H-Brücke für kapazitive Lasten

[Michael (Gast)]

Liebes Mikrocontroller Forum,

ich versuche eine Rechteckspannung an einer kapazitiven Last 
(Biotechnologie) anzulegen.
Für diese Anwendung benötige ich eine Quelle mit sehr steilen 
Spannungsflanken ohne Oszillationen von bis zu +/- 80V mit ausreichend 
großer Kurzzeitleistung (ns-us) allerdings nur im 100-1000Hz Bereich. 
Idealerweise mit einstellbarer Flankensteilheit, Möglichkeit den Strom 
sauber zu messen und einer Ansteuerbarkeit von +V, 0V, und -V.

Da ich leider ein rechter Laie in Elektrotechnik bin, bin ich mir nicht 
sicher welche gängigen Lösungen meiner Problemstellung entsprechen.

Wir haben schon zwei unterschiedliche Setups ausprobiert:

1. Funktionsgenerator mit einem linearen Spannungsverstärker (x50).
2. H-Brücken Setup (wie im Bild skizziert – Funktionsgenerator auf 
Inverter auf Brückentreiber)

Im 1. Fall steigt die Spannungsflanke eher langsam an, der Strompeak 
geht über ~5A (0.1Ohm Shunt) nicht hinaus und es tritt an der Flanke 
eine deutliche Oszillation auf. Für den gewünschten biologischen Effekt 
brauche ich tendenziell höhere Spannungen. Bei größer dimensionierten 
kapazitiven Lasten passiert nichts mehr.

Im 2. Fall steigt die Spannungsflanke wesentlich schneller an, der 
Strompeak geht bei +/-30V in die 10-20 A. An der Flanke tritt eine 
deutliche Oszillation in Strom und Spannung auf (im Bild mit einem 100nF 
Bauteilkondensator). Tendenziell reichen hier niedrigere Spannungen aus 
und auch bei größer dimensionierten kapazitiven Lasten tritt der 
gewünschte Effekt auf.
(Benutze ich größere Vorwiderstände wird der Ladestrom deutlich sichtbar 
und die Oszillationen überlagern nur mehr den Ladestrom)

- Gibt es andere (kommerzielle) Lösungen als H-Brücken die besser für 
dieses Problem geeignet sind (z.B.: Piezoansteuerungen etc.)

- Woher kommt die Oszillation an der Spannungsflanke und wie kann ich 
diese unterbinden? Ist dass bei anderen H-Brückensetups auch zu erwarten 
(Fertigen Brückentreiber-Testplatinen)?
- Auf der H-Brücken Platine sitzt ein 470uF/100V Kondensator 
(Bulk-Kondensator?). Wird der maximale Strom durch diesen Kondensator 
oder durch die Leistung meiner Spannungsquelle begrenzt (ns-Bereich?)
- Beim Umschalten von negativen auf positiven Spannungen ist ein 
einstellbarer Delay sichtbar, der allerdings nicht auf 0 und nur bei 
einem Polaritätsübergang auftritt. Ich verstehe nicht warum dieser 
überhaupt notwendig ist bzw. nur einseitig notwendig ist?
- Wenn ich den Disrupt bei einem H-Brückentreiber setze werden alle 4 
Gates gesperrt und mein Kondensator bleibt geladen?

Ich bin für jeden Hinweis und jede Hilfe dankbar,
Michi

[.??? (Gast)]

Was genau ist deine Frage?

Fuer einen Laien stellst Du solche speziellen Anfordereungen die wer 
bitte gefordert hat?

[Michael (Gast)]

Die Frage ist ob eine H-Brücke in diesem Fall der richtige Weg zum Ziel 
ist?

Vielleicht gibt es auch kommerziell erhältliche Leistungsverstärker 
(Pulsverstärker) die evtl für meine Anforderungen besser geeignet sind?
Da ich in diesem Gebiet nie gearbeitet habe möchte ich nichts übersehn 
bevor ich mich in die Details und Finessen einer Brückenschaltung 
einarbeite.

Die Anforderung stellt die Anwendung: Elektrische Pulse über 
mikro-fluidische Zellen. Bei zu kleiner Leistung bzw. zu langsamer 
Flankensteigung sehn wir keine Aktivierung der biologischen Komponenten.

[Audi10 (Gast)]

Hmm, H-Brücke und an kapazitiver Last schreit nach Schwingung (du 
schaltest zwei Kapaziäten über eine zwingend anwesende Induktivität).
Aus dU/dt * C = Ic kannst du den benötigten STrom für eine gewisse 
Spannungsänderung berechnen. Das lässt sich physikalisch nicht umgehen.

[MaWin (Gast)]

Michael schrieb:
> Woher kommt die Oszillation an der Spannungsflanke

Schlechter Aufbau.

Michael schrieb:
> Gibt es andere (kommerzielle) Lösungen als H-Brücken die besser für
> dieses Problem geeignet sind

Tja, du möchtest einstellbare Flankensteilheit.
Wie steil denn ?

Deine 1000Hz schafft ja auch ein Audioverstärker, und wenn der 80V 
liefern kann, also so um 500W, kann er auch einiges an Strom, um 20A.
Allerdings sieht sein Ausgangssignal, je nach Qualität des 
Audioverstärkers, nicht unbedingt sauberer aus.

Eigentlich fällt mir beim schnellem Umladen einer kapazitiven Last vor 
allem ein MOSFET Gate Treiber ein. Bloss kann der nur 20V. Aber man kann 
ihn aus 2 Transistoren als Emitterfolger aufbauen, und die Ansteuerung 
macht entweder ein OpAmp, oder eine Schaltung bei der man die 
Flankensteilheit einstellen kann, z.B. Kondensator umgeladen per 
Konstantstrom, in dem man ihn immer mit I lädt und bei Bedarf mit 3I 
entlädt.

[Michael (Gast)]

@Audi10
Wenn ich von einem Spannungsanstieg von 10V / ns ausgehe und meine 
Kapazität mit 500 pF (das entspricht meinem leeren Mikrofluidikchip) 
dann komme ich auf einen maximalen Ladestrom von 5A, was sogar 
Größenordnungsmäßig meinen Messungen enstpricht.

- Doppelte Kapazitäten: Meinst du damit Last und Bulkkondensator?

[Michael (Gast)]

@MaWin

MaWin schrieb:
> Michael schrieb:
>> Woher kommt die Oszillation an der Spannungsflanke
>
> Schlechter Aufbau.

Meinst du schlechtes elektronisches Design oder einfach schlechte 
Umsetzung - induktivitäten durch lange Kabelwege?
Eine Möglichkeit wäre eine Evaluierungsplatine für Brückentreiber direkt 
vom Hersteller zu kaufen. Meinst du damit würde die Schwingung 
verschwinden?

@Audi10 nach könnte es ja auch ein intrinsisches Problem sein?

MaWin schrieb:
> Tja, du möchtest einstellbare Flankensteilheit.
> Wie steil denn ?

Zwischen 10V pro µs Richung ns Bereich... so schnell es halt in einem 
vernünftigen Kostenrahmen noch geht.

Und danke für die Ideen mit dem Audioverstärker und dem Aufbau mit dem 
Gatedriver. Da werde ich mich gleich mal hineinlesen.