Elektronische Gas-Brenner Zündung

Begonnen von Turbo-Georg, 29 September 2017, 10:59:31

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Turbo-Georg

Ein herzliches Ahoi, nach längerer Pause.

Der, im Beitrag   http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,22596.60.html beschriebene Turbinen-Antrieb ist ein absolut neuartiger Dampf-Antrieb für Modell-Schiffe.
Sein ,,revolutionäres" Konzept mit vier Schnell-Verdampfern erfordert eine recht komplexe Steuerung mit vielfältigen Regelungs- und Überwachungsfunktionen, die nur mit Hilfe eines Mikro-Controllers beherrschbar sind. 
Bei der Inbetriebnahme des Antriebes müssen nicht nur vier Gas-Brenner gezündet werden, sondern darüber hinaus soll beim Manövrieren per Fernsteuerung die Leistung der Turbine, oder der Turbinen durch wiederholtes Ab- und Zuschalten einzelner Brenner geregelt werden.
Das erfordert, wie auch im Falle einer Störung die erneute Zündung einzelner Brenner.
Die Funktion der Brenner, sowie die Gas-Zufuhr, sollen außerdem automatisch überwacht werden und beim Auftreten eines Fehlers (z.B. Verlöschen der Flamme) ein automatischer Wiederstart bzw. die Abschaltung mit Fehlermeldung erfolgen.
Die Brenner liegen innerhalb der Dampf-Erzeugung und sind von außen nur bedingt zugänglich; zu einer elektronischen gesteuerten Brenner-Zündung gibt es demnach keine Alternative.
Ich habe nach einer einfachen, preiswerten und betriebssicheren Lösung unter Verwendung handelsüblicher Bauelemente gesucht.

Liebe Modellbau-Freunde,
auch in der Vergangenheit habe in diesem Forum zu Themen berichtet, die für einige Leser bezüglich  technischem und physikalischem Verständnis eine Herausforderung darstellten.
Ich wurde vom außerordentlichen Interesse überrascht.
Diesmal würde ich mich mit euch auf das Gebiet der angewandten Elektronik begeben. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob die Ergebnisse meiner Untersuchungen und die Erläuterungen zu meiner Entwicklungsarbeit Interesse finden und ggf. zur Umsetzung eigener Ideen anregen.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

kalli

Lieber Georg,
auch wenn ich mir sicher bin, dass ich niemals ähnliches zu Stande bringen werde, so lese ich als Technik- und Physikinteressierter gerne Deine in einem verständlichen Stil geschriebenen Beiträge. Also bitte weiter schreiben und die Ergebnisse der Untersuchungen einer breiten Leserschaft zugänglich machen top.

Turbo-Georg

Hallo Kalli,
ich freue mich, dass du dich an meine Beiträge erinnerst. Ich werde also in gewohnter Weise berichten.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

#3
Liebe Modellbau-Freunde,
ermuntert durch Kalli, ein erster Post zum Appetit machen, oder wie die Angler sagen, ... zum Anfüttern.

Bei meinen Recherchen zum Thema, musste ich zwangsläufig auf die Zünd-Einrichtungen von Kfz-Motoren stoßen. Trotz des Vorteils, dass hier die Hochspannung unmittelbar aus der Batterie-Spannung erzeugt wird, scheidet diese Lösung aber aus.
Unabhängig davon, ob die Strom-Unterbrechung in der Primär-Wicklung der Zündspule durch einen mechanischen Kontakt oder wie bei den modernen, elektronischen Zündanlagen durch einen Thyristor erfolgt, die Erzeugung einer Hochspannung in der Sekundär-Wicklung einer Zündspule oder eines Zünd-Transformators erfordert ein sehr großes Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Wicklungen.
Das macht sich nicht nur in Abmessung und Gewicht, sonders wegen der besonderen Einsatzbedingungen im Kfz auch im hohen Strom-Bedarf und im Preis bemerkbar.

Ich bin aber auch auf einen kleinen, preiswerten elektronischen (... kein Piezo!) Gasanzünder gestoßen, der mein Interesse geweckt hat. Ich habe mir für wenige Euro im Internet einige, unter dem Namen ,,ELECTRIC-GAS-UTILITY-LIGHTER" von der Firma masterclass® angebotenen Gasanzünder bestellt, ihr Innenleben untersucht (Bild 1) und die Schaltung aufgenommen (Zeichnung 1).
Der Anzünder wird mit einer 1,5 V AA-Batterie betrieben und erzeugt bei Betätigung des Tasters einen kontinuierlichen Funken-Strom.
Der linke Teil der Schaltung ist ein klassischer, so genannter Sperrwandler, er erzeugt in der Sekundärwicklung von Trafo 1 eine Spannung von etwa 100 V, die durch die Diode D1 gleichgerichtet wird. Der Kondensator 0,47 μF wird mit dieser  Gleichspannung aufgeladen. Die Diode D3 und der Widerstand 200 kΩ, im rechten Teil, erzeugen am Gate des Thyristors zyklisch eine Spannung, durch die der Thyristor kurz leitend wird.
Der Kondensator kann sich hierdurch über die Primär-Wicklung von Trafo 2 entladen und induziert in der Sekundär-Wicklung  eine Hochspannung von ca. 6000 V.

Es ist schon erstaunlich, wie klein eine solche Einrichtung gestaltet werden kann.
Leider handelt es sich bei den Transformatoren um miniaturisiert Spezial-Bauteile, die im Handel nicht erhältlich sind. Eine nähere Untersuchung der Schaltung war mir nicht möglich, da meine Muster offensichtlich für längeren Betrieb nicht geeignet waren und sich immer nach kurzer Zeit verabschiedeten.
In den folgenden Beiträgen werde ich über alternative Lösungen berichten.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

#4
Eine Zündvorrichtung, die unmittelbar aus einer Batteriespannung von 12 V, eine für einen Funken mit ausreichender Energie erforderliche Hochspannung von mehr als 10.000 V erzeugt, scheidet schon wegen der Größe der erforderlichen Zündspule aus.
Eine Alternative bieten die wesentlichen kleineren und auch preiswerteren Trigger-Transformatoren, wie sie für die Zündung von Xenon-Blitz-Röhren Verwendung finden. Sie werden für verschiedene Betriebsspannungen und unterschiedliche Hochspannungen angeboten. Sie sollten aber vergossen sein, um der Kurzschluss-Gefahr durch Luftfeuchtigkeit vorzubeugen.
Ihre Betriebsspannungen, also die Spannung mit der der empfohlene Trigger-Kondensator geladen wird, bewegen sich zwischen 100 und 400 V =; also Spannungen, die auf einem Schiffsmodell in der Regel nicht zur Verfügung stehen.
Für eine elektronische Zündeinrichtung zum Zünden der Brenner eines ,,Echt-Dampfers" müsste die erforderliche Hochspannung aus einer an Bord vorhandenen Batterie erzeugt werden.

Wir kennen aus dem Fachhandel Wechselrichter, mit denen im Auto kleinere Elektro-Geräte oder Ladegeräte mit Betriebsspannungen von 220 V Wechselspannung betrieben werden können. Diese sind im Allgemeinen für unseren Fall zu groß und u.U. auch zu Leistungsstark. Wir benötigen auch keine Sinus förmige Ausgangsspannung von 50 Hz, aber die hierbei verwendeten Wandler sind nicht uninteressant.

Liebe Modellbau-Freunde,
bekannter Maßen behandele ich ein Thema sehr ausführlich und beleuchte auch das Umfeld bzw. die Hintergründe bis hin zur Theorie, um auch die Modellbauer an ein Thema heran zuführen, die sich sonst weniger damit befassen.
Ich werde mein ursprüngliches Vorhaben, ausführlich über Spannungswandler zu schreiben, vorerst zurück stellen und in erster Linie einen Wandler beschreiben und in einem Laboraufbau testen, der meines Erachtens für unsere Anwendung zum Einsatz kommen könnte.  Der Eigenbau aus handelsüblichen Bauteilen sollte einen guten Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Preis darstellen.   
Zum Verständnis der gesamten Problemstellung werde ich am Anfang Aussagen zu den eigentlichen Aufgaben der Turbinensteuerung und seinen verschiedenen diskreten Baugruppen, wie Hochspannungserzeugung, Zündmodule und der Zündsteuerung treffen.

Der Beitrag  http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,22596.msg304862.html#new 
zeigt in der Antwort #65 zwei Zeichnung der Turbine und einen Maßstab zum Größen-Vergleich.
Die vier Zündmodule sollen unmittelbar neben den Brennern montiert werden.

Es geht hier nicht nur um das vergleichsweise einfache Zünden von Gas-Brennern. Das erneute, sichere  Zünden nach dem Abschalten einzelner Brenner zur Regulierung der Turbinen-Leistung ist ein Teil des Manövrierens, das heißt, die Einrichtung muss während der gesamten Fahrzeit in Betrieb sein.

Die Steuerung der Turbine und die Überwachung ihres Betriebes erfolgt mit Hilfe eines Mikro-Controllers. Dieser sollte nicht nur bezahlbar sein, sondern über eine leicht erlernbare Programmier-Oberfläche und eine USB-Schnittstelle verfügen.
Ich denke dabei an Produkt-Familien wie z.B. ARDUINO und RASPBERRY. Sie sind mitunter für wenige Euro zu erwerben und es stehen eine Vielzahl von Hard-, bzw. Software-Applikationen zur Verfügung.
Die Suche im Netz lohnt sich, wie ein entsprechendes Angebot zwei Stück für 11,99 € zeigt (Bild 2).

Allerdings ist die Leistungsfähigkeit solcher ,,Klein-Computer" nicht unbegrenzt. Sie sollten daher in erster Linie komplexere Aufgaben, wie z.B. Regelung oder Messwert-Wandlung übernehmen und zu ihrer Entlastung einfache Routine-Aufgaben, wie die Erzeugung der Hochspannung, die Generierung der Zünd-Impulse, deren Verteilung an die Brenner-Adressen, sowie die Dauer der Zünd- oder Neustartversuche an eine Zünd-Steuerung in konventioneller C-MOS-Schaltung übertragen.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

t-geronimo

Zitat von: Turbo-Georg am 29 September 2017, 11:49:35
Hallo Kalli,
ich freue mich, dass du dich an meine Beiträge erinnerst. Ich werde also in gewohnter Weise berichten.

Nun stellst Du Dein Licht aber sehr unter den Scheffel. Es gibt sicher viele, die sich daran erinnern und sich auch daran erfreut haben - auch wenn es durch die Anzahl der erfolgten Kommentare nicht ausreichend ausgedrückt wurde, denn viele werden wie Kalli und ich sicher mit mangelnder Kompetenz, aber aufgeklapptem Mund gelesen und gestaunt haben.  :O/Y

Daher gerne weiter so.  :TU:)

Und das HMA als eventuelle Plattform hatte ich Dir ja auch schon mal angeboten - aber das wird jetzt zu sehr offtopic.  :wink:
Gruß, Thorsten

"There is every possibility that things are going to change completely."
(Captain Tennant, HMS Repulse, 09.12.1941)

Forum MarineArchiv / Historisches MarineArchiv

Turbo-Georg

Hallo Thorsten,
das geht ja runter wie Öl. Vielen Dank.
Ich freue mich auf die Reaktionen zu einem Thema, dass mal wieder "ein wenig" aus dem üblichen Rahmen fällt.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

Turbinen-Steuerung
Nach Einschalten der Betriebsspannung der Steuerung wird mit dem Kommando ANFAHREN für einige Zeit (Timer) der Dampferzeuger zur Vermeidung von Verpuffung des eventuell angesammelten Gas-Luft-Gemischs durchlüftet (...beide Gruppen-Lüfter 100 %).
Anschließend werden die Lüfter abgeschaltet und beim ersten Brenner mit Zündung EIN und 25 % Gas, ein Zündversuch gestartet.
Meldet der zugehörige Thermofühler, Brenner hat gezündet, wird zur Kühlung der Verdampfer das Speisewasser-Ventil 25 % geöffnet und die Zündung des Brenners abgeschaltet.
Es erfolgt der Zündversuch des zweiten Brenners wie beschrieben. Hat der zweite Brenner gezündet, wird der Lüfter der Gruppe auf 25 % geschaltet (Zwangskonvektion). Nacheinander folgen in gleicher Weise die Brenner der zweiten Gruppe.
Haben alle Brenner gezündet, werden die Speisewasser-Ventile 50 % geöffnet und es folgt eine Anwärm-Phase der Speisewasser-Vorwärmer (Timer). Danach werden die Speisewasser-Ventile wieder auf 25 % gestellt und der Antrieb befindet sich im Zustand ,,Stand-by", oder was viel schöner klingt, ,,Seeklar".

Beim Kommando ,,halbe Kraft" werden die Gaszufuhr und die Speisewasserzufuhr der ersten Brennergruppe 100 % geöffnet und der entsprechende Gruppen-Lüfter auf 100 % gestellt.
Bei ,,Volle Kraft" wird die Gas- und Speisewasserzufuhr der zweiten Brennergruppe ebenfalls 100 % geöffnet und der zweite Gruppen-Lüfter auf 100 % geschaltet.
Kommando ,,STOP" drosselt die Luft-, Gas- und Speisewasserzufuhr aller Brenner auf ,,Stand-by" (...siehe oben).
Beim nächsten Kommando ,,halbe Kraft" wechselt die aktive Brenner-Gruppe.

Betriebszustände.
•   Aus,
•   Ein, betriebsbereit,
•   adressierter Brenner, Zündung EIN und Gaszufuhr 25 % (Anfahren),
•   adressierter Brenner gezündet (Thermofühler–Meldung), Speisewasser 25 %,
•   Zündung AUS
•   Halbe Fahrt, Brenner-Gruppe 1, Gas und Wasser 100 %, Gruppen-Lüfter 100 %,
        (Beim nächsten Kommando halber Fahrt wechseln Gruppe 1 und 2.)
•   Volle Fahrt, Brenner-Gruppe 2, Gas und Wasser 100 %, Gruppen-Lüfter 100 %.
•   STOP, alle Brenner Gas 25 %,  Wasser 25 % (Stand-by).

Betriebs-Störungen
•   Thermofühler-Meldung: Brenner nicht gezündet, (Timeout),   
•   Thermofühler-Meldung: Brenner im Betrieb erloschen.

Störungs-Maßnahmen
•   Gaszufuhr adressierter Einzel-Brenner schließen,
•   Fehlermeldung generieren,
•   Neustart-Versuch,  adressierter Einzel-Brenner (Anfahren).

Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

#8
Wir ihr seht, ist die Aufgabenstellung recht komplex.
Die Steuerung der Brenner-Zündung ist aber nur ein Teil vom Ganzen; man muss Alles im Zusammenhang betrachten. Im Betrieb muss die Turbinen-Drehzahl überwacht und geregelt werden, ebenso überwacht werden müssen, die Temperatur und der Druck des Speisewassers (Zerstäubung), die Abgastemperatur, der Gas-Druck, der Leck-Gas Sensor und letztendlich die Batterie-Spannung. Dabei soll die Einrichtung so klein wie möglich sein, nicht viel kosten, wenig Strom verbrauchen und leicht zu verändern oder zu erweitern.

Ich befasse mich seit Monaten mit diesen Themen und habe sie systematisch aufgearbeitet; 
Ich wollte euch nun eine Lösung zu einem sehr spezifischen Problem beschreiben und euch in gewohnter Weise mit auf den Weg von der Aufgabenstellung, über die Entwicklung, entsprechenden Tests bis zur Problemlösung mit nehmen und falls gewünscht, auch wieder die theoretischen Hintergründe beleuchten.

Ich bin im professionellen Umgang mit Elektronik nicht unerfahren, ich habe mich fast mein ganzes Berufsleben damit befasst. Deshalb würde ich Elektronik auch nicht als mein Hobby bezeichnen. Für mich ist sie nur eine Möglichkeit bestimmte Probleme zu lösen.
Hierzu musste ich meinen in die Jahre gekommenen Mess- und Testgeräte-Park modernisieren. Die Bilder 3 und 4 zeigen meinen Elektronik-Laborplatz.

Ihr seht nicht nur ein Zwei-Kanal Digital-Speicher-Oszilloskop mit USB-Schnittstelle, sondern auch einen Zwei-Kanal Arbiträr Signal-Generator; neben den Standard-Signalen Sinus, Rechteck, Dreieck, Sägezahn, Impuls, Treppen-Spannungen u.a.m. kann ich noch zwanzig willkürliche (arbiträre) Signale mit Hilfe einer Software generieren, abspeichern und bei Bedarf abrufen. Dieser Generator verfügt ebenfalls über eine PC-Schnittstelle und kann bei bestimmten Versuchen per Programm ferngesteuert werden.
Neben einem Hand-Multimeter,  seht ihr ein Digitales Tisch-Multimeter; das neben einer Vielzahl von Funktionen, auch über seine PC-Schnittstelle für Langzeit-Beobachtungen zur Erstellung von Mess-Reihen beliebiger Länge benutzt werden kann (Data-Logger). 
Abgerundet wird der Geräte-Park durch einen USB-Acht-Kanal Logic-Analyzer, sowie ein Test-Gerät für Transistoren, Dioden, Induktivitäten, Widerstände und Kondensatoren; es ermittelt nicht nur die physikalischen Werte, sondern auch die Funktion mit automatischer Typ-Erkennung.
Die Spannungsversorgung übernehmen zwei Labor-Netzgeräte für Gleich- und Wechselspannung 0 -30 V, 5 A.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

Im Rahmen meiner Untersuchungen wurden zwischendurch immer wieder aus diskreten Bauteilen erstellte und auch etliche  im Handel erhältliche Hochspannungs-Generatoren und Booster-Module, unter den unterschiedlichsten Bedingungen eines Echt-Betriebes auf ihre Eignung getestet.
Die Test-Einrichtung bestand im Wesentlichen aus einem, der vier zum Einsatz kommenden Rothenberger Gasbrenner von 14 mm Ø, eingesetzt in einem Stück Edelstahlrohr 30 mm Ø. 
Die Zusatzluft kam von einem kleinen, von Hand regelbaren Radial-Lüfter. Die Gasmenge wurde ebenfalls von Hand reguliert. Die Elektrode war die Zündkerze mit Kabel eines Piezo-Gasanzünders; sie war allerdings für den späteren Einsatz etwas zu groß.
Zündkerzen für Modell-Motoren habe ich auch ausprobiert. Die sind zwar klein, aber nicht nahe genug am Brenner-Ausgang montierbar.  Erst wenn das Rohr fast mit Gas-Luft-Gemisch gefüllt war, bewirkte die Zündung eine Verpuffung. Das erschien mir aber nicht unbedingt wünschenswert.

In den meisten Fällen war die Hoch-Spannung zwar ausreichend, um eine ansehnliche Funken-Strecke zu überbrücken, die Energie des Funkens reichte aber nicht immer, um unter den verschiedenen Bedingungen (Temperatur, Luft- und Gasmenge, Luftfeuchtigkeit) sicher zu zünden.
Auch der, in einigen Fällen erzeugte ,,Funken-Regen" sieht nur spektakulär aus.

Mit der Faust-Regel, 1 mm Funken-Strecke gleich 1000 V, lässt sich die Spannung zwar schätzen, aber wenn der Elektroden-Abstand zu groß gewählt wird, steigt die Spannung so hoch, dass es schon in der Sekundär-Wicklung des Zünd-Transformators zum Spannungs-Überschlag kommen kann und die Isolation zerstört wird. Ich habe mit einem etwas fragwürdigen Ergebnis, die Hochspannung mit einem Spannungstester für Weidezäune ermittelt.

Bei den, im Handel erhältlichen Hochspannung-Generatoren wird zwar die Betriebs-Spannung und auch die etwa erzielbare Hochspannung angeben, aber kaum Angaben zum Energie-Inhalt des Funkens gemacht.

Bei den Trigger-Trafos für Xenon-Blitzlampen wird in der Regel eine maximale Spannung genannt, sowie eine Empfehlung zur Kapazität des Trigger-Kondensators gegeben; so lässt sich die Ladeenergie E berechnen.
Die Energie reicht offensichtlich für das elektrische Feld zum Auslösen eines Xenon-Blitzes, aber zum Zünden eines Gas-Luft-Gemischs ist sie meisten zu gering.
 
Das Test-Ergebnis: Bei ggf. vier, hintereinander zu zündenden Brennern einer Turbine oder gar acht Brennern bei zwei Turbinen einer Fregatte, erzielten bei einer niedrigen Zündfolge-Frequenz energiereiche  Funken von E > 0,3 mJ (Milijoule) eine höhere Zünd-Sicherheit, als ein Regen energiearmer Funken, trotz hoher Spannung. Voraussetzung ist allerdings, dass die Elektrode direkt an der Brennermündung montiert wird.

Bei einem, aus handelsüblichen Bauteilen erstellten und vergossenem Modul, sowie lediglich einem käuflich erworbenen, genügte so in der Regel ein Funke zur erfolgreichen Zündung
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

#10
Eine Lösung mit zentraler Hochspannungs-Erzeugung und ihre Verteilung zu den Zündelektroden der Brenner über ,,sperrige" Hochspannungskabel scheiden aus Gründen der Betriebssicherheit aus.

Vergossene Zündmodule, aus diskreten Bauteilen erstellt, oder im Handel erworbene Hochspannungs-Generatoren, ebenfalls vergossen, werden stattdessen in unmittelbarer Nähe zu den Elektroden, an der Turbinen-Rückseite montiert.
Sie sollen so klein wie möglich sein und sich auf ein Minimum an Bauteile beschränken.
Sie werden durch geeignete Kabel über einen Kabelverteiler im Turbinenraum mit der Zündsteuerung und ggf. mit einem Spannungswandler 12 V = / 350 V = verbunden, oder aber bei Verwendung der favorisierten  BQLZR- Booster mit einem Spannungsregler 5 V/3 A (Bild 5).

Diese Booster sind mit 20 x 20 x 25 mm eine unschlagbare Alternative; sie zeigten mit ihren sehr energiereichen Funken hervorragende Zünd-Ergebnisse, die allerdings mit einem Strom von ca. 3 A bei 5 V erkauft werden.
Ich werde zuerst nach einer eigenen Lösung auf der Basis von sehr kleinen XENON-Trigger-Transformatoren
(5 x 8 x 27 mm) suchen. Sie erzeugen mit einem Trigger-Kondensator von 2,2 μF und einer Spannung von 350 V, Funken mit E ≈ 0,4 mJ.
Den Bau des Spannungs-Wandlers muss ich in Kauf nehmen. Ich werde aber auf alle Fälle die Zündsteuerung so auslegen, dass nach einer kleinen Änderung des Ausgangsteils, die Booster über Leistungs-MOSFET mit Spannungs-Impulsen angesteuert werden.

Der Testaufbau der Zündeinrichtung besteht somit vorerst aus:

1 Spannungs-Wandler  12V=/350V=,
1 Steuerteil, (Zünd-Steuerung)
4 Thyristor-Zündmodule.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

#11
Testaufbau
Aufgabenstellung der Zündeinrichtung
Ein Spannungs-Wandler erzeugt aus einer Batterie-Spannung von 12 V eine Gleichspannung von  >350 V zum Betrieb der Thyristor-Zündmodule.
Die Zünd-Steuerung generiert die Zünddauer und den Takt der Zündfolge, decodiert die Adressen der Brenner bzw. der Brennergruppen und erzeugt entsprechend der Vorgaben des Turbinen-Steuerprogramms die Steuerimpulse des jeweiligen Zündmoduls; sie überwacht die Brennerfunktion, generiert Störungsmeldungen und übernimmt die Schnell-Abschaltung der  Gaszufuhr.
Die vergossenen Zündmodule werden am Dampf-Erzeuger der Turbine in unmittelbarer Nähe der Brenner montiert. Spannungs- und Wärmefeste Steuerkabel verbinden die Module über einen Kabelverteiler mit dem Steuerteil und leiten ihnen auch die Betriebsspannungen zu.
Mit der Gleichspannung von 350 V werden die Trigger-Kondensatoren der vier Zündmodule aufgeladen. Durch positive Trigger-Impulse an den Gates ihrer Thyristoren werden diese leitend und der Kondensator entlädt sich über die Primärwicklung des (XENON)Trigger-Transformators. Durch das Übersetzungsverhältnis der Wicklungen entsteht an der Sekundärseite ein kräftiger Hochspannungs-Impuls von mehreren tausend Volt.

Über temperaturbeständige  Leitungen sind die Thermofühlern der Flammen-Überwachung ebenfalls am Kabelverteiler angeschlossen und kurze Hochspannungskabel führen zu den Zündelektroden.

Spannungs-Wandler
Nur der Vollständigkeit halber, und wegen des geringen Aufwandes, habe ich auch einen Sperrwandler auf seine Eignung getestet.  Ein solcher Eintakt-Sperrwandler wird im Gas-Anzünder (Bild 1) verwendet.

Der Gas-Anzünder zeigt, dass bei optimaler Abstimmung der Bauteile ein recht ordentliches Ergebnis erzielt werden kann. Die Funken-Energie ist mit E = 0,23 mJ vergleichsweise niedrig, aber die hohe Zündfolge führt letztlich zu einer erfolgreichen Zündung.
Bei einem solchen Sperrwandler kommt dem Transformator eine besondere Schlüsselfunktion zu.
Wichtig für die Höhe der erzielbaren Spannung ist nicht nur das Verhältnis zwischen Primär-Wicklung und Sekundär-Wicklung, sondern auch die Windungszahl der Rückkopplung.

Das Material für den Transformatorkern eines Spannungswandlers ist so zu wählen, dass sich bei der Impulsfolge-Frequenz möglichst geringe Verluste ergeben.
Ferrite gestatten Arbeitsfrequenzen bis 15 kHz ohne große Verluste. Kerne aus Dynamoblech erlauben Impuls-Frequenzen bis max. 4 kHz.
Bei der erzeugten Spannung wird ein annähernder Rechteck-Verlauf angestrebt, also ein ständiger Wechsel zwischen Stromfluss und Sperrung.
Der höchste Wirkungsgrad ergibt sich bei einem Stromfluß-Verhältnis  T1 : T = 0,6. Dabei sind T1 die Stromfluss-Zeit und T die Periodendauer. Um Idealwerte zu erzielen ist ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Windungszahlen erforderlich. Das ungefähre Windungsverhält zeigt z.B. der Transformator eines Sperrwandlers
5 V=/300 V≈.
Bei Verwendung eines Ferrit-Schalenkernes (23 Ø x 16 mm, 1100 N22), hat w1 = 17 Wd,
w2 = 10 Wd und w3 = 725 Wd.

Der Testaufbau entspricht im Prinzip dem Stromlaufplan des Gas-Anzünders (Zeichnung 1). Ich habe den Stromlaufplan zum besseren Verständnis der Funktionen der Transformator-Wicklungen leicht geändert (Zeichnung 2).
Wir erkennen w1 = Primärwicklung, w2 = Rückkopplung und w3 = Sekundärwicklung.
Statt eines pnp-Transistors habe ich einen npn-Typ BC 108C verwendet und die Polarität der Versorgungsspannung getauscht. Die automatische Trigger-Schaltung habe ich durch einen Taster mit Pull-Up-Widerstand ersetzt.
Die Herstellung eines speziellen Transformators war mir in Anbetracht des zu erwartenden ungünstigen Wirkungsgrades zu aufwendig, stattdessen ist der Transformator ein handelsüblicher Print-Trafo
220 V/2 x 6 V.

Bei meinem Testaufbau mit Print-Trafo waren die Wicklungen w1 und w2 gleich ( ...2 x 6 V !) und damit die Rückkoppelspannung zu hoch um vernünftige Ergebnisse zu erzielen.
Bei einer Versorgungs-Spannungen von >5 V rissen die Schwingungen ab.
Die Arbeitsfrequenz war mit ca. 500 Hz optimiert und es wurde eine Sekundär-Spannung von ≈ 290 V erreicht, aber das Tastverhältnis war zu niedrig und es dauerte entsprechend lange bis der Kondensator aufgeladen war.
Bild 6 zeigt den Testaufbau und Bild 001 den Verlauf von Basis- und Ausgangs-Spannung, sowie einige Messwerte.
Von einem Gegentakt-Wandler erhoffe ich mir bessere Resultate.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

Was beim Sperrwandler als Nachteil galt, nämlich die gleiche Windungszahl der beiden Primär-Wicklungen w1 und w2, ist bei einem Gegentakt-Wandler unabdingbar.
Hier kann der preiswerte Print-Trafo seinen Nutzen entfalten. Ein Gegentakt-Wandler hat gegenüber einem optimierten Eintakt-Sperrwandler etwa die doppelte Leistungsausbeute und eine besonders geringe Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Belastung.
Der geringfügige Mehraufwand ist in jedem Fall gerechtfertigt.
Er arbeitet mit zwei Transistoren, denen zwei gegenphasige, symmetrische Rechteckspannungen zugeführt werden, so dass die Transistoren wechselseitig Strom durch die Wicklungen w1 und w2 führen und in Abhängigkeit vom Übersetzungsverhältnis eine Spannung in der Sekundär-Wicklung w3 induziert wird (Bild 002). Die Spannung erreicht im Leerlauf, also ohne Last 620 V (Vmax) und 1,5 kV von Spitze zu Spitze (VPP).

Die steuernde Rechteckspannung wird durch einen astabilen Multivibrator (4047) erzeugt. 
Die Zeichnungen 3 und 4 zeigen den Stromlaufplan des Versuchsaufbaues mit jeweils unterschiedlichen Transistor-Typen.
Bild 003 zeigt die Rechteckspannungen an den Ausgängen Q und /Q des Multivibrators und Bild 004 darüber hinaus die geglättete Ausgangs-Gleichspannung hinter dem Ladekondensator CL.

Zeichnung 3 zeigt einen Gegentakt-Wandler mit Darlington-Transistoren MJH 11017 und einem Transformator mit zwei 9 Volt Wicklungen und Zeichnung 4 mit N-Kanal MOSFET IRF 640 bzw. 840 und einem Transformator mit zwei 6 Volt Wicklungen.
Darlington-Transistoren als Schalter gemäß Zeichnung 3 erbrachten gegenüber MOSFET der Zeichnung 4 keine  wesentlichen Vorteile; lediglich die Anstiegszeiten sind etwas kürzer.
Darlington-Transistoren mögen bei Wechselrichtern mit Sinus-Ausgangsspannung sinnvoll sein, für unsere Anwendung sind sie unnötig groß und teuer.

Der Wandler wird demnach  mit MOSFET IFR 840 (8A, 500V) bzw. IFR 640 (18A, 200V) betrieben.
Wegen des hohen Eingangs-Widerstandes am Gate (Anschluss 1) der MOSFET können die Strom-Begrenzungswiderstände von 1,6 kΩ an den Ausgängen Q und /Q  des 4047 (astabiler Multivibrator) entfallen.
Bei Verwendung  eines Print-Trafos 220V/2x9V 3,2 VA stellt sich eine maximale Ausgangsspannung von ca. 300 V ein.
Ein Trafo 220V/2x6V 3,2 VA bringt durch das größere Übersetzungsverhältnis von Primär- und Sekundär-Wicklung  eine deutlich höhere Ausgangsspannung von >380 V; der Trigger-Kondensator wird schneller aufgeladen. So ergeben sich auch bei schneller Zündfolge noch kräftige Funken.
Die Ausgangsspannung kann im Leerlauf mehr als 400 V annehmen, der Gegentakt-Wandler sollte daher in dieser Konstellation nicht unnötig ohne Last betrieben werden.
Ein Ladekondensator 0,47 μF, 400 V glättet die hohen Spannungsspitzen.  Ein Elko 100 μF, 40V dient der Rückwärtssiebung der 12 V Versorgungs-Spannung. Bild 7 zeigt den Testaufbau 03 erweitert um eine Thyristor-Zündschaltung.
Beim Starten von vier Brennern, wie im Falle der direkt beheizten Modell-Dampfturbine, ist ggf. eine hohe Folge von Zündungen erforderlich. Soll die Funken-Energie nicht zu weit absinken, ist die Verwendung eines Transformators mit einer höheren Leistung zu empfehlen, z.B.  220V/2x6V 5,0 VA.
(Achtung! Die Ausgangsspannung kann bis 500 V ansteigen.)



Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

Impulsgenerator und Zündmodul.
In Bild 8 seht ihr den Testaufbau 04. Er besteht aus einem Gegentakt-Wandler mit Feldeffekt-Transitoren  IFR 840, einem Print-Trafo 220V/2x6V 5,0 VA und einem IC 4047 als astabiler Multivibrator gemäß Zeichnung 4, wie oben beschrieben.
Der Testaufbau wurde um ein Thyristor-Zündmodul mit einen Leitungstreiber (4041), sowie einen Timer (NE555) erweitert. Stromlaufplan, (Zeichnung 5).
Die Zündmodule arbeiten mit Thyristor TIC 126N (12A, 800V).
Die Thyristoren werden durch Impulse mit einer Länge von 2 bis 5 ms getriggert.
Der Timer 555 (IC 1) arbeitet als One-Shot-Generator (astabiler Multivibrator). Durch eine fallende Spannungs-Flanke an seinem Anschluss 2 wird am Ausgang (Anschluss 3) ein Impuls generiert, dessen Länge durch das RC-Glied  R3, R4 und C4 bestimmt wird. Mit dem Potentiometer R3 lassen sich Impulslängen zwischen 2 und 10 ms einstellen.
Ein Elko 2,2 μF in der 12 V Zuleitung schützt die Schaltung vor schädlichen Spannungs-Spitzen.
Sollen die Thyristoren periodisch gezündet werden, ist am Anschluss 2 ein entsprechendes Rechteck-Signal von 2 Hz anzulegen.
Im Versuchsaufbau wird dieses Rechteck-Signal durch einen externen Signalgenerator erzeugt. In Bild 005 sehen wir das von außen zugeführte Rechteck-Signal (Kanal 1, gelb) sowie die Zünd-Impulse (Kanal 2, blau).
Die Impulslänge sollte nicht größer sein als 5 ms, denn während ihrer Dauer ist der jeweilige  Thyristor leitend und schließt nach der Entladung des Trigger-Kondensators die Ausgangsspannung quasi über den Strombegrenzungs-Widerstand von 27 kΩ kurz; der Trigger-Kondensator kann sich nicht erneut aufladen und die beteiligten Bauelemente werden besonders belastet.
Die einzelnen Zündmodule sind durch Dioden 1N4007 (1000 V, 1A) an ihrem 300 V-Anschluss gegeneinander entkoppelt.

Die Zündmodule werden direkt an den Dampferzeugern der Turbine montiert und von der abgesetzten Zündsteuerung über eine Zuleitung von max. 1 m gesteuert. Zum Treiben der Steuerleitung und zur Stromanpassung ist ein 4-fach CMOS-TTL-Puffer 4041 (IC 2) zwischen geschaltet. Die Steuerleitung besteht aus verdrillten Einzeldrähten oder mehradriger Telefonleitung mit statischem Schirm.
Die Leitungsenden werden durch Widerstände von 22 kΩ abgeschlossen; Widerstände von 1,6 kΩ an den Gates der Thyristoren dienen der Strombegrenzung auf 7,5 mA.
Im Versuchsaufbau wird die Steuerleitung durch eine Labor-Leitung (grün) von 1 m Länge simuliert.
Bild 006 zeigt den Verlauf der Spannung an der Anode des Thyristors, sowie den auslösenden Zündimpuls von ≈ 5 ms.
Zum Schutz der (XENON)Trigger-Trafos werden ihren Primärwicklungen Varistoren 300 V parallel geschaltet; darüber hinaus unterdrücken Kondensatoren 10 nF, 500 V ggf. Störfrequenzen. 
Die Trigger-Kondensatoren 2,2 μF sind Metall-Folien-Ausführungen mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 400 V. Betriebssicherer wären teurere Impuls-Kondensatoren  2,2 μF, 630 V (WIMA, Typ FKP1).
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Turbo-Georg

Werden vier Zündmodule nacheinander mit Impulsen 2 Hz, 5 ms getriggert, schwankt die Ausgangsspannung des Gegentakt-Wandlers zwischen 340 V und max. 375 V.
Die Versuche wurden bei einer Betriebsspannung UB = 12 V, einer Wandler-Frequenz von 1,5 kHz und  Funkenstrecken  von 2,5 mm durchgeführt. 
Größere Funkenstrecken  werden auch überbrückt, belasten jedoch den Trigger-Trafo.
Der Betrieb ohne Funkenstrecke oder mit zu großem Elektroden-Abstand führt zum Spannungs-Überschlag innerhalb der Sekundärwicklung des Trigger-Trafos und ggf. zu seiner Zerstörung.

Bei einem Dauertest von 1 Stunde wurden keine nennenswerten Erwärmungen festgestellt.
Es ist jedoch empfehlenswert  die MOSFET des Gegentaktwandlers, besonders aber die Thyristoren der Zündmodule mit Kühlkörpern zu versehen oder mit einer Glimmerscheibe Isoliert, auf einer Metallfläche zu montieren.
Die Stromaufnahme des Versuchsaufbaues beträgt  bei 12 V ca. 120 mA, Spitzen max. 220 mA.
Die Schaltung funktioniert auch mit UB = 9 V (Ausgangsspannung ca. 290 V), die Zündfunken sind dann bei gleicher Zündfolge weniger kräftig.
Bei UB = 6 V (Ausgangsspannung  > 220 V) dauert die Aufladung eines Trigger-Kondensators entsprechend länger und erlaubt nur Zündfolgezeiten von etwa 3 Sekunden.
Diese Zeit ist günstigsten Falls bei einer einzelnen Funkenstrecke und Auslösung von Hand akzeptabel.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

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