Ansteuerung von 4 Elektroden über Raspberry mittels MOSFETS

[Daniel B. (enwelt)]

Hallo alle zusammen.

In einem Projekt lenke ich eine Piezomembran aus. Dabei handelt es sich 
um einen gewöhnlichen Piezoschallwandler (Schichtaufbau: 
Messingscheibe-Piezokeramik-Silberelektrode).
Die Silberelektrode wurde geviertelt und auf jedem Quadranten ein Kabel 
aufgelötet.

Vielleicht macht es die Skizze anbei etwas deutlicher (aber nicht auf 
die Schaltung achten).

Tests haben eine hinreichende Auslenkung bestätig (es wird ein Laser auf 
die Rückseite der Membran geschossen, reflektiert und an eine Wand 
projiziert). Dieser projizierte Laserpunkt soll durch eine 
Programmierung über das Raspberry Pi bewegt werden: indem die Elektroden 
z.B. alle nacheinander im Uhrzeigersinn angesteurt werden, bewegt sich 
der projizierte Laserpunkt im Kreis.

Was ich also brauche:

Eine Schaltung, mit der ich auf 4 Elektroden unabhängig voneinander +25V 
oder 0V/GND geben kann (wünschenswerter wäre sogar eine negative 
Spannung, da dies den Piezoeffekt nochmal verstärkt, man könnte aber 
auch den Messingring auf eine Referenzspannung legen, sodass sich beim 
Ansteuern mit 0V ein negatives Potenzial ergibt).

Ich habe 4x den IRLZ44N als logic level MOSFET, die GPIO's vom Raspberry 
liefern 3,3V. Das Problem bei meiner bisherigen Schaltung ist natürlich, 
dass bereits auf allen 4 Elektroden VCC anliegt und wenn ich eine 
Spannung am Gate anlege, ich nur VCC und GND kurzschließe.

Habt ihr eine Idee?

Vielen Dank im Voraus

[Stefan F. (Gast)]

Du brauchst 4 Halbbrücken (half bridge). Wenn du die Keramik nicht nur 
positiv sondern auch negativ ansteuern möchtest, braucht diese eine 
symmetrische Spannungsversorgung.

[Daniel B. (enwelt)]

Danke für die schnelle Antwort.

Kannst du mir das vielleicht noch etwas expliziter erläutern? Ich bin 
eher Technologe und kenne mich mit Schaltungsentwicklung nur sehr mäßig 
aus.

Vielleicht hast du ja auch eine gute Literaturquelle/ einen Link. Meine 
Google-Recherche gerade war nicht so vielversprechend.
Danke!

[Daniel B. (enwelt)]

brauche ich dann zusätzlich auch noch 4 Gate Treiber?

oder reichen 4 weitere MOSFETs aus

oder soll ich eine Halbbrücke monolithisch in einem Bauelement kaufen 
und kann mir jemand eines empfehlen?

Fragen über Fragen: Muss der obere FET (high-side FET) dann wirklich 
eine Gate-Spannung > seiner Drainspannung haben? Das könnte ich mit 
Logikwerten aus dem Raspberry gar nicht erreichen...

[Thomas E. (picalic)]

Servus,

ich gehe mal davon aus, daß Du zur Ansteuerung des Piezos so gut wie 
keine Leistung brauchst. Dann reichen sicher auch simple Pull-Up 
Widerstande (z.B. 10kOhm) und als Transistoren auch 
Kleinsignal-Transistoren (ID <100mA). Es müssen auch keine fetten FETs 
sein, BC546 sollten es auch tun...

[Daniel B. (enwelt)]

Hallo Thomas,
danke.

Ich habe kaum Leistung, da nur extrem kleine Ströme fließen.

Also du meinst, ich über der Drain jeweils einen 10k Widerstand 
reinbauen und zwischen Widerstand & Drain dann die Abzweigung zur 
Elektrode?

Dennoch wären dann meine Drains immer noch galvanisch verbunden und alle 
4 Elektroden hätten dann dieses Potenzial = VCC (20-25 V) oder?

Sind die Widerstände so krass, dass sie dafür sorgen, dass nur noch 
Spannung an den Elektroden anliegt, wenn das Gate über der Schwelle ist?

[Thomas E. (picalic)]

Daniel B. schrieb:
> Hallo Thomas,
> danke.
>
> Ich habe kaum Leistung, da nur extrem kleine Ströme fließen.
>
> Also du meinst, ich über der Drain jeweils einen 10k Widerstand
> reinbauen und zwischen Widerstand & Drain dann die Abzweigung zur
> Elektrode?
Ja.
>
> Dennoch wären dann meine Drains immer noch galvanisch verbunden und alle
> 4 Elektroden hätten dann dieses Potenzial = VCC (20-25 V) oder?
Wenn die Messingscheibe auf GND-Potential liegt, lassen sich so die 
einzelnen Elektroden zwischen 0 und VCC (z.B.+25V) einzeln umschalten. 
Mit einer Spannung von +20V an der Messingscheibe und +40V an "VCC" 
würde jede einzelne Elektrode ggf. eine Spannung (gegenüber der 
Messingscheibe) von -20V oder +20V sehen.

>
> Sind die Widerstände so krass, dass sie dafür sorgen, dass nur noch
> Spannung an den Elektroden anliegt, wenn das Gate über der Schwelle ist?
Umgekehrt: wenn das Gate über der Schwelle ist ("1" am Port des 
Controllers), leitet der FET, dann liegt die Spannung der Elektrode auf 
GND-Potential. Sonst sperrt der Transistor und der Widerstand zieht die 
Spannung auf VCC.

[Daniel B. (enwelt)]

perfekt, vielen Dank! Das werde ich testen!

[Thomas E. (picalic)]

Ich würde aber den BC546 gegenüber dem IRLZ44 vorziehen, der ist:
- billiger,
- handlicher,
- spannungsfester.

Außerdem lässt sich die Schaltung damit mit minimalem Mehraufwand auf 
"analog" ändern, z.B. mit PWM vom Raspi, dann wird der Laser jeweils 
mehr oder weniger abgelenkt.

[Daniel B. (enwelt)]

habe schon 4 IRLZ44 gekauft aber die BC546 kosten ja auch nicht die 
Welt...

Aber was hat denn der Transistor mit der PWM zu tun und wie ist das mit 
der "analogen" Schaltung gemeint?

Die Delay-Zeiten sind ja ohnehin sehr groß im Hertz- Und 
Subhertzbereich. Es geht darum, dass irgendwann mal eine Art 
Softwareoberfläche dazu kommen soll, mit der ich die Richtung des Lasers 
steuern kann. Deswegen glaube ich nicht, dass ich eine PWM benötige (die 
Piezokeramik braucht übrigens auch recht lange, bis sie sich komplett 
ausgedehnt/gestaucht hat).

Vielen Dank für deine Hilfe!!!

[Stefan F. (Gast)]

Willst du die Piezo Kristalle analog oder digital ansteuern?
Welche Frequenzen, welche Spannungen und welche Ströme sind zu erwarten?
Welche Kapazität haben die Piezo Elemente?
Genügt eine unsymmetrische Ansteuerung (wie hier diskutiert wird) oder 
brauchst du eine symmetrische Ansteuerung? Ich denke, es muss eine 
symmetrische sein, da die Piezo Elemente sich elektrisch wie 
Kondensatoren verhalten. 10k Ohm sind eventuell viel zu viel, aber das 
hängt sehr von der Kapazität der Piezoelemente und der Frequenz ab.

>> Du brauchst 4 Halbbrücken (half bridge).
> Kannst du mir das vielleicht noch etwas expliziter erläutern?

Mit dem genannten Stichwort findest Du im Netz und in der Bibliothek 
reichlich Literatur. Ich habe keine Lust, an dieser Stelle zu erklären, 
was eine Halbbrücke ist und wie sie funktioniert.

[Thomas E. (picalic)]

Daniel B. schrieb:
> Aber was hat denn der Transistor mit der PWM zu tun und wie ist das mit
> der "analogen" Schaltung gemeint?

Mit "analog" meine ich, daß die Ausgangsspannung (z.B. per 
PWM-Ansteuerung) definiert auf einen gewünschten Spannungswert zwischen 
GND und VCC eingestellt werden kann. Mit dem bipolaren Transistor 
bräuchte man dazu lediglich zusätzlich einen Kondensator (->Tiefpass 
hinter dem µC-Pin) und einen Widerstand als Gegenkopplung in der 
Emitter-Leitung.
Mit der Steuerung der Spannung an der Basis zwischen ca. 0,7 bis 3,3V 
kann man dann bei geeigneter Dimensionierung der Widerstände eine 
Ausgangsspannung zwischen ca. 3V und VCC einstellen. Mit dem FET geht 
das im Prinzip zwar auch, allerdings ist da die Einstellung einer 
definierten Ausgangsspannung durch die relativ hohe und vor allem nicht 
genau definierte Threshold-Spannung schwieriger.

Wenn der Strom mit 10k Pull-Up Widerstand nicht ausreicht, den Laser 
schnell genug abzulenken, kannst Du auch eine einfachen Treiberstufe aus 
zwei Transistoren dahinterschalten (1x PNP, 1x NPN).

[Stefan F. (Gast)]

> kannst Du auch eine einfachen Treiberstufe aus
> zwei Transistoren dahinterschalten (1x PNP, 1x NPN).

Womit wir wieder bei der Halb-Brücke von gestern sind.

[Thomas E. (picalic)]

So könnte die Schaltung mit Halbbrücke und PWM-Filter aussehen:

[Daniel B. (enwelt)]

@Stefan:

-ich möchte die Elektroden digital über die GPIO's des Raspberry Pi's 
ansteuern (3.3 V Rechteck, Signalbreite zwei- bis dreistelliger 
Millisekundenbereich)
-Frequenz: Subhertzbereich bis maximal 1-2 Hz
-Spannungen auf die Elektroden: maximale Potenzialdifferenz zwischen 
Messingscheibe und Silberelektrode +/- 30V (eher weniger)
-Aus dem Datenblatt des Piezoschallwandlers: max Resistance 1000 Ohm, 
Kapazität 75µF +/- 30% (diesen Wert vierteln, da die Silberelektrode ja 
auch geviertelt ist -> vereinfachte Annahme Plattenkondensator)
--> daraus ergäbe sich dann doch eine maximale Stromaufnahme von 
30V/1000 Ohm = 30mA oder?  (Es wird auch nur eine einzige Kupferfaser 
aus der Litze aufgelötet, um einen maximalen Freiheitsgrad herauszuholen 
und die Keramik durch die thermische Belastung beim Löten nicht zu 
beschädigen)
-ich weiß nicht, ob die Ansteuerung symm. oder unsymm. sein muss. Ich 
denke vor allem für Testzwecke reicht eine unsymmetrische erst mal aus?

Was denkst du denn, wie groß die Pullup-Widerstände sein sollten, wenn 
10k zu groß erscheinen?

@Thomas:

Vielen Dank für deine Mühe. Ich lese mich nochmal in die PWM ein. Kann 
gerade nicht so gut mitreden und verstehe deine Schaltung (DANKE dafür) 
auch nicht ganz. Müsste ich diese Schaltung dann 4 Mal aufbauen, für 
jede Elektrode/ jeden GPIO Pin einmal?

Danke für Eure Hilfe, tolles Forum

[Falk B. (falk)]

Nimm einfach einen L293D, dort sind 4 Halbbrücken drin, 
Versorgungsspannung des Leistungsteils geht bis 36V. Den kann man auch 
direkt mit den 3,3V vom Raspberry Pi ansteuern. Einfacher und kompakter 
geht es nicht.

[Stefan F. (Gast)]

Bei den Angaben denke ich, dass eine einfache Lösung mit Transistoren 
und Pull-Up Widerständen funktionieren kann. Sofern denn nur positive 
Spannung nötig ist.

Wenn du auch negative Spannung anlegen willst, wird es aufwändiger.

Ein IC mit vier Halbbrücken ist sicher einfacher, als die ganzen Haken 
und ösen einer einfachen Transistorschaltung zu berücksichtigen. Mit dem 
L293D bist du sicher gut bedient.

> Kapazität 75µF

Kann nicht sein. Die 3cm kleinen Scheiben von Conrad haben 50nF.
http://www.conrad.de/ce/de/product/717770/Piezokeramischer-Schallwandler-30-VDC-10-03-kHz-Inhalt-1-St?ref=searchDetail

Dein Piezo Wandler ist doch nicht etwa 100 mal so groß?

[Daniel B. (enwelt)]

Super Tipp mit dem L293D allerdings tue ich mir mit dem Datenblatt sehr 
schwer.
Benötige ich dazu noch eine Randbeschaltung oder gehe ich einfach vom 
Raspberry Pin auf den L293D und von ihm direkt auf die Elektroden?

Sind das OPV's im Blockschaltbild? Wie kann ich denn ein Output von 
meinetwegen +/- 24 V erzeugen; wie lässt es sich berechnen? Dort steht 
nur etwas von "Source/Sink Output Saturation Voltage 1.2V-1.8V, wenn 
Ausgangsstrom = 0.6A".

Ich schließe am VS (Supply Voltage) 24V an, am VSS (Logic Supply 
Voltage) 5V, Enable High Voltage 3.3V und an den Inputs dann eben auch 
3.3V, wenn sie geschaltet werden.
Den GND verbinde ich mit dem GND des Raspberrys und mit dem Messingring, 
richtig?

Muss wieder Danke sagen!

ahh und an Stefan:
Hier ist das Datenblatt des Piezoschallwandlers: 75.000nF

[Stefan F. (Gast)]

> Source/Sink Output Saturation Voltage 1.2V-1.8V, wenn Ausgangsstrom = 0.6A".

Das ist die Spannung, die im IC bei dem Strom verloren geht. Also wenn 
die Versorgungsspannung +/-24V ist, dann kommen bei 0,6A im ungünstigen 
Fall nur 22,2V heraus.

[Falk B. (falk)]

@ Daniel B. (enwelt)

>Super Tipp mit dem L293D allerdings tue ich mir mit dem Datenblatt sehr
>schwer.

Take it easy ;-)

>Benötige ich dazu noch eine Randbeschaltung

Nein.

> oder gehe ich einfach vom
>Raspberry Pin auf den L293D und von ihm direkt auf die Elektroden?

Quasi. GND, +5V und +24V Sollte man schon noch anschließen.

>Sind das OPV's im Blockschaltbild?

Nö, Leistungsstufen.

> Wie kann ich denn ein Output von
>meinetwegen +/- 24 V erzeugen;

Indem ein Kanal 0V und der anderen +24V ausgibt bzw. anders herum.

> wie lässt es sich berechnen? Dort steht
>nur etwas von "Source/Sink Output Saturation Voltage 1.2V-1.8V, wenn
>Ausgangsstrom = 0.6A".

Es bleiben ca. 2x1,2V im Chip hängen, es kommen also nicht die vollen 
24V vom EIngang raus.

>Ich schließe am VS (Supply Voltage) 24V an, am VSS (Logic Supply
>Voltage) 5V, Enable High Voltage 3.3V und an den Inputs dann eben auch
>3.3V, wenn sie geschaltet werden.

Genau.

>Den GND verbinde ich mit dem GND des Raspberrys

Ja.

>und mit dem Messingring,
>richtig?

Ja. Dann hast du aber niemals negative Spannungen.

>Hier ist das Datenblatt des Piezoschallwandlers: 75.000nF

Klingt zuviel, möglicherweise ein Tipfehler eher 75.000pF. 41mm 
Durchmesser ist nicht sooo groß.

[Daniel B. (enwelt)]

Dieses Bauteil ist ja dann wirklich perfekt für meine Anwendung.

BESTELLT

Danke Leute!

@Falk Brunner (falk)
>Indem ein Kanal 0V und der anderen +24V ausgibt bzw. anders herum.

wie würdest du dann die 0V realisieren? Ich habe ja die Möglichkeit, 
beim L293D das Output auf Low bzw. Z (=High output Impedance) zu setzen. 
0V = L oder 0V = Z?

>Ja. Dann hast du aber niemals negative Spannungen.

Ok, du hast recht. Ich wollte den Messingring ja auf eine 
Referenzspannung legen ;)


Ich glaube mein Problem ist nun gelöst :)

[Daniel B. (enwelt)]

>Quasi. GND, +5V und +24V Sollte man schon noch anschließen.

Das Raspberry hat doch einen +5V Pin und GND-Pins?

Wollte nur eine Spannungsquelle anschließen, wenn möglich

[Falk B. (falk)]

@ Daniel B. (enwelt)

>>Indem ein Kanal 0V und der anderen +24V ausgibt bzw. anders herum.

>wie würdest du dann die 0V realisieren?

Beide auf 0V.

> Ich habe ja die Möglichkeit,
>beim L293D das Output auf Low bzw. Z (=High output Impedance) zu setzen.
>0V = L oder 0V = Z?

Mit Z würde ich nichts machen, dann bleibt dein Piezo geladen, das kann 
ggf. komische Effekte machen.

>Ok, du hast recht. Ich wollte den Messingring ja auf eine
>Referenzspannung legen ;)

Kann man machen, wenn du aber den Massering auf 12V legst, hast du nur 
+/-12V an deinen Elektroden. Ausserdem solle diese Referenzspannung 
halbwegs gepuffert sein, mit einem ausreichend großen Elko. Vielleicht 
100-1000uF.

>Ich glaube mein Problem ist nun gelöst :)

Bau erstmal alles auf und teste, dann reden wir weiter.

[Falk B. (falk)]

@Daniel B. (enwelt)

>>Quasi. GND, +5V und +24V Sollte man schon noch anschließen.

>Das Raspberry hat doch einen +5V Pin und GND-Pins?

Dann nutze diese.

>Wollte nur eine Spannungsquelle anschließen, wenn möglich

Kann man machen.