Induktivität sehr schnell abschalten

[thomasschoenau]

Hallo,

ich möchte einen Magnetfeldtransmitter bauen.
Dazu soll eine relativ große Spule (Durchmesser ca. 40 cm) von etwa 50 A durchflossen werden (Betrieb durch Autobatterien). Entscheidend ist das schnelle Abschalten dieser Spule (möglichst in 5 ms).
Da ich kein ausgebildeter Elektroniker bin, wollte ich mal einige Meinungen einholen, wie man das am besten realisieren könnte.
Das Problem ist, daß ich ein Bauteil benötige, über welches hohe Spannungen abfallen können (wegen U=-dI/dt), ohne das es dabei zerstört wird. Also z.B. ein Schalter der sich elektronisch steuern lässt und etwa 2kV aushält. Dann könnte ich mit diesem Schalter einen Widerstand parallel zur Spule schalten, über dem die Energie abgebaut wird.
Eine alternative währen Freilaufdioden die hohe Spannungen aushalten (z.B. TVS-Dioden). Diese könnte man in Reihe schalten und somit auf einige kV kommen.

Hat jemand noch weitere Vorschläge bzw. kann mir konkrete Bauteile benennen?

Vielen Dank!

[anders]

IGBTs sind dafür wohl das Mittel der Wahl.
Um die im Magnetfeld gespeichete Energie abzuschätzen, ist aber auch noch die Windungszahl sehr wichtig.
Wenn die Spule ausserdem noch einen Eisenkern enthält wird es kompliziert.

Falls deine Spule aber nur aus einer Windung besteht, würde ich aus dem Bauch heraus schätzen, dass die Abschaltspannung nicht besonders hoch ist, wenn man in 5ms, also relativ langsam, abschaltet.
Dann reichen wahrscheinlich auch noch preiswerte MOSFETs, die im Ein-Zustand nicht so hohe Verluste haben wie ein IGBT.

Vielleicht schilderst du mal den Aufbau etwas näher, denn ich habe den Verdacht, dass in deiner Berechnung noch Fehler stecken.

[thomasschoenau]

Die Spule ist noch nicht aufgebaut.
Man kann aber davon ausgehen, daß sie mit 50..100 A betrieben wird und 500...800 Windungen hat.
Der Drahtdurchmesser wird bei 4 bis 5 mm liegen. Das er dennoch 50..100A aushält liegt daran, daß er mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird und somit seinen Widerstand auf ca. 1/6 reduziert wird.
Um die Induktivität zu berechnen ist weiterhin noch die Spulenform wichtig. Es handelt sich hier nicht um die "klassische lange Spule", sondern die Spule ist eher schmal und scheibenförmig. Die Induktivität wird so im Bereich 50 bis 100 mH liegen (je nachdem für welche Windungszahl ich mich am Schluss entscheide).
Die Berechnung der Induktivität stimmt sicherlich, da ich schon eine Modellspule gebaut und vermessen habe. Da hat die Induktivität auf 5% genau gestimmt!
Also rechne einfach mal mit 100 mH, 50 A und einer gewünschten Abschaltzeit von 5 ms
--> das macht grob überschlagen U=- 0.1H * 50A / 0.005s = 1000 V

achso: es handelt sich um eine reine Luftspule (kein Eisenkern!)
und dann habe ich noch folgenden Schalter in einem Paper gefunden, allerdings nicht ganz verstanden worum es sich dabei handelt.
CPC1918J (http://www.argussoft.ru/webroot/deliver ... C1918J.pdf)

Ist das ein Relais? Weil das Schaltzeichen sagt mir nichts.
Was ist die blocking voltage? Ist das die max. Spannung die darüber abfallen darf?
Ich vermute mal, das Teil schaltet einen Leistungsstromkreis mit einem Steuerstrom, wobei Steuer- und Leistungskreis jeweils bis zu 2500 V voneinander getrennt sein dürfen.

Dann erstmal vielen Dank!

[anders]

Ist das ein Relais? Weil das Schaltzeichen sagt mir nichts.

Das ist ein Optokoppler; nur dass hier anstelle des üblichen Fototransistors zwei antiserielle MOSFETs eingebaut sind, die ihre Steuerspannung aus einigen Fotoelementen beziehen.
Die 2500V beziehen sich nur auf die Isolation zwischen Eingang und Ausgang. Der Schalter selbst darf nur 100V sperren.

Deine Spule hat dann ja doch eine etwas andere Dimension als ich erwartete.
100mH, 50 A entspricht einer gespeicherten Energie von 125J und da stellt sich natürlich die Frage wohin mit dieser Energie.
Bei Semikron in Nürnberg, einem der letzten hiesigen Halbleiterhersteller, gibt es Halbleiter dieses Kalibers. Vielleicht solltest du dich einmal mit den dortigen Ingenieuren unterhalten.

Wenn du den Strom abbaust, indem du auf eine konstante Spannung klemmst, brauchst du auch nur 1000V Spannungsfestigkeit und damit werden MOSFETs als Schalter möglich.

Man muss das sicherlich einmal genau durchrechnen, denn IGBTs haben ein hohes Schaltvermögen ( >1,5kV), aber auch einen relativ hohen fixen Spannungsabfall (1,5..2V), der bei 12V Speisespannung schon stören kann.
MOSFETs sind in dieser Hinsicht potentiell besser, halten aber nicht so hohe Spannungen (typisch nur 800..900V) aus.
Aber auch dieses Problem sollte sich relativ leicht bewältigen lassen, wenn man die Spule zwischen einen p-Kanal und einen n-Kanal MOSFET legt. Dann addieren sich deren Sperrspannungen während die Ansteuerung leicht ist, da der p-FET ja nur auf +12V liegt.

Vielleicht wird man aber auch tatsächlich auf einen elektromechanischen Schütz zurückgreifen.
Natürlich muss man dann verhindern, dass beim Abschalten ein Lichtbogen entsteht, aber um eine entsprechende dU/dt-Begrenzung muss man sich ja auch bei den Halbleiterschaltern kümmern.

Eine Möglichkeit hierfür wäre es die Spule über eine Diode mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis zu ergänzen.
Nach einer Viertelperiode ist dann der Spulenstrom auf 0 abgefallen, weil die gesamte Energie im Kondensator steckt.
Von dort kann sie aber wegen der Diode nicht wieder zurück in die Spule und lässt sich mit einem Widerstand "gemütlich" entsorgen.
Rechnerisch ergibt sich der Kondensator mit einer Schwingungsdauer von 20ms zu 100µF und seine Spitzenspannung wird knapp 1,6kV betragen. Da das ja nur gelegentlich geschieht, eignen sich wahrscheinlich sogar Elkos für diesen Zweck.

Jedenfalls sind das Daten, die mit herkömmlichen Bauteilen der Leistungselektrik gut beherrschbar sind.
Freilich nicht zum Preis eines DVD-Players aus dem Supermarkt.

[SAD]

Hi!

Vlt solltest Du dir über Hochspannungsschütze/Reläis mit Funkenlöschkammern mal Gedanken machen,

bevor Du elektronische Spielereien auf eine Platine ohne Sicherheitsabstand lötest.

Da ich als Elektriker nur bis 1000V geeicht bin,kenne ich nur,was ich mal gelernt habe.

Sicherheitsabstand: 1cm pro 1000V.

Bei Deinen Spielereien sind das 2-2,5cm;mit so kleinen elektronischen Dingern,ist
das aber schlecht hinzukriegen.

Hochspannung ist nicht gerade ungefährlich,fasse mal,bei laufendem Motor,an die Autozündspule,
dann weißt Du was ich meine.

[anders]

P.S.:

Dann könnte ich mit diesem Schalter einen Widerstand parallel zur Spule schalten, über dem die Energie abgebaut wird

Widerstand ist ziemlich schlecht, weil der Strom dann gemäß einer Exponentialfunktion abklingt, während er beim Klemmen auf konstante Spannung (auch mit TVS oder VDR) linear runtergeht.
Bei R müssest du also noch definieren, wie hoch der Strom nach den 5ms noch sein darf.
Damit erst kannst du dann die Spitzenspannung im Abschaltmoment bei 50A ausrechnen.

@SAD:
Um die Sicherheit brauchst du dir bei dem Laden wohl keine Sorgen zu machen.
Allerdings dachte ich, dass die selbst eine ziemlich gute Elektronikbastelbude haben.