Kleine Aufgabe: Erzeugte Induktionsspannung

[Multi-kv]

Hallo Leute,

es geht um die Frage (grobe Abschätzung reicht) welche Induktionsspannung von einer kleinen Luftspule erzeugt wird, die von einem Strom von 8A bei 20V DC durchflossen wird und die dann 'plötzlich' abgeschaltet wird. Ich weiß, es kommt auf die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfelds in der Spule an, kann das aber schlecht einschätzen. Nehmen wir 2 Szenarien: einmal Abschaltung durch manuellen Schalter (normaler Kippschalter) und einmal Abschaltung durch einen Mosfet.
Die Spule hat 30 Windungen und ist um ein Alurohr gewickelt (kein Eisenkern). Jetzt kann man sicherlich über viele Formeln die Induktivität der Spule errechnen, das erzeugte Magnetfeld und über die Abschaltgeschwindigkeit dann die erzeugte Induktionsspannung

Vielleicht kann das jemand grob abschätzen oder auch gerne ausrechnen? Die Wicklung der Spule befindet sich auf einer Länge von 20cm und hat einen DM von 2cm - ich glaube diese Angaben wären noch wichtig für die Induktivität.

Ich schätze, es könnten Peaks von 40-50 V dabei herauskommen, vielleicht liege ich aber auch völlig daneben.
Und dann würde ich es auch mal in der Praxis mit dem Oszi messen

[Multi-kv]

Jetzt bin ich den Rechenkünstlern hier zuvor gekommen

Setup: Als 'Spule' dient mein selbstgebauter Wasserheizstab aus gewickeltem Edelstahldraht CrNi-18-10 in 1mm DM, ca. 3m auf Alu-4-kant-rohr gewickelt, ca. 18 cm Länge, ca. 3 Ohm. Bestromt wurde dieser aus einer Autobatterie mit 12,8V und mit dem Oszi der Induktionsimpuls gemessen:

In der Spitze treten Induktionsspannungen von fast -80V auf, also gut das 6-fache der verwendeten Nennspannung. Im Mittel bei ca. 20 Versuchen (manueller Kontakt) waren es aber eher 40-60V und tlw. auch weniger. Meint ihr das Ergebnis würde bei einem Mosfet-Schalter wesentlich anders aussehen?

[Multi-kv]

Habe das mal nach dieser Anleitung:
https://www.youtube.com/watch?v=d4l8KbI3zCk
nachgerechnet:

l (Länge der Spule): 0,13m
N (Windungszahl): 28
A (Spulenquerschnitt): 5,3 cm2 = 0,00053 m2
I (Strom durch die Spule): 4,4 A

B = uo (I*N)/l = 0,0011909 T

Angenommene Abschaltgeschwindigkeit: 1 us

B'(t) = 1190,9 T/s (Ableitung nach der Zeit, Stromänderungsgeschwindigkeit)

Induzierte Spannung:
U(ind, 1us)= -N*B'(t)*A = - 17,63V

D.h. wenn der Strom durch die Spule in 1 us abgeschaltet würde, müßte sich rechnerisch eine Induktionsspannung von 17,63V ergeben.
Gemessen habe ich bis zu 80V, also Faktor 4-5 mehr! Das heißt die Abschaltung wäre in etwa 0,2us passiert - ist das realistisch - manuell?
Da ist ja ein Mosfet auch nicht so viel schneller...

[Norbi]

Hm weiß jetzt auch nicht die Fall time bei dem mechanischen Switch, aber warum sollte die nicht kurz sein?

Würde einfach überlegen absichtlich nen hohen Gatewiderstand zu nehmen bzw. nen kleinen RC-Snubber über Collector/Emitter zu legen.

[Multi-kv]

Danke Norbi.
Man liest halt immer wieder, das Mosfets die schnellsten Schalter sind und das mechanische Schalter, wie auch Relais, da bei weitem nicht mitkommen.
Die Schaltzeiten von Mosfets kann man ja aus dem DB ablesen, liegen meist bei 50...150 ns und hängen natürlich auch von der Gate-Ansteuerung ab.
Ja: Freilaufdiode, Snubber network und langsamere Ansteuerung bringen Abhilfe gegen die Spannungsspitzen.
Mir ging es eigentlich erstmal nur darum, die Höhe der Induktionsspitzen abzuschätzen. Wenn man sieht, dass da locker mal die 6-fache Betriebsspannung induziert wird (und das bei einer kleinen Luftspule - je nach Anwendung sicher auch mehr), kann man auch die Mosfets besser dimensionieren.

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

hast du keine Möglichkeit, die Induktivität der Spule zu messen? Das wäre meiner Ansicht nach eine sehr simple Variante, um schnell einen Eindruck zu bekommen, in welcher Grössenordnung du liegst. Was beim mechanischen Schalter definitiv anders ist als bei einem Mosfet ist die Tatsache, dass der mechanische Schalter immer prellt und somit das Ergebnis massiv verfälschen kann. Ich würde den Mosfet nicht danach dimesnionieren, wie hoch der Selbstinduktionskick ist, sondern ihn mit einer schnellen, externen Freilaufdiode schützen. Der Mosfet muss nur den Schaltanforderungen genügen.

Gruss kilovolt

[Multi-kv]

Hallo kilovolt,

vielen Dank -
ja, ich könnte mal versuchen die Induktivität der Spule zu messen, dürfte recht gering sein. Ich möchte allerdings einen eher 'universellen' Schalter für DC-Spannungen bis ca. 160V bauen, mit dem ich auch andere Lasten (z.B. klassische Tauchsieder) schalten kann. Nach meinen Versuchen ist die dort induzierte Spannung sogar geringer, als in meinem DIY-Wasserkocher über diese Edelstahldraht-Spule. Je nach Aufbau (und Lage des Kabels etc.) könnten die Streuinduktivitäten (und -Kapazitäten) aber deutlich variieren bei den kleinen Werten. Eine schnelle Freilaufdiode ist wohl eine gute Option und oder gepaart mit einem snubber. Alternativ eine passende TVS-Diode - welche Option ist da die beste?
Der Betriebsstrom wird mit ca. 5 A überschaubar sein, da genügt ein R(dson) von unter 0,2 Ohm (5 W Verlustleistung), besser wäre natürlich noch deutlich geringer. Habe noch einen fetten Mosfet da mit 250V Spannungsfestigkeit - ist evtl. etwas knapp bemessen. Das wäre ein IRFP4332 mit über 50A Draincurrent cont.
Oder ein IRFP460 mit 500V aber nur 20A max. - da braucht es dann schon einen dickeren Kühlkörper.

[Multi-kv]

Habe gerade mal versucht mit meinem kleinen Multifunction-meter die Induktion zu messen: keine Anzeige, allerdings 36 pF an Kapazität.
Rechnerisch dürfte die Induktivität bei 3-4 uH liegen, die Kapazität sollte rechnerisch bei 2,2 pF liegen, aber meine Leitungen waren insges. länger bei der Messung - macht offensichtlich viel aus. Könnte nochmal über kleinen Schwingkreis und Oszi messen, aber man kann ja aus den Bildern oben schon grob etwas ablesen: Resonanzfrequenz liegt bei etwa 11 MHz

Damit käme ich nach der Schwingkreisformel auf etwa 7 uH, bei C = 3pF (angenommen).

Was heißt das jetzt für die Freilaufdiode oder den Snubber?

P.S. die Resonanzfrequenz (11 MHz) ist das wohl nicht, da gilt ja eine andere Formel sehe ich gerade (f = 12 Pi L C) - das kommt bei weitem nicht hin. Keine Ahnung, was das für eine Frequenz ist, die ich da oben gemessen habe...

[Norbi]

Wie häufig soll der Mosfet denn schalten?

Fürn kHz bei 160V vielleicht einfach 20 Ohm/1W und 0,1µF parallel, bin selber immer zu Faul zum rechnen und nehm irgendwas was rumliegt. Alles ist besser als nichts.

Ich nehm den Widerstand einfach immer so dass beim Abschalten der Laststrom erlaubt ist und C um dann auf ne angenehme Zeitkonstante zu kommen. Beim Einschalten wird die Energie dann aber verbraten im Widerstand und der Strom im Mosfet kurz doppelt so hoch.

Unter "snubber circuit design" findet man bei google wie man das berechnen kann, so von TI, Toshiba und so, geht auch eleganter als nur mit RC parallel....

https://toshiba.semicon-storage.com/inf ... ?did=13416

Ich habe aber auch den Eindruck so ein abreißender mechanischer Kontakt ist mitunter vielleicht verdammt schnell und ein Mosfet im Normalbetrieb deutlich "langsamer".

[Thunderbolt]

Hallo kilovolt,

vielen Dank -
ja, ich könnte mal versuchen die Induktivität der Spule zu messen, dürfte recht gering sein. Ich möchte allerdings einen eher 'universellen' Schalter für DC-Spannungen bis ca. 160V bauen, mit dem ich auch andere Lasten (z.B. klassische Tauchsieder) schalten kann. Nach meinen Versuchen ist die dort induzierte Spannung sogar geringer, als in meinem DIY-Wasserkocher über diese Edelstahldraht-Spule. Je nach Aufbau (und Lage des Kabels etc.) könnten die Streuinduktivitäten (und -Kapazitäten) aber deutlich variieren bei den kleinen Werten. Eine schnelle Freilaufdiode ist wohl eine gute Option und oder gepaart mit einem snubber. Alternativ eine passende TVS-Diode - welche Option ist da die beste?
Der Betriebsstrom wird mit ca. 5 A überschaubar sein, da genügt ein R(dson) von unter 0,2 Ohm (5 W Verlustleistung), besser wäre natürlich noch deutlich geringer. Habe noch einen fetten Mosfet da mit 250V Spannungsfestigkeit - ist evtl. etwas knapp bemessen. Das wäre ein IRFP4332 mit über 50A Draincurrent cont.
Oder ein IRFP460 mit 500V aber nur 20A max. - da braucht es dann schon einen dickeren Kühlkörper.

wenn du dich mit ein paar mal pro sekunde ein/aus zu frieden gibst kann es gut sein, dass der MOSFET das auch so wegsteckt, wenn er avalance-rated ist, die gesperrte Drain-Source Strecke verhält sich im prinzip wie eine Zenerdioden, die die überschüssige Spannung "verbrät"

[kilovolt]

Reicht nicht auch ein kleines Solid State Relais?

Ein Snubber-Netzwerk würde ich auch handgelenk mal pi dimensionieren, denn die Tiefpasswirkung eines solchen Netzwerks ist ohnehin sehr breitbandig. Wenn man es auf die schwierige, offizielle Tour machen will, dann müsste man die Werte genau ermitteln können. Was Du in etwa bräuchtest, wäre ein RC-Tiefpass, dessen Grenzfrequenz deutlich unterhalb deiner 11MHz-Schwingung liegt. Das ist eigentlich fast alles, was man mit gängigen Bauteilwerten so hinbekommt. Müsstest also eigenltich nur noch auf die Spannungsfestigkeit achten. Ich würde es so lösen, wie Norbi vorgeschlagen hat.

Gruss kilovolt

[Multi-kv]

Vielen Dank Euch allen.
Wahrscheinlich bin ich hier nur übervorsichtig bzw. wollte mal verstehen, wie man so ein snubber network tatsächlich berechnet - habe es bisher auch immer nur Pi mal Daumen gemacht und hat eigentlich immer funktioniert.
Ich will auch nur manuell an- und ausschalten, also überhaupt keine hohe Schaltfrequenz - das sollte ein vernünftig dimensionierter Mosfet also locker wegstecken. Bisher stecke ich die Kontakte manuell über 4mm Buchsen, das gibt aber bei 100VDC schon teils ganz ordentlich Abrißfunken bis kleine Lichtbögen - auf die Dauer keine gute Lösung. Längerfristig plane ich noch 2 weitere Module in Reihe und komme dann auch auf 160 - 170V. Mal schauen ob ein 250V Mosfet das länger mitmacht. Aber mit schneller Freilaufdiode und snubber parallel sollte das eigentlich klappen. Bisher bin ich nur bei 80-100V, das sollte überhaupt kein Problem sein. Werde berichten ...