanzprinzip, da die Verluste deutlich geringer sind. Einfach ist das alles trotzdem nicht. Ich würde an Deiner Stelle klein anfangen, also erstmal 100W schalten und wenn das klappt, dann immer schrittweise erhöhen. Eventuell kann es ja sein, daß Du die 80kW garnicht benötigst. Ich hab mal ne Schaltstufe für 1000V, 100ns, 1MHz aufgebaut, hat etwa 6 Monate Entwicklungszeit und jede Mengen durchgebrannter MOSFETs gekostet. Allein 200mA gehen nur für das Umladen der Leitungskapazität (1m Kabel) drauf. Zum Treiben der MOSFETs dienen spezielle Treiber-ICs, die etwa 10A Gatestrom erzeugen können. Wie gesagt, das ganze hatte nur lächerliche 200W. Peter
Stichwort Coin Shrinker, Disk Shooter, Wire Exploder: http://hot-streamer.com/stk/tc/joule.htm http://www.powerlabs.org/capexperiments.htm die arbeiten mit ähnlichen Energien.
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