Spule ausschalten - Spannungsspitzen?

Ohne Schutzvorkehrungen sollte man Spulen nicht abschalten, heißt es. So richtig gezeigt, was passiert, wenn man das nicht macht, wird allerdings nie. Jedenfalls fand ich keine Messungen, Bilder oder Videoclips dazu. Also: Selber machen!

Die Schaltung ist im Prinzip einfach: Eine Spule, eine Stromversorgung und was zum ein- und ausschalten - fertig. Im Takt natürlich. Schnell genug, damit man was am guten alten analogen Oszilloskop ¹⁾ sehen kann.

Zum Basteln eignet sich da eine 12V-Motoradbatterie als Stromversorgung. Da macht man auch keine teuren Geräte kaputt, falls was schiefgeht. Die Strombegrenzung macht Widerstand R1.

Das Ganze soll nun echt mechanisch geschaltet werden, damit man pur erleben kann was passiert. Getaktet schalten kann man Reed-Relais. Ich hatte da noch einen Celduc Dual Inline rumliegen, damit gings. Damit nichts in die taktgebende MCU zurückschlägt, kam vorsichtshalber ein Optokoppler dazwischen, der das Relais treiben konnte. Der Schaltstrom für die Spule im Reed-Relais muss begrenzt werden auf einen Wert <500mA durch einen externen Widerstand R2. Die Freilaufdiode D2 ist schon eingebaut.

Eine einfache Rechteckwelle schaltete dann den Kontakt periodisch. Das Foto vom Oscilloskop-Bild zeigt was geschah. Es gibt tatsächlich eine ordentliche Spannungsschwankung wenn die Spule abgeschaltet wird. Diese Spannung war so hoch, dass die peaks auch mit der höchsten Teilung von 20V/cm oben aus dem Bild gingen. Erst mit dem Tastkopf 10:1 ging es. Der Peak war 26mm hoch, wobei 10V/cm eingestellt waren, das entspricht einer Spanungspitze von 260V ! Eine höhere zeitliche Auflösung zeigt auch die kurze negative Spannungsspitze, die im System auftrat.

Wenn der Versuch lief traten Störungen an der USB-Maus des PC auf. Die 'Maus' wurde immer wieder ab- und angemeldet am PC (Win7), erkennbar an dem dauernden An- und Abmeldeton den Windows als Bestätigung für ein USB-Device macht. Arbeiten konnte man durch diese massiven Funkstörungen mit dem PC nicht mehr! Allerdings sind der PC und auch der USB-Port heile geblieben. Durch die Funkstörung war auch die taktgebende MCU mit ihrem Forth darin vom Terminal aus über den USB-seriellen Wandler nicht mehr zu bedienen. Das analoge Oszilloscop arbeitet aber weiter. Um den Versuch photographieren zu können, wurde die MCU als Taktgeber fest programmiert und ohne PC gestartet. Was im noForth mit folgender Phrase gelang:

decimal
: run  begin 260 sqwav again ; 
' run to app  freeze 

Die MCU lief dann alleine los, betrieben mit 3,5V am Spanungsregler statt über den USB-Seriellen-Wandler vom PC aus.

Eine Freilaufdiode über der Spule beseitigte die Spannungsspitzen. Auch der PC wurde nicht mehr gestört. Schön zu sehen auch, wie so ein Reed-Relais prellt.

Der TIP120 hat schon eine Schutzdiode eingebaut. Das führt dazu, dass die negativen Spannungsspitzen beseitigt werden. Im orangen Kringel unten am Peak im ersten Bild ist das zu erkennen. Der positive Peak allein war hierbei gut 70V hoch. Und ein Transistor prellt nicht, auch das ist schön zu sehen .

Und nun kann man auch schön sehen, dass die Spule Widerstand leistet, wenn der Strom eingeschaltet wird. Nimmt man den Spannungsverlauf über einem Widerstand auf, der parallel zur Spule liegt (TP1-TP2), kommt das gut zur Darstellung bei höherer Frequenz.

Bekanntlich wehren sich Spulen dagegen abgeschaltet zu werden. Oder besser gesagt, elektrischer Strom in einer Spule erzeugt ein Magnetfeld darin. Und das Magnetfeld wiederum, einmal da, hat einen elektrischen Strom zur Folge, sobald es sich ändern muss. Abschalten des elektrischen Stromes durch die Spulendrähte ist so eine Änderung, durch die sich das induzierte Magnefeld ändert. Was wiederum Strom im Spulendraht generiert, der für anhaltende Spannung sorgt. Einschalten des Stromes durch die Spule wirkt andersherum. Die Spule wehrt sich auch dabei, und der Stromfluß setzt nur allmählich ein. Hübsch erklärt hat das Reinhold Dörfler 6/2016.

Vergnügliches Experiementieren. mk

Geschrieben in noForth, MCU: MSP340G2553 - http://home.hccnet.nl/anij/nof/noforth.html

\ define a bitmask for this pin
: P2.0 ( -- bitmask adr ) 01 029 ;  
: P2IO ( -- ) 
    00 02E c!    \ P2SEL  Port-2 all bits I/O 
    FF 02A c! ;  \ P2DIR  All bits of P2 are outputs 

\ output square wave
: sqwav0  ( -- )  \ fastest high level loop 
  p2io begin p2.0 *bis p2.0 *bic key? until ; 
: sqwav  ( n -- ) \ slow down n wait cycles
  p2io  begin 
    p2.0 *bis dup 0 do loop
    p2.0 *bic dup 0 do loop 
  key? until key drop drop ; 
( finis)