Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bitte um Unterstützung PWM Regelung und thermische Last


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von al3ko (Gast)


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Hi,

Im Anhang findet ihr die prinzipielle Anordnung des Projektes. Es gibt 
eine Messeinheit, die die Netzfrequenz, die Netzspannung und den 
Netzstrom über einen Atmega uC misst/ermittelt. Bis dato dient diese 
Einheit lediglich zur Messaufnahme und Verarbeitung und funktioniert. 
Das kann also als gegeben angenommen werden.

Meine Aufgabe ist es, das Projekt weiterzuführen und eine thermische 
Last zu regeln. Mein Betreuer hat keine genauen Spezifikationen gegeben, 
weshalb ich eure Meinung erbitten möchte. Ich habe mir einen 
unkontrollierten Gleichrichter überlegt, um erstmal eine DC Spannung zu 
erzeugen. Da der Gleichrichter unkontrolliert ist, hängt die 
Ausgangsspannung im Mittel zunächst von der Größe des Kondensators ab. 
Diesen habe ich zu ~500uF bestimmt, um den Ripple mehr oder weniger auf 
+-10% des DC Wertes zu begrenzen.

Die Last soll laut Betreuer nicht weniger als 200W sein, weshalb ich 
folgende Annahme gemacht habe:
300V Ausgangsspannung und 300W Leistung ergibt einen Strom von 1A.

Als Gleichrichterdioden habe ich die 1N5406 herausgesucht, da sie vom 
Strom und Spannung passen sollten. Alternativen zur 1N5406 sind 
natürlich willkommen.

Jetzt frage ich mich, wie ich die thermische Last realisieren kann. 
Grundsätzlich dachte ich an ein Wasserbecken, dessen Temperatur über PWM 
geregelt wird. Allerdings hört hier mein Latein bereits auf. Wie kann 
ich meinen eigenen Wasserkocher selbst realisieren? :D


Über Hilfe/Anregung/Kritik bin ich dankbar.

Gruß

von XXX (Gast)


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Hallo

Bei uns war an der Uni immer eine uralte Kochplatte
sehr beliebt. Da wurde dann immer die Temperatur geregelt.


Gruß
Joachim

von Gregor B. (Gast)


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von al3ko (Gast)


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Hi,
danke schon mal. Das mit der Heizplatte klingt gut; schaue ich mir mal 
näher an.

Gregor B. schrieb:
> http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingungspaketsteuerung
>
> Realisierung mittels TRIAC.

An einen Schalter für Wechselstrom habe ich auch gedacht bzw. habe ein 
wenig darüber gelesen. Allerdings kenne ich mich mit TRIACs 0 aus und 
ein erster Blick auf deren Wirkungsweise und Ansteuerung sieht 
verhältnismäßig kompliziert aus.

Mein Wissen begrenzt sich derweil nur auf MOSFETs und IGBTs.

Gruß

von al3ko (Gast)


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Hi Joachim,
XXX schrieb:
> Bei uns war an der Uni immer eine uralte Kochplatte
> sehr beliebt. Da wurde dann immer die Temperatur geregelt.

Die Idee mit der Kochplatte finde ich sehr interessant. Hast du dazu 
nähere Infos?
Ich frage mich gerade, ob ihr auch zunächst eine AC/DC Wandlung 
durchgeführt und die Kochplatte dann letztendlich an die DC Seite 
gepackt habt.

Die Variante mit dem TRIAC finde ich ehrlich gesagt ein wenig 
umständlich, wenn man nicht gerade erfahren mit diesen Bausteinen ist.

Speziell frage ich mich z.B. was im Aufheizmoment in der Kochplatte 
passiert. Die PWM Regelung wird in diesem Moment ja einen sehr hohen 
Tastgrad haben, was bedeutet, dass ein recht hoher Strom fließt. 
Entsprechend müssten doch auch die Bauteile großzügig dimensioniert 
werden. Oder implementiert man softwareseitig eine Art soft-start zwecks 
Strombegrenzung?

Gruß

von UR-Schmitt (Gast)


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Warum willst du 4 Dioden plus Mosfet im Leistungszweig haben wenn es Ein 
Triac genauso tut.
Du hast dir den Link von Gregor B wohl noch nicht angesehen. Mach das 
bevor das hier weitergeht.
Mach dir Gedanken welche Zeitkonstante dein zu regelndes System hat. Wie 
schnell also eine Regelung sein müsste.

von al3ko (Gast)


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UR-Schmitt schrieb:
> Warum willst du 4 Dioden plus Mosfet im Leistungszweig haben wenn es Ein
> Triac genauso tut.
Hatte ich geschrieben. Von dem, was ich über TRIACs gelesen habe, bin 
ich zu dem Entschluss gekommen, dass deren Ansteuerung aufwendiger ist. 
Ich habe gelesen (Quelle finde ich nicht mehr), dass es 4 Bereiche beim 
TRIAC gibt und dementsprechend ein anderer Ansteuerstrom benötigt wird.
> Du hast dir den Link von Gregor B wohl noch nicht angesehen. Mach das
> bevor das hier weitergeht.
Doch, habe ich. Wie ich eine Schwingungspaketsteuerung in einem uC 
realisieren kann, ist mir bis jetzt auch nicht klar, da ich mich 
eigentlich nur mit PWM auskenne.
> Mach dir Gedanken welche Zeitkonstante dein zu regelndes System hat. Wie
> schnell also eine Regelung sein müsste.
Was haben die Zeitkonstanten mit meinen Fragen zu tun? Um die würde ich 
mir Gedanken machen, wenn es um die Reglerauslegung geht.

von morgul (Gast)


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DAnn lies nochmal über TRIACS nach bzw such dir fertige Schaltungen, 
dürfte es so einige geben...

von Gregor B. (Gast)


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von al3ko (Gast)


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hi @all,

okay, ihr habt mich überzeugt. Ich werde das - wie ich ihr vorgeschlagen 
habt - mit einem TRIAC realisieren und ich habe mich auch schon in 
TRIACs eingelesen. Dennoch habe ich einige Verständnisprobleme und 
erbitte eure Hilfe.

In diesem Artikel
http://www.mikrocontroller.net/articles/TRIAC
ist ein Bild zur Phasenanschnittssteuerung gezeigt. Es verwendet den
MOC3052.

(1)
Sehe ich das richtig, dass der Triac nur im 1. und 4. Quadranten
angesteuert wird, sprich Quadrant 2 und 3 gibt es nicht? In anderen
Worten:
Wenn ich einen uC verwende, reicht dessen logisch 0 und logisch 1 um den
Triac zu steuern?

(2)
Warum ist der Pin des uC an der Kathode der Photodiode im Optotriac? Das
kehrt doch die ganze Logik um (wenn ich den Leistungstriac einschalten
will, benötige ich eine logische 0 am uC). Kann ich nicht theoretisch
die Kathode der Photodiode an GND anschließen und die Anode an den uC?


Danke.

Gruß

von Max D. (max_d)


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(1) Die Quadranten können dir egal sein. Alles was du machst ist nach 
dem Nulldurchgang (gibt entsprechende Erkennungsschaltungen) eine 
gewisse Zeit zu warten (je nach dimmung) und dann ca. 1-2 ms den 
optotriac an zumachen. Bei etwas so trägem wie einer Heizung reicht aber 
eine Wellenpaketsteuerung. D.h. du machst via eines 
Nulldurchgangs-optotriacs einfach ne sehr langsame pwm (ca 2s pro 
Zyklus) , die Trägheit der beheizten Masse glättet das schon....

von Falk B. (falk)


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@al3ko (Gast)

>Sehe ich das richtig, dass der Triac nur im 1. und 4. Quadranten
>angesteuert wird, sprich Quadrant 2 und 3 gibt es nicht?

Ja.

>Wenn ich einen uC verwende, reicht dessen logisch 0 und logisch 1 um den
>Triac zu steuern?

Ja. Hat aber mit den Quadranten nix zu tun.

>Warum ist der Pin des uC an der Kathode der Photodiode im Optotriac?

Warum nicht. Kann man so oder so machen, reine Geschmackssache. 
Ausserdem gibt es auch heute noch einige Mikrocontroller mit Open Drain 
Ausgängen, wie der nicht tot zu kriegende 8051, der kann nur nach GND 
viel Strom schalten.

von Christian S. (christianstr)


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al3ko schrieb:
> (2)
> Warum ist der Pin des uC an der Kathode der Photodiode im Optotriac? Das
> kehrt doch die ganze Logik um (wenn ich den Leistungstriac einschalten
> will, benötige ich eine logische 0 am uC). Kann ich nicht theoretisch
> die Kathode der Photodiode an GND anschließen und die Anode an den uC?

Geht natürlich auch, bleibt dir überlassen, wie du das machst. :)

von Falk B. (falk)


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von UR-Schmitt (Gast)


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Warum nicht einfach ein SSR (SolidStateRelais) nehmen? Die Regelung ist 
sowieso über Schwingungspaketsteuerung zu machen und das (richtige) SSR 
kümmert sich dann automatisch um das Schalten im Nulldurchgang.

von oszi40 (Gast)


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UR-Schmitt schrieb:
> ein SSR (SolidStateRelais) nehmen?

Ist sicher eleganter als ein Bi-Metall braucht aber etwas Platz für den 
Kühlkörper.

Gut, daß Heizplatte ein ohmscher Verbraucher ist. Sonst 
Beitrag "Halbleiterrelais für induktive Last"

von al3ko (Gast)



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Hi,
danke schon mal. Ich habe mich jetzt noch weiter mit Triacs und deren 
Ansteuerung befasst. Dazu möchte ich gerne auf das Bild im Anhang 
verweisen, das ich aus dem Triac Artikel genommen habe.
http://www.mikrocontroller.net/articles/TRIAC

Widerstände R2 und R3:
Warum 240 Ohm insgesamt? Der Effektivwert der Phase beträgt 230V und 
laut Datenblatt soll der max. Steuerstrom auf 1A limitiert werden. Aber 
muss man nicht die Amplitude berücksichtigen?

Sprich:
R=325V/1A ~=325 Ohm

?

Ferner habe ich eine Frage zum RC Netzwerk:
Da die Heizplatte bzw. die Glühbirne (ich fange erstmal mit einer 
Glühlampe an) als rein resistiv betrachtet werden kann, ist das RC 
Netzwerk für mich überflüssig? So verstehe ich das Datenblatt 
jedenfalls.

Abschließend meine Frage:
Ich werde für die Glühlampe Phasenanschnittssteuerung verwenden. Ist für 
eine 60W Glühlampe ein LC Filter am Eingang nötig, um Oberwellen bzw. 
Rauschen zu unterdrücken? Oder ist bei der Leistung kein Filter am 
Eingang nötig?

Falls das Filter nötig ist, welche Werte als Faustregel kann man da 
nehmen?

Danke.


Gruß

von al3ko (Gast)


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EDIT:
Ich sehe gerade, dass eine Induktivität L1 an der Phase ist. Die 
zusammen mit dem RC Netzwerk ergibt doch ein Eingangsfilter.

Richtig?

von al3ko (Gast)


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Hallo,

es tut mir Leid, wenn ich euch damit weiter belästigen muss. Aber es 
wäre nett, wenn ihr noch mal auf meine Verständnisfrage mit den 2x120 
Ohm Widerständen (R2 und R3) eingehen könntet.

Ferner habe ich jetzt wie folgt weitergemacht:
Die Heizplatte hat eine Leistungsaufnahme von 500W. Bei 230V ergibt das 
einen Laststrom von 2,17A

Ich habe mir folgenden TRIAC ausgesucht:
http://dk.farnell.com/nxp/bt136x-600e/triac-4q-4a-600v-to220f/dp/2074973?Ntt=2074973
Datenblatt befindet sich hier:
http://www.farnell.com/datasheets/1581449.pdf

Der TRIAC kann 4A effektiv (bei einer vollen Sinuswelle) sowie 600V 
aushalten. Das sollte m.E. mehr als ausreichend sein.

Die Verlustleistung habe ich großzügig zu max. 4W angenommen (bei 2.2A 
und 180° Vollanschnitt beträgt die Verlustleistung 3W).

Ich kann mit den Wärmewiderständen nicht sonderlich viel anfangen und 
habe die Rechnung deshalb auf 5.5K/W bezogen (Thermal resistance 
junction to heatsink with heatsink compound).
Umgebungstemperatur habe ich zu 30°C angenommen, max. 
Operationstemperatur beträgt 125°C
Daraus ergibt sich folgende Rechnung:

Ich habe einen Kühlkörper mit 11 K/W genommen, um ein wenig Puffer zu 
haben.
http://dk.farnell.com/aavid-thermalloy/7019bg/heat-sink/dp/1425261?Ntt=1425261

Wäre nett, wenn ihr einmal einen Blick darauf werfen und Feedback geben 
könntet, ob der TRIAC mit Heatsink angemessen sind oder ob ich damit 
völlig am Tor vorbeigeschossen habe.

Danke und Gruß,
al3ko

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