PWM -> 0-10V / Umbau eines verfügbaren Moduls

OP #5269542
Lesenswert?

Hallo liebe Foristen!

Da ich in analogen Dingen wirklich keine Leuchte bin, jedoch ein 
analoges Problem habe, hoffe ich ihr könnt mir bei der Lösung meiner 
Aufgabe behilflich sein.

Situation:
Ich möchte folgendes Modul, einen PWM->0-10V Wandler, in meiner 
Applikation einsetzen:

https://www.cctools.eu/ext_index.php/artikel/1430
(Schaltplan im pdf)

Der Vorteil: Das Modul ist supergünstig, mit Hutschienengehäuse grade 
mal 17€ und somit genau das was ich brauche.
Der Nachteil: Die Eingänge sind für ein 5V PWM Signal ausgelegt. Meine 
SPS jedoch hat einen 24V Ausgang.

Meine Lösung:
In der Schaltung R1/R2 ersetzen durch

R1 180K (150k + 50k Spindeltrimmer in Reihe f. evtl. Abgleich)
R2 47k

Meine Frage:
Kommt das so hin oder habe ich da einen Denkfehler? Muss ich evtl. noch 
andere Bauteile anpassen?

Gruß,
Thomas
OP #5269595
Lesenswert?

@Georg:

Danke für deine Antwort. Leider hilft sie mir wenig bis gar nicht 
weiter. Es stellen sich nur noch mehr Fragen.

Was bilden R1/R2 denn dann?
Und ist es denn überhaupt möglich die vorgegebene Schaltung für meinen 
Zweck zu modifizieren?
Wenn ja wie? (Spannungsteiler am Eingang?)
Gast #5269625
Lesenswert?

Entweder mir 0 bis 5 V nur die halbe Geschwindigkeit erreichen oder mit 
einem OP einen Verstaerker x2 dazwischenschalten.  (Ein PWM betriebener 
Spannungsverdoppler erreicht nur 8.6V, statt dem Filterteil.)
OP #5269671
Lesenswert?

Georg M. schrieb:
> Auch eine Möglichkeit. (mit einem Überspannungsschutz zusätzlich
> vielleicht)

Ohne nerven zu wollen, das "auch" impliziert es gäbe noch andere 
Möglichkeiten. Ich bin immer daran interessiert Neues zu lernen und zu 
verstehen. Welche Möglichkeiten gäbe es denn da noch?

Würde sich als Überspannungsschutz eine ZD24+Serienwiderstand am Eingang 
des Spannungsteilers eignen? Oder hast du da was ganz anderes im Sinn?
OP #5269675
Lesenswert?

Teo D. schrieb:
> Nimm nen OptoKoppler.
> https://www.mikrocontroller.net/articles/Optokoppler

Daran habe ich auch schon gedacht. Diese Lösung hat jedoch einen 
Nachteil:
Ich muss dann auch noch 24V->5V dc/dc wandeln bzw linear regeln, da der 
Filter ja mit 5V getaktet werden müsste. Ich halte das für zu aufwändig, 
zumal ich keine galvanische Trennung brauche und wenn schon galvanisch 
getrennt, dann auch die Versorgungsspannungen. Und galvanisch getrennte 
DCDC Wandler kosten mehr als das ganze PWM Modul...
Gast #5269676
Lesenswert?

> und wieso schreibst Du dann "0-10V"?

Gute Frage, und dann noch:

> Ich brauche die 0-10V um einen Drehzahlsteller
> anzusteuern. Dieser hat als Steuereingang einen in der
> Automatisierungstechnik gebräuchlichen Analogeingang mit 0-10V.

Jetzt kappier' ich gar nichts mehr
OP #5269695
Lesenswert?

Harald W. schrieb:
> ...und wieso schreibst Du dann "0-10V"? Um von 24V auf 5V zu kommen,
> brauchst Du nur einen Spannungsteiler.

An dem Punkt bin ich nun auch und ich werds wohl auch so machen.

> Und zur Erzeugung eines 0-10V Analogsignals aus einem 24V PWM Signal
> reicht ein RC-Glied.

Das mit dem RC-GLied ist mir schon klar. Ich wollte halt mit der 
Pufferverstärkerlösung das Gefrickle in der Software bezüglich des 
Dutycycle bei 10V, sowie die ganzen Probleme mit Temperaturdriften, dem 
nötigen Überspannungsschutz etc. vermeiden. Weiterhin will ich den 
ganzen Schmonz ordentlich auf der Hutschiene haben. Und das Modul samt 
Gehäuse kostet nur die Hälfte wie ein Hutschienengehäuse mit 
Lochrasterplatine..

Trotzdem Danke für deinen Hinweis!
OP #5269741
Lesenswert?

Teo D. schrieb:
> Hier die Lösung!
> Das Modul hat keinen 5V PWM-Eingang!
> Verträgt da bis zur Betriebsspannung, hier max 24V!
> Du musst NICHTS umbauen, einfach anschließen!

Deine Aussage steht im Widerspruch zu den Angaben im pdf des Moduls:
"PWM-Eingang: 5V (TTL) Pegel"

Und ums "vertragen" geht es ja auch gar nicht. Vielleicht bin ich a auch 
zu doof um OpAmps zu kapieren. So wie ich das sehe ist der erste OpAmp 
als noninverting Follower beschaltet. wenn ich da am Eingang mit nem 24V 
100% duty cycle drauf gehe, den Filter also sättige, hab ich am Ausgang 
von OpAmp1 24V. Das versucht der OpAmp2 dann noch zu verstärken... Das 
ist irgendwie nicht was ich wollte.

Ich werde, solltest du mich nicht eines Besseren belehren) einfach nen 
Spannungsteiler am Eingang einsetzen und gut is.
Gast #5269807
Lesenswert?

Thomas S. schrieb:
> Aus reinem Interesse: Warum ist das krank? Provoziert man da unter
> bestimmten Umständen Schwingungen?

in der Tat. Siehe
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf

"Capacitive loads which are applied directly to the output of the 
amplifier reduce the loop stability margin. Values of 50 pF can be 
accommodated using the worst-case non-inverting unity gain connection. 
Large closed loop gains or resistive isolation should be used if larger 
load capacitance must be driven by the amplifier."
OP #5269830
Lesenswert?

@Achim,
@hinz

Das ist ja mal ein Ding. Zumal zwischen den, als Maximalkapazität 
angegebenen 50pF und den verbauten 100nF ein Faktor von 2000 liegt.

Da dieser Wandler innerhalb einer PID Schleife hängt, sind Schwingungen 
das letzte was ich gebrauchen kann. Auch wenn der Regelkreis 
superlangsam ist, ich brauch nichts was schwingt. Für sowas hat der 
Mensch den Oszillator erfunden...

Soll ich die beiden 100nF C's (C6,C7) durch 50pF C's ersetzen? Oder ganz 
weg lassen?
Gast #5269848
Lesenswert?

Thomas S. schrieb:
> Und ist es denn überhaupt möglich die vorgegebene Schaltung für meinen
> Zweck zu modifizieren?
Ich denke schon.
> Wenn ja wie? (Spannungsteiler am Eingang?)
Ja.
Ich würde einen Teiler nehmen, der so dimensioniert ist, dass er den R1 
der Schaltung (33k) direkt ersetzt und gleichzeitig die 24V auf 5V 
teilt.

Also folgenden Bedingungen:
5V = 24V *Rt1/(Rt1+Rt2)  (oder auch auf 10V teilen und R5 noch 
entfernen)
mit Rt1//Rt2 = 33k

und dann den R1 in der Schaltung durch 0Ω ersetzen. Der R1 wird jetzt 
durch den Quellwiderstand des Teilers abgebildet.

Das ergäbe nach meiner Rechnung für den unteren Teilerwiderstand 41.7k 
und für den oberen 158.4k.
Suche dir die passenden Normwerte raus, nimm ggf. die kleineren und 
erhöhe  die 0Ω von R1 durch die Differenz der Parallelschaltung zu 33k.
Gast #5269852
Lesenswert?

Thomas S. schrieb:
> Soll ich die beiden 100nF C's (C6,C7) durch 50pF C's ersetzen? Oder ganz
> weg lassen?

Zu spät gesehen:
Wenn dein Eingang ausreichend hochohmig ist, dann mach einfach zwischen 
dem OPA-Ausgang und den 100nF einen Widerstand mit 100Ω. Dann sieht der 
OPA den Kondensator nicht mehr ...
Gast #5269868
Lesenswert?

C6 und C7 sollen ganz weg. Auch 50 pF sind da falsch. Eventuell einen 
Kondensator parallel zu C4, wenn man mag. Sinnvoll wäre ggf. noch ein 
100 Ohm Widerstand am Ausgang in Reihe um den OP nicht mit ggf. zu viel 
Kabel oder Eingangskapazität zu belasten.

Die Verstärkung wird über R4 und R5 eingestellt - wenn man abgleichen 
will / muss, dann hier.

Weil der LM358 nicht gerade schnell ist, wäre eigentlich noch ein RC 
filter vor der ganzen Schaltung gut. Also noch einmal etwa 10 K und ggf. 
470 nF oder so.
OP #5269887
Lesenswert?

@HildeK:

Vielen Dank für deinen Vorschlag!

Vor allem das mit dem Verstärkungsfaktor von 1 für den zweiten OpAmp 
gefällt mir gut und das werd ich auf jeden Fall machen. Erst auf 5V 
runterteilen und dann wieder auf 10V verstärken ist wenig sinnvoll.

Was mir bei der ganzen Sache nicht so gut gefällt, ist die relativ hohe 
Eingangsimpedanz von 66kOhm. Da fließen bei 24V grad mal 0,3mA. Das 
halte ich für ein wenig dünn. Zumal meine SPS 100mA treiben kann. Ich 
werd daher die Eingangsbeschaltung so lassen wie sie ist und einen 
Spannungsteiler der 5mA fließen lässt, zusammen mit einer ZD10 als 
Spannungsbegrenzung vorschalten.
Gast #5269888
Lesenswert?

Der erste OP ist als Teifpass mit einer Verstaerkung von 1 aufgebaut. 
Anstelle von R1 wurde ich eine kleine Platine mit dem Teiler (und 
begrenzende ZD einbauen).  Wichtig ist den Masseanschluss nicht zu 
vergessen des Teilers. Wenn U am OP Eingang > U Versorgung kann der OP 
ueber die Wupper gehen.
OP #5269910
Lesenswert?

Lurchi schrieb:
> C6 und C7 sollen ganz weg. Auch 50 pF sind da falsch. Eventuell
> einen
> Kondensator parallel zu C4, wenn man mag. Sinnvoll wäre ggf. noch ein
> 100 Ohm Widerstand am Ausgang in Reihe um den OP nicht mit ggf. zu viel
> Kabel oder Eingangskapazität zu belasten.

Aye, Sir! Vorschlag angenommen, da sehr sinnvoll.
BTW: Das C parallel zu C4 ist bereits vorhanden. C5/100nF

> Die Verstärkung wird über R4 und R5 eingestellt - wenn man abgleichen
> will / muss, dann hier.

Werde R5 weglassen, da ich meinen Eingangsspannungsteiler auf 10V 
dimensioniere und den OpAmp 2 nur noch mit Verstärkung 1 betreibe. Wenn 
ich doch abgleichen muss, dann mach ich das wie du sagst mit R4/R5

> Weil der LM358 nicht gerade schnell ist, wäre eigentlich noch ein RC
> filter vor der ganzen Schaltung gut. Also noch einmal etwa 10 K und ggf.
> 470 nF oder so.

Um "schnell" gehts nach dem Filter R1/R2/C1/C2 wohl nicht mehr.
OP #5269920
Lesenswert?

Dieter schrieb:

> Anstelle von R1 wurde ich eine kleine Platine mit dem Teiler (und
> begrenzende ZD einbauen).

Platine für 3 Bauteile? Platz ist neben R1 auf dem Board genug. 
gelötfimmelt und wenns funktioniert mit nem Tropfen Kleber gesichert 
tuts allemal.

> Wenn U am OP Eingang > U Versorgung kann der OP
> ueber die Wupper gehen.

Alle U's kommen aus dem selben Netzteil und es ist eine ZD als 
Überspannungsschutz am Signaleingang. Von daher keine Gefahr.

Trotzdem Danke für den Hinweis!
Gast #5269980
Lesenswert?

Thomas S. schrieb:
> Vor allem das mit dem Verstärkungsfaktor von 1 für den zweiten OpAmp
> gefällt mir gut und das werd ich auf jeden Fall machen. Erst auf 5V
> runterteilen und dann wieder auf 10V verstärken ist wenig sinnvoll.

Du kannst den 24V-Teiler auch auf 10V Ausgang berechnen und dann am X2-1 
das 0-10V-Signal abnehmen. Aber für die Anwendung ist das Nachverstärken 
um Faktor 2 auch kein Problem. Den zweiten OPA braucht man dann nicht, 
also ggf. R3 entfernen und den OPA-Eingang auf Masse legen. Oder drin 
lassen und nur R5 entfernen. Dann kommt am OPA2 das selben nochmals 
raus.

> Was mir bei der ganzen Sache nicht so gut gefällt, ist die relativ hohe
> Eingangsimpedanz von 66kOhm. Da fließen bei 24V grad mal 0,3mA. Das
> halte ich für ein wenig dünn. Zumal meine SPS 100mA treiben kann. Ich
> werd daher die Eingangsbeschaltung so lassen wie sie ist und einen
> Spannungsteiler der 5mA fließen lässt, zusammen mit einer ZD10 als
> Spannungsbegrenzung vorschalten.
Es ist halt so, dass der Spannungsteiler quasi mit seinem Widerstand Rt1 
|| Rt2 in Reihe zu dem R1 mit 33k liegt. Und der ist Teil der Filterung 
und damit sollte die Summe aus Spannungsteilerquellwiderstand und dem R1 
auch weiterhin 33k betragen.
Wenn du also statt der vorgeschlagenen 158k/42k nur 15.8k und 4.2k 
nimmst, dann hast du einen Quellwiderstand von rund 3.3k und solltest R1 
von 33k auf 30k reduzieren.
Wenn du noch weiter runter gehst, kann man das Anpassen von R1 
vernachlässigen. Aber bedenke: irgendwann heizen die Teilerwiderstände 
dann.

Lurchi schrieb:
> Weil der LM358 nicht gerade schnell ist, wäre eigentlich noch ein RC
> filter vor der ganzen Schaltung gut. Also noch einmal etwa 10 K und ggf.
> 470 nF oder so.

Das verändert das Filter u.U. deutlich. Ohne Entkopplung 
(Bufferverstärker) muss man sich das genau anschauen.
OP #5270162
Lesenswert?

Schwarzseher schrieb:
> Dumme Frage: Warum von den 24V PWM runter auf 5V PWM um dann wieder auf
> 10V zu gehen?

Dumme Fragen gibts nicht, nur dumme Antworten.. ;)
Da dieser Thread schon etwas länger ist, vermute ich mal, du hast nicht 
alles gelesen.

Ich werde am Eingang einen Spannungsteiler auf 10V mit 
Überspannungschutz verwenden. Den 2. OpAmp werde ich mit Verstärkung=1 
betreiben, evtl werde ich hier einen Abgleich vornehmen, sollten 100% 
duty cycle am Eingang nicht genau 10V ergeben.

>
> geo_mob schrieb:
>> Muss nicht galvanisch getrennt sein. D
>

Galvanische Trennung war niemals ein bestimmender Faktor, die Diskussion 
darüber kam nur auf, weil jemand eine Lösung mit einem Optokoppler 
vorgeschlagen hat.

> Warum dann nicht einfach die 24V PWM runterteilen, glätten und fertig?
> Ganz ohne OpAmp?

Ja, das wäre natürlich schön einfach. Und jetzt das Ganze bitte in einem 
Hutschienengehäuse, damits für meine Applikation passt. Blöd nur, dass 
ein Hutschienengehäuse mit Lochrasterplatte und Klemmen irgendwo bei 35€ 
aufwärts los geht. Die Bauteile für die Glättung und meine Arbeitszeit 
noch nicht mitgerechnet. Das Modul kostet 17€. Und ich hab bis auf ein 
paar zusätzlich hinzupokelnde Widerstände und dem auslöten von ein paar 
unnotigen C's nix zu machen. Außerdem ist es mit dem Modul und einem 
ordentlichen Abgleich desselbigen auf der Softwareseite wesentlich 
angenehmer zu arbeiten.
OP #5270194
Lesenswert?

Stefan U. schrieb:
> Verstehe ich dich richtig, dass dir zwei simple Widerstände zu
> primitiv/einfach/billig sind, und du deswegen eine kompliziertere Lösung
> willst?

1. Ist es mit zwei Widerständen NICHT getan. Nach meinem Wissensstand 
brauche ich dafür mindestens 2 Widerstände, 1 Kondensator und 1 
Zenerdiode.

2. Kann ich das Ganze, auch wenns simpel ist nicht einfach auf nem 
Lochraster zusammenklöppeln und irgendwie am Kabel oder an den Klemmen 
im Schaltkasten baumeln lassen. Das muss auf die Hutschiene. Die Nutzung 
dieses (angepassten) Moduls stellt für mich derzeit die Kostengünstigste 
Möglichkeit dar. Wenn es da irgendeine andere Lösung gibt, welche 
weitestgehend den Normen im Schaltschrank/Anlagenbau entspricht, bin ich 
dankbar wenn man mir diese mitteilt. Ja, es gibt fertige PWM -> 0-10V 
Module die auf 24VDC Input gespect sind bei den einschlägigen 
Automatisierungsanbietern. Die bewegen sich jedoch bei 100€ aufwärts. 
Und ja, es gibt für meine SPS auch Analogmodule, ebenfalls 100€ 
aufwärts.

3. Einfach und billig (und vor allem in weiten Teilen meinen 
Anforderungen entsprechend!)ist für mich das von mir genannte Modul, 
welches ich mit ein paar R's und C's für meine Anwendung pimpen möchte.
Gast #5270212
Lesenswert?

Thomas S. schrieb:
> Kann ich das Ganze, auch wenns simpel ist nicht einfach auf nem
> Lochraster zusammenklöppeln und irgendwie am Kabel oder an den Klemmen
> im Schaltkasten baumeln lassen. Das muss auf die Hutschiene.

So ein Stück Lochrasterplatine lässt sich auch auf einen 
WAGO-Hutschienenclip schrauben. 2x Schrauben: DIN7981 3,5x6,5F
Angehängte Dateien:
OP #5270236
Lesenswert?

Ach Du grüne Neune schrieb:
> So ein Stück Lochrasterplatine lässt sich auch auf einen
> WAGO-Hutschienenclip schrauben. 2x Schrauben: DIN7981 3,5x6,5F

Danke für deine Tips!

Ich hab auch schon über sowas nachgedacht. ein einzelner Clip wackelt 
auf der Hutscheine leider wie ein Kuhschwanz, also müsste man da zwei 
nehmen. Dann muss das Ganze noch auf eine Montageplatte, da offene 
Kontakte nach unten auf der Hutschiene nicht erlaubt sind. Dazu kommt 
dann noch der Bastlerlook des Ganzen, den ich absolut nicht prickelnd 
finde. Und wenn ich dann sehe, dass ich mir da nur ein paar Euro spare, 
dafür aber nicht zu knapp Bastelarbeit habe, dann fällt die Lösung 
leider flach. Abgleichen ist damit außerdem auch nicht.

Danke trotzdem!
OP #5270922
Lesenswert?

Stefan U. schrieb:
> Es gibt doch sicher Leergehäuse für Hutschienen!?
>
>
> Moment, ich google mal:
> 
https://www.google.de/search?q=hutschiene+leergeh%C3%A4use&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjBksmOmsjYAhUGyKQKHRChAxQQ_AUICygC&biw=1702&bih=874
>
> Sogar reichlich, und mit Anschlussklemmen. Da brauchst du innen nur die
> drei Bauteile dran zu löten. Ich liebe die Bildersuche.

Ja, Stefan! Das gibt es alles! Und auch ich habe die Google(bilder)suche 
schon mit meinem Anliegen bemüht. Wenn Du dann auf die Seiten der 
Anbieter klickst, wirst du jedoch feststellen, dass die 
Hutschienengehäuse mit Leiterplatten und Klemmen bei ca 35€ los gehen. 
Das von mir angesprochene Modul kommt als Bausatz für grade mal 12€ (als 
Fertigbausten 17€) daher.

Die Tatsache, dass ich das Ganze vier mal brauche und die zusätzliche 
Möglichkeit eines Abgleichs haben mich bewogen über die Anpassung dieses 
Moduls nachzudenken.

Nach dem ich noch mal darüber geschlafen habe, ist mir auch die Idee 
gekommen, vom Hersteller dieses Moduls nur das Gehäuse und die 
(unbestückte) Platine zu kaufen und die von einigen gepostete Schaltung 
mit dem Spannungsteiler + C + ZD dann da drin reinzubasteln. Jedoch 
wären mir 5€ mehr pro Modul für einen möglichen Abgleich wert.

Danke trotzdem für deine Mühe!
OP #5271021
Lesenswert?

Georg M. schrieb:

> Galvanische Trennung kann man in diesem Fall als Bonus betrachten.

Ja Georg, das kann man. Da bin in zu 100% bei Dir!

Da eine galavanische Trennung nur dann wirklich Sinn macht, wenn Signal 
und Versorgung getrennt werden, die Kosten dafür jedoch den Preis der 
ganzen Geschichte mehr als Verdoppeln und den Umbauaufwand erheblich 
steigern, kommt diese Lösung für mich leider nicht in Frage.

Meine derzeitig präferierte Lösung ist übrigens:

Spannungsteiler auf 9,2V Am Eingang, gefolgt von einer ZD9,1. OpAMP1 
gibt dann 0-9,1V aus. Mit OpAmp2 Verstärke ich dann auf 0-10,00V mit R's 
und Spindeltrimmer an R4/R5.

Das Ganze ist mit ca 5 (zusätzlichen) Bauteilen, wenig Aufwand/Kosten 
schnell und einfach realisierbar.

An dieser Stelle auch mal einen großen Dank an alle Foristen, die mir 
mit Rat und Gedanken zu meiner Aufgabe geholfen haben.
#5271058
Lesenswert?

Thomas S. schrieb:
> Da eine galvanische Trennung nur dann wirklich Sinn macht, wenn Signal
> und Versorgung getrennt werden, die Kosten dafür jedoch den Preis der
> ganzen Geschichte mehr als Verdoppeln und den Umbauaufwand erheblich
> steigern, kommt diese Lösung für mich leider nicht in Frage.

OK, in diesem konkreten Fall ist die galvanische Trennung bei der 
Optokoppler-Lösung sekundär. Wichtiger ist die Unabhängigkeit von der 
Ungenauigkeit der Eingangsspannung (24V).
OP #5271075
Lesenswert?

Georg M. schrieb:
> Wichtiger ist die Unabhängigkeit von der
> Ungenauigkeit der Eingangsspannung (24V).

Diese wird durch die Spannungsbegrenzung via ZD auf 9,1V erreicht. Ja, 
die ZD hat Toleranzen bis 5% (welche sich durch Abgleich an OpAmp2 
erledigt) und auch einen Temperaturkoeffizienten. But who is perfect? Im 
weiteren Schaltungsverlauf ist die Versorgungsspannung dann völlig 
unkritisch und muss halt über 12V liegen. Das sollte das verwendete 24V 
Schaltnetzteil jedoch hin bekommen. ;)
OP #5271122
Lesenswert?

Stefan U. schrieb:
> In diesem Thread findest du Anregungen zu Verwendung der
> preisgünstigeren Gehäuse (die ca 3,50€ kosten):
> Beitrag "Hutschinengehäuse"
>
> Da passen handelsübliche Lochrasterplatinen und Schraubklemmen rein.

Danke für den Link, Stefan! Ich hab mir den Beitrag angesehen (auch 
einige Links darin) und habe dort einige gute Anregungen für kommende 
Projekte gefunden.

Für dieses Projekt habe ich jedoch die für mich passendste Lösung 
gefunden. Wenns Dich interessiert: Ein paar Kommentare weiter oben hab 
ichs auch erklärt wie und weshalb.

Vielen Dank trotzdem!

Antwort schreiben

Bitte melde dich an, um einen Beitrag zu schreiben.

oder

Mit Google-Account einloggen

Die Registrierung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.

Jetzt registrieren