Leistungstreiber


Erstellt: 2017-03-24Letzte Änderung: 2017-03-25 [vor 4 Monaten, 26 Tagen]

Leistungstreiber Mit diesem kleinen Gerät lässt sich eine Menge Spaß haben, z.B. bei der Ansteuerung von Zeilentrafos oder sonstigen Experimenten mit Transformatoren.

Die Schaltung ist noch nicht optimal, jedoch will ich euch die Ergebnisse der ersten Testversuche nicht vorenthalten! :-D

Funktion

Die Schaltung benötigt 12V zur Versorgung des Gatetreibers und zur Kühlung der MOSFETs. Es werden vier IRFP460-MOSFETs (n-Channel) verwendet, die als Vollbrücke (H-Brücke) verschaltet sind. Die zu schaltende Gleichspannung (theoretisch bis zu 500V, was ich aber niemals ausreizen werde) wird über zwei Bananenbuchsen zugeführt

Die Gates der MOSFETs werden galvanisch getrennt von einem GDT (Gate Drive Transformer) angesteuert, der aus fünf auf einen alten Ringkern gewickelten Spulen besteht: Jeweils ca. 10 Windungen für ca. 15V Amplitude, muss immer experimentell ermittelt werden.

Leider ist der verwendete Kern nicht sonderlich gut geeignet — eher für EMV-Signalentstörung auf Kabeln, da kommt er auch her. Unter anderem daher ist der Frequenzbereich der Schaltung auf ca. 20kHz bis 100kHz beschränkt (auch wenn ich den Zeilentrafo im unten stehenden Video mit 18kHz ansteuere, das geht gerade noch so). Die Ausgangssignale könnten schöner sein, die Gatesignale sind nicht sonderlich toll und gleichen eher einer Dreieckspannung ~_~...eine neue, verbesserte Version der Schaltung muss also dringend her. ;-)

Wenn ich die Brücke mit 10kHz betreibe, sehen die Ausgangssignale schon sehr deformiert aus, das gleiche gilt für Frequenzen oberhalb 100kHz. Aber auch in diesem Frequenzbereich hat das Ausgangssignal eine deutliche Verzerrung, was durch die suboptimal geformten Gatesequenzen verursacht wird.

Die Ansteuerung der GDT-Primärspule geschieht mittels drei steinalten 2N2221-Transistoren im Metallgehäuse, die ich noch herumliegen hatte.

Die Vollbrücke verdoppelt die Ausgangsspannung übrigens, da sie die Polarität der angeschlossenen Last periodisch vertauscht; die Eingangsleistung wird also in zwei gespiegelte Hälften aufgeteilt, die entnehmbare Gesamtleistung bleibt dabei unverändert.

Die Auskopplung der von der Brücke geschalteten Wechselspannung erfolgt über einen 1µF/250V-Kondensator, sodass Gleichspannungskurzschlüssen vorgebeugt wird; wechselspannungsmäßig wird über den Kondensator immer noch genug Energie übertragen, um kräftige Ansteuerungen von z.B. Zeilentrafos zu realisieren.

Eine zusätzliche Strombegrenzung über einen Shunt mit Komparator und Poti vorne an der Frontplatte wäre auch eine gute Idee für die nächste Version. Wenn ein angeschlossener Zeilentrafo nicht zündet, geht der Kern durch die fehlende Sekundärlast in Sättigung (seine magnetische Leitfähigkeit verschwindet, d.h. die Schaltung sieht im Extremfall nur noch eine Luftspule), was die Primärspule effektiv kurzschließt; solch ein Betriebszustand könnte durch eine Strombegrenzung vermieden werden, indem diese bei Überschreiten des regulären Betriebsstroms (mit gezündetem Lichtbogen) das Eingangssignal unterbricht (quasi ein Interrupter), sodass der Funken neu zünden kann und die Schaltung nicht so schnell durchbrennen kann.

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Aufbau

Der Treiber wurde in ein handliches Gehäuse eingebaut und enthält den Gatetreiber, GDT und die Vollbrücke mitsamt zweier Lüfter. Das Eingangssignal wird von einem "FG085 miniDDS" Funktionsgenerator extern über eine BNC-Buchse zugeführt.

Die MOSFETs sind praktischerweise über Schraubklemmen auswechselbar, wenn sie mal wieder gekillt wurden. :rofl: Mir ist das mit dem Zeilentrafo bei hoher Eingangsspannung auch schon passiert, was sich dadurch geäußert hat, dass ich am Ausgang nur die halbe Rechteckamplitude messen konnte, d.h. einer der beiden Schaltstränge der H-Brücke ist durchgebrannt. Ich sollte mir mal einen automatischen MOSFET-Tester bauen, oder besser noch eine Diagnosefunktion direkt in die Schaltung integrieren! :-D

Hier der schnell zusammengekritzelte Schaltplan. Den bei mir vorhandenen "ON"-Schalter habe ich vergessen einzuzeichen, er unterbricht in meinem Aufbau aber die Verbindung zur GDT-Primärspule.

Wichtig: Außerdem habe ich die vier MUR860-Dioden vergessen einzuzeichnen, welche jeweils parallel zu den MOSFETs (und deren internen, schwächeren Body-Dioden) geschaltet sind (Kathode an Drain, Anode an Source); diese verhindern ein Durchschlagen der MOSFETs bei negativen Spannungen, wenn von nicht-ohmschen Lasten (z.B. durch Selbstinduktion / "Back EMF" einer Spule) Ströme zurück in die Treiberbrücke fließen.

Die Schaltung darf nicht ohne Eingangssignal betrieben werden, da die GDT-Primärspule sonst dauerhaft mit Gleichstrom versorgt würde (Transistoren werden heiß, brennen ggf. durch). Das ist natürlich suboptimal und wird in einer zukünftigen Version (vielleicht mal als geätzte Platine) verbessert werden, indem entweder naiv aus den 12V über einen Spannungsteiler 5V gemacht und über einen PullUp an die Basis den Eingangstransistors (links) geführt wird, ODER indem einfach ein Koppelkondensator in Reihe zur GDT-Primärspule geschaltet wird.

Hier einige Bilder von der Treiberplatine:


Der verwendete Zeilentrafo bekommt extern ein paar neue Windungen Primärwicklung und wird praktischerweise mit Bananenbuchsen ausgestattet in einem alten Plastikgehäusedeckelt mit ordentlich viel Heißkleber isoliert und unten versiegelt.

Die Primärspule hat relativ viele Windungen, sodass der Aufbau keine sehr hohe Spannung liefert (um die 10kV), jedoch einen hohen Strom bereitstellen kann. Erkennen lässt sich ein hoher Strom übrigens an der Farbe des Lichtbogens, wenn dieser eine dicke gelbe Aura bekommt (und nicht nur ein dünner lila Faden ist).

Um den Massepin der HV-Wicklung des unbekannten DSTs zu ermitteln, habe ich übrigens die Ansteuerung einfach voll aufgerissen, das HV-Kabel unten zentral am Zeilentrafo positioniert und geschaut, welchen Weg sich der Lichtbogen bahnt. :-D

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Video

Dieses Video gibt einen kurzen Überblick (auf Englisch) über das Gerät.

Bei gezündetem und konstant brennendem Lichtbogen zieht der Aufbau ca. 125W, wobei darin natürlich auch die Verluste über der Brücke durch die nicht optimalen Gatesignale enthalten sind. Welchen Ausgangsstrom und welche Ausgangsspannung der Zeilentrafo real liefert, müsste ich mal mit einem geeigneten Shunt sowie einem hochohmigen Spannungsteiler (1:1000) ermitteln.



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Links

Die Ansteuerung der GDT-Primärspule habe ich mir hier abgeschaut: Gate Drive Transformer Circuit Maintains Fast Turn-Off Time (Bild 1 von 2, oben auf Enlarge Image klicken)

Praktisch nützliche Infos zu Ringkernen gibt es hier: Die praktische Seite der Ringkern-Spulen

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