Motoransteuerung - Schutzbeschaltung?

[Powell]

Hallo

Ich habe folgende Anwendung: Ein DC-Motor mit einem Kurzschlussstrom von ca. 50A wird so betrieben, dass er ca. alle ein bis zwei sekunden für die Dauer von 50ms angesteuert wird. Die Stromkurve sieht so aus, dass er beim Anlauf die 50A zieht, dann Drehzahl bekommt und auf etwa 20A abfällt, und dann gegen eine Federkraft fährt bis er wieder zum Stillstand kommt und dann für wenige millisekunden wieder den 50A Kurzschlussstrom zieht bis er wieder abgeschaltet wird (mit dem Oszilloskop ermittelt).
Die Treiberstufe sieht so aus: Mikrocontroller auf Transistor, Transistor auf Relais, Relais auf Motor. Das ganze ist als H-Brücke aufgebaut für beide Drehrichtungen. Im Stillstand (und wenn der Motor abgeschaltet wird) sind die Motoranschlüsse kurzgeschlossen, also Bremsbetrieb.

Nun meine Frage: Muss ich die Halbleiterbauteile gegen Induktionsspannungen vom Motor schützen? Denn die Relais schließen die Motoranschlüsse ja eigentlich direkt kurz.
Ich bin auf diesem Gebiet leider nicht so bewandert, freue mich über jeden Tip

Grüße Paul

[Manf]

Solange die Halbleiter nur Relais schalten braucht man sie nicht gegen die Induktionsspannungen des Motors zu schützen, eher gegen die induzierte Spanung der Relais.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die induzierte Spannung der Motoren nicht auf anderem Weg, über eine gemeinsame Versorgung, auf die Halbleiter wirkt. Das wäre recht unwahrscheinlich, bei der kurzen Beschreibung kann man es natürlich nicht ganz ausschließen.

[Powell]

Die komplette Schaltung wird über eine 12V Batterie betrieben. Die Relais und die Motoren werden mit 12V geschaltet. Nach dem Laststromkreis mit 12V kommt ein 7805 hinter dem dann die Halbleiterelektronik liegt.

[Manf]

Hat die Relaisspule eine Freilaufdiode? Wenn nicht, warum nicht?
Es kann Alternativen geben, speziell bei kurzen Schaltzeiten dann geht es aber ein bisschen ans Eingemachte.

[Powell]

Ja, die Relaisspulen haben jeweils eine Freilaufdiode. Dazu direkt noch eine Frage: Wie kritisch ist eigentlich der Abstand (bzw. Leiterbahnlänge) zwischen Spulenanschlüssen und Diode?

Wie ist diese Gegeninduktionsspannung eigentlich zu erklären? Wenn der Motor "im Leerlauf" ist (also während der Relaiskontakt zurückfällt, millisekunden) dann wirkt er doch wie ein Generator, treibt sich also selbst an. Wenn der Relaiskontakt angekommen ist werden die Anschlüsse kurzgeschlossen und der Motor gebremst. Wo kann dann also eine Spannung herkommen.

Und noch eine Frage: Spielt es eine Rolle ob während dem Abschaltvorgang 5A oder 50A fließen? Würde mich mal allgemein interessieren, auch im Hinblick auf z.B. Kontaktabbrand.

Grüße Paul

[Manf]

Im allgemeinen nicht sehr kritisch, die Streukapazität der Spule verhindert ein zu rasches Ansteigen der Spannung sodass auch nach ein paar 'zig Nanosekunden die Diode ihre Aufgabe noch gut erfüllen kann.

Eine Spannung am Motor entsteht auch dadurch, dass durch die Bewegung eine Spannung induziert wird. Die ist aber nicht größer als die Betriebsspannung.

Die Abschaltspitzen entstehen durch die Unterbrechung des Stroms. Hierbei wird die Energie des Stroms in der Induktivität der Ankerwicklung abgebaut. Die ist wenn man von einer möglichen Sättigung absieht dem Quadrat des Stroms proportional.
Manfred

[Yossarian]

Hallo
einmal wird durch die Induktivität der Motorwicklung beim abschalten durch das zusammenbrechende Magnetfeld eine Spannung induziert, die einen Strom zu treiben versucht.Da das Magnetfeld eine gewisse Energie besitzt und diese Energie nicht einfach verschwinden kann, steigt die Induktionsspannung auf hohe Werte,bis es irgendwo zu einem Überschlag kommt.
Zum zweiten bewegt sich die Rotorinduktivität im Magnetfeld , es wird also eine Spannung erzeugt(Generator). Wenn die Anschlüsse frei sind, kann kein Strom fließen.Wenn die Kontakte geschlossen werden,fließt ein Strom, es wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches wiederum die Bremskraft bewirkt.
Spielt es ein Rolle ob 0A oder 5A fließen?
Größerer Strom-größeres Magnetfeld , mehr Energie.
Mit freundlichen Grüßen
Benno

[Hessibaby]

Wird die Ankerwicklung direkt oder indirekt (über einen Bremswiderstand) kurzgeschlossen. Bei der direkten Methode, vor allem bei Impulsbetrieb, ist es sinnvoll eine R/C Reihenkombi parallel zum Kontakt zu legen, da das Umladen des Kondensators die Stromspitzen am Kontakt reduziert. Bei den hier angegebenen Daten 47Ohm und 22µF/63V (kein Elko oder Tantal sondern z.B. Kondensator aus einer Frequenzweiche (die sind genau für den Anwendungsbereich entwickelt))
Alernativ kann auch mit antiseriell geschalteten Z-Dioden gearbeitet werden z.B. 24V minimal 10W und natürlich Strombegrenzungs R von ca. 10Ohm.
Gruß Hartmut

[Powell]

Also bei mir sieht es z.Zt. so aus, dass mein Motor bei einem Strom von 50A (Kurzschlussstrom) abgeschaltet wird. Er steht in diesem Moment weil er gegen einen Anschlag gefahren ist.
Ich habe z.Zt. noch 4 Schottky-Dioden in dieser H-Brücke siehe: http://s-huehn.de/elektronik/fahrtregler/fahrtregler.htm
ich habe die Schottky-Dioden eingebaut weil er es auf seiner Page auch gemacht hat, also weiß ich nicht ob sie unbedingt notwendig sind. Da ich momentan ein sehr kompaktes Layout erstellen will, möchte ich nun wissen ob sie nicht vielleicht überflüssig sind. Ich hätte dann also keinerlei Schutzbeschaltung des Motors, Abschaltstrom 50A, die Trennung zwischen Laststromkreis (12V) und Steuerstromkreis mit µC (5V) erfolgt lediglich über einen 7805.
Ist das nun ein gefährlicher zustand oder kann nichts passieren?

Grüße Paul

[Manf]

Es geht ja in beiden Fällen, beim Abschalten der Relais und dem Abschalten des Motors um die Energie die in der jeweiligen Induktivität gepeichert ist. Sie sollte kontrolliert abgebaut werden und nicht die Schalter belasten. Bei den Relais sind zur Zeit Dioden vorgesehen, beim Motor auch, das ist sinnvoll.

[Powell]

also rätst du generell ab die Schottky-Dioden wegzulassen?
Hessybaby hat noch antiseriell geschaltete Z-Dioden erwähnt. Antiseriell bedeutet: Kathoden der Dioden zeigen aufeinander, Anoden werden an den Motoranschlüssen angeschlossen bzw. zwischen einer Anode und einem Motoranschluss befindet sich noch ein 10 Ohm Widerstand. Habe ich das so richtig verstanden?

[Manf]

Die Energie muss irgenwo hin, als Lichtbogen im Relais ist sie eher schlecht aufgehoben, wenn auch das Relais dabei von ein bis zweimal nicht gleich kaputt gehen muss.
Man kann sie in Zenerdioden verbraten oder, wenn die Spannung dabei nicht zu hoch wird, in den Akku zurückschicken dort stört sie am wenigsten oder als langsamer abklingenden Strom im Motor belassen, dort wird sie auch keinen Schaden anrichten.

[Powell]

Danke für die Antwort Manf...
jetzt bin ich wie gesagt nicht allzu bewandert was die Funktionen und Möglichkeiten der Bauelemente angeht.
Würdest du nochmal erläutern wie ich meine Schaltung aufbauen muss wenn:
- ich die Restenergie in Zenerdioden verbrate
- ich die Restenergie in den Akku zurückschicke (Motor läuft in beide Richtungen, H-Brücke)
- ich sie als langsam abklingenden Strom im Motor belassen will (Leerlauf?)

Wenn möglich auch die Dimensionierung der Bauelemente. Wieso z.B. 10W Zener-Dioden (wurde hier mal genannt) wenn doch nur für einen ganz kurzen Moment ein Strom durch sie fließt?

[Manf]

In http://s-huehn.de/elektronik/fahrtregler/fahrtregler.htm:

Ohne D1-D4 aber mit Zenerdioden >Ub über Motor: in Zenerdioden

Mit Dioden D1-D4: Alle Transistoren gesperrt: Strom fließt in den Akku

Mit Dioden: T3, T4 gesperrt, Strom klingt über T1, D2 oder T2, D1 im Motor langsam ab. Richtungsabhängig ansteuern.
Manfred


Zenerdioden: Sie sollten die Energie aufnehmen können. Angaben dazu stehen im Datenblatt. Worin soll der Vorteil der Zenerdioden liegen?

[Hessibaby]

Die Z-Dioden begrenzen die Gegen EMK auf eine Akkuverträgliche Spannung.
Diese Beschaltung ist bei kommerziellen Geräten Standard.
In der Industrie werden sogar die Ausgangsspannungen von Tachogeneratoren damit begrenzt.
Gruß

[Manf]

Wenn von dieser Schaltung ausgegangen wird
http://s-huehn.de/elektronik/fahrtregler/fahrtregler.htm:
dann kann man die Schutzdioden so wie in der Schaltung beschrieben einsetzen und die Energie beim Abschalten in den Akku zurückspeisen.
Die Alternativen wurden angesprochen.
Manfred