Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Überspannungsschutz für Messschaltung


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von Jonathan H. (jonathanh)


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Hallo zusammen,

für meine Arbeit an der Hochschule soll ich eine Strommesschaltung für
eine Verlustfaktormessung entwickeln. Im Anhang ist diese auch dabei.
Kurze Beschreibung: Die Hochspannungsquelle liefert zwischen 10kV und
100kV Wechselspannung (Effektivwert). Um variabel zu sein, was die Größe
des Kondensators (Bereich von 10pF bis 100nF) angeht, werden
verschiedene Shunts eingebunden. Die Spannung, welche über diesem Shunt
abfällt wird mit einem OPV verstärkt und dieses Signal wird an meinen
Mikrocontroller weitergegeben. Um die Shunts je nach Bedarf zu und
wegzuschalten wird unter den jeweiligen Shunt ein MOSFET eingebaut,
welcher entweder sperrt oder leitet.
Die Anzahl der Shunts kommt durch das hohe Spektrum an verschiedenen
Möglichkeiten zusammen (10kV-100kV und 10pF-100nF) und zudem darf die
Spannung am Eingang des OPVs nicht größer als 18V sein.

Zu meinem Problem jetzt. Ich will diesen Messaufbau natürlich gegen
Überspannung absichern. Es könnte ja theorteisch passieren, dass der
Testkondensator durchschlägt und dadurch die volle eingestellte Spannung
an meiner Schaltung anliegt und die Schaltung dadurch kaputt geht.
Das bedeutet, dass mein Überspannungsschutz gewährleisten soll, dass
max. 18V am OPV-Eingang anliegen.
Mein Geanke war einen Varistor parallel zur Spannungsquelle zu schalten
und die Schaltung dadruch zu schützen. Allerdings würde dieser doch
sofort zerstört werden, im Falle einer Überspannung?
Ich weis nicht wirklich weiter, wie ich diese Schaltung absichern kann,
da ich soetwas noch nie gemacht habe!

Vielen Dank für Eure Hilfe!

Diesen Varistor habe ich mir rausgesucht:
https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/70/db/var/SIOV_Leaded_StandarD.pdf

von Sebastian S. (amateur)


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Eine Diode gegen die positive Versorgungsspannung und eine gegen die 
Negative.
Habe aber keine Ahnung welche Energie die schlucken können soll. Bei 
etwa 18,7V oder -0,7V schalten die dann durch.

von Sebastian S. (amateur)


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Sorry! Fehler.
Die zweite Diode gegen -18V. Demzufolge schaltet die dann bei -18,7V 
durch.

von Johannes (Gast)


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Ein Weg wäre die Spannung in deinem Messkreis hochohmig auskoppeln und 
mit einem Impedanzwandler wieder zu verstärken.

Wenn du die Spannung hochohmig über z.B. 10MOhm auskoppelst, bekommst du 
bei 100kV einen Maximalstrom von 10mA (10MOhm).

Die kannst du mit Clampdioden wegschaffen. Ich kann dir aber nicht 
sagen, was der Widerling von der Momentanleistung hält. Der OPV ist 
dafür ganz brauchbar, es gibt aber andere mit noch geringerem Input bias 
current.

Natürlich frisst dir das Bandbreite weg und ist empfindlich für 
Einstrahlung, daher würde ich den OPV mit dem 10MOhmer versuchsweise in 
ein geschlossenes Metallgehäuse verfrachten.


Das viel größere Problem dürften aber die 100kV sein. Coronaentladungen, 
Leitungskapazitäten usw. dürften dir das Messergebnis verfälschen. Da 
kenn ich mich nicht genug aus um dafür eine sinnvolle Messschaltung 
vorzuschlagen. Vielleicht wäre es auch sinnvoller, das ganze über Trafos 
auszukoppeln, wobei die bei 100kV sicher auch kein Spaziergang sind.

Alles in allem ein sehr komplexes und ambitioniertes Projekt. Vor allem 
wenn die Messwerte am Ende auch tatsächlichen Gehalt haben sollen.

von oszi40 (Gast)


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Schutzdioden können nur den Rauch verhindern, WENNNNNN sie den STROM 
vertragen! Deswegen könnte geeigneter Widerstand am Eingang zur 
Stombegrenzung nützlich sein?

von oszi40 (Gast)


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Außerdem sollte man die Impulsform ___|___|___kennen. Beim TV die 
Boosterspannung messen, hat schon machen Vielfachmesser die Leiterzüge 
weggebrannt obwohl angeblich der 1000V-Bereich gereicht hätte.

von Stefan H. (stefan_hb)


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Wie wäre es mit einem Gasentladungsableiter als Grobschutz und erst 
danach Schutzdioden ?

von Peter R. (pnu)


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Für den Fall, dass ein Messobjekt durchschlägt dürften wohl 
Funkenstrecken notwendig sein, wie sie beim Blitzschutz verwendet 
werden. Die könnten erst einmal das Gröbste fernhalten. Der 
Opamp-Eingang müsste unbedingt über einen impulsfesten Widerstand an die 
shunts führen. Diesen Widerstand als Kette von   zwei Widerständen 
ausführen, nach dem ersten einen Grobschutz mit Z-dioden höherer 
Spannung (m.W. haben VDRs keine solch gute Kennlinien im Sperrbereich 
wie Z-Dioden), danach einen Feinschutz, der mit schnellen Logikdioden zu 
den Betriebsspannungsquellen hin ableitet.

Dabei müsste sehr sorgfältig über die Isolationsstrecken nachgedacht 
werden, nicht dass es zu Überschlägen parallel zu den Widerständen 
führt. Auch müsste man daran denken, dass bei den Überschlägen extreme 
Stromspitzen auftauchen, die man evtl. durch Abschirmung und dgl. von 
der Schaltung fernhalten muss.

Die Hauptarbeit besteht also, eine Impulsfestigkeit herzustellen, für 
den Fall beim Durch- oder Überschlag des Messobjekts die eventuellen 
Stromwege ermöglichen und die andren Leitungen davon fernhalten.

von oszi40 (Gast)


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Peter R. schrieb:
> mit Z-dioden

Leider haben alle Dioden auch eine Kapazität, die man kennen sollte, 
wenn sie nicht die eintreffenden Impulse verfälschen dürfen. Der TO 
Jonathan wird noch "etwas" optimieren müssen...

von Jonathan H. (jonathanh)


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Vielen Dank für die schnellen Antworten!

Ihr habt mir alle sehr weiter geholfen und ich werde mich auf alle Fälle 
weiter vertiefen, um evtl. was passendes zu finden.

Trotzdem frage ich mich, nachdem ich eure Antworten gelesen habe und man 
anscheinend auf viel achten muss, ob es nicht sicherer ist, so eine 
"Durchschlagssicherung" professionell machen zu lassen? 100kV ist ja 
auch nicht gerade wenig ;)
Wenn man die erste Grobabsicherung (Durchschlag des Messobjekts) 
professionell machen lassen würde, könnte man ja die Messungen vor 
Überspannungen (z.B. Elektrostatische Entladungen) selbst in die Hand 
nehmen?
Durch wie oben bereits erwähnt, erste Grobabsicherungen durch 
Gasableiter oder Z-Dioden und anschließend eine Feinabsicherung durch 
schnelle Logikdioden.

Viele Grüße
Jonathan

von 2aggressive (Gast)


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Jonathan H. schrieb:
> für meine Arbeit an der Hochschule soll ich...
Jonathan H. schrieb:
> ob es nicht sicherer ist, so eine
> "Durchschlagssicherung" professionell machen zu lassen?
LOL

> 100kV ist ja auch nicht gerade wenig ;)
Die Aufgabe riecht nach (Kondensatoren für das) Stromversorgungsnetz, 
wobei sicherlich niemand von dir erwartet auf einen Hochspannungsmast zu 
klettern, um dort 100kV abzugreifen.
Hochspannungsnetz 100kV, kapazität 100nF, ---> Messströme liegen 
Betreibsmässig bei über 3A.

> Es könnte ja theorteisch passieren, dass der
> Testkondensator durchschlägt und dadurch die volle eingestellte Spannung
> an meiner Schaltung anliegt und die Schaltung dadurch kaputt geht.
Chinamann hat bessere Formulierung: "Es besteht Gefahr durch 
elektrisches erschrecken!"


Deine offensichtlichen Hausaufgaben
Vorschlag: finde Details über die "V5" heraus, welche Kurzschlussströme 
(dein angedachter GAU Kondensatordurchschlag) wird diese liefern können, 
wie wird sie Notabgeschaltet...dann kannst du Anfangen dir Gedanken zur 
Dimensionierung deiner Schutzeinrichtung_en_ zu machen.


Es von anderen "professionell machen zu lassen" wird sicherlich auch 
deinem Prof. erheitern :D

HTH + viel rfolg!

von 2aggressive (Gast)


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