Wie kann ich eine 2A Spule mit 150Hz schalten?
Ich will mit einer Frequenz von 150Hz eine Spule ansteuern, die 2A zum Schalten braucht. Ich habe dafür einen Powertransistor BDX33C verwendet, der einen Kollektorstorm von 10A verträgt und eine Verlustleistung bis 70W aushält. Die Schaltung funktioniert wenn ich sie so aufbaue, jedoch überhitzt der Transistor nach kurzer Zeit. Ist das weil die Frequenz für den BDX33C zu gross ist? Oder habe ich im Schema etwas übersehen? Gäbe es eine bessere Lösung die Spule anzusteuern?
150 Hz Sinus- oder Rechteckwellenform? Wichtig bez. Verlustleistung am BDX33, bei Sinus ist selbige weit höher.
Ja, es ist ein Rechtecksignal. Habe parallel zur Spule auch eine Freilaufdiode drin für die Spannungsspitzen.
Offensichtlich Rechteck dank Trigger. Wie groß ist die Spule und welchen ohmschen Widerstand hat sie?
Es handelt sich um eine Spule in einem Gravierkopf, den ich ansteuern will. Ich weiss leider nicht wie gross die Spule ist. Der Innenwiderstand beträgt 1.3 ohm.
Die Induktivität wird sehr schnell in die Sättigung gehen und damit steigt dann der Strom stark an. Wozu 150 Hz? Milli-/Micro-/Henry? Wie hoch ist der DC Widerstand der Spule?
Es handelt sich um eine Spule in einem Gravierkopf, den ich ansteuern will. Ich weiss leider nicht wie gross die Spule ist. Der Innenwiderstand beträgt 1.3 ohm.
4 Antworten
Weil die Spuleninduktivität ja nicht bekannt ist, könnte man erstmal mit dem rein ohmschen Widerstand rechnen, um einen Überblick zu haben. Dann würden bei 1,3 Ohm und 24V bei durchgeschaltetem Transistor ca. 20A fließen.
Wenn nun, was mir scheint, der Treiber-, also der Basisstrom nicht ausreicht um den BDX33 voll durch zu schalten, wird seine Emitter-Kollektorspannung womöglich einige Volt betragen, was die Erhitzung erklären würde.
Entweder noch 'ne Treiberstufe dazu nehmen oder - besser - einen Leistungs-MOSFET nehmen.
Guter Vorschlag!
Ja, ein MOSFET ist da deutlich besser wegen der Verlustleistung (RDSon=0,125 Ohm!!!). Diese werden auch in Akkuschrauber mit einer PWM (Modulation für Drehzahl) eingesetzt, die bekanntlich unheimliche Ströme verlustarm schalten müssen.
Gäbe es denn eine elegante Lösung um diesen Kollektorstrom auf eine andere
Weise zu begrenzen als durch den Basisstrom?
Wenn der BDX mit genügend Basisstrom geschaltet wird, fällt auch weniger Emitter-Kollektor-Spannung an. Ich würde aber auch sagen, der BDX33 ist mit seinen 10A eh zu schwach, da muss was Stärkeres her. Wie gesagt, die 20A gelten nur bei rein ohmschen Lastwiderstand. Je höher die Spulenkapazität, desto geringer der Strom bei 150Hz, aber wenn Du da sicher gehen willst, muss der Transi besser mehr als 20A können.
Solche Leistungstransistoren haben aber eine eher geringere Stromverstärkung, weshalb der Basisstrom dann schon an 1A heranreichen kann. Ein Argument mehr für ein MOSFET.
Die 220Ohm des Basiswiderstands dürften definitiv zu viel sein. Ich habe jetzt die Daten der Transistoren nicht im Kopf, aber der BDX dürfte zumindest einige 100mA Basisstrom benötigen.
Der Kollektorstrom sollte ja nicht beschränkt werden, denn dann würde die Spule ja ihren Job nur schwächer machen können. Im Prinzip kann man in Reihe mit der Spule einen Widerstand setzen, 1 oder 2Ohm etwa, was aber die Kraft der Spule vermindern würde.
Bei Induktivitäten steigt der Strom je nach Induktivität und Frequenz mehr oder weniger schnell an, anfangs ist der Strom gering, steigt nach einer e-Funktion. Aber da der BDX das ja nicht aushält, dürfte er definitiv zu klein sein um sicher zu funktionieren.
Darf ich bemerken? Du schreibst
Die 220Ohm des Basiswiderstands dürften definitiv zu viel sein.
Nein, der BDX33C ist ein "Darlington-Transistoren"
https://www.reichelt.de/darlington-transistor-npn-100v-10a-70w-to-220-bdx-33c-p5328.html
mit hFE=min. 750 (bei Ic=3A und Uce=3V => ~9W Verlustleistung)
Wenn der Transistor grob gesund 5-fach übersteuert wird:
Pauschal: Strom Ic = (Ub-Uce)/RL = (24V-3V)/1,3Ohm = 16,15A = ~16A
Basisstrom Ib = 16A/750= 21mA --- mit 5 fachen Übersteuerung grob 100mA.
Somit Verlustleistung im BDX33C = 16A * 3V = 48W (das ist sehr viel)
Jedoch wegen dem Tastgrad 0,5 (on/T = 50%) nur durchschnittlich 24W.
Der Widerstand von 1,3 Ohm ist vermutlich sehr unpräzise gemessen, da Messleitungen und Kontaktstellen bei der Messung gerne zusätzlich 0,5 Ohm ausmachen.
Ist schon skurril,
- mit theoretischen 16A
- und Unbekannter Induktivität
- und wackeligen Ri ~ 1,3 Ohm
hier gute Aussagen zu machen. Zumal laut Datenblatt die theoretischen 16A den BDX33C schnell killen würden (Grenzwert überschritten).
Grobe Leistung an der Spule (wenn es Gleichstrom 0Hz wäre):
P=U*I = 19V*16A = 304 W !!! ---> 50% davon wegen Tastgrad 152 Watt
150 Watt sind 3 "Weller 50 Watt Lötstationen" die gleichzeitig heizen! Ich habe nur 1 Weller Lötstation, die Leistung reicht allemal.
Ob der Gravierkopf 150 Watt hat oder das 24V Netzteil 16A Spitzenstrom liefert bezweifle ich etwas.
Mein Fazit: Sehr grobe Angaben und Annahmen können nur tendenzielle Lösungsansätze liefern.
LG Transistor3055
👍 Danke für Deine Ergänzungen, hatte die BDX-Daten weder im Kopf noch danach gegoogelt.
Das Problem bez. des tatsächlichen Stromes ja die unbekannte Induktivität, und wenn laut FS der BDX "raucht", ist der ja absolut nicht für sicheren Betrieb ausgesucht, denke ich mal.
Ich habe es nun mit einem Power-MOSFET versucht, den ich gerade zur Hand hatte. Habe einen BUZ 111SL genommen, der 80A und 300W verträgt. Ich habe das Schema von vorhin übernommen, einfach den Basiswiderstand weggelassen.
Ich habe nun einen kurzen Spannungsimpuls von 24V über der Spule, der jedoch auf etwa 8V zusammenbricht. Am Gate habe ich ein schönes Rechtecksignal von 110Hz und 4V. Was kann ich tun, damit diese Spannung über der Spule nicht zusammenbricht?
Ist an der Spule auch ein Rechteck- oder ähnliches Signal zu sehen? Den 220Ohm-Widerstand am Gate würde ich belassen, eher vergrößern. MOSFETs sind Spannungsgesteuert, da fließt im Prinzip kein Gatestrom.
Kann es sein, dass das Netzteil eigentlich gar nicht für so hohe Ströme ausgelegt ist, dass irgendwas übersehen wurde? Wie war die ursprüngliche Schaltung eigentlich? Was soll die Spule machen, antreiben? Irgendeinen Stößel oder sowas?
Bei 1,3Ω fließen eben sehr hohe Ströme, wenn die Spule in Sättigung geht.
Bei der Freilaufdiode sollte auch sichergestellt sein, dass sie auch richtig herum eingebaut ist, denn sonst fließt natürlich ebenfalls ein zerstörerischer Strom.
Wenn du sagst, die Spule benötigt im Betrieb etwa 2A, wäre wohl eine Spannung von 2,6V u.U. schon ausreichend (statt den 24V).
Der Transistor ist auf einen ausreichend dimensionierten Kühlkörper zu montieren.
LG H.
Ich habe den Transistor auf einem Kühlkörper montiert, aber er hält es trotzdem nur einige Sekunden aus. Ich verstehe nicht warum, der sollte doch mit der Leistung auskommen?
Wenn der Transistor mit Rechteckimpulsen angesteuert wird, dann wirkt er als Schalter. Beim Schalten einer induktiven Last entstehen i.d.R. sehr hohe Selbstinduktionsspannungen, die den Schalttransistor zerstören können. Um dieses wirkungsvoll zu vermeiden, schaltet man parallel zur Spule eine Freilaufdiode, die in Sperrrichtung zur Betriebsspannung gepolt ist.
LG H.
Stimmt danke, das habe ich im Schema vergessen aufzuzeichnen, aber in der Schaltung ist diese Freilaufdiode schon drin.
Es könnte sein, dass der BDX33C zwar gut "einschaltet", jedoch bei hoher Sättigung, das "Ausschalten" zu langsam ist.
Denn wenn man einen Transistor hier BDX33C stark sättigt, so wird das Ausschalten (Räumen der Ladung aus der Basis) länger dauern.
Auch das "Ausschalten" läuft über den 10 KOhm Widerstand der ersten Stufe, finde ich etwas hochohmig.
Meine 2 Vorschläge sind:
- In der 1 Stufe den 10 KOhm Arbeits-Widerstand (am Emitter) auf jeden Fall verkleinern auf ca. 330 Ohm. Damit wird der Ausgangswiderstand der ersten Stufe verkleinert, und das "Ausschalten" des BDX33C wird beschleunigt. Steilere Flanke beim Ausschalten bedeutet weniger Wärmeverluste am BDX33C.
- Auch das "Einschalten" des BDX33C kann man beschleunigen, indem mal parallel zum Widerstand 220 Ohm (der die Basis versorgt) einen Kondensator C schaltet. Schätzungsweise C=1nF oder gar 10nF könnte gut sein. Dieser Kondensatoren beschleunigt das "Einschalten" mit kurzzeitig höheren Basisstrom für den BDX33C. Und zusätzlich hilft er auch das "Ausschalten" zu beschleunigen, somit auch weniger Wärmeverluste im BDX33C.
Hier ist es etwas beschrieben: Miller-Effekt
Speziell dieses Kapitel ist wichtig:
Ausräumen der Ladungsträger mit bipolarem Transistorhttps://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/powsw2.htm
---- Nachtrag ----
siehe unten mein Kommentar "Alternative Idee".
Viel Erfolg!
Alternative Idee,
ohne langwierige Experimente mit Misserfolgen und rauchenden Halbleitern.
Wenn es auf die Frequenz von 150 Hz nicht so genau ankommt, dann würde ich mal einen einfachen PWM-Regler (für Akkuschrauber) versuchen. Diese PWM werden überhaupt nicht warm, können sehr hohe Ströme, und sind erprobt + ausgereift.
Gibt es schon für kleines Geld, Beispiel: https://amzn.eu/d/8uxMwJ3
Schalter und/oder Poti evtl. umbauen/ausbauen, nur Platine benutzen.
Oder gar, für genau deine 150 Hz, mit deiner Ansteuerung an den Akku-PWM Regler (direkt auf das Gate des MOSFET) beschicken.
Viel Erfolg!
Sowas z. B., im der Datenblatt-PDF ganz unten sind Prinzipschaltbeispiele:
https://www.reichelt.de/mosfet-n-ch-600v-30a-219w-0-125r-to247-ipw60r125c6-p257295.html