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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisfrage: Gegeneinander gepolte Spannungsquellen und Stromfluss


Autor: Paul H. (powl)
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Hi,

im Anhang sehr ihr eine einfache Schaltung die mich trotzdem verwirrt.

Der Verbraucher R1 ist so ausgelegt, dass er gerne 1A haben möchte bei 
2V angelegter Spannung. Da unsere Hauptspannungsquelle (ein Netzteil) 
allerdings 10V hat klemmen wir noch eine zweite Spannungsquelle mit 8V 
entgegen gepolt in Reihe dazu.

Die Frage ist nun, wie viel Strom fließt wo und welche Leistung gibt 
jede dieser Spannungsquellen ab?

Ein ähnliches Problem ergibt sich bei mir nämlich auch mit meiner 
Schrittmotorsteuerung. Die Motoren werden nämlich über einen 
Schaltregler mit einem annähernd konstanten Strom versorgt. Die 
Induktivität des Motors produziert dabei eine zur Eingangsspannung 
entgegengerichtete Spannung. Die Eingangsspannung beträgt dabei z.b. 30V 
und die Gegenspannung 25V, es fließen 2A. Die abgegebene Wirkleistung 
beträgt demnacht 2A * 5V = 10W. Mein Netzteil muss diese 30V allerdings 
auf jeden Fall bereitstellen. Bei höheren Motordrehzahlen ergibt sich 
nämlich schon durch die Generatorwirkung eine Gegenspannung, die zur 
Netzteilspannung entgegengerichtet ist und von dieser Überboten werden 
muss damit der Stromfluss von 2A überhaupt aufrecht erhalten werden 
kann.

Ich nehme an, dass der verwendete Trafo deshalb nicht 2A bei 30V liefern 
muss, das wäre nämlich eine Leistung von 60W, bei 3 Motoren mit 2 
Wicklungen ergibt das 360W, das würde teuer und groß werden.

Also wie habe ich mir den Stromfluss und die Spannungen vorzustellen?

lg PoWl

Autor: Paul H. (powl)
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blöde sache mit dem anhang

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Da unsere Hauptspannungsquelle (ein Netzteil) allerdings 10V hat klemmen
> wir noch eine zweite Spannungsquelle mit 8V entgegen gepolt in Reihe dazu.
Aus der (linken) Spannungsquelle kommen 10V und 1A heraus.
Dann muß die zweite Spannungsquelle Leistung aufnehmen können. Denn 
obwohl sie 8V liefert fließt der Strom in sie hinein (wie z.B. beim 
Akku laden). Diese Energie ist nicht verloren.

> Die Eingangsspannung beträgt dabei z.b. 30V ... es fließen 2A.
> Die abgegebene Wirkleistung beträgt demnacht 2A * 5V = 10W.
Nein, die abgegebene Wirkleistung ist in dem Falls 60Watt*Wirkungsgrad.
Du kannst ja nicht einfach die Gegenspannungsquelle aus dem Motor 
herausnehmen, die entsteht ja erst dadurch, dass sich der Motor dreht.

Denn aus deinen Zahlen könnte ich jetzt einen Widerstand von 5V/2A = 
2,5Ohm berechnen. Und wenn ich den Motor abbremse, dann wird die 
Gegenspannung z.B. auf 20V sinken. Aus 30V-20V=10V und 10V/2,5Ohm = 4A 
könnte ich dann eine Leistungsaufnahme von 120Watt berechnen.

Im Leerlauf ist die Gegen-EMK fast so groß wie die Versorgungsspanung, 
deshalb fließt nur ein geringer Strom (Verluste im Motor).

> Also wie habe ich mir den Stromfluss und die Spannungen vorzustellen?
Nimm einfach die Nennleistung deines Motors und stell diese Leistung zur 
Verfügung. Rumtricksen mit Gegen-EMK hilft dir nichts.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Nein, die abgegebene Wirkleistung ist in dem Falls 60Watt*Wirkungsgrad.
>Du kannst ja nicht einfach die Gegenspannungsquelle aus dem Motor
>herausnehmen, die entsteht ja erst dadurch, dass sich der Motor dreht.


Genau. Und noch besser:

>Die abgegebene Wirkleistung beträgt demnacht 2A * 5V = 10W.

Diese Leistung wird in den ohmschen Wiklungswiderstand in Wärme 
umgesetzt.

Mals dir doch mal auf:


+30V --------------           |     Fällt dir an der STromrichtung bei
                  |           |     der Spannungsquelle u_emk was auf?
               R_anker      I |     Richtig: Spannung und Strom haben
                  |          \|/    entgegengesetzte Richtungen. Das
               L_anker              bedeutet, dass diese Spannungsquelle
                  |                 geladen wird. Diese "Ladeleistung"
                  | +               ist die, die in mechanische Leistung
                U_emk               umgesetzt wird. Somit sollte auch
                  | -               klar sein, das das Verhältnis
                  |                 u_emk / u_r_anker den Wirkungsgrad
GND --------------                  bestimmt.

PS: Steht der Motor (Anlauf), so ist u_emk = 0. Also wird auch keine 
mechanische Leistung "erzeugt". Nur Drehmoment.


>Die Motoren werden nämlich über einen Schaltregler mit einem annähernd 
>konstanten Strom versorgt

Sicher? Oder meinst du mit konstanter Spannung?


>Bei höheren Motordrehzahlen ergibt sich
>nämlich schon durch die Generatorwirkung eine Gegenspannung, die zur
>Netzteilspannung entgegengerichtet ist und von dieser Überboten werden
>muss damit der Stromfluss von 2A überhaupt aufrecht erhalten werden
>kann.
>Ich nehme an, dass der verwendete Trafo deshalb nicht 2A bei 30V liefern
>muss, das wäre nämlich eine Leistung von 60W, bei 3 Motoren mit 2
>Wicklungen ergibt das 360W, das würde teuer und groß werden.

Das ist korrekt.

Autor: Paul H. (powl)
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Der Motor ist für 2A bei 3V ausgelegt. d.h. die Nennleistung des Motors 
beträgt 2 * 6W (weil zwei Wicklungen). Der Motor setzt also tatsächlich 
nur 12W in thermische/mechanische Energie um. Wo verschwindet der Rest?

Der Strom wird wie gesagt auf 2A konstant gehalten. Egal ob der Motor 
steht oder sich dreht. Irgendwann wenn der Motor theoretisch zu schnell 
wird können die 2A natürlich nicht mehr erreicht werden, da die 
Eingangsspannung hier zu niedrig ist, aber darüber denken wir erstmal 
nicht nach.

lg PoWl

Autor: Paul H. (powl)
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OK ich merke, ich hab mich vielleicht falsch ausgedrückt: Nehmen wir mal 
an der Motor dreht sich NICHT, er steht. Noch besser, wir gehen einfach 
von einer Induktivität mit nachgeschaltetem Widerstand aus. Der 
Schaltregler schaltet den Strom nun ständig ein und aus, der Regler hält 
ihn konstant auf ungefär 2A wobei er in der AUS-zeit einfach über eine 
Freilaufdiode weiterfließt. Die Eingangsspannung beträgt 30V. Der Strom, 
der durch den Widerstand fließt eben 2A. Die Gegen-EMK der Spule beträgt 
ungefär 25V und somit die am Widerstand anliegende Spannung ungefär 5V. 
Demnach setzt er dort eine Wirkleistung von ungefär 10W in Wärme um.

Ah, das Netzteil wird ja nur pulsförmig belastet, da der Stromfluss von 
hieraus in die Induktivität ja durch den Schaltregler ständig nur 
kurzzeitig erfolgt. D.h. im Mittel fließt aus dem Netzteil heraus ein 
viel kleinerer Strom als am Ende durch den Widerstand dauerhaft?

Und würde ich anstelle des Schaltreglers mit der Induktivität einfach 
einen Akku nehmen würde dieser aufgeladen werden. Einer Batterie würde 
das nicht so gut tun?

Autor: Trafowickler (Gast)
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Stichwort wäre: Überlagerungssatz ( Superpositionsgesetz ).

DER gilt nur, wenn es sich um lineare Elemente handelt.

Im Beispiel hier muss die "falschherum" betriebene Spannungsquelle eben 
Leistung AUFNEHMEN können, OHNE ihre Daten ( Ersatzspannungsquelle hat 
ideale Spannung mit Innenwiderstand in Reihe ) zu ändern.

Das trifft für Akkus nur näherungsweise, für einfache Batterien noch 
schlechter zu.

Hat man ein übliches Labornetzteil, geht Rückspeisung überhaupt NICHT, 
weil es keinen Strom bei konstanter Spannung aufnehmen kann.

( Ein Gleichstrom-Motor bzw. -Generator im Nebenschluss verhält sich da 
im übrigen ganz gut, falls seine Drehzahl konstant gehalten wird. )

Autor: Trafowickler (Gast)
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"( Ein Gleichstrom-Motor bzw. -Generator im Nebenschluss verhält sich da
im übrigen ganz gut, falls seine Drehzahl konstant gehalten wird. )"

=> Muss natürlich heissen: ( konstant ) fremderregt

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