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vro

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1

Samstag, 16. Oktober 2010, 20:37

Stromsenke mit Halogenlampen und PWM

Hallo,
ich überlege mir eine Stromsenke für etwa 300W zu bauen. Da ich keine Lust auf aufwendige Kühlmaßnahmen habe, will ich versuchen, die Leistung möglichst vollständig über Niedervolt-Halogenlampen abzuführen (zB. 6x50W). Die Lampen sollen mittels PWM über einen Leistungs-FET angesteuert werden. Mit untiger Schaltung hab ich mal ein wenig mit LT-Spice rumsimuliert. Ich glaub die Schaltung erklärt sich weitesgehend selbst: Bei PWM liegt ein 5kHz Rechtecksignal an (z.B. aus nem NE555 kommend oder aus nem muC). Das schaltet den FET möglichst steilflankig durch, und je nach Impulsweitenverhältnis ergibt sich die mittlere Verlustleistung an den Lampen (R1...Rn). Der Kondensator soll den Laststrom am Prüfling (Bat) und an einem später noch einzuschleifenden Shunt glätten. Simuliert läuft das auch soweit, wie ich mir das denke. Trotzdem hab ich noch ein paar Fragen, bei denen ich mir nicht so ganz sicher bin.

1. Was ist eine gute PWM Frequenz? Klein: wenige Schaltflanken, groß: gute Glättung.
2. Mit wieviel Verlustleistung im FET muss ich rechnen? Oder anders gefragt, was für eine Flankensteilheit kriegt man inetwa hin, dann kann ich mir das selbst überschlagen?
3. Welchen FET würdet ihr für sowas nehmen (und warum)? IRF1405 hab ich hier wilkürlich ausgwählt.
4. Über den Kondensator-Zweig fließen recht große Ausgleichsströme. So wie ich meine E-Technikvorlesungen noch in Erinnerung habe, führen die zwar zu einer entsprechenden Blindleistung aber keiner Verlustleistung, richtig? Trotzdem, muss man außer der Spannungsfestigkeit bei dem Kondenstator noch irgendwas besonderes beachten?
5. Gibts vielleicht irgendwelche anderen Bedenken?


Freu mich auf euer Feedback,
Viele Grüße, Roland
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K_Mar

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Wohnort: D-76337 Waldbronn-Reichenbach (Karlsruhe) 1988-2005 Seesen/Harz; davor Hannover Modellbau seit 1974

Beruf: Dipl.Ing./Leistungselektr.entw. mW-MW z.Z.Antriebstechn.,früher Stromvers. (incl.Treiber+Messtechn.)

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2

Sonntag, 17. Oktober 2010, 12:06

RE: Stromsenke mit Halogenlampen und PWM

Der C sollte ein Hochstromtyp und niederimpedant sein und ich würde diesen noch durch einen parallelen Folie-C (MKP) unterstützen. Parallel zu Last sollte auf jeden Fall noch eine schnelle Freilaufdiode (vorzugsweise 60V Schottky) sein. Die Kommutierungsscheife Kondensator/Transistor/Freilaufdiode sollte wegen der Induktivitäten kleinst möglich sein. Der MOSFET sollte über einen Treiber angesteuert werden, denn die uC oder NE555 Ausgänge sind zu schwach zum schnellen Gatetreiben.
Ich nehme für solche Zwecke immer Frequenzen >18kHz, denn darunter gilt: Irgendetwas pfeift immer und bei entsprechendem Aufbau und Treiber sind die Schaltverluste auch noch vertretbar.

Wenn Du als Treiberspannung nur 5V hast, dann brauchst Du einen LogigLevel Fet mit 1-3V Schwellspannung, der IRF1405 ist mit 2-4V Schelle zum 10-15V Treiben gebaut.

Gruß Klaus
Fahrzeuge auf dem Wasser bewegen macht Spaß und ist ein optimaler Testbereich für Elektronikentwicklungen

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »K_Mar« (17. Oktober 2010, 12:13)


vro

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3

Sonntag, 17. Oktober 2010, 17:41

RE: Stromsenke mit Halogenlampen und PWM

Hallo allerseits!

Klaus, Danke für deine detailierten Hinweise. Alles Sachen die mir einleuchten und auf die ich nicht unbedingt gekommen wäre. Allerdings steckt im obigen Enwurf noch ein unschöner Fehler. Die 500mu werden von LT-Spice nämlich als 500mF (also 500.000 statt 500 muF) interpretiert :wall:

Mein neues Setup könnte jetzt so aussehen: PWM 20kHz, C=10.000muF (zB. dieser http://www.conrad.de/ce/de/product/422738/ ) Wenn ich das Datenblatt richtig interpretire, komme ich (bei 10kHz) auf ca. 8 mOhm Wirkwiderstand im Kondensator. Das ergibt in meiner Simulation eine Restwelligkeit des Entladestroms (über einer idealen Batterie) von ca. 10%.
Wie gut sollte man den Entladestrom den eigentlich glätten, um einen Lipo realistisch zu entladen und vor allem nicht zu schädigen? Hat ein Lipo ähnlich ausgeprägte Puffereigenschaften wie ein Bleiakku?

Klaus, welche Kapazität würdest du für den Folien-C nehmen?

Viele Grüße, Roland
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4

Sonntag, 17. Oktober 2010, 19:49

Hi Roland,

mir kommt da noch in den Sinn, das die Lampen ja Kaltleiter sind. Evtl. ist das noch zu berücksichtigen. Bei mir haben sich so einige CPU Kühler angesammelt, da ist jeder für ca. 100W Verlustleistung gut. Bei ca. 10 € pro Kühler ist das auch noch eine Alternative die Verlustleistung preiswert umzusetzen. Macht aber leider Krach :-(

Gruß Ingo

vro

RCLine User

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5

Sonntag, 17. Oktober 2010, 22:26

Zitat

Original von ingo_s
mir kommt da noch in den Sinn, das die Lampen ja Kaltleiter sind. Evtl. ist das noch zu berücksichtigen.

Ja, man wird wohl gucken müssen, dass der FET den höheren Strom der kalten Lampen auch sicher schalten kann. Die PWM soll natürlich auch geregelt werden (letztlich über muC), die würde dann bei warmen Lampen entsprechend weiter auf machen.


Roland
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haschenk

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Beruf: Dipl. Ing.

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6

Sonntag, 17. Oktober 2010, 23:39

Hallo,

die Lampen dürften dir noch Probleme in Zusammenhang mit der Regelung machen, da sie ja selbst schon "regeln" wollen...
Ich hab leider keine Ahnung, wie sich Halogenlampen dabei verhalten.

Falls du die Stromsenke zum Messen von Entlade-Kennlinien verwenden willst, solltest du daran denken, daß ein zu einem Gleichstrom äquivalenter gepulster Strom für den Akku nicht dasselbe ist. Zumindest gilt das für die Verluste am Akku-Innenwiderstand; ob´s auch für die "Chemie" ein Unterschied ist, weiß ich nicht.

Für die PWM-Frequenz würde ich auch an der unteren kHz-Bereich denken. Vergiß auch nicht, daß du dabei bei steilflankigem Schalten einen recht passablen Störsender bis weit in den MW-Bereich baust; schwer vermeidbare "freie" Leiterschleifen sind auch (Sende-)Antennen; das könnte Ärger geben...

Der IRF1405 sollte von Strom und der Verlustleistung her schon brauchbar sein. Aber in der Spannungsfestigkeit hätte ich Bedenken. Erfahrungsgemäß muß man (wenn der Aufbau nicht ganz kompakt und überlegt bzw. möglich ist) mit ganz erheblichen Spannungsspitzen (mehrfache Betriebsspannung) rechnen, als Folge von Streuinduktivitäten. 5 - 10 cm Leitung genügen da schon.


Gruß,
Helmut

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »haschenk« (18. Oktober 2010, 00:00)


vro

RCLine User

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7

Montag, 18. Oktober 2010, 00:22

Zitat

Original von haschenk
Hallo,

die Lampen dürften dir noch Probleme in Zusammenhang mit der Regelung machen, da sie ja selbst schon "regeln" wollen...
Ich hab leider keine Ahnung, wie sich Halogenlampen dabei verhalten.

Die Reglung will ich letztlich in Software realisieren. Ich bin da ganz zuversichtlich. Hab einige Erfahrung mit nichtlinearen rückgekoppelten Systemen.

Zitat


Falls du die Stromsenke zum Messen von Entlade-Kennlinien verwenden willst, solltest du daran denken, daß ein zu einem Gleichstrom äquivalenter gepulster Strom für den Akku nicht dasselbe ist. Zumindest gilt das für die Verluste am Akku-Innenwiderstand; ob´s auch für die "Chemie" ein Unterschied ist, weiß ich nicht.

Das war der Plan.
Was die Impedanz des Akkus angeht hab ich mir grad mal dieses angesehen: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html , Kapitel 5. Demnach würde
sich der Akku bei diesen Frequenzen eher wie eine Induktiivität verhalten. Hätte ich nicht gedacht. Auf der anderen Seite macht der BL-Regler im Modell ja auch PWM (ich glaub auch bei so 10 kHz, wenn ich das richtig erinnere). Ich denk ich werd die Tage mal das Oszi ranklemmen und gucken was da fließt. Riesen Glättungskondensatoren sind im Regler jedefalls nicht verbaut ;)

Zitat


Für die PWM-Frequenz würde ich auch an der unteren kHz-Bereich denken. Vergiß auch nicht, daß du dabei bei steilflankigem Schalten einen recht passablen Störsender bis weit in den MW-Bereich baust; schwer vermeidbare "freie" Leiterschleifen sind auch (Sende-)Antennen; das könnte Ärger geben...

Ist natürlich richtig, aber wär man mit nem geschlossenen Gehäuse (Metall) nicht schon auf der sicheren Seite? Über die ganze HF-Thematik müsste ich mich eh mal nochwas belesen.

Was den FET angeht bin ich immer noch am Datenblätter durchgucken. Wenn jemand den ultimativen Tipp hat, immer her damit!

Viele Grüße, Roland
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8

Dienstag, 19. Oktober 2010, 15:39

Hallo Roland,

eine einfache und elegante Lösung wäre die Leistungsverbratung mit 5 ... 10 Stück 2N3055 mit passendem Treiber auf einem oder mehreren entsprechenden Kühlkörpern aufzubauen und der Kompaktheit wegen eventuell mit 1 oder 2 Ventilatoren versehen.
Ein Poti als Stromeinstellung mit einer kleinen Ansteuerelektronik, was bei den heutigen Preisen der Bauteile eine meiner Ansicht nach gut machbare, billige Lösung ist.

Damit bekäme man eine Leistung von 300 W und mehr leicht in den Griff und es erfordert keinerlei Taktung, was auch den Akku´s und der Nichtstörung zusätzlich zu Gute kommt.
t
Außer dem könnte man in den jetzt kommenden kalten Monaten, dieses Gerät gut als Hand- oder Sonstwas- Wärmer verwenden ;).

………………………….


Der Wert des 4,7k Widerstand begrenzt die Durchsteuerung der Endtransistoren und ist als Leistungsbegrenzung. Also Wert anzupassen. Selbstverständlich können die Sicherungsdioden wegfallen, sollten aber meiner Meinung besser eingebaut werden.

Da ich die Schaltung nicht aufgebaut habe und eventuelle Ergänzungen oder Änderungen in der Praxis möglich sind, wäre ich sehr dankbar auf Rückmeldungen diesbezüglich von einem gebauten Gerät nach diesem Prinzip.

Grüße Günther

vro

RCLine User

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9

Sonntag, 24. Oktober 2010, 00:10

Hi,
ich hab grad mal was über Günters Vorschlag nachgedacht. Ist von der Funktionalität her wahrscheinliich wirklich die einfachere Lösung. Ich wollte mir ja eine geregelte Stromsenke bauen, und dafür würde ich die Zweige dann separat regeln. Braucht zwar ein paar mehr Bauelemente, aber dafür ist es gut skalierbar und man braucht keine teuren Shunts oder LEM-Sensoren.
Mal sehn, wenn ich irgendwo günstig an passende Kühlkörper komme, bau ich es vielleicht mit 6-8 Zweigen so auf.

Gruß, Roland
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Sonntag, 24. Oktober 2010, 03:16

Hallo Roland,

da werden Dir die BC337 wahrscheinlich um die Ohren fliegen ;)
Die 3055 haben leider nur eine sehr bescheidene Stromverstärkung, d.h. es wird ein nicht unerheblicher Basis-Strom durch die 337er fließen müssen, wodurch deren max. Verlustleistung schnell überschritten wird!

Ich würde evtl versuchen, die 3055 durch geeignete Darligton-Transistoren zu ersetzen, oder FETs. Der IRF530 z.B. ist auch nicht teuer, aber Du bräuchtest davon ein paar mehr wegen dem kleineren Gehäuse, und müsstest vermutlich mit einer höheren Betriebsspannung arbeiten. Auf der anderen Seite kannst Du die OP-Ausgänge aber direkt an's Gate anschließen, ohne zusätzliche Transitoren dazwischen.

Grüße,

Thomas

RudiRolf

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Beruf: Mechaniker

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11

Sonntag, 24. Oktober 2010, 13:06

Hallo
Ich habe mir mit einem MOSFET und einem entsprechend Strommesswiderstand , damals vom grossen C mein Akkukapazitätsmessgerät ebenfalls vom gros. C , aufgemotzt auf ca 15 Amp Entladestrom auf einem dicken Kühlkörper mit Lüfter , bis 12 NC Zellen ,der Mosfet kann bis 300 Watt , bei E-Bay sind zur Zeit auch welche bis 330 Watt drinn ,wichtig ist ein guter Wärmeübergang zum Kühlk. und Luft ,mit einem Mosfet Transistor und analog ( nicht PWM man will ja Leistung vernichten und nicht mit wenig Verlust schalten) ist das ganze sehr einfach
MfG
Rudi

vro

RCLine User

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12

Sonntag, 24. Oktober 2010, 13:53

Zitat

Original von Ottili
da werden Dir die BC337 wahrscheinlich um die Ohren fliegen ;)

Oh, stimmt 8( Vom I_C her müsste es noch gehen (um die 200mA), aber wenn ich bis zu 6s entladen will fallen da natürlich knapp 20V daran ab! Besser gehts, wenn man den Kollektor der Treibertransistoren an +5V statt an U_Akku legt. Dann käme man auf deutliich unter 1W in den Treibern.

Zitat


Ich würde evtl versuchen, die 3055 durch geeignete Darligton-Transistoren zu ersetzen, oder FETs. Der IRF530 z.B. ist auch nicht teuer, aber Du bräuchtest davon ein paar mehr wegen dem kleineren Gehäuse, und müsstest vermutlich mit einer höheren Betriebsspannung arbeiten. Auf der anderen Seite kannst Du die OP-Ausgänge aber direkt an's Gate anschließen, ohne zusätzliche Transitoren dazwischen.

Das wär natürlich nicht schlecht. Leider hab ich mich jetzt bei meinen Kühlkörpern auf TO-3 festgelegt und finde ums Verrecken keinen (erschwinglichen) Leistungs-FET imTO-3 Gehüse mit vergleichbaren Daten (5-10A, 100W). C und R haben offenbar alles nur in TO-220 :(

Gruß, Roland
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13

Sonntag, 24. Oktober 2010, 14:36

Hallo Rudy,

die 300W über ein einzelnes TO220-Gehäuse abzuführen, ist aber schon recht ambitioniert!
Lt. Datenblatt hat der Übergang von Chip zum Kühlkörper (= Junction-Case + Case-Sink) beim IRF3808 einen Wärmewiderstand von fast 1 Grad pro Watt, unter günstigen Voraussetzungen (Flache Oberfläche, Wärmeleitpaste). Wenn man den Kühlkörper konstant auf 25 Grad hält (Wasserkühlung?), erreicht man die 175 Grad am Chip schon bei 150 Watt.

Grüße,

Thomas

14

Sonntag, 24. Oktober 2010, 14:49

Hallo Roland,

die Treiber nur mit 5V zu betreiben, ist eine gute Idee - evtl. sogar noch weniger? Damit dürfte die Verlustleistung an den Treibern in unkritische Regionen zu bekommen sein. Mehr, als ein halbes Watt, würde ich den BCs nicht zumuten.

Oder Du nimmst einfach je 2 Stück 2N3055 (kosten ja fast nix) in Darlinton-Schaltung - das würde Deine 5V Spannungsquelle nicht so stark belasten.

Grüße,

Thomas

vro

RCLine User

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15

Sonntag, 24. Oktober 2010, 15:02

Müssen ja auch nicht die BC337 sein. Ein zweiter 2N3055 als Treiber wär mir allerdings zu groß. Ich denk ich tu da einfach BD135 rauf und gut.
Pro Zweig kommt aber noch ne Schottky-Diode als Unterspannungsschutz dazu. Ich mal gleich mal ein Bildchen.

Gruß, Roland
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vro

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16

Sonntag, 24. Oktober 2010, 15:36

So, so sieht jetzt ein Zweig aus. Die Schottky-Diode soll im Unterspannungsfall (U_akku<2.5V) Q2 sperren und die Stromregelung somit limitieren. Ab Akku-Spunnungen >2.4V lassen sich dann Ströme bis 5A pro Zweig sauber regeln. Sind jetzt doch ein paar mehr Bauelemente geworden, aber kostet alles kaum was, und da ich eh ein Board machen will ist das nicht so wild.

Gruß, Roland
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17

Sonntag, 24. Oktober 2010, 15:59

Hmm - ob das mit der Stromlimitierung so hinhaut? Zumindest ist ein LiPo schon längest kaputt, wenn die Stromlimitierung greift....

vro

RCLine User

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18

Sonntag, 24. Oktober 2010, 16:18

Zitat

Original von Ottili
Hmm - ob das mit der Stromlimitierung so hinhaut? Zumindest ist ein LiPo schon längest kaputt, wenn die Stromlimitierung greift....

Nein, nein, dafür ist es auch nicht gedacht. Das soll nur Q2 schützen falls das Kollektor-Potenzial von Q1 aus irgendeinem Grund mal kleiner als das Basis-Potenzial sein sollte (zB. wenn man mal einen fast toten Akku anklemmt). Dann könnte IC(Q2) recht groß werden.

Die Überwachung und Endabschaltung ist hier noch garnicht dargestellt. Letztlich habe ich vor, eine muC-Steuerung mit Einzelzellen-Überwachung zu bauen.

Gruß, Roland
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19

Sonntag, 24. Oktober 2010, 16:43

Hallo Roland,

ok. Vielleicht wäre es ökonomischer, den BD135 dann gleich zum 2N3055 auf den Kühlkörper zu schrauben, dann kann er, wie ursprünglich vorgesehen, mit C an (+)Akku angeschlossen werden. Da beide Transistoren den Kollektor am Gehäuse haben, brauchen sie auch nicht gegeneinander isoliert zu werden, und wenn die Spannung gering ist, ist der Strom durch Q2 auch automatisch gering.

Grüße,

Thomas

Edit: was mir erst jetzt aufgefallen ist: der Anschluß der Treibertransistoren an +5V ist doch keine gute Idee, denn das führt zu einer nicht unerheblichen Fehlmessung, weil der Basisstrom von Q1 nicht aus dem Akku fließt, aber in die Strommessung mit eingeht!

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »Ottili« (24. Oktober 2010, 16:48)


vro

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20

Sonntag, 24. Oktober 2010, 17:26

Leuchtet mir ein. Der Messfehler wär wohl nicht so gigantisch, aber muss man ja nicht von vornherein einbauen. Die Widerstände werden wohl auch auf den Kühlkörper müssen.

Gruß, Roland
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