Hallo Leute,
ich bin relativer Anfänger in Sachen Elektrotechnik und beschäftige mich
seit ein paar Wochen mit dem uradmonitor kit1, einem open source
Geigerzähler für Beta- und Gammastrahlung:
https://github.com/radhoo/uradmonitor_kit1
Dazu gibt es das angehängt Schema.
Ich habe mir die Platine drucken lassen und selbst bestückt. Da das
Geiger-Müller-Zählrohr eine Spannung von ca. 400V benötigt, erzeugt ein
Atmega328P ein PWM-Signal von 13kHz (warum 13 kHz?) mit variablem Duty
cycle. Soweit verstehe ich das Ganze.
Das Signal geht dann über einen 2N2907 und MPSA42 in eine
Hochspannungskaskade (3 Dioden, 3 Kondensatoren). Dazu gibt es noch eine
Induktivität von 2.2 mH. Die erzeugte Spannung wird über einen
Spannungsteiler vom Atmega328P gemessen und dann ggf. der duty cycle
erhöht, wenn die Spannung zu niedrig ist bzw. umgekehrt.
Nun ist mir einiges unklar ... ich verstehe soweit, dass die
Hochspannungskaskade eine Wechselspannung (in diesem Fall ein
PWM-Signal) benötigt, die gleichgerichtet wird.
Aber wieso geht das PWM-Signal zuerst über zwei Transistoren und warum
ist der zweite Transistor ein MPSA42 und kein häufig verwendeter
Standardtransistor der 2Nxxxx Reihe? Hinter den Transistoren ist
außerdem eine Induktivität, die mit der Gleichspannungsversorgung von
ca. 3V verbunden ist.
Meine Platine schafft leider nur ~320V bei einem duty cycle von 90%
(Maximum im Code). Im Internet steht, dass der Innenwiderstand der
Induktivität im Bereich von 10Ω liegen sollte, was jedoch laut
Datenblatt bei der von mir verbauten Induktivität erfüllt wird.
Eine andere Fehlerquelle sei die Qualität des MPSA42, leider ist die
Auswahl z.B. bei Conrad jedoch nicht besonders groß.
Ich habe nun vor eine weitere unbestückte Platine bei den relevanten
Teilen mit Buchsenleisten zu bestücken, um ein paar unterschiedliche
Induktivitäten ausprobieren zu können ohne viel Löten zu müssen. Kann
die Verwendung von Buchsen die resultierende Spannung beeinflussen
(Skineffekt etc.)?
13kHz weil sie vermutlich grad eh vorhanden waren (ein anderweitig noch
benutzter Timer oder sowas).
Die Schaltung lebt von der Spannungsspitze der besagten Induktivität,
den diese beim Abschalten erzeugt (vergleichs mal mit der Freilaufdiode
an einer Relaisspule). Darum auch der besondere Transistor - der ist
einfach spannungsfest genug, um zu überleben.
Die Schaltung ist eine Spar-Variante einer Hochspannungskaskade und
entspricht recht gut der Kaskade und dem Zeilentrafo eines alten
Röhrenfernsehers. Dort hat man auch den Spannungsstoß genutzt, den der
Zeilentrafo beim Abschalten erzeugt hat.
Nachteilig ist dort wie auch in deiner Schaltung, dass die Kaskade
selbst kaum ausgenutzt wird, denn dazu müsste die
Eingangswechselspannung einigermaßen symmetrisch sein. Das ist der
Spannungspuls aus der Spule leider nicht. Aber da dein Geiger-Zählrohr
ja fast keinen Strom braucht, reicht es normalerweise.
Sven P. schrieb:> Die Schaltung lebt von der Spannungsspitze der besagten Induktivität,> den diese beim Abschalten erzeugt (vergleichs mal mit der Freilaufdiode> an einer Relaisspule). Darum auch der besondere Transistor - der ist> einfach spannungsfest genug, um zu überleben.
Ich glaub jetzt sehe ich es. Der Transistor T1 dient also nur dazu, beim
Schalten die Spule mit GND zu verbinden? Dadurch wird schlagartig die im
Magnetfeld gespeicherte Energie freigegeben?
Ich weiß, dass die Schaltung nicht optimal ist um stabile 400V
herauszubekommen, aber die Alternativen würden eine Anpassung der
Schaltung erfordern. Ich will die noch unbestückten Platinen nicht
wegwerfen müssen.
Ich kann keinen anderen Verweis auf 13 kHz im Quellcode finden. Auch
eine Suche nach Atmega328P und 13 kHz ergibt nichts relevantes. Hat die
Frequenz vielleicht etwas mit der Schwingkreis/Induktivität zu tun?
Ich weiß nicht, welches Bauteil zu schlecht ist, um auf auf 400V zu
kommen. Bei anderen funktioniert das Design ja auch.
Kian K. schrieb:
>warum>ist der zweite Transistor ein MPSA42 und kein häufig verwendeter>Standardtransistor der 2Nxxxx Reihe?
Weil der eine hohe Spannung vertragen muß (max 300V),
Standardtransistoren halten die nicht aus.
> Hinter den Transistoren ist>außerdem eine Induktivität, die mit der Gleichspannungsversorgung von>ca. 3V verbunden ist.
Die Hohe Spannung entsteht beim abschalten des Stroms der
durch die Spule fließt. Je schneller das Magnetfeld
zusammenbricht um so höher ist die induzierte Spannung.
Theoretisch könnte sie unendlich werden, wenn es keine
Belastung, keine parasitere Kapazität, der Spulenkern
keine Verluste hat und keinen Weg gibt, wo sich die
Energie entladen kann.
Günter Lenz schrieb:> Die Hohe Spannung entsteht beim abschalten des Stroms der> durch die Spule fließt. Je schneller das Magnetfeld> zusammenbricht um so höher ist die induzierte Spannung.
Aber die Spule ist doch mit der 3V-Spannungsquelle verbunden. Wie kann
man dann den Strom durch die Spule abschalten?
Ich verstehe nicht, wie die Transistoren in dieser Schaltung
funktionieren. Warum leitet man nicht das PWM-Signal direkt in die
Spule?
Kian K. schrieb:
>Ich weiß nicht, welches Bauteil zu schlecht ist, um auf auf 400V zu>kommen. Bei anderen funktioniert das Design ja auch.
Vielleicht die Spule, die muß eine hohe Güte haben,
kapazitätsarm und darf nicht in magnetische Sättigung
kommen und der Kern muß verlustarm und für hohe
Frequenzen sein.
michael_ schrieb:> Und auch die Kondensatoren.>> Welche hast du genommen?
Da hab ich leider nur welche auf Amazon finden können mit 10nF/1kV.
Haben laut Multimeter etwa 10% Toleranz.
Ich habe natürlich auch schon darüber nachgedacht, ob es daran liegt. In
den Foren zum uradmonitor steht aber, dass die Güte der Kondensatoren
keine große Rolle spielt. Die Induktivität soll viel wichtiger sein.
Die Hochspannung Vo hängt sehr stark von den Dioden in der
Hochspannungskaskade ab.
https://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungskaskade
Leider habe ich kein Modell für BYV26E (die Diode ist vom Strom sehr
stark überdimensioniert und sind daher langsamer als schwächere Dioden)
BYV26E Average forward current = 1A Reverse recoverytime =
75nsRFU02VS8S Average forward current = 0,2A Reverse recoverytime =
25ns
Interessanter Link dazu:
http://www.opengeiger.de/IsiGeigerDoku.pdf
Kian K. schrieb:> Wie kann man dann den Strom durch die Spule abschalten?
Weil der Strom erst fließen kann, wenn der Transistor T1 durchgeschaltet
ist.
Wenn dieser wieder sperrt dann steigt durch die Induktionsspannung die
Spannung am Transistor rapide an.
Die linke Seite bis hinter die erste Diode hat die Topologie eines
Boost-Konverters, genau so wird sie auch wirken. Die anderen beiden
Dioden sind dann noch ein Spannungsverdoppler oben drauf.
Kian K. schrieb:> Günter Lenz schrieb:>> Die Hohe Spannung entsteht beim abschalten des Stroms der>> durch die Spule fließt. Je schneller das Magnetfeld>> zusammenbricht um so höher ist die induzierte Spannung.>> Aber die Spule ist doch mit der 3V-Spannungsquelle verbunden.> Wie kann man dann den Strom durch die Spule abschalten?
Strom fließt nur in einem geschlossenen Stromkreis.
GND ist "Return".
> Ich verstehe nicht, wie die Transistoren in dieser Schaltung> funktionieren. Warum leitet man nicht das PWM-Signal direkt> in die Spule?
Weil man bestimmt keinen µC findet, dessen Ausgang das könnte?
Sorry, aber Du weißt schon wirklich extrem wenig.
Ohne Kenntnis der einfachsten Fakten und Zusammenhänge
der Elektrotechnik kommt man bei Elektronik nicht weit.
Das solltest Du ändern - bevor Du so etwas machst.
Und es geht mir hier nicht einmal um die 400V... Du
wirst ganz einfach nicht mit Fragen stellen und/oder
Reparaturen, Nachkaufen etc. fertig, erreichst dabei
trotz viel Arbeit sicherlich nicht viel, (Beschäftigst
aber trotzdem Dich und auch dieses Forum (oder andere)
zur Genüge - falscher Ansatz, erst Theorie pauken...)
Einige "übrige" Platinen sind Dein geringstes Problem.
Die können sicher warten, bis Du ein Minimum drauf hast.
(Ansonsten erwarten sie vermutlich eh nur böse Qualen.)
Keine Angst, ich bin schon dabei das Buch "Grundlagen der
Elektrotechnik" von Gert Hagmann durchzuarbeiten. Mein Vorwissen
beschränkt sich hauptsächlich auf passive Bauteile.
Ich dachte man kann auch bei grundsätzlichen Verständnisfragen in Foren
einen Beitrag erstellen, aber einige sehen das ja immer kritisch. Ich
lerne anders als die meisten Menschen - ein Fakt der mich schon seit der
Schule begleitet. Ein Buch durchpauken bringt mir nur Frust ... ich
stürz mich lieber gleich in komplizierte Projekte und brauch nur ab und
zu einfach einen Denkanstoß von außen - den ich auch mehrfach von euch
bekommen habe.
Wer sich davon belästigt fühlt, dem kann ich nur sagen: Niemand zwingt
dich den Beitrag zu lesen oder zu antworten.
Ich habe den Quellcode des uradmonitor jetzt so angepasst, dass ich über
das Webinterface die PWM-Frequenz und den duty cycle im Betrieb ändern
kann.
Dazu habe ich mir ein Bash-Skript gebastelt, dass genug mögliche
Kombinationen von Frequenz und duty cycle durchprobiert und die Spannung
in einem Excel-Sheet notiert.
Dabei habe ich festgestellt, dass die gewünschte Spannung bei einer
Frequenz <10kHz schon mit einem duty cycle von 50% erreicht wird. Jetzt
steht nur noch die Frage aus, ob die 13 kHz eine besondere Bedeutung
haben.
Hans_Dampf schrieb:> Sind die 13 kHz evtl. in Wirklichkeit 12,5 kHz? In diesem Fall würde ich> behaupten, dass das clk_div8 fusebit noch gesetzt ist!
Im Quelltext steht folgendes:
#define INVERTER_FREQUENCY 13000UL // inverter frequency in Hertz
Beim Flashen werden folgende fusebits gesetzt:
avrdude <...> -U lfuse:w:0xDC:m -U hfuse:w:0xD7:m
Kian K. schrieb:> Meine Platine schafft leider nur ~320V
Dann kann es am falschen Drosseltyp liegen.
Wichtig ist, daß man eine Speicherdrossel (hohe Güte) und keine
Filterdrossel (hohe Dämpfung) nimmt.
Sven P. schrieb:> Die Schaltung ist eine Spar-Variante einer Hochspannungskaskade und> entspricht recht gut der Kaskade und dem Zeilentrafo eines alten> Röhrenfernsehers.
In Fernsehern hat man aber einen Trafo benutzt. Die hier benutzte
Schaltung nur mit Spule erscheint mir sehr auf Kante genäht und
wird nur funktionieren, wenn alle Bauelemente optimale Daten haben.
Speziell die Spule ist von der Dimensionirung her sehr kritisch.
Eine "Allerweltsspule" wird da nicht funtionieren.
Harald W. schrieb:> In Fernsehern hat man aber einen Trafo benutzt. Die hier benutzte> Schaltung nur mit Spule erscheint mir sehr auf Kante genäht und> wird nur funktionieren, wenn alle Bauelemente optimale Daten haben.> Speziell die Spule ist von der Dimensionirung her sehr kritisch.> Eine "Allerweltsspule" wird da nicht funtionieren.
Ein "Allerweltstrafo" wird im Fernseher auch nicht funktionieren, also
auch nicht weniger "auf Kante" als dieser altbewährte Aufwärtswandler.
Und immerhin muss dieser nur gerade mal ein paar hundert Volt aushalten
während es im Fernseher etliche zig Kilovolt waren.
Bernd K. schrieb:> Ein "Allerweltstrafo" wird im Fernseher auch nicht funktionieren, also> auch nicht weniger "auf Kante" als dieser altbewährte Aufwärtswandler.
Typisch für Aufwärtswandler mit Spule sind Faktoren von 3...10.
Alles darüber wird schwierig und bedarf einiger Spezialkenntnisse.
Kian K. schrieb:> Aber die Spule ist doch mit der 3V-Spannungsquelle verbunden. Wie kann> man dann den Strom durch die Spule abschalten?
Indem man den Transistor mal leiten, mal sperren läßt. Genau dafür ist
der da.
> Warum leitet man nicht das PWM-Signal direkt in die> Spule?
Weil das PWM-Signal der AVR8-Timer leider nicht zwischen "leitend" und
"sperrend" wechseln kann, sondern nur zwischen "leitend nach VCC" und
"leitend nach GND".
Dadurch kann sich nie eine hohe Selbstinduktionsspannung der Spule
ergeben, denn sie ist immer niederohmig belastet.
Kian K. schrieb:> michael_ schrieb:>> Und auch die Kondensatoren.>>>> Welche hast du genommen?>> Da hab ich leider nur welche auf Amazon finden können mit 10nF/1kV.> Haben laut Multimeter etwa 10% Toleranz.
Die Güte ist sehr wichtig.
Sowas von Pollin.
https://www.pollin.de/p/kondensator-200103
10 oder 12 nF wird keine Rolle spielen.
Auf alle Fälle Folie.
Evtl. haben die noch andere. Hab nicht gesucht.
Wegen der 13 kHz: Nehmen wir mal eine 8 Bit-PWM an, so muss der Timer
mit 256 * 13 kHz = 3,328 MHz getaktet weden.
Das ist ja nun nicht soo weit weg von den 8 MHz, die der Quartz hat.
Harald W. schrieb:> Es gibt bessere Erklärungen für Schaltnetzteile, z.B. hier:
Das beschreibt leider nur Abwärtswandler und außerdem noch 1000 andere
Dinge in epischer Breite. Es geht aber erstmal ums Prinzip des
Aufwärts(!)-Wandlers welches der OP verstehen möchte und davon steht auf
der verlinkten Seite kein einziges Wort.
Bernd K. schrieb:> Das beschreibt leider nur Abwärtswandler und außerdem noch 1000 andere> Dinge in epischer Breite. Es geht aber erstmal ums Prinzip des> Aufwärts(!)-Wandlers welches der OP verstehen möchte und davon steht auf> der verlinkten Seite kein einziges Wort.
Haralds Link ist natürlich ein wenig unglücklich gewählt.
(JRs "epische Breite" ist jedoch dem Anfänger-Verständnis
eher förder- denn hinderlich... mach's doch besser! ;-)
Kapitel 6 behandelt die klassischen/einfachen Drosselwandler,
Unterkapitel 6.1 nur den Abwärts- und erst das darauffolgende
Unterkapitel 6.2 den Aufwärtswandler.
[Erreichbar über "WEITER" am Ende von 6.1 oder direkt hier:
http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap6_2/Kapitel6_2.html#6.2]
Immerhin ist möglich, diesen Zusammenhang zu erkennen -
(...sofern man nicht bei der Erkenntnis "ha, dort geht es
aber um Ab- ..." sofort den Tab schließt, sondern liest.)
Kian K. schrieb:> aber einige sehen das ja immer kritisch (...)> Wer sich davon belästigt fühlt, dem kann ich nur sagen:> Niemand zwingt dich (...?)> den Beitrag zu lesen oder zu antworten.
Du spielst sicherlich auf diesen Teil meines Posts an:
muß da mal 'n rad schlagen schrieb:> Beschäftigst aber trotzdem (...) dieses Forum (o. andere)
Ignoriere diesen Teil doch, darum geht's nicht essentiell.
Kian K. schrieb:> Ich lerne anders als die meisten Menschen -> ein Fakt der mich schon seit der Schule begleitet.
Möglich, wenn auch in der Bedeutung, die Du wohl meintest
(du könnest nicht lernen, wie "normale Menschen" - was nur
bei Autismus oder so etwas wirklich zutreffen könnte), selten.
Auch egal - mir geht's eher um die offensichtlichen Fakten:
> Ein Buch durchpauken bringt mir nur Frust ...
Ich spreche nicht von Büchern. Sondern von "Reihenfolge".
Ein Minimum an Grundlagen vor allem anderen. So, wie das
jeder macht, der sich mit etwas beschäftigt. Und nicht, weil
deren Gehirn anders arbeitet, sondern weil m. o. w. in der
Natur jedes Dings liegt, zuerst das Grundlegende verstehen
zu müssen, bevor man weiteres verstehen kann ... deshalb
heißen "Grundlagen" ja so - darauf baut alles weitere auf.
(Menge: Inhalt eines kleinen Heftchens, nicht eines Buches.)
Und Du darfst mir glauben, daß dies im hier_thematisierten
Bereich ganz besonders ausgeprägt der Fall ist - ernsthaft.
> ich stürz mich lieber gleich in komplizierte Projekte und> brauch nur ab und zu einfach einen Denkanstoß von außen -> den ich auch mehrfach von euch bekommen habe.
Auch Quereinsteiger müssen die (für ihren Bereich) nötigen
Grundlagen checken, daran führt kein Weg vorbei, sonst bleibt
der Großteil des Erreichbaren Glückssache.
(Eine "andere Lernmethode" oder was auch immer ändert wenig
am nötigen Lehrstoff zum Begreifen - und bestimmte Dinge kann
man nicht überspringen.)
Du brauchst aber nicht zwingend "allumfassende" Grundlagen.
(O.g. Buch unbekannt, oft aber sind Lehrbücher allumfassend.)
Doch die, die Du brauchst für Dein(e) Vorhaben - wir kennen
bisher nur dieses hier - nicht den gesamten Bereich Deines
Interesses - sind unverzichtbar.
Würdest Du uns einen Überblick über Deine Selbstbau-Vorhaben
geben, ließe sich das eingrenzen. Mehr aber auch nicht...
Nochmals danke für eure Beiträge. Ich werde mir die Links auf jeden Fall
noch durchlesen.
Es liegt wohl absolut an der Induktivität. Ich habe ein paar weitere
ausprobiert, die ich leider schon vor euren Ratschlägen bestellt hatte.
Die 380V haben sie trotzdem nicht erreichen können, allerdings kamen sie
schon 50V näher dran. Ich denke mit einer Speicherdrossel wird es auf
jeden Fall besser klappen.
In der BOM ist die Drossel mit 2.2 mH angegeben. Ich denke davon werd
ich abweichen müssen um eine größere Produktauswahl zu haben.
Schließlich ist auf der Platine für die Drossel nicht sehr viel Platz,
da auf der rechten Seite eine Buchsenleiste ist.
Ich hatte im Forum von uradmonitor nachgefragt, ob 13 kHz eine spezielle
Bedeutung hat. Es geht wohl nur um Effizienz. Ein Mitglied meinte, dass
es unter 7 kHz mehr ripple auf der Hochspannung gibt.
schaltung.png
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