Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OpAmp-Ausgang lastunabhängig


von Lars L. (lindnerlars)


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Hallo Leute,

ich möchte einen normalen DC-Motor analog zwischen -24V und +24V 
steuern. Anstatt mit komplizierten PWM- oder MOSFET-Schaltungen herum zu 
experimentieren, dachte ich mir einen normalen OpAmp zu benutzen (siehe 
Anhang). Leider ist der REALE OpAmp ausgangsseitig nicht lastunabhängig, 
d.h. wenn ich eine niederohmige Last betreibe (DC Motor), sinkt die 
gewollte 24V auf praktisch 0V, da ich ja durch die niederohmige Last den 
Ausgang auf Ground ziehe.

Meine Anfängerfrage lautet nun:
Wie kann ich die Ausgangsspannung meines OpAmp lastunabhängig 
stabilisieren? D.h. ich möchte, dass die Ausgangsspannung unabhängig 
meiner Last konstant bleibt.

Meine Motor-Daten lauten:
Nominal-Voltage = 24
Coil Resistance = 2.49
Coil Inductance = 2.63 mH
Zero Load RPM = 236
Load / Max Torque = 17.8 %
Efective Mass = 0.01


Vielen Dank schon einmal für eure Antworten und mit vielen Grüsse
Lars

von Stefan S. (mexakin)


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Du brauchst einen Verstärker, der den Strom deiner Last liefern kann, 
und ein Standart OpAmp kann vielleicht 5mA maximal am Ausgang liefern, 
es gibt ein paar spezielle die auch mehr können, aber prinzipiel benutzt 
man OpAmps nie driekt als Lasttreiber, außer die Last ist eben selber 
sehr hochohmig, wie zum Beispiel ein ADC-Eingang.

An deiner Stelle würde ich nach DC-Motortreiber ICs suchen und erstmal 
so einen Einsetzen und wenn das geht versuchen es zu vereinfachen.

von Udo S. (urschmitt)


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Lars L. schrieb:
> Anstatt mit komplizierten PWM- oder MOSFET-Schaltungen herum zu
> experimentieren, dachte ich mir einen normalen OpAmp zu benutzen (siehe
> Anhang).

Überlege dir mal ob es vieleicht einen Sinn hat, dass alle diese 
"komplizierten PWM- oder Mosfet Schaltungen" machen statt deine 
'einfache' Lösung.
Es gibt Leistungs OPs, aber überlege dir welche Verlustleistung dann an 
dem OP in den unterschiedlichen Betriebszuständen abfällt, und ob er das 
aushält und wie gut du ihn dann kühlen musst.

: Bearbeitet durch User
von Hui (Gast)


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Mit einem 741..! Lass es sein. So wird das noch lange nichts. Da fehlt 
viel zu viel.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Lars L. schrieb:
> Wie kann ich die Ausgangsspannung meines OpAmp lastunabhängig
> stabilisieren?
Sieh dir mal die Innenschaltung eines Netzteils deiner Leistungklasse 
an. Man muss jetzt natürlich den Strom durch den Motor wissen. Oder 
dessen Leistung.

> Meine Motor-Daten lauten:
> Nominal-Voltage = 24
> Coil Resistance = 2.49
Wenn ich das so sehe, kannst du da das eine oder andere Ampere 
durchschicken...

von Lars L. (lars_l70)


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Hallo Stefan und Udo

stefan schmitt schrieb:
> An deiner Stelle würde ich nach DC-Motortreiber ICs suchen und erstmal
> so einen Einsetzen und wenn das geht versuchen es zu vereinfachen.

Hast du eine erste Idee für solch einen DC-Motortreiber IC?

Udo Schmitt schrieb:
> Überlege dir mal ob es vielleicht einen Sinn hat, dass alle diese
> "komplizierten PWM- oder Mosfet Schaltungen" machen statt deine
> 'einfache' Lösung.

Ich habe schon Lösungen mit PWM und MOSFET untersucht, bin aber immer 
irgendwie an eine komplizierte Stelle gekommen:

1. Schaltkreise zur Erzeugung einer PWM abhängigen Spannung wurden zu 
kompliziert und umfangreich
2.  Mit MOSFET kann ich nur in einer Drehrichtung des Motors steuern, da 
bei negativer Spannung der MOSFET sperrt
3. Alle Brückenschaltungen zur Ansteuerung die ich bis jetzt gesehen 
habe, benötigen PWM als Steuersignal -> siehe 1.

Die Lösung mit OpAmps schien mir bis jetzt die einzig vernünftige, wo 
ich in beiden Drehrichtungen des Motors steuern kann. Generell möchte 
ich ein Steuersignal meines P-Reglers (OpAmp) zwischen -5 V und +5 V auf 
die benötigten -+24V verstärken, um den Motor in beiden Richtungen 
steuern zu können. Später schließe ich dann den Regelkreis durch Messung 
der aktuellen Drehgeschwindigkeit und die Position soll möglichst 
schnell geregelt werden. Die Reglerparameter lege ich dann nach dem 
Betrags- oder Symmetrischen  Optimum aus.

Viele Gruesse
Lars

von H.Joachim S. (crazyhorse)


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Prinzipiell geht das schon, praktisch ist es aber nicht so einfach.
Du musst eine Endstufe nachschalten. Und +/-30V halten auch nur wenige 
spezielle OPs aus.

von Max H. (hartl192)


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Lars L. schrieb:
> 1. Schaltkreise zur Erzeugung einer PWM abhängigen Spannung wurden zu
> kompliziert und umfangreich
Schau dir mal den TL494 oder einen kleinen µC an. Mit denen sollte es 
kein Problem sein aus einere Spannung 0...5V ein PWM Signal zu machen.

Und hier wäre eine einfache Schaltung 0...10V --> PWM:
Beitrag "Re: 0-10v in Pwm umsetzen für Konstantstromquelle"

: Bearbeitet durch User
von Paul (Gast)


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Lars L. schrieb:
> Die Lösung mit OpAmps schien mir bis jetzt die einzig vernünftige, wo
> ich in beiden Drehrichtungen des Motors steuern kann.

Hast Du Dir schon einmal über die Definition von Leistung gemacht? Ich 
glaube, dass Dir sehr viele Grundlagen fehlen. Ohne Strom geht hier gar 
nichts. Am besten Du schaust Dir mal folgendes an:
- Definition von Strom und Spannung
- Ohmsches Gesetz
- Definition von Leistung

Darüber hinaus solltest Du Dir klar machen, wie die Schaltungen, die Du 
nicht einsetzen willst funktionieren. Auch eine H-Brücke will geregelt 
werden. Die H-Brücke bringt den Strom. Die PWM ist die Ansteuerung. Du 
hast Dir eine Ansteuerung ausgesucht, aber nicht über den benötigten 
Strom Gedanken gemacht. Setze dort an.

von MaWin (Gast)


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Ein 741 liefert 20mA, reicht das deinem Motor als Anlaufstrom? Eun LM675 
würde 3A bringen und wird durchaus als Motortreiber verwendet, ein L272 
1A.

von Paul (Gast)


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MaWin schrieb:
> Ein 741 liefert 20mA, reicht das deinem Motor als Anlaufstrom? Eun
> LM675
> würde 3A bringen und wird durchaus als Motortreiber verwendet, ein L272
> 1A.

Hm... könnte man machen, aber wenn das so ein Motor ist ... (siehe 
MB040JS500)

http://www.exmek.com/en/Upload/PicFiles/2011.2.27_22.14.36_9823.pdf


... dann reicht das nicht.

von Harald W. (wilhelms)


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Lars L. schrieb:

> Leider ist der REALE OpAmp ausgangsseitig nicht lastunabhängig,

Ein OPV  i s t  weitgehend lastunabhängig, allerdings nur bis zu
den im Datenblatt angegebenen Grenzen. Für grössere Lasten gibt es
auch Leistungsoperationsverstärker. Bei dem von Dir geforderten
Strom von 10A sind aber auch diese überfordert. Du brauchst einen
Leistungsverstärker. Für den Drehrichtungswechsel würde sich
vielleicht auch ein Relais eignen.
Gruss
Harald

von Stefan F. (Gast)


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Ich finde die Idee gar nicht so schlecht, einen Op-Amp zu missbrauchen. 
Manchmal bevorzuge ich ebenfalls so eine Quick&Dirty Lösung. Eine PWM 
Schaltung die zweifellos die vernünftigere Lösung.

> Nominal-Voltage = 24
> Coil Resistance = 2.49

Falls das 2.49 "Ohm" sein sollen, wird's an dieser Stelle allerdings 
schwierig. Ich kenne keinen OP-Amp, der 10 Ampere liefern kann.

Bei maximal 18V / 3A hätte ich auf den TDA2030 verwiesen, der unter 1€ 
kostet.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Lars L. schrieb:
> PWM ... zu kompliziert und umfangreich
Du musst da schon schreiben "/für mich/ zu kompliziert". aber letztlich 
ist es so, dass sich dieses Verfahren bewährt hat und somit nicht das 
ungeeignetste sein dürfte.

Und nach wie vor bleibt die schon lange von mir gestellte Frage nach dem 
Strom und/oder der Leistung, die da unterwegs ist...

In der Praxis ist übrigens deine Schaltung mit positiver und negativer 
Versorgung und einem gegen GND geschalteten Motor Unsinn, weil beide 
Versorgungsspannungen für die volle Leitung ausgelegt sein müssten, aber 
immer nur eine davon verwendet wird.
Wenn schon, dann würde man da eine Brückenschaltung aus zwei OPs 
verwenden und den Motor zwischen die beiden schalten.

von Jee (Gast)


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APEX hat solche Opmps. Siehe Apexmicrotech. Allerdings nicht wirklich 
guenstig. Erhaeltlich glaub ich bei digikey.

von Jee (Gast)


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Ja, das waere dann zB der SA60 mit 80V 10A geschaltet mit 250kHz, und 
der PA51, mit 80V 10A, linear

von H.Joachim S. (crazyhorse)


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oder der alte, kaum noch erhältliche LM12CLK, kosten inzwischen auch um 
die 50€.

von Kein Name (Gast)


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Oder nach "Op Amps for Everyone" googeln. Da findet sich ein Kapitel 
"Current Boosters".

von H.Joachim S. (crazyhorse)


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Dann gehts aber wieder los mit Überstrom/Übertemperaturschutz...

von Possetitjel (Gast)


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Lars L. schrieb:

> 1. Schaltkreise zur Erzeugung einer PWM abhängigen
> Spannung wurden zu kompliziert und umfangreich

Hmm. Gut. Wenn Du Dir das nicht zutraust, ist es vernünftig,
es nicht zu versuchen.

> 2.  Mit MOSFET kann ich nur in einer Drehrichtung des
> Motors steuern, da bei negativer Spannung der MOSFET
> sperrt

Das ist bei Bipolartransistoren erstmal genauso.

Trotz des unausrottbaren Glaubens an die magische
Kraft der integrierten Schaltungen (ICs) arbeiten die
intern nicht mit Heiligem Geist oder Warp-Antrieben,
sondern - Tusch! - mit Transistoren.

Das Problem muss also mal gelöst worden sein, denn ICs
(z.B. Operationsverstärker) können ja das, was Du suchst,
nämlich positive und negative Ausgangsspannung liefern.

Die Lösung hört auf den Namen "(Serien-)Gegentaktschaltung".

Lässt sich sowohl mit Bipolartransistoren wie auch mit
FETs ausführen. Einfachste Möglichkeit ist aus meiner Sicht
die Komplementärschaltungstechnik.

> 3. Alle Brückenschaltungen zur Ansteuerung die ich bis
> jetzt gesehen habe, benötigen PWM als Steuersignal -> siehe 1.

Wahrscheinlich, weil Du nur bei Motorbrücken gesucht hast.
Hättest Du bei Audio-Verstärkern (=NF-Verstärkern) unter
Brückenschaltung gesucht, hättest Du vermutlich welche
gefunden, die ohne PWM arbeiten.

Um es klar zu sagen: "Brückenschaltung" ist von "PWM" völlig
unabhängig!

Bei Motortreibern ist PWM sinnvoll, um die Verlustleistung,
d.h. die Erwärmung der Endstufen in Grenzen zu halten.

> Die Lösung mit OpAmps schien mir bis jetzt die einzig
> vernünftige,

Der OPV hat nur den einen Vorteil, dass er (bei symmetrischer
Speisung) direkt positive und negative Ausgangsspannung gegen
Masse liefern kann. (Dies kann er - wie schon erklärt - aufgrund
seiner Gegentakt-Endstufe.)

Der OPV hat aber zwei große Nachteile:

1) Ein Standard-OPV kann keine +-24V liefern, die Du benötigst.
OPV für solche Spannungen existieren sicher, sind aber keine
Wald-und-Wiesen-Teile.

2) Ein Standard-OPV kann auch den Strom nicht liefern, den
Dein Motor benötigt.

Ich würde das als Vollbrücke (=H-Brücke) ausführen; das löst das
1. Problem. Außerdem würde ich den OPVs hinreichend dicke
(komplementäre) Spannungsfolger nachschalten, das löst auch
das 2. Problem.

von Lars L. (lindnerlars)


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Max H. schrieb:
> Und hier wäre eine einfache Schaltung 0...10V --> PWM:
> Beitrag "Re: 0-10v in Pwm umsetzen für Konstantstromquelle"

VIELEN DANK Max, ich habe deinen Tipp jetzt umgesetzt und es 
funktioniert in der Simulation von Proteus :) Da ich den TS914 in der 
Bibliothek von Proteus nicht gefunden habe, habe ich den äquivalenten 
LMC6484 von TI benutzt. Messungen mittels Oszilloskop ergeben ein 
PWM-Signal mit +2.75V und -2.20V und circa 150 Hz, kann das stimmen? 
Welche Bauteile beeinflussen die Frequenz des PWM-Signals? Wie kann ich 
einen Offset erzeugen, um das Signal um 2.2V nach oben zu verschieben?

Ich werde nun die Drehzahl mit einem µC messen und so die Abweichung 
zwischen Drehwinkel-Sollwert und -Istwert errechnen. Diese gebe ich dann 
auf meinen P-Regler (OpAmp), der dann das Stellsignal für meinen LMC6494 
Schaltkreis erzeugt.

Bleibt das Problem, dass ich bei NEGATIVEM Stellsignal, die Drehrichtung 
des Motors im L298 ändern muss (IN1 oder IN2). Kann ich das durch einen 
Komparator erreichen, der mein aktuelles Stellsignal auf positiv oder 
negativ prüft und dann jeweils durch eine Logik-Schaltung ein HIGH für 
IN1 oder IN2 erzeugt???

Ansonsten ist die Schaltung so weit OK?

An alle:
Das mit dem maximalen Ausgangsstrom meines OpAmps war mir nicht bewusst. 
Selbstverständlich funktioniert es so nicht, den OpAmp direkt als 
Motortreiber zu benutzen, da ich ja fast 10A Anlaufstrom benötige. Aber 
vielen Dank für eure Kommentare, sie haben mir auch sehr weiter geholfen 
:)


Viele Grüsse abermals
Lars

von Helge A. (besupreme)


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Sicherlich brauchst du eine Ansteuerung, in welche Richtung dein Motor 
laufen soll. Das kann durch 2 Komparatoren erzeugt werden.

Da du aber eh einen uC verwenden willst, kann ja auch dieser den L298 
passend ansteuern.

Übrigens schau dir mal im Datenblatt in Bild 7 an, wie man die 
Treiberstufen parallelschaltet. Nicht, daß es dem Baustein gleich zu 
heiß wird.

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