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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Scheitelpunktschalter als Einschaltstrombegrenzung für Trafo


Autor: Cyberfuzzy .. (cyberfuzzy)
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Hallo,

ich möchte euch hier meinen Scheitelpunktschalter vorstellen, den ich 
neulich entwickelt habe.

Problem
Bei größeren Trafos kann der Einschaltstrom sehr hoch werden, wenn das 
Gerät zur falschen Zeit eingeschaltet wird. Am ungünstigsten ist das 
Einschalten während des Nulldurchgangs der Netzspannung. Die Theorie 
dazu wird hier genau erklärt:
https://de.wikipedia.org/wiki/Einschalten_des_Transformators

Ich habe mir vor einiger Zeit einen alten Trennstelltrafo aus der 
ehemaligen DDR gekauft. Das Gerät funktioniert zwar einwandfrei, jedoch 
fliegt beim Einschalten hin und wieder die Sicherung.

Lösung
Um das Problem zu umgehen, habe ich einen Scheitelpunktschalter 
entwickelt. Dabei wird ein Relais so angesteuert, dass der Trafo genau 
im Scheitelpunkt der positiven Netzhalbwelle mit der Netzspannung 
verbunden wird. Das reicht bei meinem Trafo schon aus, sodass die 
Sicherung nicht mehr fliegt. Noch besser ist es, wenn der Trafo zum 
Abschalten im Scheitelpunkt der negativen Netzhalbwelle vom Stromnetz 
getrennt wird, damit der Kern beim nächsten Einschalten nicht in der 
falschen Richtung vormagnetisiert ist.

Schaltung
Bild: 1_Schaltplan.png

Phase und Neutralleiter gehen über Spannungsteiler direkt auf den 
Analog-Komparator vom Mikrocontroller. Die 3 Mohm in den 
Spannungsteilern wurden zur Sicherheit jeweils in drei einzelne 1 Mohm 
Widerstände aufgeteilt, da die Spannungsfestigkeit eines Widerstandes 
nur 200 V beträgt.
Der Mikrocontroller bekommt damit immer zum Nulldurchgang der 
Netzspannung einen Interrupt. Mit einem Timer kann dann näherungsweise 
der Zeitpunkt der Scheitelspannung bestimmt werden. Um das Relais zum 
richtigen Zeitpunkt einzuschalten, muss jedoch beachtet werden, dass es 
eine Schaltverzögerung von einigen ms hat.

Oszilloskop Screenshot
Bild: 2_Oszilloskop.png

Kanal 2 (blau, unten) zeigt die über einen Trafo reduzierte Netzspannung 
an.
Kanal 1 (orange, oben) zeigt die über das Relais geschaltete 
Netzspannung an. Hier sieht man deutlich das Prellen des Relais, was 
zusätzlich den Einschaltstrom begrenzt.

Aufbau
Bild: 3_Platine.jpg

Die Schaltung wurde auf eine Lochrasterplatine aufgelötet. Die Klemme 
rechts ist für die Netzspannung und die über das Relais geschaltete 
Phase. Die Klemme links ist der Anschluss für die 9 V 
Versorgungsspannung, die mit einem 7805 Spannungsregler für den 
Mikrocontroller auf 5 V geregelt wird.

Bild: 4_Aufbau_im_Gehäuse.jpg
So sieht der Aufbau im Gehäuse aus. Bei der kleinen Platine in der Ecke 
links oben handelt es sich um ein 9 V Netzteil.

Bild: 5_Übersicht.jpg
Hier ist der große Trennstelltrafo mit dem Scheitelpunktschalter zu 
sehen.

Fazit
Das Teil funktioniert wunderbar. Seit dem ich den Trafo über den 
Scheitelpunktschalter einschalte, ist die Sicherung nicht mehr geflogen.

Autor: H.Joachim S. (crazyhorse)
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Hm, ein einfacher Widerstand + Zeitrelais tun es auch.
Noch einfacher: NTC, je nach Leistung und Anforderung 
(Wiedereinschaltzeit) per Relais überbrückt oder auch nicht.
Mein Trenntrafo (1kW) arbeitet seit vielen Jahren nur mit NTC, brauche 
ich aber auch nicht jeden Tag (irgendwann wird der NTC explodieren denke 
ich mal)

Autor: Edit (Gast)
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So ca. 1928 wurde bereits eine Einschaltstrombegrenzung erfunden und die
kam recht wirkungsvoll auch ohne µC aus.
Also sinnloser Fickfack den Du da erfunden hast.

Autor: Carl D. (jcw2)
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Erst gestern/vorgestern hatte jemand einen Link gepostet, zu einer 
Firma, die sowas baut. Erst wird der Trafo durch Gleichstrompulse in 
eine Richtung vormagnetisiert, also eine definierter Startbedingung 
erzeugt, und dann wird im Maximum eingeschaltet.

Autor: Marian  . (phiarc) Benutzerseite
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Carl D. schrieb:
> Erst gestern/vorgestern hatte jemand einen Link gepostet, zu einer
> Firma, die sowas baut. Erst wird der Trafo durch Gleichstrompulse in
> eine Richtung vormagnetisiert, also eine definierter Startbedingung
> erzeugt, und dann wird im Maximum eingeschaltet.

Heißt Trafoschaltrelais.

Autor: Carl D. (jcw2)
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: Bearbeitet durch User
Autor: Marian  . (phiarc) Benutzerseite
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Carl D. schrieb:
> Nein, etwas mehr "engeeniert":

Äh, doch, genau dieses Produkt hat den Namen Trafoschaltrelais.

Autor: Anfänger (Gast)
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Hi cyberfuzzy, drei Fragen stellen sich mir:

Wie groß ist die Einschaltverzögerung des Relais nach Datenblatt?

Die Beschaltung des Atmega8 über den Eingangs-Spannungsteiler ist ja nur 
symbolisch dargestellt. Wie sieht denn die realisierte, wirkliche 
Beschaltung aus, wg. EMV, Burst, Surge)

Im Bild 2 sieht man ein "prellen", das Relais scheint zu träge dafür, 
hat es eine Hysterese der Schaltung (nicht dargestellt) oder ist die 
nicht notwendig (weil das Relais zu langsam)?

Für die Fragen bitte ich um Nachsicht, da ich noch Anfänger bin.

Autor: Cyberfuzzy .. (cyberfuzzy)
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Anfänger schrieb:
> Hi cyberfuzzy, drei Fragen stellen sich mir:
>
> Wie groß ist die Einschaltverzögerung des Relais nach Datenblatt?

Laut Datenblatt sind es 15 ms, ich habe ca. 13,4 ms gemessen.

> Die Beschaltung des Atmega8 über den Eingangs-Spannungsteiler ist ja nur
> symbolisch dargestellt. Wie sieht denn die realisierte, wirkliche
> Beschaltung aus, wg. EMV, Burst, Surge)

Die Beschaltung ist tatsächlich genauso wie auf dem Schaltplan. Der 
Spannungsteiler teilt die Netzspannung auf etwa ein Hundertstel 
herunter. Das heißt im Scheitelpunkt der Netzspannung (325 V) liegen 
dann ca. 3,25 V am Mikrocontroller an. Da er mit 5 V betrieben wird, ist 
da noch Luft nach oben. Und falls die Spannung tatsächlich wegen einem 
Transienten höher wird, wird der Strom durch die 3 Mohm so weit 
limitiert, dass die Schutzdioden im Mikrocontroller die Spannung 
begrenzen, ohne dabei Schaden zu nehmen.
Mehr Infos dazu gibt es in der Application Note von Atmel:
AVR182: Zero Cross Detector
http://www.atmel.com/images/doc2508.pdf

> Im Bild 2 sieht man ein "prellen", das Relais scheint zu träge dafür,
> hat es eine Hysterese der Schaltung (nicht dargestellt) oder ist die
> nicht notwendig (weil das Relais zu langsam)?

Ich verstehe deine Frage nicht ganz. Wofür soll das Relais zu träge 
sein? Beim Prellen schwankt die Ausgangsspannung am Relais mehrmals 
zwischen 0 V und Netzspannung. Der Vorgang dauert etwa 2 ms, danach ist 
der Ausgang stabil mit Netzspannung verbunden.

Autor: Anfänger (Gast)
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Danke für die Erklärungen.
Das verwenden der internen Ableitdioden sei "Bastel", diese unsägliche 
App. Note von Amtel (auch dort gäbe oder gab es "WI-ET 
Marketingvollpfosten", seine Worte) erfreue sich leider großer 
Beliebtheit, eine normgerechte EMV Prüfung würde nicht bestanden (da 
darf/muss ich immer mit), sagt unser Entwicklungsleiter. (Ich musste 
erst mal nachfragen was überhaupt ein WI-ET ist.)
Das mit der Verzögerung (Relais) habe ich nun verstanden.

Autor: Falk B. (falk)
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Scheitelpunt ist nicht das wahre, geht besser. Siehe Trafoschalrelais.

https://www.mikrocontroller.net/wikifiles/5/5d/Ver...

Autor: Thomas (Gast)
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Hier mal ein Layout!

Autor: Hans (Gast)
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Thomas schrieb:
> Hier mal ein Layout!

Hallo Thomas,

dein Schaltplan kann zwar als Einschaltstrombegrenzung funktionieren, 
aber hier wird Energie über die Leistungswiderstände verheizt. In diesem 
Beitrag geht es darum den Einschaltstrom dadurch zu begrenzen, dass der 
Trafo genau zu einer bestimmten Zeit mit der Netzspannung verbunden 
wird, nämlich im Scheitelpunkt.

Autor: Manfred (Gast)
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Hans schrieb:
> dein Schaltplan kann zwar als Einschaltstrombegrenzung funktionieren,
> aber hier wird Energie über die Leistungswiderstände verheizt.

Ja furchtbar, die Erde wird sich unermesslich erwärmen!

Im Betriebszustand wird die Schaltung am Netz ca. 25mA aufnehmen, die 
Wirkleistung schätze ich bei 700 Milliwatt, bringt niemanden um.

Thomas schrieb:
> Hier mal ein Layout!

Ich sehe nur einen Stromlauf, kein Layout.

Ein Verbesserungsvorschlag, wie ich es mehrfach aufgebaut habe: Ein 
Relais mit einem zusätzlichen Umschalter, der den Elko abtrennt und über 
einen Widerstand entlädt. Damit kommt die Begrenzung auch, wenn in 
schneller Folge geschaltet wird.

Autor: MM (Gast)
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Manfred schrieb:
> Ich sehe nur einen Stromlauf, kein Layout.

Öffne die PDF und die Sicht wird klarer...

 ;)

Autor: Thomas (Gast)
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Hier das pdf mit dem man eine Folie zum ätzen der Platine erstellen kann

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