kurzschlussstrom Kondensator

[Mandelbaum]

Hallo erstmal, da ich mich leider relativ wenig mit der angewanten Elektronik auskenne und neu in diesem Forum bin hoffe ich das euch meine folgende Frage nicht alzu banal erscheinen wird O:)


Es geht darum einen Elektromagneten mit 6 Ohm Widerstand mit einem Kondensator zu "betreiben", der Magnet soll ca. 0.5 s bei 12V und 2A arbeiten.
Mit der Formel F=A*s/V müsste ja somit eine Kapazität von ca. 0.1 F ausreichen.
Mein erstes Problem besteht nun darin, dass ich leider nicht genau weis wie Hitzebeständig der Kondensator sein muss um nicht beschädigt zu werden und ob folgende Elkos dafür zu gebrauchen wären:.
(meine momentane Wahl würde auf 2 Goldcap Elkos in reihe fallen: http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/400000-424999/422086-da-01-en-GOLDCAP_ELKO_SD_V_TYPE_0_33F5_5V.pdf je 0.33F)

Mein zweites Problem ist die Frage wie lange der Kondensator eine Spannung > 8V bei angeschlossenem Magnet haben würde da U(t) nicht linear ist.
Mir ist die Formel t=R*C und 1t=0.63*U... zwar bekannt, allerdings weis ich leider nicht wie ich von tau auf Sekunden komme.

edit:
nach einiger Recherche gehe ich davon aus das ich bei der Berechnung der Spannung die Induktivität der Spule beachten muss und das es zu einer schwingenden Entladung kommt. http://www.walter-fendt.de/ph14d/schwingkreismath.htm berichtigt mich wenn ich falsch liege :?
Demnach müsste ja das Magnetfeld zeitabhängig die Richtung(Polung) wechseln?!

[s.o.]

Theoretisch hast du recht. Praktisch hast du ein paar Sachen vernachlässigt.
Gold Caps sind recht und schön für langsame Stromverbraucher, haben aber einen viel zu hohen ESR, sprich Innenwiderstand. Bau lieber eine Kondensatorbank aus mehereren LOW-ESR Typen auf, damit bekommst du richtig Dampf. (z.B. 10 Stück @ 22.000µ)
Die Berechnung wie lange dein Magnet hält ist tricky: Zuerst musst du berechnen wie lange der Magnet braucht bis er in der Sättigung ist, dann kannst du erst die 2 Ampere@12V annehmen. In der Zwischenzeit ist aber U von deinem Kondensator merklich gefallen, sprich du hast nicht mehr den vollen Strom.

Mein Praxistipp wäre (ist natürlich auch eine gute Übung das per Hand auszurechnen), das ganze mal in LT-Spice aufzubauen und zu simulieren.

Die Schwingung kannst du durch eine Diode unterdrücken, schau dir mal die SB320 an. Die Schaltest du Antiparallel zum Magneten als Freilaufdiode.Unterdrückst du die Schwingung nicht, werden deine Elkos verpolt und gehen eventuell kaputt...

Wenn du den Magneten auch noch schalten willst, schau dir mal Mosfets an.

[Mandelbaum]

Danke für die hilfreichen Tips :D
Das mit der Zerstörung der Elkos kam mir später auch noch in den Sinn, wird durch die Freilaufdiode nicht die Effizienz drastisch gesenkt? "Verpufft" die Energie der übrigen Schwingungen an der Diode oder ist die dann im Magnetfeld gespeichert?

Wie muss ich den ESR in meinen Berechnungen mit einbeziehen? Ist das dann einfach die Begrenzung des Maximalstromes wie bei einer reellen Spannungsquelle? I=U/Ri

Bei einer Kondensatorbank müsste ich vermutlich auch Widerstände zwischen den Elkos einbauen um die abweichenden Kapazitäten auszugleichen, ist es da sinnvoll nur die maximale Abweichung von 2 baugleichen Kondensatoren anzunehmen z.B. +/- 20% je Kondensator?

[williwilli]

Hi,

zu Freilaufdiode: http://www.rn-wissen.de/index.php/Diode oder http://www.rn-wissen.de/index.php/Relais
Zitat: "... daher können beim Abschalten des Steuerstroms am Elektromagneten ... hohe Spannungsspitzen auftreten ... Um die ansteuernde Elektronik (Transistoren oder μController) vor einer Schädigung ... zu schützen, sollte man parallel ... eine sog. Freilaufdiode einbauen..." Im Normalbetrieb mit Gleichspannung liegt die Freilaufdiode in Sperrichtung am Magneten, nur bei der Abschaltung wird sie wirksam.

zu ESR: Für Deinen Fall im Gleichspannungsbetrieb - Ja.

zu C-Bank: http://www.rn-wissen.de/index.php/Kondensator
tau hat die Einheit Sekunden, wenn R in Ohm und C in Farad angegeben sind. Wenn Du 10 Stück (z.B. @ 22.000µ) parallel schaltest, dann addieren sich ihre Kapazitäten (also zu 0.22F), ohne Wenn und Aber.

[Mandelbaum]

Ich habe nun in Mathcad versucht eine Simulation für dieses Problem zu erstellen (ESR der Kondensatoren nicht berücksichtigt):

Die linke Graphik zeigt den Schwingungskreis ohne Diode (angenommen der Kondensator ist Bipolar) die rechte Graphik einen "Schwingungskreis" mit Diode.

Da die Induzierte Ladung nachdem das Potential des Kondensators auf 0V gesunken ist eliminiert wird (+ und -pol der Induzierten Ladung durch Freilaufdiode verbunden) fließt keine Ladung in den Kondensator zurück, der Schwingkreis ist unterbrochen.

Für eine Spule deren magnetisches Feld nicht unmittelbar zum anziehen eines magnetischen Objekts benutzt wird geht diese Energie also verloren. Wenn die Spule keine Krafteinwirkung auf ein anderes Objekt ausüben soll und die Spule keine Freilaufdiode hätte würde das Magnetfeld länger anhalten und periodisch die Richtung wechseln.
P(t) dt wäre also bei t->unendlich = 0 (die Energie wird im Spulenwiderstand verheitzt)

mit einer Freilaufdiode bricht der Schwingkreis ab, da aber die Energie auf einen anderen Körper wirken soll um Hubarbeit zu verrichten wird die Energie der ersten Entladung auf das andere (magnetische) Objekt übertragen (mit Verlusten wenn das angezogene Objekt weniger Kraft benötigt als vorhanden um in eine Ruhelage im Magnetfeld einzutreten). Die überschüssige Feldenergie wird in Spannung zurückinduziert und über die Diode in Wärme umgewandelt.
P(t) dt wäre also bei t = Zeit der Entladung P(t)*t
(mit Energie im Spulenwiderstand, Magnetfeld, Freilaufdiode)

Ich hoffe das das so in etwa stimmt was ich geschrieben habe, also berichtigt mich wenn ich falsch liegen sollte ^^

[Richard]

Als einschalt/Ausschalt Verzögerung habe ich schon öfters
mal mit Kondensator und Relais gearbeitet, allerdings eher
pi x Daumen mit 12v Reais und ~ 4700 µF. Klappt zur Not
ganz gut, die Relais ziehen allerdings mal gerade so 70...80
mAh.... und schalten rund 1...1,5 s.

Gruß Richard

[Besserwessi]

Mit der Freilaufdiode kann der Strom leichter weiterfließen und muß nicht noch extra Energie in den Kondensator liefern. Anfangs hat man also einen Strom wie beim Schwingkreis und dann, wenn die Spannung von etwa 0,5 V erreicht wird, fließt der Strom durch die Freilaufdiode. Die Energie aus der Spule wird dann langsamer abgebaut durch den Widerstand der Spule. Man hat da einen etwa exponentiellen Abfall des magnetfeldes mit der Zeitkonstante L/R. Durch die Spannung ander Diode ist der tatsächliche Abfall aber etwas schneller als L/R, vor allem am Ende, da ist dann L/U(Diode) wichtig und man hat einen linearen Abfall.

Durch die Freilaufdiode bleibt das Feld länger erhalten als ohne.
Interessanter als die Kurve zur Spannung ist die mit dem Strom.

[Mandelbaum]

Die Kurve des Stromes hab ich ebenfalls versucht zu simulieren allerdings sind mir dabei einige eigenarten aufgefallen auf die ich keine Antwort weiß.

Kann es sein das der Strom bei einer Spule höher ist als I=U/R (durch Induktion oder ähniches)?
Denn das passiert wenn ich die Stromkurve mit der Schwingungsgleichung berechne.
Was ich ebenfalls nicht verstehe ist wie lange die Spule die Restladung behällt nachdem sich der Kondensator das erste mal entladen hat (mit Freilaufdiode).
Laut I=U/R würde die Stromkurve vom Maximum auf 0 fallen da die Spannung 0 ist (Verschibung der Schwingungen um pi/2). Oder ist die Gleichung unbrauchbar da es sich um einen Kapazitiven Verbraucher handelt und der Stromfluss muss weiterhin mit der Schwingungsgleichung berechnet werden auch wenn U=0 ist?

[Mandelbaum]

Ich hab in den Berechnungen nun den fehler gefunden. Da ich einen falschen Widerstandswert angenommen habe hat sich mit den richtigen werten nun ein Krichfall ergeben, also kein problem mehr auszuwerten.

Ich habe jetzt vor die Spule über eine Kondensatorbank mit strom zu versorgen, allerdings bin ich dabei auf ein kleines Problem gestossen.

Ich habe eine Schaltung zum parallelen Laden und in Reihe entladen der Elkos (4stk.) entworfen, geschaltet wird über mosfets.
Auf vielen Seiten über Kondensatoren wurde in bezug auf REihenschaltung immer von Symetrierwiderständen geredet, allerdings bin ich mir nicht sicher ob ich diese auch benötige da die Kondensatoren beim Aufladen immer parallel sind (sich ausgleichen) und die Entladezeit <1s ist.

[Besserwessi]

Bei normalen Kondensatoren geht das mit parallel Laden, und in Reihe entladen. Bei Elkos ist es ungünstig, denn wenn da einer kleiner ist wird da die Spannung beim Entladen dann negativ.
Auch ist das umschalten eher kompliziert. Wenn möglich sollte man die Kondensatoren nicht in Umschalten, sondern parallel laden und entladen.
Ggf passendere Kondensatoren oder eine andere Spule nehmen.

[Mandelbaum]

Das das Umschalten nicht ganz einfach ist und der maximale Strom durch den höheren Widerstand bei mehreren Mosfets abnimmt ist mir schon klar, allerdings würde ich trotzdem gerne eine lösung für dieses Problem finden als neue Spulen zu wickeln.
Da ich nur 0.02mm Draht im Keller liegen hab wäre die Wärmeentwicklung bei kleineren Spulen zu hoch.

Würden wäre es nicht möglich die negativen Ströme beim Entladen der Kondensatoren durch Dioden auszugleichen?

[Manf]

Ganz oben in der Aufgabenstellung steht etwas von einem Arbeitsstrom des Magneten von 2A.
Das passt nicht zu den Goldcaps mit dem Innenwiderstand laut Datenblatt. Es ist auch nicht der Fall für den die Goldcaps vorgesehen sind.
Elkos für diesen Strom sind etwas aufwändiger (auch im Preis).