Stromquelle für Magnet mit H-Brücke (verschoben aus µC)

[Werner V. (werner-v)]

(Hinweis: aus µC hierher verschoben)

Hallo liebes Forum!

Ich schlage mich grade mit folgendem Problem herum:

Ein Helmholtz-Spulenpaar mit ca. 5 Ohm Gleichstromwiderstand soll mit
Strom versorgt werden, die Stromstärke soll extern über einen
Funktionsgenerator steuerbar sein, um für Induktionsversuche zB
Dreieck/Rechteck/Sinus/Sägezahn zu erhalten. Im Moment habe ich eine
unipolare Spannungsversorgung mit 25V zur Verfügung. Ich habe mich
einige Zeit mit einer FET-Brücke abgekämpft, musste dann aber einsehen,
dass ich FET's noch nicht wirklich verstehe und habe dann obige H-Brücke
entworfen und simuliert. Der Differenzverstärker hat Verstärkungsfaktor
1, ansonsten hoffe ich dass ich keine weichtigen Beschriftungen
vergessen habe. Laut Simulation tut die Brücke was sie soll, auch wenn
ich noch nicht geschafft habe den jeweils nicht benötigten Kanal
vollständig sperrend zu bekommen (ich kann auf Effizienz durchaus
verzichten, der Versuch wird pro Jahr nur ein paar mal gemacht).

Nun meine Frage:
macht meine Schaltung Sinn? Kann man sowas auch mal aufbauen und
einsetzen oder soll ich eurer Meinung nach lieber nochmal Horowitz-Hill
und Tietze-Schenk aus der Regal holen?

[GVS (Gast)]

zur Frage Teil 1: nein
zur Frage Teil 2: scheint sinnlos

Allgemeine Gegenfrage:
Wozu den Strom ständig ändern ? Die Helmholzspule soll ja ein homogenes 
Feld erzeugen, das man ja gerade nicht bekommt, wenn man den Strom 
permanent ändert.

Begründung:
Die beiden OPs sind als Komperator geschaltet (keine Rückkopplung) und 
werden daher bei einigen mV Differenz sofort umschalten (zum maximaler 
Ausgangsspannung). Die H-Brücke kann nur funktionieren wenn die Zweige 
nicht gleichzeitig eingeschaltet sind (das gibt Kurzschluss).

Ist ein Wechselfeld wirklich gewünscht ergeben sich mit Sicherheit 
Probleme durch Rückkopplung in den Steuerzweig (je nach Frequenz).
Die klassische H-Brücke ist für Motoren eigentlich immer nur im Ein-Aus 
Modus betrieben und kann daher auf Freilaufdioden nicht verzichten, was 
aber hier zu prüfen wäre ob es ohne geht, wenn mit kontinuierlicher 
Änderung gearbeitet wird (seeeeeeeehr langsames Steuersignal). Eine 
bipolare Versorgung wäre wohl einfacher, da man nur eine Halbbrücke 
benötigt, und damit auch nur einmal ansteuern muss.

Tips:
So zeichnen, dass die einzelnen Komponennten in ihrer Funktion leicht 
ersichtlich werden.
Im Fachbereich Elektrotechnik mal jemanden fragen der Ahnung hat.
Die gängigen Schaltungnen und Bauteile zu H-Brücken nachschauen, ob die 
einfach zu adaptieren sind (gerade die Steuerung der FETs macht immer 
probleme), als das Rad neu zu erfinden zu versuchen.
Mal überlegen mit welchen Frequenzen es noch funktionieren könnte, eine 
Spule zu einem bestimmten Verhalten zu "überreden", und was elektrisch 
als Reaktion dabei raus kommt (u=L*di/dt).

[Werner V. (werner-v)]

GVS schrieb:
> zur Frage Teil 1: nein
> zur Frage Teil 2: scheint sinnlos
>
> Allgemeine Gegenfrage:
> Wozu den Strom ständig ändern ? Die Helmholzspule soll ja ein homogenes
> Feld erzeugen, das man ja gerade nicht bekommt, wenn man den Strom
> permanent ändert.

Die Helmholtz-Anordnung erzeugt ein räumlich homogenes Feld, zeitlich 
homogen sind ja alle solange I=const. gilt

> Begründung:
> Die beiden OPs sind als Komperator geschaltet (keine Rückkopplung) und
> werden daher bei einigen mV Differenz sofort umschalten (zum maximaler
> Ausgangsspannung). Die H-Brücke kann nur funktionieren wenn die Zweige
> nicht gleichzeitig eingeschaltet sind (das gibt Kurzschluss).

Ja, da war ich auch etwas verwirrt, da die Simulation (wenn sie 
konvergierte) ein sinnvolles Ergebnis lieferte, obwohl eigentlich nur +3 
V und +27 V rauskommen kann.

> Ist ein Wechselfeld wirklich gewünscht ergeben sich mit Sicherheit
> Probleme durch Rückkopplung in den Steuerzweig (je nach Frequenz).
> Die klassische H-Brücke ist für Motoren eigentlich immer nur im Ein-Aus
> Modus betrieben und kann daher auf Freilaufdioden nicht verzichten, was
> aber hier zu prüfen wäre ob es ohne geht, wenn mit kontinuierlicher
> Änderung gearbeitet wird (seeeeeeeehr langsames Steuersignal). Eine
> bipolare Versorgung wäre wohl einfacher, da man nur eine Halbbrücke
> benötigt, und damit auch nur einmal ansteuern muss.

Hab ich vergessen zu sagen: die Arbeitsfrequenz ist DC - 10 Hz (Es geht 
nur um Versuche zum Prinzip der Induktion). Es soll gezeigt werden, dass 
ein linearer Stromanstieg zu einer linearen Zunahme des Flusses und 
damit zu einer konstanten Induktionsspannung führt (und die sonstigen 
Grundversuche). Als Schnüffelspule habe ich mit eine 20x20 cm^2 großes 
Monster aus Acrylglas gebaut mit 300 Windungen, damit bei diesen 
geringen Frequenzen messbare Spannungen rauskommen.
Mein erster Ansatz war eine bipolare Versorgung nach der Schaltung aus 
Tietze-Schenk, aber um dann die gewünschten +-4A zu erreichen bräuchte 
ich +- 25V, dafür bräuchte ich ein neues Netzgerät, da ich nichts 
bipolares zur Hand habe.

> Tips:
> So zeichnen, dass die einzelnen Komponennten in ihrer Funktion leicht
> ersichtlich werden.

Ich probier mal, das ganze in PSpice oder KiCad neu zu zeichnen; der 
Schaltplan ist mit QUCS gemacht, da ich den Editor weitaus angenehmer zu 
bedienen finde.

> Im Fachbereich Elektrotechnik mal jemanden fragen der Ahnung hat.
> Die gängigen Schaltungnen und Bauteile zu H-Brücken nachschauen, ob die
> einfach zu adaptieren sind (gerade die Steuerung der FETs macht immer
> probleme), als das Rad neu zu erfinden zu versuchen.

Ich hatte die Idee, das ganze über gebrückte Audioverstärker im current 
mode zu realisieren, aber ich habe bisher noch keinen passenden Chip 
gefunden.

[GVS (Gast)]

Ich hab mal nen kleinen Versuch gestartet, aber es ist ein echtes 
Monster geworden.

Problem ist wie immer die High-Side der Brücke, die vom Schaltzustand 
abhängt, daher schiebt ein OP die Steuerspannung nach oben (um den 
Betrag der Mittelpunktsspannung). In Schaltanwendungen wird daher mit 
Optokopplern und verschiedenen unabhängigen Spannungsquellen zur 
Steuersignalerzeugung gearbeitet (diskontinuierlich ist da eher die 
Schaltzeit des Optokopplers problematisch).

Die Anpassung erfolgt mit Offset-Korrektur (Felder mit 'Offset' 
bezeichnet) durch zusätzliche Spannungsquellen, um die Abflachung im 
Nulldurchgang zu mindern. Um die High- und Low-Side auf gleiche 
Stromwerte zu bringen durch Widerstandsverhältnis.

Die Brücke selbst ist nur als Halbbrücke dargestellt. Die zweite 
Halbbrücke braucht natürlich invertierte Ansteuerung.

Vorerst würde ich das nur mal als Konzeptstudie ansehen aus der man 
einige Erkenntnisse ziehen kann. Zu einem realen Aufbau sind noch einige 
Überlegungen und Anpassungen nötig.
 z.B. Potentiale (wo ist die Bezugsmasse)
      Maximalspannung der Operationsverstärker
      Transistortyp (evtl. IGBT) und genaue Ansteuerung

Die Schaltung funktioniert als Simulation, was im wirklichen Leben aber 
nichts bedeutet !
Anbei: Dateien für Qucs (.sch und .dpl) : Linux utf8

[Henrik V. (henrik_v)]

Schau dir mal Fig4 in der APEX appnote an.
http://www.apexanalog.com/wp-content/uploads/2012/10/AN03U_E.pdf
Statt bipolarer Versorgung geht das auch mit single supply (V/2 als GND)
Als LeistungsOPs irgendwas aus der GAINCLONE Liga, muss ja nicht APEX 
sein.

Helmholz ist nicht schlecht, Maxwell ist noch besser ;-)

[Werner V. (werner-v)]

Ich hab nach etwas Inspiration durch die üblichen Verdächtigen noch 
etwas an der Schaltung gebastelt. Es mag ja eine verrückte Idee sein, 
die Basen von High- und Low-Side der Brücke zu verbinden, aber die 
Simulation der Schaltung funktioniert sowohl im DC-Modus als auch bei 
Transientenanalyse, geht anständig bei etwas über 5A in die Sättigung 
und oszilliert nicht (was ich ehrlich gesagt nicht so ganz verstehe, 
warum sie NICHT schwingt). Sie kommt mir, verglichen mit dem, was in 
Audioverstärkern so verbaut wird, etwas ZU simpel vor.

@Hendrik V.: kann ich dafür auch einen LM3886 oder L165 nehmen?

[Henrik V. (henrik_v)]

Werner V. schrieb:
> @Hendrik V.: kann ich dafür auch einen LM3886 oder L165 nehmen?

Wenn Dir die 3A beim L165 reichen, sollte der auch gehen.

[Werner V. (werner-v)]

Henrik V. schrieb:
> Werner V. schrieb:
>> @Hendrik V.: kann ich dafür auch einen LM3886 oder L165 nehmen?
>
> Wenn Dir die 3A beim L165 reichen, sollte der auch gehen.

+/- 5 wären mir schon lieber, denn die Spulen haben eine recht kleine 
Induktivität - aber ich würde mal annehmen, man kann davon 2 parallel 
schalten.

Beim LM3886 hab ich nach dem Lesen des Datenblatts so meine Zweifel - 
der hat zwar 7A Maximalstrom, aber der sichere Bereich wird dabei nur 
mit ein paar Millisekunden angegeben, was bei meiner Verwendung 
(DC-10Hz) nicht ausreichend ist. Im Moment finde ich aber bei Reichelt 
nichts besseres, mal sehen was die Apotheke mit dem großen C auf Lager 
hat.

[H.Joachim S. (crazyhorse)]

Hatte mal sowas ähnliches -> LM12CLK
Gibts glaub ich nicht mehr zu kaufen, irgendwo müsste ich aber noch ein 
paar Reste haben.

[Werner V. (werner-v)]

Ich hab mir jetzt nochmal das Datenblatt vom L165 
(http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000052.pdf) 
durchgelesen. Darin findet sich unter Abbildung 10 eine Brückenschaltung 
mit zwei L165 und einer Transistorstufe, die über einen DAC angesteuert 
wird.

Wenn ich das richtig sehe ist die Schaltung als current feedback 
ausgelegt über den 0,47 Ohm Widerstand am Motor - dann wäre das genau 
die Schaltung, die ich suche, oder? Korrigiert mich bitte wenn ich mich 
irre!