Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frage zur Berechnung & Auslegung (Spannungsspitze)


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von Stephan J. (meisterbratac)


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Sehr geehrte Community,

seit ein paar Wochen habe ich großes Interesse an Elektronik gefunden 
und beschäftige mich seit dem mit den Grundlagen. Zum Geburtstag habe 
ich mir einen Arduino schenken lassen (hier nicht das Thema), um die 
Theorie lineare Bauteile, Stromrichtung et cetera besser zu verstehen.

Ich habe auf dieser tollen Seite schon viele Antworten gefunden und 
gerade die Basics (Transistoren, etc.) sind verständlich geschrieben. 
Bei all den sehr erfahrenen Leuten hier traue ich mich eigentlich gar 
nicht zu schreiben, aber ich komme nicht weiter.

Wichtig vorab: es geht um keine Schaltung, sondern bevor ich hier 
einfach schreibe "was muss ich denn nehmen wenn ich[...]" wollte ich die 
Grundlagen verstehen.
Damit es keine falschen Aufregungen gibt - wenn die Frage saudämlich ist 
liegt es nicht daran, dass ich hier nicht schon mehrfach auf 
"Elektronikkompendium, die Suche, ander Quellen etc." gestoßen bin, 
sondern weil ich durch die jungfräulichkeit dieses Themas für mich 
einfach wahrscheinlich auch falsche Begriffe verwende.

Zum Punkt un dendlich zur Frage!
Es muss doch eine allgemeine Möglichkeit geben die rückwirkende, 
negative Spannungsspitze einer induktiven Last (Motor) zu bestimmen um 
Bauteile korrekt zu dimensionieren, oder irre ich?

Auch hier im Forum geht es oft um die Frage des richtigen Transistors. 
Dann wird auf Basisstorm und -(vor)widerstände eingegangen und Last.
Aus diesem Grund und weil man sehr oft auch Schaltungen sieht wo 
zwischen induktiver Last und BJT/MOSFET nur Leitung ist frage ich mich, 
wie der Transistor entsprechend auf rückwirkende Spannung ausgelegt ist?

Oder anders - müsste man das doch auch berechnen können um überhaupt 
entscheiden zu können, ob Freilaufdiode oder nicht und wenn welche, 
oder?

Entweder ist das so simpel und ich versteh es einfach nicht, oder ich 
denke zu kompliziert... keine Ahnung. Aber an dem Thema sitz ich jetzt 
schon ein paar Taage.
Vielleicht laufe ich auch nach einer kompetenten Antwort rot an und 
möchte im Boden versinken, aber jetzt aktuell weiß ich einfach nicht 
weiter und würde es endlich gern verstehen.

Deshalb - gern Kritik, aber bitte bitte verständliche und dafür vorab 
besten Dank!
PS: Formeln etc. hab ich mal weg gelassen, um keinen Roman zu schreiben 
^^

von MaWin (Gast)


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Stephan J. schrieb:
> Es muss doch eine allgemeine Möglichkeit geben die rückwirkende,
> negative Spannungsspitze einer induktiven Last (Motor) zu bestimmen

Nein. Man weiss zwar wie viel Energie in der Spüle steckt, man weiss 
aber nicht wie viel von dieser Energie beim Abschalten in der 
Wicklungskapazität der Spule verschwindet und wie viel aussen noch 
aufgefangen werden muss. Der Wert schwankt zu dem mit der Spannung die 
man erlaubt. Man kennt also nur einen Maximalwert. Beim Motor geht auch 
noch die bewegte Masse mit ein, schlecht wenn das Auto gerade einen Berg 
runterrollt.

> um Bauteile korrekt zu dimensionieren,

Die Lösung heißt Freilaufdiode (und wenn die Lösung mal nicht angemessen 
ist, gibt es noch Zener-Clamp, Snubber und Avalanche-rated-Transistor).

von Egon D. (egon_d)


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Stephan J. schrieb:

> Bei all den sehr erfahrenen Leuten hier

Ach Gott.


> traue ich  mich eigentlich gar nicht zu schreiben,
> aber ich komme nicht weiter.

Nur keine Hemmungen.


> Damit es keine falschen Aufregungen gibt [...]

Das ist kein Maßstab... irgendjemand regt sich immer
auf :)
Mein Rat: Hoffe auf hilfreiche Antworten -- aber lass
Dich von dämlichen Antworten nicht aus der Fassung
bringen.


> Zum Punkt un dendlich zur Frage!
> Es muss doch eine allgemeine Möglichkeit geben die
> rückwirkende, negative Spannungsspitze einer
> induktiven Last (Motor) zu bestimmen um Bauteile
> korrekt zu dimensionieren,

Hat MaWin schon beantwortet: Nein.


> oder irre ich?

Ja.
Die Induktivität "versucht", den fließenden Strom
konstantzuhalten; welche Spannung auftritt, hängt von
dem Widerstand ab, den der Strom vorfindet.
Bei einer richtig eingebauten Freilaufdiode ist der
Widerstand für den Strom gering, also ist auch die
Spannung gering.

Mechanischer Vergleich: Die Kraft, die man zum Abbremsen
einer bewegten Masse braucht, kann man auch nicht
allgemeingültig angeben -- die hängt nämlich von der
Bremszeit ab!


> Auch hier im Forum geht es oft um die Frage des
> richtigen Transistors. Dann wird auf Basisstorm
> und -(vor)widerstände eingegangen und Last.
> Aus diesem Grund und weil man sehr oft auch
> Schaltungen sieht wo zwischen induktiver Last und
> BJT/MOSFET nur Leitung ist frage ich mich,
> wie der Transistor entsprechend auf rückwirkende
> Spannung ausgelegt ist?

Ohh... Vorsicht: Zahlreiche MOSFETs sind "avalanche-
rated", d.h. man findet im Datenblatt eine Angabe,
wieviel Energie sie bei kurzen Überlastungen
("Lawinendurchbruch") aushalten können, ohne kaputtzugehen.
Verwendet man solche FETs, kann man u.U. die Freilaufdiode
einsparen; das kann man ausrechnen. Bei bipolaren
Transistoren sind mir keine mit avalanche-rating bekannt;
da ist also eine Freilaufdiode Pflicht.


> Oder anders - müsste man das doch auch berechnen können
> um überhaupt entscheiden zu können, ob Freilaufdiode
> oder nicht

Ja -- siehe oben: Bei Bipolar immer Freilaufdiode; bei
FET kann man sie einsparen, wenn avalanche-rating passt.
Andererseits schadet sie auch nicht.


> und wenn welche, oder?

Das ist einfach: Sperrspannung größer als normale Betriebs-
spannung; Durchlassstrom größer als normaler Betriebsstrom
der Last.

von Georg (Gast)


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Egon D. schrieb:
> Die Induktivität "versucht", den fließenden Strom
> konstantzuhalten;

Das heisst auch, die Spannungsspitze ist umso höher, je schneller man 
die Induktivität abschaltet - bei einem hart abschaltenden mechanischen 
Kontakt bildet sich daher leicht ein Lichtbogen, der den Kontakt 
zerstört. Wirklich augenblicklich abschalten geht daher nicht wirklich, 
dabei würde die Spannung unendlich hoch, was kein Schalter aushält. 
Nebenbei bemerkt, so wurde früher der Zündfunke für den Automotor 
erzeugt mit > 10 kV.

Eine Freilaufdiode begrenzt diese Spannung auf ihre Durchlassspannung, 
was aber dazu führt, dass der Strom nur relativ langsam absinkt, was 
auch nicht immer erwünscht ist. Dann muss man die Abschaltspannung höher 
werden lassen, z.B. mit Hilfe einer Zenerdiode, um schnell abzuschalten, 
aber das führt für den Moment zu weit.

Stephan J. schrieb:
> Es muss doch eine allgemeine Möglichkeit geben die rückwirkende,
> negative Spannungsspitze einer induktiven Last (Motor) zu bestimmen

Klar gibt es die, für den Zusammenhang zwischen der 
Änderungsgeschwindigkeit des Stroms und der Spannung gilt beim 
Abschalten die selbe Gleichung wie beim Einschalten (Ul = L x dI/dt), 
man kann so berechnen, wie schnell der Strom bei einer bestimmten 
Spannung ansteigt oder abfällt, oder man rechnet aus, wieviel Spannung 
man braucht, um den Spulenstrom in der gewünschten Zeit abzuschalten.

Solange es nicht um besonders schnelles Schalten geht ist eine 
Freilaufdiode IMMER vorzusehen.

Georg

von Stephan J. (meisterbratac)


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Georg schrieb:
> Ul = L x dI/dt

Hallo und allen erstmal vielen Dank für die Antworten :)

@Georg
Nach deiner Formel konnte ich nun auch wieder eine passende Grundlagen 
finden die ich vorher nicht hatte, vielen Dank.
(Link: 
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-induktion/grundwissen/selbstinduktion-und-induktivitaet)

Nun ergibt sich eine neue Frage!
Wie kann diese in der Praxis verwendet werden?
Ich habe jetzt einfach mal für das Verständnis bei Conrad nach einem 
DC-Motor gesucht. Diese scheinen in vielen Anwendungen verbaut zu sein. 
(Robotik, Lüfter, RC-Cars, Scheibenwischer und vieles mehr ^^)

Natürlich ist bei diesem weder L, noch eine der anderen vielen tollen 
Größen aus der klassischen Schulphysik angegeben.
(https://www.robotshop.com/de/de/gebursteter-gleichstrommotor-6v-11500-u-min.html)

Okay, nach kurzem suchen weiß ich nun das es auch "LCR-Meter" gibt. mit 
diesem könnte ich also für oben stehende Formel die Induktivität L 
messen.
Auch kann man ablesen das (hoffentlich habe ich das richtig verstanden) 
I max. hier 800mA wären. Das ist der Haltestrom.
(Also der Strom der max. durch den Motor (ohne Zerstörung) aufgebracht 
wird, um "unter Last" loszufahren...?)
Bei normalem Betrieb und abhängig der Last ist 70ma<I<800mA, korrekt?
Das heißt man könnte einfach mit dem worst-case 800mA rechnen.

Verwenden kann ich die Formel aber noch nicht, da mir dt fehlt.
Aus meinem technischen Verständnis kann es hierfür keine feste Größe 
(dI/dt) geben, da diese je nach Lagerung, Wicklung, Größe, ... 
unterschiedlich sind.
Wenn ich jetzt eine Schaltung machen würde (traue ich mir noch nicht zu) 
könnte man mittels Amperemeter und Stoppuhr die Änderungsrate bestimmen.
Aber ich möchte ja vorher wissen wie ich die Schaltung aufbaue, damit 
mir nicht alles um die Ohren fliegt ^^
Oder gibt es dafür noch eine andere Möglichkeit?

PS: Habe leider erst jetzt das gefunden 
(Beitrag "Freilaufdiode dimensionieren"), allerdings auch ohne 
Klärung.
Allerdings mit der Aussage Diode = max. Betriebsstrom - also hier 800mA 
+ 20% (?) Reserve.
Weiter unten geht es noch um PMW, aber so weit bin ich ja noch nicht ^^

Abermals vielen Dank!

von Günter Lenz (Gast)


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von Stephan J. schrieb:
>Zum Punkt un dendlich zur Frage!
>Es muss doch eine allgemeine Möglichkeit geben die rückwirkende,
>negative Spannungsspitze einer induktiven Last (Motor) zu bestimmen um
>Bauteile korrekt zu dimensionieren, oder irre ich?

Wenn man den Strom einer induktiven Last abschaltet
induziert die induktive Last theoretisch eine
unendlich hohe Spannung. Praktisch wird die Spannung
aber nicht unendlich hoch, weil es irgendwo einen
Funkenüberschlag gibt oder die Isolation in einem
Bauteil durchschlagen wird, zum Beispiel Sperrschicht
in einem Transistor, oder es kommt zu einer Schwingung
mit der parasitären Kapazität der induktiven Last mit
sehr hoher Amplitude. Also muß die Spannung irgedwie
begrenzt werden damit nichts kaputt geht.

von HildeK (Gast)


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Stephan J. schrieb:
> Verwenden kann ich die Formel aber noch nicht, da mir dt fehlt.
> Aus meinem technischen Verständnis kann es hierfür keine feste Größe
> (dI/dt) geben, da diese je nach Lagerung, Wicklung, Größe, ...
> unterschiedlich sind.

Das dt ist die Stromänderungsgeschwindigkeit. Die hängt davon ab, wie 
schnell deine Ansteuerung abschaltet. Es ist also keine Eigenschaft vom 
Motor etc., sondern vom Schalter. Ein mechanischer Kontakt ist schnell, 
ein Transistor nicht ganz so schnell.

Stephan J. schrieb:
> Allerdings mit der Aussage Diode = max. Betriebsstrom - also hier 800mA
> + 20% (?) Reserve.

Die Diode liegt in Sperrichtung zur Betriebsspannung, muss also mehr 
Sperrspannung aushalten als die Betriebsspannung ist. Mehr liegt an ihr 
nie an.
Die o.g. Formel brauchst du nicht, sie gibt nur Infos, was für eine 
Spannung auftreten würde, wenn du keine Diode eingebaut hast. Und 
diese Spannung + UB müsste dann der Transistor aushalten. Das können 
mehrere/viele hundert Volt sein, bis er eben nachgibt.
Ist die Diode aber drin, so steigt die Spannung auf nicht mehr als ihre 
Flussspannung an; der Transistor sieht dann nicht mehr als die 
Betriebsspannung + die Diodenflussspannung.

Der maximale Strom durch die Diode richtet sich nach dem Stromfluss 
durch den Motor beim Abschalten. Auf der sicheren Seite bist du 
natürlich mit dem Anlaufstrom +20% Reserve.

Bei Motoren ist die Reserve sinnvoll, weil sie beim Auslaufen als 
Generator wirken; bei Relaisspulen darf man sogar darunter bleiben, denn 
Dioden halten für sehr kurze Zeit ein mehrfaches ihres Nennstroms aus. 
Und der Strom fließt da wirklich nur für sehr kurze Zeit.

von Günter Lenz (Gast)


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von Egon D. (egon_d)


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Stephan J. schrieb:

> Verwenden kann ich die Formel aber noch nicht, da
> mir dt fehlt. Aus meinem technischen Verständnis
> kann es hierfür keine feste Größe (dI/dt) geben, da
> diese je nach Lagerung, Wicklung, Größe, ...
> unterschiedlich sind.
> Wenn ich jetzt eine Schaltung machen würde (traue ich
> mir noch nicht zu) könnte man mittels Amperemeter und
> Stoppuhr die Änderungsrate bestimmen. Aber ich möchte
> ja vorher wissen wie ich die Schaltung aufbaue, damit
> mir nicht alles um die Ohren fliegt ^^

Du liest nicht aufmerksam.

Oben wurde schon erklärt, dass die Spannungsspitze dann
auftritt, wenn sich der Strom plötzlich ändert . Die
Freilaufdiode sorgt aber dafür, dass der Strom sich
nicht plötzlich ändert , sondern erstmal einfach
weiterfließen kann.

von Georg (Gast)


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Stephan J. schrieb:
> Natürlich ist bei diesem weder L, noch eine der anderen vielen tollen
> Größen aus der klassischen Schulphysik angegeben.

Wenn man einen Gleichstrommotor mit Gleichstrom betreibt - was ja nicht 
ganz abwegig ist - spielt das auch keine grosse Rolle. Die Motordrehzahl 
wird eingestellt durch den Strom, der durch den Motor fliesst, soll der 
höher werden, so muss eine höhere Spannung angelegt werden, so dass der 
Strom ansteigt, dafür sorgt aber normalerweise die Regelung. Soll also 
der Motor beschleunigen, so muss die angelegte Spannung gross genug sein 
für den DC-Widerstand plus der zusätzlichen Spannung um den Strom nach 
der besprochenen Formel ansteigen zu lassen. Wie gesagt übernimmt das 
die Regelung, die erhöht einfach solange die Spannung bis der gewünschte 
Strom erreicht ist. Muss der Motor abgebremst werden, wird die Spannung 
durch den Regler erniedrigt, bei schnellem Abbremsen notfalls bis zu 
einer Gegenspannung. Für gleichbleibende Drehzahl ist nur der 
DC-Widerstand massgebend, L spielt keine Rolle. Nur für hochdynamische 
Antriebe mit schnellen Drehzahlwechseln fällt L des Motors ins Gewicht.

Bei PWM ist das anders, aber soweit bist du ja nicht...

Georg

von dirk (Gast)


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Viel Spass bei der Elektronik und Gruss zum Wochenende.

Meiner Kenntnisse und Erfahrungen
nach sind alle Parameter der beteiligten
Komponenten relevant,
 magnetisches Material
 Innenwiderstand der Spule/n
 delta t Gegebenheiten
 Halbleiterverhalten und deren
  Ansteuerung
 gar der Aufbau und Kontakt
  Gegebenheiten.

Bei anfänglicher Elektronik will man,
 und muss man auch die Parameter,
 welche die erfahrenen Konditionen
bestimmen, messen, um damit umgehen zu können.
Um da sicher zu gehen,
ist es wohl ein/das Anliegen des TO,
 mit entsprechender Fragestellung.

Es gibt einfache Mess(s)chaltungen,
 hier Spannungsspitzen Detektoren,
 eventuell mit Sample and Hold
 ( weit besser, als sein Oszi zu riskieren),
 die kann man,
 von ab anfänglich als (Hobby-)Elektroniker realisieren.
Im real mitmenschlichen sind mir  Profis
im Alltag/und der Woche,
als Ratschlag für den TO, bekannt;
 und das ist wichtig in dem Zusammenhang und der Vielfalt.
Profis mit voller Ausstattung und Labor
in regionalen Gegebenheiten und Lehre.

Das hier, ist aber eine naive Darstellung
von mir.

Schönes Wochenende noch.
Dirk St

von Stephan J. (meisterbratac)


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@Günther Lenz
Vielen Dank. Ja ich habe mir auch die U/I Diagramme bei Ein- und 
Ausschalten angeschaut. Das erklärt den Verlauf und die 
entgegengesetzten Kennlinien ganz gut (für mich ^^).
Die „parasitären Größen“ musste ich mir am Samstag erstmal anschauen und 
ich glaube den Anfang habe ich soweit mal verstanden.
Die sind der Grund warum manche so „großzügig“ runden, oder?
Das mit den Varistoren habe ich mir versucht anzuschauen, aber noch 
nicht so ganz verstanden.
Dennoch danke für den Hinweis 😊

@HildeK
Du hast wahrscheinlich genau gemerkt, was mir an Info gefehlt halt! :D
Nach deiner Erklärung, völlig klar. Danke

Ich habe anschließend nach einem passenden BJT zu dem rausgesuchten 
Motor gesucht.
Okay… „ich wollte“ ^^ Nach dem ich irgendwie keinen richtigen gefunden 
habe, hab ich nach einem mit wenigstens passender Spannung geguckt.
Von den gab es aber keinen mit einem Datenblatt, in dem auch etwas über 
Schaltzeit (T_r bzw. T_off – wenn ich es richtig „eucosiat“ habe :P) 
stand. Beispiel Conrad BC368-D.
Oder hab ich da einfach einen falschen erwischt?
Du hast dann geschrieben, dass ich die Formel nicht brauche.
Wenn ich allerdings schauen möchte, ob ein MOSFET mit entsprechender 
Lawinendurchbruchsspannung standhalten würde wäre diese wieder relevant, 
korrekt?
Vielen Dank für die Erläuterung mit der Flussspannung + UB, das war mir 
noch nicht so richtig klar.

@Egon
Danke für den erneuten Hinweis, aber ich habe das schon richtig gelesen. 
Wenn ihr mich so entgegenkommend aufnehmt und euch die Zeit nehmt auf 
mein Anfängerquatsch einzugehen, wäre es ja wohl sehr dreist mir keine 
Gedanken über Eure Infos zu machen.
Vielmehr war es der Wunsch das ursprüngliche Problem erstmal zu klären.
Ich finde gerade am Anfang mit der Elektronik hat es mir bis hierher 
viel geholfen jede/n Frage/Gedanken erst zu Ende zu bringen und nicht 
hin und her zu springen. Ich denke das ich sonst an anderer Stelle 
wieder auf das gleiche Problem stoßen könnte und dann sitz ich wieder da 
und guck nicht schlauer aus der Wäsche^^
Ich hoffe also, dass ich Dich mit der erneuten Frage nicht verärgert 
habe. Es sollte nur dem Lernprozess dienen.

Das "plötzliche" habe ich doch aber auch mit einem Handschalter, oder 
mit einer PWM - also in jedem Fall, oder sind die Zeiten da so 
unterschiedlich?
Finde es noch schwer mir Nano- und Millisekunden vorzustellen. ^^

@Georg
In der Zwischenzeit habe ich auch etwas über PWM gelesen.
Das kann de Arduino auch 😊
Daher bin ich auch völlig auf deiner Seite bzgl. DC-Motoren und 
DC-Betrieb :D
Auch diese schaltet ja maximal (sofern es richtig gemacht wurde ^^) mit 
der Geschwindigkeit des BJT.
Für die oben genannte Formel wäre hier dann die T_off Zeit relevant?

@Dirk
Danke, ich denke wenn ich erstmal den richtigen Einstieg gefunden habe 
würd das wohl ein lebensbegleitendes Hobby. Aber dafür muss ich noch 
seeeehr viel lesen und lernen.
Was ist ein „TO“? Hab irgendwie nichts passendes dazu gefunden.
Das mit den Messschaltungen muss ich mir erstmal wieder in Ruhe 
anschauen.

Wenn ich weitere Anschlussfragen habe, hier weiter schreiben oder einen 
neuen Thread aufmachen? Mag irgendwie euer Kompetenzzentrum hier nicht 
vollmüllen :(
Euch nochmal vielen Dank und bei der Gelegenheit schonmal  eine schöne 
Adventszeit 😊

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