Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Auslegung Stromversorgung für Piezo


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von Mars (Gast)


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Guten Tag,

Ich benötige etwas Hilfe bei der Auslegung der Stromversorgung einer 
Piezo Ansteuerung.

Der Piezo wird mit 100V angesteuert.
Die Reine Stromversorgung soll nach diesem Vorbild aufgebaut werden :
http://www.ti.com/tool/PMP8913

Nun wird der Piezo im Pulsbetrieb angesteuert.
Die Flankenbreite entspricht 50uS bei 100hz.
Die Kapazität des Piezo´s ist 6nF.
Entsprechend meiner Berechnung benötigt der Piezo 2uS bei 0.3A 
Spitzenlast, bis VPP von 100V anliegt.

Der Piezo wird nur aller 10 Sekunden für jeweils 1s (100 Pulse a 50uS) 
angesteuert.

Meine Frage ist nun folgende :

Kann ich hinter der Stromversorgung einfach entsprechend große 
Kondensatoren schalten, um die Ladeströme des Piezo ab zu fangen ?
Immerhin werden ja nur 600nF/10sek konsumiert.
Während der 9sek. Ansteuerpause, könnten die Kondensatoren sich wieder 
aufladen.

Generell ist das nicht notwendig, da der Schaltregler eine ausreichende 
Leistung hat, jedoch würde ich diesen gerne entlasten.

Ist das eine sinnvolle Idee ?

Langfristig würde ich gern mehrere Piezo´s betreiben, wodurch der 
Schaltregler an eine Grenzen kommt.
Hier erscheint es mir als einfachste Lösung, die Kondensatoren als 
"Bufferbaterie" zu verwenden.

Danke euch !

Mars

von Possetitjel (Gast)


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Mars schrieb:

> Die Flankenbreite entspricht 50uS bei 100hz.
> Die Kapazität des Piezo´s ist 6nF.
> Entsprechend meiner Berechnung benötigt der Piezo 2uS
> bei 0.3A Spitzenlast, bis VPP von 100V anliegt.

Scheint zu stimmen.


> Meine Frage ist nun folgende :
>
> Kann ich hinter der Stromversorgung einfach entsprechend
> große Kondensatoren schalten, um die Ladeströme des Piezo
> ab zu fangen ?

Ja, sicher.
Wobei fraglich ist, ob das notwendig ist; die Stromversorgung
enthält i.d.R. schon einen Ausgangselko.


> Immerhin werden ja nur 600nF/10sek konsumiert.

Nee. 6nF*100V*100 = 600nAs*100 = 60µC (=60µAs)


> Während der 9sek. Ansteuerpause, könnten die Kondensatoren
> sich wieder aufladen.

Ja, sicher.
Der Pulsstrom ist mit ungefähr 0.3A schon nennenswert, aber
der mittlere Gleichstrom ist ziemlich niedrig.


> Generell ist das nicht notwendig, da der Schaltregler eine
> ausreichende Leistung hat, jedoch würde ich diesen gerne
> entlasten.

Naja, IRGENDWO solltest Du schon passende Elkos unterbringen;
möglichst nicht allzuweit von der Endstufe entfernt.
Ansonsten wandern die Strompulse lustig in der gesamten
Schaltung herum :)

> Langfristig würde ich gern mehrere Piezo´s betreiben,
> wodurch der Schaltregler an eine Grenzen kommt.

Unwahrscheinlich. Der mittlere Gleichstrom ist gering.


> Hier erscheint es mir als einfachste Lösung, die
> Kondensatoren als "Bufferbaterie" zu verwenden.

Selbstverständlich. Die Pufferelkos NAHE bei der Endstufe
unterbringen.
Ach so: Daran denken, dass die Piezos nicht nur AUFGELADEN,
sondern auch wieder ENTLADEN werden wollen :)

von Mars (Gast)


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Wow, danke für deine Ausführliche Antwort !
Das hat mir sehr weiter geholfen.

Eine andere Frage habe ich noch :

Man sieht oft Piezo Verstärker die über Trafos und Flyback Variante ihre 
hohe Spannung erzeugen.
Warum nutzt man nicht öfters Boost-Converter wie in der 
Beispielschaltung ?
Eigentlich bringt der ähnlich gute Performance zu gleichem Preis aber 
weniger Platzverbrauch.

Gibt es sonst Nachteile die ein solcher Boost-Converter bei Piezo 
Anwendungen mit sich bringt ?

Natürlich muss man sagen das ich keinen Linear-Verstärker benötige, 
sondern nur eine feste Spannung, das vereinfach natürlich das ganze.

Laden und Entladen wollte ich mit 2 N-Fets.
Einen gegen Masse und Masse-Piezo (zum laden) und den anderen gegen 
Masse und VPP-Piezo (zum entladen).

Danke !

von Possetitjel (Gast)


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Mars schrieb:

> Man sieht oft Piezo Verstärker die über Trafos und Flyback
> Variante ihre hohe Spannung erzeugen.
> Warum nutzt man nicht öfters Boost-Converter wie in der
> Beispielschaltung ?

Kurzes googeln lehrt mich: Flyback ist Sperrwandler mit
Trafo, Boost ist Sperrwandler ohne Trafo.

> Eigentlich bringt der ähnlich gute Performance zu gleichem
> Preis aber weniger Platzverbrauch.

Naja, der Unterschied ist offensichtlich: Der Trafo, d.h.
die (mögliche) Potenzialtrennung von Ein- und Ausgang.
Ob man die Potenzialtrennung braucht bzw. haben will,
hängt vom Gesamtsystem ab.
Auch wenn man symmetrische Versorgung haben will, ist
Flyback im Vorteil.

> Laden und Entladen wollte ich mit 2 N-Fets.
> Einen gegen Masse und Masse-Piezo (zum laden) und den
> anderen gegen Masse und VPP-Piezo (zum entladen).

Das gibt einen Kurzschluss beim Entladen.

von ArnoR (Gast)


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Possetitjel schrieb:
> Flyback ist Sperrwandler mit Trafo

Ja.

> Boost ist Sperrwandler ohne Trafo.

Einspruch euer Ehren. Der Boost-Converter ist sozusagen ein 
"Semi-Durchflusswandler", denn es fließt (bei nichtlückender Auslegung) 
immer ein Strom vom Eingang direkt zum Ausgang. Es wird nur ein Teil der 
Energie zwischengespeichert.

Der Inverswandler ist dagegen ein echter Sperrwandler, er speichert in 
der Einschaltzeit die gesamte Energie ein und gibt sie in der Sperrphase 
an den Ausgang ab.

von Possetitjel (Gast)


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ArnoR schrieb:

> Einspruch euer Ehren. Der Boost-Converter ist sozusagen
> ein "Semi-Durchflusswandler", denn es fließt (bei
> nichtlückender Auslegung) immer ein Strom vom Eingang
> direkt zum Ausgang.

Hmm. Dann verstehe ich aber das Prinzipschaltbild in der
Wikipädie nicht:
https://de.wikipedia.org/wiki/Aufw%C3%A4rtswandler

Wenn der Schalter leitend wird, fließt ja nur Ladestrom
in die Spule. Energieübertragung zum Ausgang findet hier
nur in der Sperrphase des Schalters statt -- zumindest
sehe ich nicht, wie es anders sein sollte.

von ArnoR (Gast)


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Entschuldigung, mein Fehler, meinte nicht:

ArnoR schrieb:
> immer ein Strom vom Eingang direkt zum Ausgang

sondern "immer ein Eingangsstrom"

Beim echten Sperrwandler ist der ja in der Sperrphase "0", der entnimmt 
der Quelle nur in der Leitphase Energie.

von Mars (Gast)


Angehängte Dateien:

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Ich denke mit der Stromversorgung ist soweit erstmal alles klar.

Allerdings würde mich eure Meinung zu der Mosfet Schaltung 
interessieren, um den Piezo zu "Pulsen".

Kernparamenter zur Ansteuerung :

- Betriebsspannung 100V
- Flankenbreite 50uS bei 100hz
- Kapazität 6nF
- Ladezeit 2uS
- Ladestrom 0.3A

Ich möchte die Schaltung gemäß des Diagramms im Anhang realisieren, 
welches ich in einem anderen Thread hier gefunden habe.

Als Mosfet dachte ich an den IRF8720, welcher bzgl. Preis & Leistung 
derzeit am besten erscheint.

Nur bin ich mir unsicher bei der Mosfet Treiber Schaltung.
Angesteuert soll das ganze direkt über die 5v logic eines Arduinos.

Genügt für meine Anwendung noch eine einfache Transistor Schaltung, oder 
sollte man schon auf einen richtigen Mosfet Treiber IC setzten ?

Generell, was haltet ihr von der Auswahl des Mosfets ?

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Mars schrieb:
> oder
> sollte man schon auf einen richtigen Mosfet Treiber IC setzten ?

Die machens dir zumindest recht einfach mit Highside Ladungspumpe und 
direkter Logikansteuerung.

IR2104 mit kleinem Gehäuse und mittlerem Gatestrom, IR2181, IR2184 für 
hohen Gatestrom, oder z.B. IR2110 für hohen Gatestrom aber komplexerer 
Ansteuerung.

von Mars (Gast)


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Danke für die Antwort.

Wenn ich mich nich irre, benötige ich 2x Low Side driver ?
Wie wäre es mit dem UCC27324 als Treiber ?

Und noch eine andere Frage :
Transistor/Mosfet mit der Bezeichnung TH in der Grafik, dient zur 
Entladung des Piezos.
Zur Entladung wird der interne Drain-Source Widerstand des Mosfets 
verwendet.
Ist das eine gute Idee bzw. mit meinem ausgewählten Mosfet praktikabel ?
Oder sollte man lieber einen externen Widerstand hinzufügen ?

Ist die Kombination IRF8720 + UCC27324 für meine Anwendung gut 
dimensioniert ?

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Mars schrieb:
> Schaltung.png

Diese Schaltung zumindest ist eine klassische Halbbrücke mit 2 
N-Kanalern und dafür brauchst du für den Highside Treiber eine 
Ladungspumpe (oder DC-DC Wandler, das führt aber jetzt zu weit).
Genau dafür sind die genannten Treiberbausteine gedacht.

Mars schrieb:
> Wie wäre es mit dem UCC27324 als Treiber ?

Das ist ein Lowside Treiber. Wie o.a., brauchst du aber noch einen für 
die Highside.

Mars schrieb:
> IRF8720

Schau ins Datenblatt. Du weisst die benötigte Geschwindigkeit, den Strom 
und die Uds, guck, obs passt.

von Mars (Gast)


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ok, verstanden :)
Da habe ich das Diagramm etwas falsch verstanden.

Wie sieht es mit dem MCP14700 als Treiber an ?
Der klingt von den Daten her eigentlich sehr gut.

Da dieser mit 5V betrieben werden kann, würde das etwas den 
Schaltaufwand minimieren.

von Mars (Gast)


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für die Schaltung mit IR2104 als Treiber, muss ich bei meiner erhöhten 
Spannung etwas bei der Auswahl der richtigen Diode beachten?

Wäre die SS115 eine geeignete Diode ?
Und den Kondensator entsprechend mit 1uF Dimensionieren ?

Sorry für die vielen Fragen, möchte mir ungern unangenehme Fehler 
einbauen ... das ist bei der etwas höheren Spannung ja doch schwieriger 
hinten dran in der Fehlersuche.

von rookie da wookie (Gast)


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Vorweg: Ich bin jetzt nicht unbedingt der große Piezo-Meister
oder was, aber ich denke trotzdem, daß hier so einiges (und zwar 
wichtiges...) noch nicht beachtet wurde.

(Der Anteil an Quatsch, den ich nun verzapfe, wird sehr bald von 
erfahreneren / wissenderen Leuten korrigiert - trotzdem solltest
Du es vielleicht erst einmal als "vermutlich richtig" handhaben,
was ich da schreibsele - ok?  ;-)

Mars schrieb:
> Kernparamenter zur Ansteuerung :
>
> - Betriebsspannung 100V

100Vp oder 100Vpp?

Du willst den Piezo ja bipolar ansteuern - er soll oszillieren.
Oder? Das ist zumindest die gewöhnliche Art, das zu machen...

(Piezos haben auch eine Resonanzfrequenz - nenne sie doch mal...)

Erst mal bedeuten die "p" bei Vp oder Vpp "Spitze(nwert)".
Bei bipolarer Ansteuerung (symmetrischem Rechteck) gilt:

Betriebsspannung 100Vpp bedeutet "Zwischen -50V und + 50V" -
denn das "pp" heißt "peak to peak", von Spitze zu Spitze.

100Vp hingegen würde "Zwischen -100V und +100V" bedeuten -
denn "p" heißt ("nur") "peak", also "Spitze einer Polarität".

[Auch muß man differenzieren, ob sich die Bezeichnung (ob nun Vp
oder aber Vpp) auch wirklich auf Rechteck bezieht, oder aber auf
Sinus...

Denn wenn der Piezo z.B. 100Vp Sinus "sehen will", würdest Du
ihn bei 100Vp Rechteck mit stark erhöhter Leistung betreiben.

Beim symm. Rechteck ist d. Spitzenwert gleich dem Effektivwert -
beim Sinus ist der Effektivwert der Spannung ca. Vp * 0,707.

Das heißt umgekehrt natürlich, daß ein Rechtecksignal mit dem
gleichen Spitzenwert wie der "Vergleichs-Sinus" dann auch den
1,414-fachen Effektivwert hat.]

Bitte also ganz genau, Vp oder Vpp. Und überprüfen, ob sich eine
Angabe der Resonanzfrequenz auftreiben läßt (ist eventuell ca.
im Bereich (1 / 100µS) = 10kHz - eventuell).

> - Flankenbreite 50uS bei 100hz

...eines symmetrischen Signales, oder? Also 50µS in die eine, dann
50µS in die andere Richtung? So daß immer 1 Sekunde lang 10kHz
anliegen, dann immer 9 Sekunden Pause?

Mars schrieb:
> (100 Pulse a 50uS)

Hoffentlich falsch formuliert, und richtig wäre:

"100 Perioden mit je 50µS die eine + 50µS die andere Polarität"

Und die Resonanzfrequenz (falls Du die herausfinden kannst)
liegt in jenem Bereich, also IST 10kHz (oder nahe dran)?

Mars schrieb:
> Wie sieht es mit dem MCP14700 als Treiber an ?

Wenn meine bisherigen Annahmen zutreffen, brauchst Du mindestens
einen sog. "High- and Lowside Driver", oder einen "Halfbridge-DR.". 
Entweder einen mit "enable" oder "disable" Pin - an diesem Pin
könntest Du separat für diese "1 Sekunde ein, 9 Sekunden aus"
sorgen. Oder aber Du pausierst die zugeführten Signale selbst.

Im Falle des "Halfbridge-Drivers" ganz einfach - der braucht ja
sowieso nur ein Signal. (Achtung: Manche davon haben trotzdem zwei
Eingänge - aber nur, um auch mit einem invertierten Signal 
zurechtzukommen.)

Im Falle eines "Hi-Lo-Driver" müßten aber beide synchron aussetzen.
(Denn dieser bräuchte ja 2 separate Signale, einmal Hi, einmal Lo.
Das unterscheidet die beiden Treiber-Typen ja hauptsächlich.)

Im Endeffekt ist also ein Halfbridge-Driver einfacher zu händeln
in diesem Fall. Und zur Erzeugung eines symmetrischen Rechteckes
braucht man nicht zwingend einen High&Lowside-Driver, welcher über-
lappende Signale zuließe. Letzteren Typ erwähnte ich eigentlich nur,
weil es auch damit ginge - und man vielleicht ja gerade zufällig
einen solchen schon hat, leichter besorgen kann, oder ähnliches.

Allerdings:

Es gelten meine obigen Hinweise bezüglich Betriebsspannung. Welche
genau nun erforderlich ist, ist zwingend vorher festzustellen.

Übrigens wird bei einer H-Brücke (auch Voll-Brücke), wenn also der
Piezo sowohl "links" als auch "rechts" jeweils mit dem Mittelpunkt
(dem sogenannten Schaltknoten) einer Halb-Brücke verbunden ist,
eine vollständige Umpolung gemacht.

Jede Seite wird abwechselnd auf GND und dann auf V_CC gezogen.

Deshalb reichen in diesem Fall einfache 100VDC als V_CC,
um + / - 100V an den Piezo zu legen. (= 100Vp)

Du hast also die Wahl zwischen Voll-Brücke (kompliziertere
Schaltung, aber nur halbe Betriebsspannung nötig), und einer
Halb-Brücke (einfachere Schaltung, aber doppelte V_CC nötig).

Also, Leute - Feuer frei auf meine Anfänger-Fehler... ;-)

von rookie da wookie (Gast)


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Nachtrag:

Mars schrieb:
> Wäre die SS115 eine geeignete Diode ?

Das kommt drauf an. Wenn Du + / - 100V Rechteck m. e. Halbbrücke
machen willst, brauchst Du eine V_CC von 200VDC. Dann reichte die
nicht, die Sperrspannung wäre zu gering.

Mars schrieb:
> Und den Kondensator entsprechend mit 1uF Dimensionieren ?

(Welcher überhaupt? Aber:) Vorsicht. Der Bootstrap-Kondensator
muß ja 9 Sekunden lang die Spannung halten (genug Spannung,
um den High-Side-FET noch sauber durchzuschalten).

von Possetitjel (Gast)


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Mars schrieb:

> Sorry für die vielen Fragen, möchte mir ungern unangenehme
> Fehler einbauen ... das ist bei der etwas höheren Spannung
> ja doch schwieriger hinten dran in der Fehlersuche.

Naja, ich würde das offen gestanden auch nicht mit einer
DC-gekoppelten Endstufe und 100V Versorgungsspannung
versuchen, sondern eine (Parallel-)Gegentaktschaltung
mit angezapftem Übertrager verwenden ("transformer push
pull amplifier"). 24V Verstorungsspannung, Trafo 1:5,
zwei Transistoren, die ca. 3A abkönnen.

Geeignete Messmittel (Signalgenerator, Oszi) sollten aber
schon vorhanden sein.

von Mars (Gast)


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@rookie da wookie :

Der Piezo wird nur mit 100Vp betrieben.
Das Signal sollte so Rechteckig wie möglich sein.
Also 50uS Flankenbreite (kein Sinus) mit 100hz.

Das liegt daran dass der Piezo nur einseitig sprungartig ausgelenkt 
wird.

Also sollte der IR2104 Aufbau ganz gut gehen.
Der "untere" Mosfet lädt den Piezo auf, und der "obere" entlädt den 
Piezo.

Bezüglich der Dimensionierung für den Bootstrap Kondensator :
Was wäre hier eine geeignete Dimensionierung ? Die 9 Sekunden 
Schaltpause habe ich dabei garnicht bedacht.

@Possetitjel :

Der "transformer push pull amplifier" Aufbau hätte nur den Vorteil, das 
er weniger Empfindlich und Galvanisch getrennt ist ?
Oder verstehe ich das falsch ?


Geeignete Messmittel habe ich.

von Possetitjel (Gast)


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Mars schrieb:

> Der "transformer push pull amplifier" Aufbau hätte nur den
> Vorteil, das er weniger Empfindlich und Galvanisch getrennt
> ist ?

Nö, er hat den Vorteil, dass Du
1. keine Betriebsspannung von 100V bereitstellen musst und
2. keine "High-Side" hast.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Mars schrieb:
> Die 9 Sekunden
> Schaltpause habe ich dabei garnicht bedacht.

Du musst ja den Piezo nicht 9 Sekunden lang kurzschliessen, es reichen 
ja zum Abdämpfen ein paar dutzend ms. Dananch setzt du du den /SD 
Eingang auf low, bis zu den nächsten Bursts. Damit lädt sich auch die 
Ladungspumpe wieder auf.

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