Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Impulsfester IGBT und Ansteuerung für Blitz gesucht


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von Mark (Gast)


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Tach!

Ich habe vor, einen kompakten Elektronenblitz zu bauen, der in der 
abgegebenen Energiemenge einstellbar sein soll.

Der Blitzkondensator wird eine Parallelschaltung aus maximal 7 
100µF-Photoflash-Elkos, maximal also 700µF bei 330V. Das entspricht etwa 
38Ws, wenn alle Elkos am oberen Ende der Toleranz sind 45Ws. Vermutlich 
werden es aber eher 5 Stück, respektive etwa 27Ws.

Die Dauer der Entladung ist mir unbekannt. Sie hängt wohl stark davon 
ab, wie induktionsarm der Aufbau wird und wie induktionsarm die Elkos 
sind. Als grobes Richtmaß hört man oft etwas von 1ms. Das entspräche bei 
45Ws und 330V einem MITTLEREN Strom von 136A, den das Bauteil aushalten 
muss. Da der Strom aber wohl nicht konstant sein wird, sollte man 
vermutlich noch Sicherheiten einrechnen.

Daher in etwa folgende Anforderungen:
200A Impulsstrom (1ms)
350V Sperrspannung
Gehäuse TO220 oder kleiner (gern auch SMD)


Sobald dieser IGBT gefunden ist, kommt es zum zweiten Problem: Der Blitz 
selbst wird mit einer einzelnen Lithiumzelle betrieben, es stehen also 
für den Controller 3,3...4,2V zur Verfügung, je nach Ladezustand. Wenn 
sich der IGBT damit schalten lässt - fein. Dann braucht es "nur noch" 
einen soliden Treiber und fertig. Vermutlich brauche ich aber etwas mit 
mehr Spannung, also z.B eine kleine Ladungspumpe oder Boost-Wandler für 
eine Wandlung auf 5-15V je nach IGBT und eben ein passender Treiber, der 
mit einem Logiksignal aus dem Mikrocontroller klar kommt. Der Treiber 
muss schnell anschalten, aber auch schnell abschalten können, um eine 
Energieeinstellung möglich zu machen.

Hat da jemand passende Bauteile im Hinterkopf? Zunächst nur der IGBT.

: Verschoben durch Moderator
von Falk B. (falk)


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@Mark (Gast)

>200A Impulsstrom (1ms)
>350V Sperrspannung
>Gehäuse TO220 oder kleiner (gern auch SMD)

Das wird eng. 200A Pulsstrom ist schon ne ganz ordentliche Hausnummer. 
Solche IGBTs gibt es fast nur im TO247 Gehäuse.

>für den Controller 3,3...4,2V zur Verfügung, je nach Ladezustand. Wenn
>sich der IGBT damit schalten lässt - fein.

Nein. Du brauchst schon einen Step Up Wandler, der dir saubere 12V für 
die Ansteuerung liefert.

>eine Wandlung auf 5-15V je nach IGBT und eben ein passender Treiber, der
>mit einem Logiksignal aus dem Mikrocontroller klar kommt.

Das macht jeder normale MOSFET-Treiber.

https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht#MOSFET-Treiber

> Der Treiber
>muss schnell anschalten, aber auch schnell abschalten können, um eine
>Energieeinstellung möglich zu machen.

Das macht jeder gescheite Treiber.

>Hat da jemand passende Bauteile im Hinterkopf? Zunächst nur der IGBT.

NGTB40N120IHLWG ist einer von vielen.

von Mark (Gast)


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Gefunden habe ich bisher:
TIG065E8 Datenblatt: http://www.mouser.com/ds/2/308/ENA1862-D-77364.pdf
Der kann bei 400µF 110A, ist schön klein und günstig. Vor allem lässt er 
sich mit 3V durchsteuern, da bräuchte man lediglich einen soliden 
Treiber zwischen Logik und Gate und keinen weiteren Wandler. Kann man 
den einfach parallel schalten? Ansonsten ginge auch eine 
Umdimensionierung auf 400µF. Dann muss allerdings immer noch der Strom 
auf "nur" 110A begrenzt werden, z.B. durch eine in Reihe geschaltete 
Induktivität (kleine Luftspule?).

von Mark (Gast)


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Außerdem gibts eine
Application Note http://www.onsemi.com/pub/Collateral/ANDTIG065E8-D.PDF
für das Ding.

Wenn ich das richtig verstanden habe, dann soll zur Begrenzung des 
Spannungsanstiegs beim Ausschalten des Bauteils ein Gatewiderstand von 
etwa 270 Ohm eingefügt werden (siehe Seiten 12 und 13). Das ist ein 
Wert, den die meisten Mikrocontroller ziemlich problemlos treiben 
können. Es besteht also kein Bedarf für einen dedizierten Treiber.

Meine Fragen daher:
Habe ich es richtig verstanden und das Ding ist so schön einfach 
nutzbar?

In dem Fall würde ich den IGBT wie im Evaluation Board (Schaltplan siehe 
S.12) verschalten und 400µF als Kapazität wählen sowie anstatt des 
Triggers einen gewöhnlichen µC-Ausgang verwenden und damit dann den R_G 
von 270 Ohm treiben.

von Falk B. (falk)


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@Mark (Gast)

>Spannungsanstiegs beim Ausschalten des Bauteils ein Gatewiderstand von
>etwa 270 Ohm eingefügt werden (siehe Seiten 12 und 13). Das ist ein
>Wert, den die meisten Mikrocontroller ziemlich problemlos treiben
>können. Es besteht also kein Bedarf für einen dedizierten Treiber.

Ja.

>Habe ich es richtig verstanden und das Ding ist so schön einfach
>nutzbar?

Im Prinzip schon.

>In dem Fall würde ich den IGBT wie im Evaluation Board (Schaltplan siehe
>S.12) verschalten und 400µF als Kapazität wählen

NEIN! Das schafft er nicht!

"Please use the device within the ICP-VGE safe operation area described 
in each product’s specification. "

Bei 400uF schafft er nur knapp über 100A.

> sowie anstatt des
>Triggers einen gewöhnlichen µC-Ausgang verwenden und damit dann den R_G
>von 270 Ohm treiben.

Naja, in würde trotzdem eine Schutzschaltung für den uC vorsehen. Wenn 
es den IGBT zerlegt bricht meistens auch das Gate durch und dann wandern 
deine 300V in den Mikrocontroller. Pack eine fette Suppressordiode ala 
SMBJ6V8 ans Gate, die könnte dich retten.

von Mark (Gast)


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Falk B. schrieb:
>>In dem Fall würde ich den IGBT wie im Evaluation Board (Schaltplan siehe
>>S.12) verschalten und 400µF als Kapazität wählen
>
> NEIN! Das schafft er nicht!
>
> "Please use the device within the ICP-VGE safe operation area described
> in each product’s specification. "
>
> Bei 400uF schafft er nur knapp über 100A.

Das ist korrekt, ja. Es sind 100A (oder 110, mit steigender Temperatur 
dann wieder weniger) statt 150A. Das Problem, das sich stellt, ist, 
herauszufinden bzw. abzuschätzen, wie viel Strom denn tatsächlich 
fließt. Bei 330V und 100µF und 1ms komme ich auf 16,5A während dieser 
1ms. Mit 400µF wären es 66A. Die 1ms ist allerdings wirklich kein 
zuverlässiger Wert und daher sind das eventuelle Durchschnittswerte. 
Genausogut könnte ich würfeln.

Zwei Fragen noch:
Kann ich den Strom sinnvoll begrenzen?
Suppressordiode nicht lieber an de µC? Dann ist der 270 Ohm Widerstand 
noch davor und die Diode hat weniger zu tun, außerdem muss ihre 
Kapazität nicht mitgetrieben werden.

von Michael B. (laberkopp)


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Mark schrieb:
> Hat da jemand passende Bauteile im Hinterkopf?

CT40TMH-8, RJP5001APP-M0 (und RJP4301, RJP4009, RHP4010, RJP4013)

https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-9006.pdf
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/ANDTIG065E8-D.PDF

von Falk B. (falk)


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@Mark (Gast)

>herauszufinden bzw. abzuschätzen, wie viel Strom denn tatsächlich
>fließt.

Das kann man mit einer passenden Stromzange messen. Die gibt es im 
3stelligen Ampere-Bereich und die sind auch hinreichend schnell z.B. 
PR630 von LEM (600A, 20kHz)

>Kann ich den Strom sinnvoll begrenzen?

Gute Frage, keine Ahnung.

>Suppressordiode nicht lieber an de µC?

Nein.

>Dann ist der 270 Ohm Widerstand
>noch davor und die Diode hat weniger zu tun,

Darum geht es nicht. Die Diode sirbt im Fehlerfall den Heldentot und 
endet als Kurzschluß. Damit schützt sie deinen uC.

> außerdem muss ihre
>Kapazität nicht mitgetrieben werden.

Das ist auch egal, zumal du ja eh "langsam" schalten sollst. Außerdem 
funktioniert das so nicht. Im Fehlerfall liegt die Klemmspannung bei 
über 10V, da wird dein uC gegrillt. Liegt die Diode aber am Gate, ist da 
noch der Widerstand dazwischen und es fließen nur ein paar mA in den uC, 
das hält der aus.

von Mark (Gast)


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Ich fasse mal zusammen:

Der kleine TIG065E8 könnte mit 400µF funktionieren, vielleicht aber auch 
nicht. Hängt dann wohl stark von den Elkos, der Röhre und dem Aufbau ab, 
die genauen Daten der parasitären Eigenschaften kann man ohne 
praktischen Aufbau nicht vorhersagen. Vorteil wäre die extrem einfache 
Ansteuerung.

Mit den von Michael vorgeschlagenen Teilen kann man >1000µF noch 
schalten, ohne dass die sich beschweren (siehe Datenblätter). Dazu 
bräuchte ich allerdings 15V bzw. 28V als zusätzliche Steuerspannung und 
einen Gate-Treiber. Letzteren könnte man vermutlich sehr einfach 
gestalten, indem man die Versorgungsspannung hochohmig an das Gate legt 
und mit einem einfachen Trasistor das Gate lediglich ausschaltet, dann 
braucht es allerdings eine separate Ansteuerung für den Impulstrafo, 
hier ginge aber ein kleiner Thyristor oder irgendwas anderes. Größerer 
Schaltaufwand, aber deutlich robuster das Ganze.


Ich werde nach meinem Urlaub mal den kleinen bestellen und ihn mit 400µF 
quälen, wenn er nach exzessivem Testen stirbt nehme ich einen dickeren 
und mehr Kapazität.

von Petra (Gast)


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Den Strom kannst Du auch mit einer Rogowski Spule messen:

http://www.pemuk.com/

von Harald W. (wilhelms)


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Mark schrieb:

> Hat da jemand passende Bauteile im Hinterkopf? Zunächst nur der IGBT.

Früher(tm) hat man in sog. Computerblitzen Thyristoren benutzt.
Die hatten, trotz der recht kleinen Gehäuse, keine Probleme mit
dem Schalten der grossen Ströme.

von Brummbär (Gast)


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Schau doch mal hier rein: http://impulsite.ru/

Dort finden sich Schaltpläne vieler Blitzgeräte. Keine Originalpläne, 
sondern selber aufgenommen. Trotzdem kannst Du dort gut sehen, wie es 
die Profis machen. Vielleicht ist es ja als Inspiration geeignet.

von Brummbär (Gast)


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Hier ein Beispielplan einey Yongnuo-Blitzgerätes: 
http://impulsite.narod.ru/yn/560/6a11897a715e.png

von MiWi (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Mark schrieb:
>
>> Hat da jemand passende Bauteile im Hinterkopf? Zunächst nur der IGBT.
>
> Früher(tm) hat man in sog. Computerblitzen Thyristoren benutzt.
> Die hatten, trotz der recht kleinen Gehäuse, keine Probleme mit
> dem Schalten der grossen Ströme.

Die haben aber anders funktioniert:

die Röhre wurde gezündet und dann wurde zum Abschalten die Restladung 
über den Thyristor kurzgeschlossen. Es war also nur mehr Reste an Ladung 
im Kondensator.

Siehe dazu auch Wikipedia:
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Computerblitz_2.png

oder hier:
https://www.mikrocontroller.net/attachment/261384/Schaltplan_UNOMAT_B24.jpg

MiWi

von Brummbär (Gast)


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MiWi schrieb:
> die Röhre wurde gezündet und dann wurde zum Abschalten die Restladung
> über den Thyristor kurzgeschlossen. Es war also nur mehr Reste an Ladung
> im Kondensator.

Heutige Blitze verwenden meist immer noch einen Thyristor - sie zünden 
indem ein Thyristor eine Zündspule aufgeladene kurzschließt. An der 
Röhre liegen ca. 400V.

Zum Abschalten wird die Betriebsspannung der Blitzröhre mittels IGBT im 
richtigen Zeitpunkt unterbrochen.

von Harald W. (wilhelms)


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MiWi schrieb:

> Die haben aber anders funktioniert:
>
> die Röhre wurde gezündet und dann wurde zum Abschalten die Restladung
> über den Thyristor kurzgeschlossen. Es war also nur mehr Reste an Ladung
> im Kondensator.

Das war noch früher mit sog. Quenchröhren. Die Thyristoren lagen
im Hauptstromkreis und haben diesen abgeschaltet. Die Restladung
verblieb im Blitzkondensator und verkürzte die Blitzfolgezeit bis
zum nächsten Blitz.

von Mark (Gast)


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Danke für die vielen tollen Antworten. Gerade die Schaltpläne sind 
super.

Der aktuelle Yongnuo macht es ja im Prinzip so wie ich in meiner 
Alternative vorgeschlagen habe. Die Spannungen werden da allerdings 
recht aufwendig erzeugt, aber klappen tut das bestimmt gut. Das größte 
Problem bleibt das Abschalten des Blitzstroms, hier eben über einen 
soliden IGBT gelöst.

Zu den "früher(tm)"-als-alles-besser-war-Beiträgen: Die ersten 
regelbaren Blitze haben tatsächlich eine zweite abgedunkelte sog. 
Quenchröhre gezündet um den ohnehin schon Quasi-Kurzschluss der 
Blitzröhre so richtig kurzzuschließen. Es ging immer die gesamte Ladung 
des Blitzelkos verloren. Irgendwann hat man dann Thyristoren verwendet. 
Immer noch alles futsch.

Danach hat man dann mit einem Thyristor die Blitzröhre gezündet und zum 
Ausschalten einen kleinen Elko über einen weiteren Thyristor 
kurzgeschlossen, der dann am ersten Thyristor die Spannungsverhältnisse 
dreht und diesen löscht. Man behielt einen Großteil der Ladung, konnte 
aber nur begrenzt runterregeln. Minimum war die Energie des kleinen 
Elkos. Ansteuerung auch nicht ganz ohne. Aber ein Fortschritt.

Heutzutage passiert es bei handhabbaren Leistungen über IGBTs. Bei 
Miniblitzen mit so simplen Schaltungen wie in der von mir verlinkten 
AppNote. Bei größeren Kompaktblitzen mit ernsthafteren IGBTs und etwas 
aufwändigerer Spannungsversorgung wie im Yongnuo. Bei Studioblitzen mit 
vorher eingestellter Spannung und schaltbaren Kondensatorbänken.

Was ich will: Die modernste Variante nutzen, also einfach anzusteuernde 
IGBTs, und dabei etwas mehr Bumms als aus Ausklappblitzen holen. Falls 
das nicht reicht, die mittlere Variante.

von MiWi (Gast)


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Brummbär schrieb:
> MiWi schrieb:
>> die Röhre wurde gezündet und dann wurde zum Abschalten die Restladung
>> über den Thyristor kurzgeschlossen. Es war also nur mehr Reste an Ladung
>> im Kondensator.
>
> Heutige Blitze verwenden meist immer noch einen Thyristor - sie zünden
> indem ein Thyristor eine Zündspule aufgeladene kurzschließt. An der
> Röhre liegen ca. 400V.
>
> Zum Abschalten wird die Betriebsspannung der Blitzröhre mittels IGBT im
> richtigen Zeitpunkt unterbrochen.

I-tüpfelreiten kann ich auch:

heutzutage wird der Blitz wird durch den selben IGBT über einen 
seperaten Zweig mit Zündspule gezündet wie er nach genügend Helligkeit 
wieder abgeschaltet wird.

Nur so als Beispiel: AN95 von LT, Fig. 6.

Da ist nix mehr mit seperatem Thyristor...


MiWi

von Harald W. (wilhelms)


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Mark schrieb:

> Zu den "früher(tm)"-als-alles-besser-war-Beiträgen:

Das habe ich nicht behauptet, sondern nur, das man damals mit
recht einfachen Schaltungen geregelte Blitzgeräte gebaut hat,
die über Jahre zuverlässig funktioniert haben.

> Danach hat man dann mit einem Thyristor die Blitzröhre gezündet und zum
> Ausschalten einen kleinen Elko über einen weiteren Thyristor
> kurzgeschlossen,

Schaltungen zur Löschung von Thyristoren arbeiteten auch bei
anderen Anwendungen, z.B. Stromrichtern, genauso; allerdings
mussten die Blitzthyristoren deutlich schneller sein.

Die "kleinste, einstellbare Leistung" ergab sich m.E. auch durch
die nötige Schaltgeschwindigkeit im µs-Bereich, die man damals
vielleicht noch nicht ganz so gut beherrschte wie heute.
Sind da IGBTs denn wirklich soviel schneller?
"Thyristorblitzgerät" war damals übrigens ein Synonym für Blitze,
die durch behalten der Teilladung im Blitzelko eine kürzere Blitz-
folgezeit ermöglichteten.

> Heutzutage passiert es bei handhabbaren Leistungen über IGBTs.

Irgendwie habe ich den Eindruck, das die IGBT-Schaltungen garnicht
soviel einfacher sind, wie die damaligen Thyristorschaltungen.

von Brummbär (Gast)


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MiWi schrieb:
> Nur so als Beispiel: AN95 von LT, Fig. 6.
> Da ist nix mehr mit seperatem Thyristor...

Interessant. Danke für den Hinweis.
Mit solch "modernen" Blitzen hatte ich bisher noch nicht zu tun.

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