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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kondensator mit Überspannung laden


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Autor: Lukas F. (lukas_f)
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Sehr geehrtes Forum

Im Rahmen meiner Abschlussarbeit beschäftige ich mich mit dem Bau einer 
Coil Gun, was bis jetzt auch relativ erfolgreich verläuft. Dabei entlädt 
sich ein Kondensator über einer Spule, gesteuert von einem IGBT. Der 
IGBT öffnet, Strom fliesst durch die Spule und ein Magnetfeld baut sich 
auf. Schliesst der IGBT wieder, so entsteht durch an der Spule eine 
grosse Induktionsspannung, die über einer Freilaufdiode abgebaut wird. 
Dabei wird viel Energie zu warmer Luft, das System ist ineffizient.
Schön wäre es deshalb, diese Energie wieder im Kondensator aufzufangen. 
Problem hierbei ist, dass die induzierte Spannung über der Spule beim 
Abschalten ja wesentlich grösser als die ursprüngliche Spannung im 
Kondensator ist. Würde der Kondensator dabei Schaden nehmen? Überladen 
kann man ihn in dem Sinne ja nicht - es kommt ja in keinem Fall mehr 
Energie aus der Spule zurück, als der Kondensator vorher abgegeben hat.

Somit lässt sich meine Frage eigentlich reduzieren auf:
Ist es möglich, einen Kondensator mit einer Spannungsquelle grösser als 
die maximale Spannung des Kondensators zu laden, sofern man ihn nicht 
überlädt?

Autor: oszi40 (Gast)
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Lukas F. schrieb:
> grösser als
> die maximale Spannung des Kondensators

DAS Datenblatt verrät Dir die maximale Spannung. Höher heißt bald 
kaputt!
Mehr da https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0205141.htm

Autor: Marian  . (phiarc) Benutzerseite
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Lukas F. schrieb:
> so entsteht durch an der Spule eine
> grosse Induktionsspannung

Nein, es entsteht eine große Induktionsspannung, weil der Strom sinkt.
Schaltest du einen Kondensator parallel, hast du einen Schwingkreis. 
Wenn man den richtig bemisst (Resonanzfrequenz, Güte), ist die 
Spannungsüberhöhung minimal (der Strom durch die Spule sinkt nur 
langsam, weil er durch den Kondensator weiter fließen kann).

Autor: oszi40 (Gast)
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Marian B. schrieb:
> Wenn man den richtig bemisst

...nimmt man einen dafür geeigneten Typ. Ein dicker Elko muß noch keinen 
dicken Strom vertragen!

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Schalte noch eine Diode in Reihe dazu,
und der Kondensator ist danach fast wieder
mit der gleichen Spannung aufgeladen wie
vorher, aber mit umgekehrter Polarität,
vorausgesetzt die Spule hat wenig
Verluste.

Autor: Jan H. (jan_m_h)
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Alle Lösungen, die ein langsames Abfallen des Magnetfeldes bewirken, 
reduzieren die Energie des Projektils. Das bitte bedenken bei 
Energieeffizienz.

Autor: Peter D. (peda)
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Lukas F. schrieb:
> Im Rahmen meiner Abschlussarbeit beschäftige ich mich mit dem Bau einer
> Coil Gun

Merkwürdig.
Ich kenne Abschlußarbeiten immer so, daß sie
1. eine Innovation beinhalten sollen und
2. welche praktische Anwendung sie haben.
In der DDR hat man im Vorwort geschrieben, welcher volkswirtschaftliche 
Nutzen daraus entsteht.

Autor: Marian  . (phiarc) Benutzerseite
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Peter D. schrieb:
> Abschlußarbeiten
> 1. eine Innovation beinhalten sollen und

Das kommt immer drauf an, um welchen Abschluss es geht. Bei einer BA 
erwartet niemand bahnbrechende Erkenntnisse, zum Beispiel.

Autor: Lukas T. (tapy)
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Peter D. schrieb:
> Merkwürdig

Meine Güte, "Abschlussarbeit" heißt nicht automatisch Ende eines 
Studiums mit dem Ziel Dimplom.

Eventuell ein 10t-Klass-Projekt, in der 12. gibt's sowas mancherorts 
auch, auch AGs können eine Abschlussarbeit haben, um als schulische 
Leistung anerkannt zu werden.

Oder ein Bachelorstudent möchte einen Prof mit dieser Abschussarbeit aus 
dem universitären Umfeld entfernen. Das wäre jetzt der eine, nicht nette 
Fall, unter all den anderen denkbar harmlosen Varianten.

Außerdem ist eine Coil-Gun gar kein so abstruses Projekt. Da kann man 
einiges dran lernen, sofern man das Ganze mit ein bisschen Verstand und 
Sinn für Sicherheit angeht. Nicht alle wollen einen Bolzen in der 
Dimension eines Artilleriegeschosses beschleunigen.

Ist doch auch erst mal egal.

Immerhin hat er angegeben, wofür bzw. in welcher Umgebung er soetwas 
braucht.

"Möchte mit Spulle bei Abschaltern Kondinsator wider aufladen." wäre 
doch echt nervig gewesen, als Frage.

Autor: Peter D. (peda)
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Marian B. schrieb:
> Bei einer BA
> erwartet niemand bahnbrechende Erkenntnisse

Bahnbrechend muß es nicht sein, aber irgendein Aspekt, der die eigene 
Arbeit vom 1-Millionsten Nachbau unterscheidet. Nur aufzeigen, daß auch 
ein bißchen eigener Gehirnschmalz drin steckt.

Autor: Peter D. (peda)
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Lukas T. schrieb:
> Eventuell ein 10t-Klass-Projekt

Ob da wirklich nur <42V auftreten? Als Lehrer stehst Du sonst schon mit 
einem Bein im Knast.

Autor: Energieerhaltungssatz (Gast)
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E=C*U^2

Wenn nicht ein kleinerer Kondensator geladen wird und die Energie nicht 
zunimmt kann die Spannung gar nicht größer sein als zuvor.

Autor: Schlumpf (Gast)
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Energieerhaltungssatz schrieb:
> E=C*U^2
>
> Wenn nicht ein kleinerer Kondensator geladen wird und die Energie nicht
> zunimmt kann die Spannung gar nicht größer sein als zuvor.

Wer findet den Fehler zuerst??? :-)

Autor: Walter T. (nicolas)
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Schlumpf schrieb:
> Wer findet den Fehler zuerst??? :-)
Plusminus 2 dB, wie man so schön sagt. Hier sind es gerade mal 1,4dB.

Autor: HildeK (Gast)
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Lukas F. schrieb:
> Schön wäre es deshalb, diese Energie wieder im Kondensator aufzufangen.

Hast du mal eine Skizze, wie du dir das denkst? Wo ist der Kondensator 
und wie willst du ihn laden? Ich kann mir das gerade nicht vorstellen 
...

Dass der Kondensator damit kein Problem hat, ist wohl inzwischen klar 
geworden.

Autor: Falk B. (falk)
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@ Lukas Frei (lukas_f)

>Coil Gun, was bis jetzt auch relativ erfolgreich verläuft. Dabei entlädt
>sich ein Kondensator über einer Spule, gesteuert von einem IGBT.

Schön.

>Der
>IGBT öffnet, Strom fliesst durch die Spule und ein Magnetfeld baut sich
>auf. Schliesst der IGBT wieder, so entsteht durch an der Spule eine
>grosse Induktionsspannung,

Nur wenn keine Freilaufdiode vorhanden ist.

> die über einer Freilaufdiode abgebaut wird.
>Dabei wird viel Energie zu warmer Luft, das System ist ineffizient.

Wirklich? Wieviel Restenergie steckt denn noch in der Spule? Sollte 
nicht der Großteil ins Projektil abgeflossen sein?

>Schön wäre es deshalb, diese Energie wieder im Kondensator aufzufangen.

Warum? Die kWh kostet um die 25 Cent, da kann man schon SEHHHR lange 
laden, um mehrere dutzend Euro an Ladeelektronik wieder reinzuholen.

>Problem hierbei ist, dass die induzierte Spannung über der Spule beim
>Abschalten ja wesentlich grösser als die ursprüngliche Spannung im
>Kondensator ist.

Nö. Das passiert nur, wenn der Strom keinen Weg findet, weiter zu 
fließen.

> Würde der Kondensator dabei Schaden nehmen?

Du kannst ihn gar nicht mit Überspannung überladen, denn sobald der 
Ladestrom fließt, gibt es keine sonderlich hohe Induktionsspannung mehr.

> Überladen
>kann man ihn in dem Sinne ja nicht - es kommt ja in keinem Fall mehr
>Energie aus der Spule zurück, als der Kondensator vorher abgegeben hat.

Eben.

>Ist es möglich, einen Kondensator mit einer Spannungsquelle grösser als
>die maximale Spannung des Kondensators zu laden, sofern man ihn nicht
>überlädt?

Nein. Weil deine Spannungsquelle gar nicht genug Energie hat.

Prinzipiell kann man Energie aus der Spule rückspeisen lassen. Ob das 
aber praktisch sinnvoll ist, ist eine ganz andere Frage.
Dazu braucht man mindestens 2 Halbleiterschalter und 2 Dioden. Siehe 
Anhang. Q1 muss potentialfrei angesteuert werden.

Autor: CaptainAlbern (Gast)
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Es ist schade, dass hier fast niemand zu helfen versucht, obwohl doch 
der eine oder andere wissen müsste, wie es geht. Die Frage ist doch so 
gestellt, dass man verstehen kann, was der Fragende möchte. Oder nicht ? 
Es gibt doch sicher Schaltungen, die es ermöglichen, einen möglichst 
großen Teil der Energie der Spule, der normalerweise über die 
Freilaufdiode zunichte gemacht wird, zurückzugewinnen. Wenn es hier 
entsprechendes Wissen gibt, dann beschreibt doch so eine Schaltung. Wenn 
nicht, mit welchen Recht macht ihr euch über das Anliegen lustig ? Um 
Halbwissen als solches zu erkennen und sich darüber lustig zu machen, 
reicht eigenes Halbwissen i.d.R. aus. Sinnvolle Antworten ist schwerer.

Wer tatsächlich helfen wollte, fühlt sich bitte nicht angesprochen. Ich 
denke z.B. dass Günter Lenz (Gast) helfen wollte. Ich verstehe 
allerdings nicht, wie er es meint.

Jetzt mal eine Idee von mir. Bitte nicht lästern, sondern sachlich 
berichtigen.

Schließt man einen aufgeladenen Kondensator an eine Spule an, entsteht 
ja ein Schwingkreis. Das heißt, die Energie pendelt zwischen Spule und 
Kondensator. Wenn man die Frequenz jetzt kennt und zu dem Zeitpunkt, an 
dem die meiste Energie im Kondensator steckt, die Verbindung trennt und 
zur nächsten Spule weiter schaltet*, dann müsste sich doch ein gewisser 
Anteil der Energie von Spule zur Spule weiterreichen lassen. Die 
Verluste gleicht man aus, indem der Kondensator synchron zur 
Schwingkreisfrequenz von außen durch eigen geeignete Schaltung 
nachgeladen wird.

*ich gehe davon aus, dass hier viele Spulen hinter liegen, die nach 
einander ein Magnetfeld erzeugen sollen.

Autor: CaptainAlbern (Gast)
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PS: Die letzte Antwort von Falk Brunner (falk) vor meiner Antwort hatte 
ich bis dahin nicht gelesen.

Autor: Walter T. (nicolas)
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CaptainAlbern schrieb:
> Es gibt doch sicher Schaltungen, die es ermöglichen, einen möglichst
> großen Teil der Energie der Spule, der normalerweise über die
> Freilaufdiode zunichte gemacht wird, zurückzugewinnen.

Und bevor man sich der Schaltung widmet, wäre es sicherlich sinnvoller, 
diese Energie erst einmal berechnet und/oder gemessen zu haben.

Autor: Peter D. (peda)
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CaptainAlbern schrieb:
> obwohl doch
> der eine oder andere wissen müsste, wie es geht.

Es mag Dich wundern, aber in der Elektronikpraxis beschäftigt sich 
niemand mit Coil Guns. Da geht es um Projekte, mit denen man seinen 
Lebensunterhalt bestreiten kann.

Lukas F. schrieb:
> Dabei wird viel Energie zu warmer Luft, das System ist ineffizient.

Stell doch erstmal fest, welches Bauteil diese warme Luft erzeugt.

Die Energie einer Spule kann man wie bei einem Eintaktflußwandler 
rückgewinnen.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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CaptainAlbern schrieb:
>dass Günter Lenz (Gast) helfen wollte. Ich verstehe
>allerdings nicht, wie er es meint.

Der Kondensator gibt die gespeicherte Energie
an die Spule ab und danach gibt die Spule die
Energie wieder zurück, und der Kondensator ist
mit umgekehrter Polarität wieder aufgeladen.
Das funktioniert aber nur gut wenn die Spule
wenig Verluste hat.

Die Ide von Falk Brunner ist auch gut,
und hat den Vorteil, daß die Spannung sich
nicht umpolt, aber da darf der Ansteuerimpuls
nur sehr kurz sein, weil sonst
Strombegrenzung durch den Ohmischen
Widerstand der Spule einsetzt und die
ganze Energie in Wärme umwandelt.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Peter Dannegger schrieb:
>Es mag Dich wundern, aber in der Elektronikpraxis beschäftigt sich
>niemand mit Coil Guns. Da geht es um Projekte, mit denen man seinen
>Lebensunterhalt bestreiten kann.

Diese Sachen sind natürlich alles nur Spielereien,
daß stimmt. Aber es geht ja da auch ersmal nur darum,
Physikalische Zusammenhänge verstehen zu lernen.

Autor: Marian  . (phiarc) Benutzerseite
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Günter Lenz schrieb:
> mit umgekehrter Polarität

Das lässt sich mit einer Brückenschaltung ja zum Preis von Verlust 
beheben.

Autor: Lukas F. (lukas_f)
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Erstmal vielen Dank für die Antworten.

Ich denke, meine Frage ist dadurch geklärt. Dass eine solche 
Energierückspeisung aufwendig ist, ist mir bewusst, und ich beabsichtige 
damit auch keine Stromkosten einzusparen. Wie bereits angemerkt wurde, 
sind Coil Guns ohnehin nicht wirtschaftlich. Es wäre einfach prinzipiell 
interessant, mein Projekt mit vielen kleinen Optimierungen aufzuwerten.

Noch zum Begriff "Abschlussarbeit": Es geht hierbei um die Maturaarbeit 
am Ende des Gymnasiums (Schweiz), bei der es in erster Linie darum geht, 
Erfahrungen mit dem wissenschaftlichen Arbeiten zu sammeln. Von 
unspezialisierten 18-Jährigen wird nicht erwartet, etwas zum geistigen 
oder technischen Fortschritt der Menschheit beitragen zu können.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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Peter D. schrieb:

> In der DDR hat man im Vorwort geschrieben, welcher volkswirtschaftliche
> Nutzen daraus entsteht.


Naja, mit einer Coil Gun konnte man den Klassenfeind bekämpfen. :-)

Autor: Stephan H. (Gast)
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Lukas F. schrieb:
> Der
> IGBT öffnet, Strom fliesst durch die Spule und ein Magnetfeld baut sich
> auf. Schliesst der IGBT wieder, so entsteht durch an der Spule eine
> grosse Induktionsspannung, die über einer Freilaufdiode abgebaut wird.

Das wundert mich...
1. öffnet und schließt ist denke ich vertauscht
2. Freilaufdiode ist nicht gut

Jan H. schrieb:
> Alle Lösungen, die ein langsames Abfallen des Magnetfeldes bewirken,
> reduzieren die Energie des Projektils.

Genau so ist das. Zumindest wenn es sich - was ich stark annehme - um 
ein magnetisches Projektil handelt.

Sobald das Projektil im Bereich des homogenen Feldes der Spule ist muss 
der Spulenstrom so schnell wie möglich abgebaut werden. Wenn das 
Projektil wieder aus dem Bereich des homogenen Feldes austritt 
(hilfsweise in der Spulenmitte) muss er 0 sein. Ansonsten wird das 
Projektil wieder abgebremst.

Freilaufdiode ist dafür so ziemlich das schlechteste Mittel. Wenn das 
Teil "ganz gut funktioniert", dann nur weil der Strom beim Abschalten eh 
schon nahe 0 ist (damit kaum noch Energie in der Spule).

Wesentlich schneller lässt sich das z.B. gegen einen passend 
dimensionierten Snubber abschalten.
Passend dimensioniert bedeutet dabei, dass Induktionsspannung + 
Restspannung Elko die Sperrspannung des IGBT möglichst ausreizen.
Dabei Sicherheiten berücksichtigen und bitte ein Snubber mit nideriger 
Induktivität.

Autor: Tom (Gast)
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Schlumpf schrieb:
> Energieerhaltungssatz schrieb:
>> E=C*U^2
>>
>> Wenn nicht ein kleinerer Kondensator geladen wird und die Energie nicht
>> zunimmt kann die Spannung gar nicht größer sein als zuvor.
>
> Wer findet den Fehler zuerst??? :-)

E=0.5*C*U^2

Was hab' ich gewonnen ?   ;-)

Autor: qwertzuiopü+ (Gast)
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Tom schrieb:
> Schlumpf schrieb:
>> Energieerhaltungssatz schrieb:
>>> E=C*U^2
>>>
>>> Wenn nicht ein kleinerer Kondensator geladen wird und die Energie nicht
>>> zunimmt kann die Spannung gar nicht größer sein als zuvor.
>>
>> Wer findet den Fehler zuerst??? :-)
>
> E=0.5*C*U^2
>
> Was hab' ich gewonnen ?   ;-)

Setz mal für C=Q*U ein. Dann hast du E=0.5*Q*U. Und Q kann sich durchaus 
ändern ;-) (Sonst hättest du von dem Kondensator ja nichts...)

Autor: Schlumpf (Gast)
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qwertzuiopü+ schrieb:
> Setz mal für C=Q*U ein.

Warum sollte man das machen?? Wo es doch grottenfalsch ist :-)

Tom schrieb:
> Was hab' ich gewonnen ?   ;-)

Lob und Anerkennung ;-)

Hier wird immer davon geredet, dass man Energie aus der Spule 
zurückgewinnen will.. Weil die Energie da ja gespeichert sei und man sie 
ja gut recyclen könnte.

Mal ganz blöd gefragt:
Welche Energie hat denn das beschleunigte Projektil?
Und wo kommt diese Energie her?
Und warum gibt es dann, bei einer sinnvoll dimensionierten Coilgun mit 
einem guten Wirkungsgrad noch etwas zurückzugewinnen?

Im Idealfall steckt nach dem Abschuss die Energie des Kondensators im 
Projektil und nicht in der Spule..
Das wäre zumindest mein Verständnis vom Energieerhaltungssatz.

Autor: Jan H. (jan_m_h)
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Es gibt bei Coilguns einen Kompromiss aus Effizienz und Leistungsdichte.
Man kann eine Coilgun so designen, dass der Strom per Diode weiter durch 
die Spule fließt und dabei Null erreicht, wenn das Geschoss im Zentrum 
der Spule sitzt. Ist halt auch blöd, weil ich dann zwar alle 
gespeicherte Energie auf das Geschoss übertrage, aber dafür schon 
abfallende Beschleunigung habe, während das Geschoss noch vor der Spule 
ist. Das resultiert in weniger Energie bei gleicher Spule wie die Lösung 
mit Überschuss-Energie

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