Wärmeentwicklung Widerstand

[erfus]

Hallo zusammen,

ich habe eine Schaltung aufgebaut, bei der über einem Leistungswiderstand im Mittel ca. 5,8V abfallen.
Der 5 Watt Widerstand hat einen Wert von 22 Ohm, die Verlustleistung beträgt also 1,53 Watt.
Die Schaltung hat aber nach ca. einer Minute angefangen zu rauchen, weil die Lochrasterplatine unter dem Widerstand zu heiß geworden ist.
Im Datenblatt des Widerstands (http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/5W_Axial%23YAG.pdf) habe ich gelesen, dass der Temperaturbereich zwischen -55 und 350°C liegt.
Das halten aber die Lochrasterplatine und die Lötstellen nicht aus.

Wie kann ich berechnen, wie heiß der Widerstand wird? (Er befindet sich in einem mehr oder weniger Luft-dichten Gehäuse).
Welchen Widerstand kann ich nehmen, der bei selbiger Situation nicht so heiß wird?
Die Schaltung soll mehrere Stunden am Stück laufen.

Gruß erfus

[BernhardS]

Wenn ich das richtig lese, dann wärmt sich das 5W Exemplar um 50K pro Watt auf, also um 75K bei 1,5 Watt. Das gilt aber nur für freie Thermik - in einem Gehäuse kann das nur schief gehen.
Die Naturgesetze gelten immer. Wenn 2 Watt an die Luft abzugeben sind, dann müssen sich soundso viel Liter Luft um 20 oder 30 Grad erwärmen und die selbe Menge frische Luft muss nachströmen. Das lässt sich nicht durch die Wahl eines Widerstand in anderer Bauform beseitigen. Falls die Randbedingungen ein geschlossenes Gehäuse verlangen, dann muss man die Wärme halt über die Gehäusewand abgeben. Metallwandung, Leistungswiderstand innen, Kühlrippen außen.

Nebenbei: Eine Lochrasterplatine ist dafür denkbar schlecht geeignet. Wärmeentwickelnde Teile baut man auf eine geätzte oder gefräste Platine. Dann kann die Lötstelle lokal Wärme an die Kupferfläche abgeben.

[erfus]

Ok danke, etwas in der Art habe ich mir schon gedacht.

Der Widerstand lädt einen großen Kondensator (2,2mF) 5 mal pro Sekunde auf.
Er soll dabei den Strom begrenzen, weil ich dem Netzteil nicht mehr als 1A abverlangen möchte.
Ist es möglich diese Strombegrenzung mit weniger Verlusten zu realisieren?

[BernhardS]

Schon, ist aber Aufwand. Man kann einen MOSFET in die Zuleitung legen und schnell ein- und ausschalten.
Suchbegriff PWM

[der mit den kurzen Armen]

Sinnvoller dürfte für diesen Zweck aber eher eine Konstantstromquelle sein. Aber auch diese benötigt einen Kühlkörper!

[anders]

bei der über einem Leistungswiderstand im Mittel ca. 5,8V abfallen.

Was für ein Mittel?

Schreib lieber mal die vollständigen Parameter, wie Betriebsspannung, Anfangs- und Endspannung des Kondensators, Größe und Material des Gehäuses und ob da weitere Wärme erzeugende Bauteile drin sind.
Hohe Temperaturen wirken sich auch negativ auf die Lebensdauer von Elkos aus,
Kannst du das Gehäuse zur besseren Kühlung mit Löchern versehen?

P.S.:

Man kann einen MOSFET in die Zuleitung legen und schnell ein- und ausschalten.
Suchbegriff PWM

Das verändert aber nicht die Wärmebilanz.

[mkm12]

Wenn du mit einem MOSFET periodisch ein-und ausschaltest und dabei den Strom über eine geeignete Induktivität (nicht über einen Widerstand!) begrenzt, kannst du die dabei in der Induktivität gespeicherte Energie in der Ausschaltphase an deinen Kondensator abgeben. Dabei wird (theoretisch) keine Leistung in Wärme gewandelt. Tatsächlich aber sind die verwendeten Bauelemente nicht ideal, so dass doch etwas Verlustwärme dabei anfällt. Diese ist aber drastisch geringer als in dem von dir beschriebenen Konzept.
Das Verfahren ist mit wenig Aufwand realisierbar.

[erfus]

Schreib lieber mal die vollständigen Parameter, wie Betriebsspannung, Anfangs- und Endspannung des Kondensators, Größe und Material des Gehäuses und ob da weitere Wärme erzeugende Bauteile drin sind.
Hohe Temperaturen wirken sich auch negativ auf die Lebensdauer von Elkos aus,
Kannst du das Gehäuse zur besseren Kühlung mit Löchern versehen?

Die Betriebsspannung ist 24V, Anfangsspannung des Kondensators ca. 10V, Endspannung ca. 23,5V.
Das Gehäuse ist aus Kunststoff und etwa 10x10x10cm groß. Es muss wasserdicht sein, deshalb sind Löcher schlecht. Weitere Wärme erzeugende Bauteile sind ein Mosfet und das Netzteil. Beide werden aber nur warm und nicht heiß. Ich Anhang ist ein Schaltplan.

Wenn du mit einem MOSFET periodisch ein-und ausschaltest und dabei den Strom über eine geeignete Induktivität (nicht über einen Widerstand!) begrenzt, kannst du die dabei in der Induktivität gespeicherte Energie in der Ausschaltphase an deinen Kondensator abgeben. Dabei wird (theoretisch) keine Leistung in Wärme gewandelt. Tatsächlich aber sind die verwendeten Bauelemente nicht ideal, so dass doch etwas Verlustwärme dabei anfällt. Diese ist aber drastisch geringer als in dem von dir beschriebenen Konzept.
Das Verfahren ist mit wenig Aufwand realisierbar.

Das hört sich sehr gut an. Da muss ich mir noch etwas Wissen anlesen, um die Bauteile richtig zu dimensionieren.
Ich melde mich nochmal, aber vielen Dank erstmal

[erfus]

Den Anhang habe ich bei der letzten Nachricht vergessen:

[erfus]

Eine Frage hierzu:

Wenn du mit einem MOSFET periodisch ein-und ausschaltest und dabei den Strom über eine geeignete Induktivität (nicht über einen Widerstand!) begrenzt, kannst du die dabei in der Induktivität gespeicherte Energie in der Ausschaltphase an deinen Kondensator abgeben.

Muss ich dafür die Impedanz der Spule berechnen, und diese so wählen dass U/Z=1A ist, wenn ich als Ladestrom für den Kondensator max. 1A haben möchte?
U ist dabei (U0 - Uc(t)), wobei U0 die Betriebsspannung ist und Uc(t) die momentane Kondensatorspannung.
Wie berechne ich die Impedanz der Spule, wenn das Signal vom MOSFET nicht sinusförmig sondern rechteckig ist?

[BernhardS]

Richtig rechteckig gibt es in der Praxis zum Glück nicht, mit einer Spule im Stromkreis sowieso nicht. Rechne für den Anfang einfach mit Sinus. Wenn Dir der Sinn nach mehr steht, dann setz die dritte Oberwelle mit ....was weiß ich... 10% der Amplitude der Grundfrequenz mit an.

[anders]

Die Betriebsspannung ist 24V, ...Endspannung ca. 23,5V

Das ist eine sehr geringe Differenz,
Hast du schon einmal daran gedacht, dass dein Netzteil nur eine Toleranz von -2,5% zu haben braucht, und du wirst die 23,5V nie erreichen?

Muss ich dafür die Impedanz der Spule berechnen, und diese so wählen dass U/Z=1A ist

Der Ansatz geht anders. Man wählt die Schaltfrequenz so hoch, dass man die Kondensatorspannung während einer Periode als konstant ansehen kann.
Dann steigt der Spulenstrom innerhalb der Periode zeitlich linear an.

Die viele Rechnerei liefert aber nur Näherungswerte und deshalb verwendet man heute lieber einen Simulator, der auch das nichtideale Verhalten der Bauteile (z.B. die Verlustwiderstände von L und C) berücksichtigen und viele Zusatzinformationen liefern kann.
Der Standard in Bastlerkreisen dürfte das kostenlose LTspice sein, das du dir hier holen kannst: http://www.linear.com/
Es ist aber wie beim Autofahren: Man muß lernen damit umzugehen, und das kann etwas mühsam sein.
Als Lohn bekommt man ein leistungsfähiges Werkzeug und Resultate, die meist der Wirklichkeit schon sehr nahe kommen.


Wie kommst du übrigens auf den Gatevorwiderstand von 69,8 Ohm?
Hast du den gerade da gehabt?
Üblicher Weise wählt man billigere Werte aus E-Reihen mit größerer Toleranz aus.

[erfus]

Das ist eine sehr geringe Differenz,
Hast du schon einmal daran gedacht, dass dein Netzteil nur eine Toleranz von -2,5% zu haben braucht, und du wirst die 23,5V nie erreichen?

Es ist für meine Anwendung nicht schlimm, wenn die 23,5V nicht ganz erreicht werden. 22V würden auch noch ausreichen.

Die viele Rechnerei liefert aber nur Näherungswerte und deshalb verwendet man heute lieber einen Simulator, der auch das nichtideale Verhalten der Bauteile (z.B. die Verlustwiderstände von L und C) berücksichtigen und viele Zusatzinformationen liefern kann.

Vielen Dank, das werde ich gleich einmal ausprobieren.

Wie kommst du übrigens auf den Gatevorwiderstand von 69,8 Ohm?
Hast du den gerade da gehabt?

Ja, ich hatte mir ein Widerstandsset gekauft und deshalb hatte ich den zufällig hier rumliegen.

[erfus]

Ich habe die neue Schaltung zum Laden des Kondensators jetzt einmal bei LTSpice aufgebaut.
Ich habe aber noch keine vernünftigen Werte gefunden, weil die Simulationen teils sehr lange dauern.
Im Anhang ist der neue Schaltplan:

[anders]

Im Anhang ist der neue Schaltplan

Der ist allerdings sehr ungeschickt.
Schau mal in den Beispielen von LT, wie Buck-Wandler aufgebaut werden.
Die haben auch ein paar Steuer-ICs für solche Sachen und das war der eigentlich Grund weshalb sie vor Jahren diesen Simulator gebaut haben.

Dein 2,2mF Speicherkondensator hat bei 10V eine Energie von 0,11J und bei 24V sind es 0,63J.
Die Differenz beträgt also 0,52J und das 5 Mal pro Sekunde ergibt eine Abgabeleistung von 2,6W.
Solche Schaltwandler haben typisch Wirkungsgrade um 90%, aber selbst wenn es nur 80% wären, hättest du eine Leistungsaufnahme von 3,3W entsprechend 140mA aus 24V.
Dementsprechend würde die Wärmeentwicklung in dem Kistchen 0,7W nicht überschreiten. und das kann dann auch dein Kunststoffkästchen gut vertragen.

Evtl brauchst du solch einen Wandler gar nicht selbst zu bauen, denn es gibt für den Betrieb von LEDs fertige Konstantstromquellen auf der Basis von derartigen Buck Reglern (Tiefsetzstellern).

Ich weiss ja nicht, was du vorhast, aber ich würde auch mal ein derartiges Modul in die Überlegungen einbeziehen: http://www.ebay.de/itm/DC-DC-LM2596-Ste ... 1834879335

Für den dort verwendete LM2596 von NSC (jetzt bei http://www.ti.com) gibt es beim Hersteller ausführliche Datenblätter und Planungshilfen: http://www.ti.com/product/LM2596/techni ... Everything

Du kannst das IC natürlich auch bei einem deutschen Elektronikversender mit C kaufen, aber die Chinesen liefern für einen Bruchteil des Preises ein komplett aufgebautes Modul damit...
Dauert nur etwas länger, bis du es in er Hand hältst.


P.S.:
Hier gibts augenscheinlich das gleiche Modul, teuerer aber mit besserer Beschreibung: http://www.ebay.de/itm/LED-Driver-Charg ... 1458297134