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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Piezo über Mikrocontroller ansteuern


Autor: Ben (Gast)
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Guten Abend .

Für ein Scanner Projekt benötige ich eine Ansteuerung für insgesamt 4 
Piezo Elemente (Piezo Scanner Rohr).

Aktuell habe ich schon ein passendes Piezo Netzteil um die hohe Spannung 
sowie die Impulse zu erzeugen.
Die Piezo Elemente werden jeweils mit ca. 200V und einem 20 bis 100 
Mikrosekunden langen Puls angesteuert.
Frequenz von ca. 100hz bis 1khz.
Ein Piezo Element hat jeweils eine Kapazität von ca. 25nF.
Das Netzteil (eigentlich eher ein Piezo Treiber) steuert die Piezos sehr 
Steilflankig an , was sehr wichtig für meine Anwendung ist.

Da ich nicht 4 einzelne Netzteile für die separate Ansteuerung der Piezo 
Elemente verwenden möchte , suche ich eine Möglichkeit diese zu 
"Multiplexen".
Die Elemente sollen wahlweise nacheinander Angesteuert werden , 
idealerweise über einen Mikrocontroller gesteuert.

Nun meine Frage :

Kann ich hierfür einen N-Mosfet "einfach" jeweils zwischen der 
Masseleitung der Piezo Elemente schalten ?
Worauf sollte bei der Auswahl des geeigneten Mosfets geachtet werden ?

Das Netzteil/Piezo-Treiber entlädt auch jeweils den Piezo wieder , 
nachdem er Angesteuert wurde.
Funktioniert das auch noch mit dazwischen geschalteten Mostet ?

Wichtig wäre ein möglichst kleines Package des Mosfets , ideal wäre 
SOT32 o.ä.

Vielen Dank für euere Hilfe !

Grüße,
Ben

: Verschoben durch Moderator
Autor: Martin Beuttenmüller (Gast)
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Guten Morgen.

Ein N-Fet als Schalter gegen Masse?
1 Bedenke die Spannungsfestigkeit/Sicherheitsabstände zwischen
  den Beinchen. Steht irgendwie im Konflikt mit "möglichst klein".

2 Wenn der Trasistor als "Schalter gegen Masse" leitend wird,
  läd sich die Kapazität/das Piezo-Röhrchen auf. Sperrst Du danach
  den Transistor kann die Ladung im Röhrchen nicht abfließen
  ( von Leckströmen abgesehen ).

Ich vermute ganz stark, daß Du für Multiplex mit Aufladung und
Entladung bei ~200V deutlich mehr Aufwand zu erwarten hast ...

Viel Erfolg
Martin

Autor: Sabberalot W. (jetztnicht)
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Ein Piezo mit 25nF zieht schon einiges an Strom. Falls man die 
anliegende Spannung absacken laesst, wird der Schritt wieder 
rueckgaengig gemacht. Wie ich Piezos kenne muessen die Linear 
angesteuert werden. Das waere ein wahrscheinlich ein steppender Piezo, 
als langsame Flanke hoch, schnelle Flanke runter, und umgekehrt...
Dafuer gibt es Verstaerker : zB von APEX
https://www.apexanalog.com/products/pa340.html
https://www.apexanalog.com/products/pa441.html

Und ja, davon kann man 4 Stueck an einem Netzteil laufen lassen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Ben schrieb:
> Kann ich hierfür einen N-Mosfet "einfach" jeweils zwischen der
> Masseleitung der Piezo Elemente schalten ?
Zwischen der Masseleitung und was?

> Das Netzteil (eigentlich eher ein Piezo Treiber) steuert die Piezos sehr
> Steilflankig an , was sehr wichtig für meine Anwendung ist.
Hat das nur 1 Ausgang, an den das Piezoelement angeschlossen wird?
Oder hat das 2 Ausgänge, zwischen die das Piezoelement angeschlossen 
wird?

> Das Netzteil/Piezo-Treiber entlädt auch jeweils den Piezo wieder ,
> nachdem er Angesteuert wurde. Funktioniert das auch noch mit dazwischen
> geschalteten Mostet ?
Zeichne doch mal einen Schaltplan mit den beteiligten Komponenten (und 
soweit bekannt deren Bezeichnungen und Typen usw) und zeichne dort mal 
ein, was du wie schalten willst. Ein Schaltplan ist das 
Kommunikationsmittel für Elektroniker...


BTW: bitte nicht Plenken! Ein Satzzeichen hat keine eigene Zeile 
verdient!

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Ben (Gast)
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Ich verwende folgenden Verstärker von PICeramics (Netzteil war wohl der 
falsche begriff) : 
https://www.piceramic.de/de/produkte/piezocontroll...


Im Anhang ein vereinfachter Schaltplan, wie ich mir das ganze vorstelle.
GND und VCC hängen am Ausgang des Verstärkers, I/O dann am 
Mikrocontroller zur Ansteuerung.
Später würde ich zur Sicherheit an I/O noch einen Optokoppler zwischen 
schalten.
Der Mosfet/Transistor wird so lange durchgeschalten, wie der Piezo 
angesteuert wird bzw. bis er sich wieder entladen hat.

Die Ansteuerung ist nicht linear , sondern wirklich ein Impulse mit oben 
genanten Daten.
Natürlich durch die Kapazität, erfolgt die Entladung nicht perfekt 
Steilflankig.

Autor: Äxl (geloescht) (Gast)
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Der Piezo kann sich gut über die BodyDiode entladen...

Äxl

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Ben schrieb:
> GND und VCC hängen am Ausgang des Verstärkers
Du musst dann übrigens die Masse deines IO-Pins (µC oder wasweißich) 
auch mit GND des Verstärkers verbinden. Denn sonst hat der IO-Pin den 
falschen Massebezug.

> Natürlich durch die Kapazität, erfolgt die Entladung nicht perfekt
> Steilflankig.
Eher gar nicht? Denn wohin solte sich den der Piezo entladen wenn du 
ihm einen Pin hochohmig abschaltest?

Äxl (geloescht) schrieb:
> Der Piezo kann sich gut über die BodyDiode entladen...
Zeig doch mal. Nehmen wir an, alle Piezoelemente seien auf 200V geladen 
und der Verstärker gibt 200V aus.

Das könnte zudem eigenartige Effekte auf den Verstärker und die anderen 
Elemente haben...

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Reihaus (Gast)
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Deine Stichworte sind Mosfet Halbbrücke.

Autor: Sabberalot W. (jetztnicht)
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Der Poster soll erst mal abklaeren , ob der Piezoscanner Rechteck- oder 
Dreieckpule braucht. Denn Rechteckpulse machen keinen Sinn. Falls 
Dreieck, benoetigt er einen Linearverstaerker.

Autor: Ben (Gast)
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Danke für die schnellen Antworten.

Um erstmal ein paar Fragen zu klären.
Der von mit verwendete Verstärker ist ein Linearverstärker, jedoch 
verwende ich ein Rechteckimpuls zur Ansteuerung.
Somit ist mein Ausgangssignal am Verstärker auch rechteckig.
Mir ist bewusst das bei Klassischen Scanner Anwendungen die 
Piezoröhrchen Analog über ein Dreiecksignal angesteuert werden.

Die Entladung der Piezoröhrchen erfolgt über den Verstärker, sobald ein 
LOW-Pegel anliegt.

Im allgemeinen arbeite ich schon seit einigen Monaten mit den 
Piezoröhrchen, und sie erfüllen auch ihren Zweck mit der gewählten 
Ansteuerung.
Nun möchte ich den Aufbau duplizieren, ohne wieder 4 dieser 
Kostspieligen Verstärker verwenden zu müssen.
Zudem plane ich später auch den Einsatz von mehreren Röhrchen pro 
Aufbau.

Mosfet-Halbbrücke war ein gutes Stichwort.
Nach kurzer Recherche habe ich folgenden Ausschnitt einer Doktorarbeit 
gefunden(siehe Anhang).
Hierbei geht es auch um die Ansteuerung von Piezo-Elementen, allerdings 
für einer komplett andere Anwendung.
Die Ansteuerparameter stimmen aber in etwa mit denen von mir überein.

Somit würde ich wohl diesen Aufbau fürs erste mal testen.
Nun die Frage , was muss ich beachten bei der Auswahl der richtigen 
Mosfets ?
Ist die Schaltgeschwindigkeit bei meinen Parametern schon kritisch für 
den Mosfet ?

Autor: Sabberalot W. (jetztnicht)
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Nicht vergessen, die ueblichen Halbbrueckentreiber funktionieren nicht 
mit DC, insbesondere ist kontinuierlich High nicht moeglich. 
Kontinuierlich Low hingegen schon.

Bei Lowsignal von der Bruecke liegt die volle Spannung am Piezo an, 
entladen wird er bei High. Allenfalls muss der Piezo gegen GND montiert 
werden und nicht gegen die Versorgung.

Autor: Ben (Gast)
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Wenn ich das richtig verstehe, verwendet die obere Schaltung jeweils 
N-Mosfets zum Schalten.
Je nachdem ob man den Piezo auf- oder entlädt, werden die Mosfets ja nie 
länger als 200 Mikrosekunden durchgeschalten.

Ist das schon problematisch ?

Wäre der STD3LN62K3 N-Fet für den Nachbau geeignet ?

Autor: DAU (Gast)
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OK .. ich habe KEINE AHNUNG - Was ist ein "Piezo Scanner Rohr"?

Autor: Ben (Gast)
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Piezo Scanner Röhrchen sind Röhrchen hergestellt aus einer Piezo Keramik 
mit segmentierten Elektroden.
Je nachdem auf welches Segment man eine Spannung anlegt , Lenkt sich das 
Röhrchen in eine Richtung ab.
Der Ausschlag ist abhängig von der Spannung.
Dadurch kann man z.b. Optiken im Mirko/Nanometer Bereich bewegen.
Je nach Segmentierung kann sich das Röhrchen um mehrere Achsen bewegen.


Hat keiner eine Antwort auf meine Fragen ?

Autor: Achim S. (Gast)
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Ben schrieb:
> Im Anhang ein vereinfachter Schaltplan, wie ich mir das ganze vorstelle.
> GND und VCC hängen am Ausgang des Verstärkers,

Das kann nur dann funktionieren, wenn der eine Verstärkerausgang von 
Haus aus auf GND liegt und der andere mit positiven Spannungen 
ausgesteuert wird. Ist das bei deinem Piezotreiber der Fall?

Falls ja, dann kann deine erste Schaltungsidee funktionieren. Dann würde 
bei einem  Puls der aktivierte Piezo das Feld sehen die anderen würden 
kein Feld sehen sondern an beiden Elektroden den vollen Spannungssprung 
mitmachen (ich weiß nicht, ob dein segmentiertes Piezo-Röhrchen das 
mag).

Ben schrieb:
> Nach kurzer Recherche habe ich folgenden Ausschnitt einer Doktorarbeit
> gefunden(siehe Anhang).

Das ist eine sehr schematische Zeichnung. Du wirst einen sehr realen 
Halbbrückentreiber brauchen. Da kann es schon ein wenig auf die Details 
ankommen.

Ben schrieb:
> Je nachdem ob man den Piezo auf- oder entlädt, werden die Mosfets ja nie
> länger als 200 Mikrosekunden durchgeschalten.
>
> Ist das schon problematisch ?

Sie werden insbesondere immer nur kurz Strom leiten müssen (selbst wenn 
der Puls 200µs lang ist, ist die Auflade/Entladezeit für den Piezo ja 
kürzer. Jede einzelne Schaltflanke wird im FET nur 500µJ verheizen
(25nF/2*(200V)^2).

Von daher ist das im Prinzip nicht sehr problematisch. Aber in der 
praktischen Ausführung ist es für einen Anfänger schon eine Nummer. Ich 
fürchte, ein Abend Internetrecherche reicht nicht, um das aus dem Stand 
zum Funktionieren zu bringen.

Mach mal einen konkreten Schaltungsvorschlag (nicht nur eine 
Prinzipskizze). Dann kann man auch konkret Feedback geben, wo Probleme 
zu erwarten wären.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Achim S. schrieb:
> Das kann nur dann funktionieren, wenn der eine Verstärkerausgang von
> Haus aus auf GND liegt und der andere mit positiven Spannungen
> ausgesteuert wird. Ist das bei deinem Piezotreiber der Fall?
Augenscheinlich schon. Aber ich würde da sicherheitshalber nochmal 
nachfragen oder wenigstens Nachmessen oder Nachsehen. Nicht, dass da 
noch irgendeine Schutzschaltung oder sonstwas in der "GND-Leitung" 
sitzt...

Autor: Ben (Gast)
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Danke.

Sehr gerne mache ich mal ein Schaltplan fertig.
Bevor ich jedoch grob etwas falsch mache, würde ich gern Grundlegend 
herausfinden ob es der richtige Ansatz ist.

Technisch würde ich das ganze nun gemäß des Auszuges aus der 
Doktorarbeit (von mir zuletzt gezeigtes Bild) umsetzten.

Wie detailliert darf man diese Darstellung wahrnehmen ?
Fehlen hier noch maßgebliche Bauteile (abgesehen von der 
Grundbeschaltung der jeweiligen Bauelemente) ?

Was muss bei der Dimensionierung der Mosfets beachtet werden ?

Autor: Bloß... (Gast)
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Ben schrieb:
> Technisch würde ich das ganze nun gemäß des Auszuges aus der
> Doktorarbeit (von mir zuletzt gezeigtes Bild) umsetzten.

Bloß ist in dieser Arbeit ein Ende des Piezo "fest" auf U+ und eben 
nicht auf GND.

Ben schrieb:
> Fehlen hier noch maßgebliche Bauteile (abgesehen von der
> Grundbeschaltung der jeweiligen Bauelemente) ?

Treiberschaltung. Besteht real nicht aus OPV.

Ben schrieb:
> Was muss bei der Dimensionierung der Mosfets beachtet werden ?

Strom, Spannung, Frequenz, Schaltflanke.

Autor: Ben (Gast)
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Danke.

Ich werde einen Schaltungsentwurf erarbeiten und dann hier posten.

Eine andere Frage :

Wie kann ich den Ladestrom meines Piezos berechnen ?
Spannung und Kapazität ist bekannt.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Ben schrieb:
> Wie kann ich den Ladestrom meines Piezos berechnen ?
> Spannung und Kapazität ist bekannt.
Damit kannst du schon mal die nötige Energie berechnen.
Für einen Strom brauchst du noch einen Widerstand...

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