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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Piezopumpe ansteuern?


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von Reinhard T. (reinhard_t884)


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Hallo,

wie kann ich denn am einfachsten diese Pumpe ansteuern?

https://www.dolomite-microfluidics.com/product/piezoelectric-pump/

Es gibt einen Controller dazu, aber der ist richtig teuer.
Die Pumpe läuft mit einer Spannung von 60- 250 Volt und einer Frequenz 
von 10- 60 Hertz. Die Leistung ist minimal, unter 100 mW.

Mit einem Frequenzgenerator, einem Verstärker und einem Trafo wird es 
wohl bei 10 Hertz nicht klappen.
Mit einem verschleiften Rechtecksignal geht es wohl auch, sie nennen es 
STD- Wave.


Gruß Reinhard

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Ich vermute das geht auch mit einem Sinussignal. Zu steile Flanken 
könnten evtl. zu starken Druckstößen in der Flüssigkeit führen, 
vielleicht sogar zu Kavitation, was beides nicht gut für die Pumpe wäre.

Dreckige Lösung:
Controller kaufen, Oszi dran und messen, Controller zurückschicken.

: Bearbeitet durch User
von Mario M. (thelonging)


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von Reinhard T. (reinhard_t884)


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Danke für die Antworten!

Ja, hätte ich erwähnen sollen, Sinus wäre wünschenswert. Deshalb hatte 
ich geschrieben Rechteck geht auch.

Das mit den Druckstößen beim Rechtecksignal wäre bei dieser Anwendung 
überhaupt nicht gut. Da hatte ich nicht dran gedacht, guter Gedanke.

Wie könnte ich es denn mit einem Sinussignal hinbekommen?

: Bearbeitet durch User
von Achim S. (Gast)


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Reinhard T. schrieb:
> , Sinus wäre wünschenswert.

Reinhard T. schrieb:
> am einfachsten

bei dieser Kombination von Anforderungen würde ich sagen: nimm einen 
Netztrafo der die gewünschte sinusförmige sekundärspannung erzeugt.

von Bernd K. (prof7bit)


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Reinhard T. schrieb:
> Wie könnte ich es denn mit einem Sinussignal hinbekommen?

Nimm einen Sinus geeigneter Spannung und Frequenz

> 60- 250 Volt und einer Frequenz von 10- 60 Hertz

Zum Beispiel direkt an der Netzspannung.

von Achim S. (Gast)


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Bernd K. schrieb:
> Zum Beispiel direkt an der Netzspannung.

die 250V im Eröffnungsthread müssten eigentlich heißen: 250Vpp (nicht 
250Vrms). Deswegen wäre die direkte Netzspannung zu hoch. Aber mit einem 
Trafo dazwischen sind die Wünsche des TO perfekt erfüllt.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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> Zum Beispiel direkt an der Netzspannung.

Geht nicht, sie soll bei 10 Hertz und wenn möglich darunter betrieben 
werden. Das Pulsieren der Flüssigkeit mit dieser Frequenz ist erwünscht, 
deshalb die Piezopumpe

Ein Sinus mit mit einer festen Frequenz von 10 Hertz und einer Spannung 
von 60- 250 Volt würde eigentlich schon gehen.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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> Aber mit einem Trafo dazwischen sind die Wünsche des TO perfekt erfüllt.

Könnte es funktionieren, einen kleinen Netztrafo mit der Primärseite an 
einen Verstärker anzuschließen? Kommt da bei 10 Hertz noch was raus?
Die erforderliche Leistung ist ja minimal.

von Achim S. (Gast)


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Reinhard T. schrieb:
> Geht nicht, sie soll bei 10 Hertz und wenn möglich darunter betrieben
> werden.

vielleicht solltest du deine Anforderungen nächstes Mal gleich zu Beginn 
schreiben.

von Achim S. (Gast)


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Reinhard T. schrieb:
> Könnte es funktionieren, einen kleinen Netztrafo mit der Primärseite an
> einen Verstärker anzuschließen?

was für einen Verstärker meinst du? der Trafo ist in dem Fall eher 
überflüssig bis schädlich.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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>> Geht nicht, sie soll bei 10 Hertz und wenn möglich darunter betrieben
>> werden.

> vielleicht solltest du deine Anforderungen nächstes Mal gleich zu Beginn
> schreiben.

Hast Recht, wenn es ohne Probleme möglich wäre, hätte ich schon den 
ganzen Frequenzbereich ausgenutzt, ist aber nicht notwendig bei dieser 
Anwendung.


> was für einen Verstärker meinst du? der Trafo ist in dem Fall eher
> überflüssig bis schädlich.

Ich hab hier einen Pioneer A-550 Verstärker am Computer. Der und die 
Soundkarte bringen die 10 Hertz locker und unter Windows XP hatte ich 
mal so ein Testprogramm, mit dem ich alle Frequenzen ausgeben kann.
Da würde ich die Primärseite von einem kleinen Netztrafo anschließen, 
wie du es vorgeschlagen hast.

: Bearbeitet durch User
von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Kannst Du vergessen, ein normaler Netztrafo läuft mit 50Hz. Bei 10Hz 
geht der Kern sofort in Sättigung und Dein toller Verstärker braucht 
eine Reparatur.

Bei der geringen Leistung könnte man den 10Hz Sinus aber z.B. mit einem 
XR2206 erzeugen und analog verstärken. Da dürfte kaum Verlustleistung 
anfallen und man bekommt ein sehr sauberes Signal.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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> Kannst Du vergessen, ein normaler Netztrafo läuft mit 50Hz. Bei 10Hz
> geht der Kern sofort in Sättigung und Dein toller Verstärker braucht
> eine Reparatur.

Dann fällt das schon mal weg.

> Bei der geringen Leistung könnte man den 10Hz Sinus aber z.B. mit einem
> XR2206 erzeugen und analog verstärken. Da dürfte kaum Verlustleistung
> anfallen und man bekommt ein sehr sauberes Signal.

Die Signalerzeugung ist kein Problem, aber wie komme ich auf 250 Vpp, 
das stelle ich mir schon schwierig vor?

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Aus den 230Vac aus der Dose mit Netztrafo und Gleichrichter +-125Vdc 
machen und dann mit einer Class-AB-Endstufe den 10Hz Sinus auf die 250V 
verstärken.

Evtl. reicht auch eine super-einfache Class-A-Endstufe mit 
Konstantstromquelle an 250V und Auskopplung des Ausgangssignals über 
einen Elko. Wie hoch ist der zu erwartende maximale Pumpenstrom? Wenn 
man den auf 10mA begrenzt, hat man immer noch weniger als 2,5W 
Verlustleistung. Da drunterzukommen wird selbst mit einer 
Class-AB-Endstufe schwer.

Vielleicht gibts auch high voltage OPVs, wo der Schaltkreis direkt an 
250Vdc betrieben werden kann.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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> Wie hoch ist der zu erwartende maximale Pumpenstrom? Wenn
> man den auf 10mA begrenzt, hat man immer noch weniger als 2,5W
> Verlustleistung. Da drunterzukommen wird selbst mit einer
> Class-AB-Endstufe schwer.

Die Pumpe ist mit maximal 76 mW angegeben.

So eine Endstufe zu dimensionieren traue ich mir leider nicht zu, ich 
versuch mich mal einzulesen.

Vielen Dank für die Antworten!

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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76mW ... das finde ich sehr wenig. Und das soll Flüssigkeiten pumpen 
können? Versuchs mit der Class-A Endstufe und 5..10mA Konstantstrom. Das 
sollte reichen, was komplizierteres lohnt sich für so wenig Leistung 
nicht.

von Achim S. (Gast)


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Reinhard T. schrieb:
> Da würde ich die Primärseite von einem kleinen Netztrafo anschließen,
> wie du es vorgeschlagen hast.

Ne, das habe ich ncht vorgeschlagen. Ich hatte vorgeschlagen, von 
Netzspannung herunterzutransformieren - dafür wäre die Primärseite eines 
Netztrafos eine gute Idee.

Wenn du vom Ausgang eines Verstärkers hochtransformieren willst, wäre 
eher die Sekundärseite eines Netztrafos eine Idee. Wobei der Netztrafo 
aufgrund des Unterschieds 10Hz - 50Hz spannungsmäßig ordentlich 
überdimensioniert werden müsste. Aber z.B. 100V pp entsprächen einem 
Effektivwert von 35Vrms - das würde die Primärseite des Netztrafos auch 
bei 10 Hz noch schaffen.

Reinhard T. schrieb:
> Ich hab hier einen Pioneer A-550 Verstärker am Computer. Der und die
> Soundkarte bringen die 10 Hertz locker

Und welche Ausgangsspannung erreichst du dabei? Einfach mal nachmessen. 
Und dran denken, dass die 60 Vpp, ab der die Pumpe laufen soll, grade 
mal einem Effektivwert von 21 V entsprechen. Das könnte dein Verstärker 
durchaus direkt bringen, wenn du ihn ordentlich aufsteuerst.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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Achim S. schrieb:
> Wenn du vom Ausgang eines Verstärkers hochtransformieren willst, wäre
> eher die Sekundärseite eines Netztrafos eine Idee.

Ja, ich hab das verwechselt.

Achim S. schrieb:
> Wobei der Netztrafo
> aufgrund des Unterschieds 10Hz - 50Hz spannungsmäßig ordentlich
> überdimensioniert werden müsste. Aber z.B. 100V pp entsprächen einem
> Effektivwert von 35Vrms - das würde die Primärseite des Netztrafos auch
> bei 10 Hz noch schaffen.

Da das ein kleines, handliches Teil werden soll, ist das sicher der 
falsche Weg,
ich werde mich mal mit dem Class A Verstärker beschäftigen, dann könnte 
ich mit der Frequenz testweise noch tiefer runtergehen. Die Pumpe ist 
zwar mit minimal 10 Hertz angegeben, aber der Piezoscheibe da drin wird 
es doch egal sein?

Ben B. schrieb:
> 76mW ... das finde ich sehr wenig. Und das soll Flüssigkeiten pumpen
> können?

Ja, da gehts um Fördermengen von ca. 1mL/Min.

Ben B. schrieb:
> Versuchs mit der Class-A Endstufe und 5..10mA Konstantstrom. Das
> sollte reichen, was komplizierteres lohnt sich für so wenig Leistung
> nicht.

Ich werde mich mal mit LTSpice beschäftigen, wollte ich immer schon mal 
machen und jetzt habe ich ja einen Grund!

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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Ben B. schrieb:
> Versuchs mit der Class-A Endstufe und 5..10mA Konstantstrom. Das
> sollte reichen, was komplizierteres lohnt sich für so wenig Leistung
> nicht.

Hallo Ben,

vielleicht schaust du ja noch mal rein.
Ich hab jetzt mal so einen Verstärker mit LTSpice simuliert und bin von 
dem Programm richtig angetan.
Eine Frage hätte ich: Du meinst statt dem Kollektorwiderstand eine 
Konstantstromquelle einsetzen, oder?
Wie dimensioniert man denn so etwas bei 250V Betriebsspannung, hast du 
da eventuell einen Link zu einem Beispiel?
Was wäre denn der Vorteil im Vergleich zu einem Widerstand? Eine 
kleinere Stromaufnahme vermute ich.

Gruß Reinhard

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Yep. Ein einfacher Widerstand würde bei dem geringen Strom dazu führen, 
daß Dir im Bereich hoher Ausgangsspannung (d.h. wenig Spannung über dem 
Widerstand) evtl. Strom fehlt. Wenn man ihn so auslegt, daß er in diesem 
Bereich noch genug Strom fließen lässt, hättest Du im Bereich niedriger 
Ausgangsspannung (viel Spannung über dem Widerstand) deutlich mehr Strom 
als Du brauchst und damit eine unschön hohe Verlustleistung. Daher der 
Vorschlag mit der Konstantstromquelle.

Im Grunde kannst Du jede Schaltung nehmen, die Dir 5..10mA Konstantstrom 
liefert. Die "oberen Bauteile", welche die hohe Spannung abbekommen, 
müssen diese natürlich aushalten.

Was ich probieren würde, ausgehend von dem Bild oben:
OUT brücken, T1 direkt an Vcc und GND zusammen als Ausgang
R2 2x100k in Serie, R1 ~68 Ohm, T2 BC547C und T1 müsste man sich 
raussuchen, irgendwas NPN im (vollisolierten) TO220-Gehäuse was 400V und 
3W Verlustleistung verträgt. Der Strom ist nicht 100% konstant weil der 
Strom durch R2 mit der Spannung variiert, aber für Deinen 
Anwendungszweck reicht das. Versorgungsspannung 260..270V sollte reichen 
(der Strom bei minimaler Spannung über R2 muß ausreichen, um T1 so weit 
zu öffnen, daß 5mA über diesen fließen, hängt von der Stromverstärkung 
von T1 ab). T1 erwärmt sich entsprechend, dem würde ich einen kleinen 
Kühlkörper spendieren.

Edit:
Reine Überlegungen ohne Simulation/Testaufbau, daher keine Garantie!

: Bearbeitet durch User
von Reinhard T. (reinhard_t884)


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Hallo Ben,

danke für die ausführliche Erklärung!
Das sollte hinzubekommen sein.
Werde es erstmal simulieren und dann die Teile besorgen.
Hab zwar alles Mögliche hier, aber keine Transistoren die für diese 
Spannung geeignet sind.

Gruß Reinhard

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Berichte mal bitte wenn Du es simuliert hast.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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Mach ich, heute werde ich es aber nicht schaffen.

von Reinhard T. (reinhard_t884)


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So, ich habs mal versucht.
Das Ausgangssignal ist bei voller Aussteuerung oben etwas gestaucht, das 
stört bei meiner Anwendung aber nicht.
Da läßt sich vieles verbessern, ist mein erster Versuch mit LTSpice.
R2 und R5 sollten sicher wegen der hohen Spannung aus zwei 
Einzelwiderständen aufgebaut werden. Der 2N5550 ist nicht geeignet, ich 
finde aber in der Bibliothek keinen einzigen Transistor, der für diese 
Spannung ausgelegt ist und den Reichelt hat.

Der TIP 50 MBR wäre doch sicher geeignet:

https://www.reichelt.de/bipolartransistor-npn-400v-1a-40w-to-220-tip-50-mbr-p21509.html?&trstct=pol_5

Ist wohl allerdings recht überdimensioniert.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Die beiden spannungsfesten Transistor können ruhig etwas 
überdimensioniert sein, das stört nicht. Die müssen nur die 
Verlustleistung zuverlässig loswerden.

Die Endstufe hast Du Dir sehr einfach gemacht - klar, ohne Feedback 
verschleift das Signal und Du wirst das auch recht genau justieren 
müssen. Ich würde da was mit einer Feedback-Schleife wählen, von einem 
OPV gesteuert oder so.

von Hp M. (nachtmix)


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Reinhard T. schrieb:
>> Aber mit einem Trafo dazwischen sind die Wünsche des TO perfekt
> erfüllt.
>
> Könnte es funktionieren, einen kleinen Netztrafo mit der Primärseite an
> einen Verstärker anzuschließen? Kommt da bei 10 Hertz noch was raus?
> Die erforderliche Leistung ist ja minimal.

Ja, aber mit der nominellen Sekundärseite am Verstärker, sonst wirds nur 
weniger ;-)

Ausserdem wirst du mehrere Trafos benötigen, und deren 230V Seiten 
hintereinanderschalten, denn bei kleinen Trafos weicht das 
Übersetzungsverhältnis meist erheblich (30%..50%) von dem ab, welches 
man sich aus den Spannungsverhältnisssen bei Nennlast errechnet.
Ausserdem ist z.B. eine 230V Wicklung bei 10Hz nur noch für 46V (128Vpp) 
gut.

Es lohnt sich die Wicklungen mit Unterspannung zu betreiben, denn das 
reduziert die Leerlaufverluste des Trafos deutlich. Glücklicher Weise 
passiert das allerdings zu einem gewissen Teil auch schon von selbst, da 
die Kleinspannungswicklung, wie oben erwähnt, mehr Windungen hat, als 
eigentlich erforderlich sind.

Wirtschaftlich ist die Verwendung mehrerer Trafos kein Problem, denn es 
gibt immer wieder mal Restposten  mit seltsamen Spannungen für wenig 
Geld.
Z.B. https://www.pollin.de/p/printtrafo-era-bv030-2296-0-300700

Ob du die vom Verstärker gespeisten Wicklungen hintereinander oder 
parallel schaltest, ist i.W. Geschmacksache bzw. hängt vom Verstärker 
und seiner Betriebsspannung ab.

von Olaf (Gast)


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Es gibt sicher OPs fuer so hohe Spannungen.

https://www.apexanalog.com/products/matrix_high-voltage.html

Aber wohl eher nicht billig. Deshalb war da eigentlich schon immer 
Selbstbau angesagt. Bei Linear, jetzt Analog, gab es da IMHO mal eine 
gute Applikation zu. Ich weiss aber leider die Nummer nicht. Da du mit 
relativ kleinen Stroemen auskommst solltest das jedenfalls machbar sein. 
Ich wuerde dir aber empfehlen in deiner Simulation nicht auf deine Pumpe 
zu verzichten damit du siehst ob der Verstaerker noch stabil ist.

Ich wuerde auch nochmal die Sache mit dem Trafo durchdenken wollen. 
Klar, bei 10Hz geht der bestimmt schnell in Saettigung, aber du kannst 
ja einen Trafo mit 1A nehmen und den mit 1mA betreiben. So ein Trafo 
haette naemlich den Vorteil das du gratis eine Potentialtrennung 
bekommst. Bei solchen Spannung und Wasser im System wuerde ich darauf 
Wert legen.

Olaf

von Achim S. (Gast)


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Olaf schrieb:
> Ich wuerde auch nochmal die Sache mit dem Trafo durchdenken wollen.
> Klar, bei 10Hz geht der bestimmt schnell in Saettigung, aber du kannst
> ja einen Trafo mit 1A nehmen und den mit 1mA betreiben.

Den Trafo leistungsmäßig überzudimensionieren bringt leider fast gar 
nichts. Denn für die Sättigung ist nicht der Laststrom relevant sondern 
der Magnetisierungsstrom.

Und der Magnetisierungsstorm richtet sich nach dem 
Spannungs-Zeit-Integral. Ein Trafo, der für Netzspannung (230V, 50Hz) 
ausgelegt ist wird auf der Primärseite bei 10Hz also nur 230V/5=46V 
abkönnen eher er in Sättigung geht.

Glücklicherweise reicht ein Effektivwert von 46V schon für einen 
Spitze-Spitze Wert von 130V - und damit sollte die Pumpe eigentlich 
laufen (auch wenn die Fördermenge bei diesen Bedingungen völlig in die 
Knie geht). Deshalb weiter oben meine Rechnung, wie weit der TO mit 
Netztrafos kommen könnte. Und deshalb dort auch der Hinweis, dass die 
Ausgangsspannung seines Verstärkers wahrscheinlich auch ohne Trafo schon 
ausreichen dürfte, um den benötigten Spitze-Spitze Wert der Spannung zu 
erzeugen (> 60V pp).

Will der TO bei 10Hz auf höhere Spannungen kommen ohne dass der Trafo in 
Sättigung geht, dann müsste er einen Spannungsmäßig überdimensionierten 
Trafo einsetzen (also >230V auf der Primärseite), nicht einen, der 
bezüglich Laststrom überdimensioniert ist.

@Reinhard T.: deine Pumpe kostet laut Link die Kleinigkeit von 380 € - 
es geht also offensichtlich nicht um eine reine Hobby-Bastelei.

Ich finde es ja irgendwie sympathisch, dass du selbst etwas basteln 
willst (zumindest solange du dabei halbwegs vernünftig auf deine 
Sicherheit achtest). Aber irgendwie sagt mir mein Bauchgefühl, dass du 
bei deinem Kenntnisstand am Ende am besten doch mit einem gekauften 
Piezocontroller bedient sein wirst.

Es muss ja nicht unbedingt das 930€ Teil sein, dass zu deiner Pumpe mit 
angeboten wird. Google einfach mal nach Piezo Controller. Es gibt auch 
billigere Piezoverstärker. Und es gibt von Halbleiterherstellern 
billigere Eval-Boards für ihre Piezotreiber-ICs (z.B. 
http://www.ti.com/lit/ug/slou407a/slou407a.pdf). Wenn du so etwas (oder 
einen vollständigen Cotroller) einsetzt wirst du meiner Einschätzung 
schneller (und wahrscheinlich auch billiger) zum gewünschten Ergebnis 
kommen, als mit einem reinem Selbstbau ohne entsprechend Vorkenntnisse.

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