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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV - Problem mit Schaltung


Autor: Christian D. (schlenz)
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Hallo,

ich absolviere derzeit ein Praktikum und wurde vor ein bereits 
bestehendes, aber leider etwas fehlerhaftes Projekt gesetzt.


Kleine Projektbeschreibung (Prinzipskizze siehe unten):

Es geht um ein Walzensystem mit dem erhitztes Glas in kleine Formen 
gewalzt werden soll.
Man darf sich das so vorstellen, dass in einer (natürlich 
wassergekühlten) Stahlwalze zwei kleine Formen befinden, die exakt 
gegenüber angeordnet sind. Ist eine der beiden Formen "oben", wird das 
flüssige Glas eingefüllt. Daraufhin beginnt die Walze, sich um genau 
180° zu drehen, so dass genau die andere Form "oben" ist. Bei der 
Drehung wird der Glasinhalt der befüllten Form an einer anderen Walze 
platt gewalzt und fällt unten nach der Drehung aus der Form, während 
"oben" bereits die nächste Füllung beginnt.

Die Walze wird über einen Riehmenantrieb von einer Asynchronmaschine an 
einem Frequenzumrichter betrieben.
An der Welle der Walze befinden sich zwei kleine Metallstifte, auf die 
ein nebenstehender induktiver Näherungssensor reagieren soll. Der 
Näherungssensor soll also ein Signal liefern, sobald die Drehung der 
Walze einen Metallstift am Sensor vorbeiführt (das ist nämlich genau der 
Moment, an dem eine der beiden Formen exakt "oben" steht und bereit ist 
zur nächsten Befüllung).


So nun zum eigentlichen heiklen Thema:

Das ankommende Sensorsignal soll nun mit Hilfe eines OPV 
(Schmitt-Trigger) ausgewertet werden und das Ausgangssignal an einen 
digitalen Eingang des Frequenzumrichters für den Walzenantrieb gegeben 
werden. Die Geschwindigkeit des Antriebs ist vorher fest parametriert 
wurden - das Signal des OPV soll den Antrieb also nur zuschalten.

Die Auswerteschaltung war bereits vorhanden, hat aber einen kleinen 
Fehler.
Ziel dieser Schaltung ist es, den Antrieb der Walzen ständig 
anzusteuern. Erkennt der Sensor einen Metallstift (somit "Form oben") 
soll der Antrieb für eine bestimmte Zeit aussetzen (einstellbar zwischen 
10s...40s) und danach wieder anlaufen.


Zur Schaltung (siehe unten):

R1 ist Vorgabe des Herstellers des Näherungssensors, so dass überhaupt 
ein Signal abgegriffen werden kann.
R7 ist für den open-collector-Ausgang des verwendeten OPV.
C2 soll die Betriebsspannung stützen.
Der OPV ist als invertierender Schmitt-Trigger verbaut (Mittkopplung), 
dessen Schaltschwelle sich über das Poti (mit Spannungsteiler) 
einstellen lassen soll. Es dürfte bei der gegebenen Beschaltung ja auch 
keine Hysterese geben, oder???

Gibt der Sensor ein Signal aus (bei Erreichen des Metallstiftes), lädt 
sich der Elko mit einer bestimmten Zeitkonstante auf. Der Strom springt 
also auf den Maximalwert und sinkt dann nach einer e-Funktion. In dieser 
Zeit überschreitet er den eingestellten Schwellwert-->OPV 
(invertierender Schmitt-Trigger) schaltet auf low und somit den Antrieb 
ab, bis sich der Elko nahezu aufgeladen hat. Unterschreitet der Strom 
den Schwellwert wieder, Schaltet der OPV den Antrieb wieder dazu. Das 
Signal des Sensors wird daraufhin bald  "verschwinden", da sich der 
Metallstift ja wegbewegt. Somit kann sich der Elko entladen, der 
entstehende negative Strom wird mit der Diode abgeschnitten (habe mal 
ein paar Signaldiagramme skizziert). Erkennt der Sensor den zweiten 
Metallstift, beginnt der Vorgang erneut.

Das eigentliche Problem bei der Sache ist, dass der Antrieb nach der 
Wartezeit mit einem extremen Ruck anfährt, was nicht am Antrieb oder 
Umrichter liegt, da der Ruck bereits am Ausgang des OPV erkennbar wird 
(siehe reales Signal am OPV-Ausgang). Der Ausgang des OPV bricht 
kurzzeitig komplett weg (konnte man auf einem Oszi auch wunderbar 
sehen), dem zu Folge bleibt der Antrieb auch kurzzeitig stehen. Aus 
technologischen Gründen ist dieses kurze Aussetzen des Antriebs aber 
absolut unerwünscht.

Ich habe jedoch keinen blassen Schimmer, woher dieser Ruck/Einbruch des 
OPV-Ausgangs stammen kann! Selbst am Eingang des OPV ergibt sich der 
theoretisch zu erwartende Signalverlauf (wie in den Diagrammen 
skizziert).

Nun daher meine Frage: Hat jemand eine Idee, woran es liegen könnte, 
dass das Ausgangssignal des OPV kurz nach dem Schaltmoment wieder 
zusammenbricht?
Habe die Schaltung nicht entworfen und hoffe daher, dass ich auch nicht 
einen grundsätzlichen Denkfehler in der Funktion der Schaltung habe!

Habe schon den Verdacht gehabt, dass gerade wegen der Diode der Strom 
doch geringfügig ins negative rutscht (0,7V eben) und dadurch der OPV 
nicht ganz klar kommt. Habe daraufhin zusätzlich auf die Sensorleitung 
zwischen der Diode und R2 noch eine Diode gesetzt,die diese geringen 
negativen Anteile blockieren sollte - jedoch ohne Erfolg.

Ebenso habe ich den Verdacht, dass die unsymmetrische Betriebsspannung 
des OPV evtl. irgendetwas damit zu tun haben könnte. Mein nächster 
Gedanke wäre daher, den OPV symmetrisch zu versorgen und den 
entstehenden negativen Signalteil hinter dem OPV mit einer Diode 
abzuschneiden. Wobei das natürlich eine Umdimensionierung der Schaltung 
zu Grunde legt.

Oder aber ich gehe weg vom OPV und setzte einen Timer-Baustein (z.b. 
NE555) ein, wobei ich mich damit noch garnicht befasst habe und auch 
keine Ahnung von der externen Beschaltung habe. Vielleicht hat jemand da 
einen Ansatz?

Also ich hoffe, den Kerngedanken des Aufbaus und des Problems 
verständlich ausgedrückt zu haben. Sollte es noch Fragen geben 
(bezüglich Aufbau), werde ich diese natürlich sofort versuchen zu 
beantworten.

Leider bin ich in der Elektronik nicht ganz so bewandert.
Es würde mich daher wirklich sehr freuen, wenn jemand einen kleinen Tipp 
für die Problematik hätte und ich möchte mich dafür schon im Vorraus 
bedanken.

Achja so ganz nebenbei noch zwei Dinge:
1. Zu Beginn dieses Projekts wurde der Antrieb über mechanische Relais 
gesteuert. Auf Grund der  hohen Anzahl der Schaltvorgänge sind dabei 
alle paar Tage die Relais durchgeflogen, weshalb auf eine elektronische 
Variante gewechselt werden musste!

2. Der erste Entwurf der elektronischen Schaltung  wurde damals wild 
Draht-an-Draht zusammen gelötet. In diesem Zustand funktionierte die 
Schaltung einwandfrei (ohne diesen Ruckler beim Anfahren). Nach der 
Übernahme auf eine Leiterplatte entstand jedoch genanntes Problem. Habe 
mir auch schon überlegt, ob ich die Schaltung nicht einfach nochmal 
komplett seperat aufbaue (z.b. auf einem Steckboard), um irgendwelche 
Fehler beim Löten der Leiterplatte auszuschließen?!


Grüße Christian D.

Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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-Ist vielleicht die Hystherese des Komparators zu klein gewählt?
-Kann es sein, dass die Versorgungsspannung des OPVs (die 24VDC) 
Störungen im Einschaltmoment des Motors unterliegen?
-"Zur Not" könntest du das Ausgangssignal des Komparators ggf. durch 
einen Tiefpass "verschleifen", so dass dieser (im Verhältnis zum 
korrekten Signal) kurze Impuls am Ausgang des Komparators weggefiltert 
wird.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Was ist das für ein OPAmp?

Könnte es sein, dass du am Eingang dessen Gleichtaktbereich verlässt?
Dann macht so ein OP u.U. alles Mögliche :-o


EDIT:
verglichen mit dem Mitkopplungsspannungsteiler sieht mir der Pullup ein 
wenig hochohmig aus...
Kannst du da mal 1 kOhm reinmachen?

Autor: KlaRa (Gast)
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Hallo Christian,

>>Der OPV ist als invertierender Schmitt-Trigger verbaut (Mittkopplung),
>>dessen Schaltschwelle sich über das Poti (mit Spannungsteiler)
>>einstellen lassen soll. Es dürfte bei der gegebenen Beschaltung ja auch
>>keine Hysterese geben, oder???

Allein schon das Symbol des Schmitt-Triggers beinhaltet eine Hysterese. 
Du willst doch keinen Oszillator bauen?
http://de.wikipedia.org/wiki/Schmitt-Trigger

Es wäre sehr hilfreich wenn man wüsste was Du für einen OP verwendest. 
Welche Spannungen haben Deine Ansteuersignale?

Gruss Klaus.

Autor: Christian D. (schlenz)
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Vorne weg: Vielen Dank für die schnellen Antworten!


@ Alex Bürgel: Nein, die Betriebsspannung steht stabil, hab das mal 
kontrolliert. Habe dann mal den Tipp mit dem Tiefpass versucht - leider 
funktionierte da nichts mehr.

@ Lothar Miller: es handelt sich um einen LM393P. Den Pullup habe ich 
auch mal auf 1k geändert, ohne Veränderung.

@KlaRa: Das Steuersignal vom Sensor hat ebenfals 24VDC


Ein Hinweis aus einem anderen Forum hat dann den Erfolg gebracht: habe 
vor beide Eingänge des OPV mal ein 10k Widerstand eingesetzt...und siehe 
da...es läuft ruckfrei!
Aber warum? Schmiert denn der OPV einfach kurzzeitig ab bei zu großen 
Eingangsströmen und geht in die Sättigung?

Autor: oszi40 (Gast)
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Umladevorgänge am Eingangselko verschieben vermutlich den Arbeitspunkt?

Autor: yalu (Gast)
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> Habe schon den Verdacht gehabt, dass gerade wegen der Diode der Strom
> doch geringfügig ins negative rutscht (0,7V eben) und dadurch der OPV
> nicht ganz klar kommt.

Der Verdacht ist berechtigt. Die Eingangsschaltung des LM393 verträgt
keine Spannungen unterhalb von etwa -0,5V (lt. Datenblatt sogar nur
-0,3V). Wird diese Spannung unterschritten, hat das einen ähnlichen
Effekt, als ob die maximal erlaubte positive Spannung angelegt würde.
Der Komparator schaltet also um, in deinem Fall also von high nach low,
so dass der Motor, nachdem er bereits eingeschaltet wurde, noch einmal
kurz stockt.

Das Unterschreiten der -0,5V hat außerdem einen erhöhten Eingangsstrom
(aus dem Eingang heraus) zur Folge, der den Komparator U.u. töten kann.
Das ist bei dir wohl nicht passiert, da der 8,2k-Widerstand den Entlade-
strom des Kondensators begrenzt und ein Teil davon ohnehin durch die
Diode fließt.

> Habe daraufhin zusätzlich auf die Sensorleitung zwischen der Diode und
> R2 noch eine Diode gesetzt,die diese geringen negativen Anteile
> blockieren sollte - jedoch ohne Erfolg.

Das sollte eigentlich das Problem beheben.

Heißt "ohne Erfolg", dass genau das gleiche Problem immer noch da war?
Das wundert mich etwas. Um sicher zu gehen, dass ich dich richtig
verstanden habe: Du hast also die Leitung zwischen der Kathode der
bestehenden Diode und dem oberen Ende von R2 aufgetrennt und die
zusätzliche Diode so eingefügt, dass sie in Richtung R2 zeigt?

> Ein Hinweis aus einem anderen Forum hat dann den Erfolg gebracht: habe
> vor beide Eingänge des OPV mal ein 10k Widerstand eingesetzt...und
> siehe da...es läuft ruckfrei!

An dem 10k-Widerstand fällt durch den oben erwähnten erhöhten Eingangs-
strom des Komparators etwas Spannung ab, so dass die Eingangsspannung
etwas steigt, offensichtlich gerade so viel, dass das unbeabsichtigte
Umschalten des Komparators ausbleibt. Da ist aber sicher reichlich Glück
im Spiel, und ich würde nicht garantieren, dass das bei jedem LM393-
Exemplar, bei jeder Temepratur usw. funktioniert.

Deine Lösung mit der zusätzlichen Diode ist viel besser, weil sie die
negative Eingangsspannung gar nicht erst enstehen lässt. Vielleicht
schaust du noch einmal nach, ob sie wirklich nicht funktioniert.

Wenn nicht: Kannst du vielleicht die Oszibilder vom Sensorsignal und
Komparatorein- und -ausgangssignal für die modifizierte Schaltung
posten? Am besten als Hardcopy oder Foto, damit auch die Details
erkennbar sind (im Bild in deinem Ursprungsbeitrag kann man bspw. die
Negative Eingangsspannung nicht erkennen).

Autor: Christian D. (schlenz)
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yalu schrieb:

> Das sollte eigentlich das Problem beheben.
>
> Heißt "ohne Erfolg", dass genau das gleiche Problem immer noch da war?
> Das wundert mich etwas. Um sicher zu gehen, dass ich dich richtig
> verstanden habe: Du hast also die Leitung zwischen der Kathode der
> bestehenden Diode und dem oberen Ende von R2 aufgetrennt und die
> zusätzliche Diode so eingefügt, dass sie in Richtung R2 zeigt?

Exakt, hatte die Diode wie du es beschrieben hast eingesetzt, jedoch 
ohne Veränderung.
Das mit der Diode hatte mir keine Ruhe gelassen - habe sie daraufhin 
nochmal in eine Testschaltung auf einem Steckboard gesetzt...und siehe 
da, plötzlich funktioniert es auch mit der Diode (selbst ohne die 
Eingangswiderstände vor den OPV-Eingängen). Ich kann es mir nur mit 
einem Fehler in der gelöteten Platine erklären.

Autor: yalu (Gast)
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> Ich kann es mir nur mit einem Fehler in der gelöteten Platine
> erklären.

Vielleicht hast du vergessen, die Leiterbahn, in die du die Diode
eingefügt hast, aufzutrennen ;-)

Autor: Christian D. (schlenz)
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yalu schrieb:

> Vielleicht hast du vergessen, die Leiterbahn, in die du die Diode
> eingefügt hast, aufzutrennen ;-)

^^ Das wäre ja zu einfach.
Die neu gelötete Platine funktioniert jedenfals. Wird wohl eine 
mikroskopisch kleine Kontaktierung auf der alten sein.

Herzlichen Dank nochmals an alle Helfer!

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