Strom steuern

[CowZ]

Hi,

Ich möchte gerne den Strom durch einen Widerstand steuern. Der Widerstand ist genauergesagt ein (Flexinol-)Draht. Der Strom sollte im Bereich von 0mA bis 300mA gesteuert werden können.

Die vorhandene Spannung beträgt 5V; Der Drahtwiderstand liegt im Bereich weniger Ohm (2-10).

Wie kann ich den Strom steuern? Mir schweben da zwei Varianten vor:
1.) Vorwiderstand. Ich baue einen Vorwiderstand ein, um den Strom schonmal zu begrenzen. Nun schalte ich einen Transistor per PWM, so dass sich die Spannung senkt und somit auch der Strom.
Nachteil: Der Widerstand verbrät einiges an Leistung.

2.) FET. Ich baue einen FET ein. Durch die angelegte (geglättete) "PWM-Spannung" begrenze ich den Strom.
Nachteil: Ich habe noch nie mit FETs gearbeitet, kenne daher keine genauen Unterschiede, bzw. Typen die für diese Aufgabe besonders geeignet sind.

Da die erste Variante (Vorwiderstand) auf Grund der Verlustleistung schon fast ausscheidet: Ist die zweite Variante (FET) sinnvoll und umsetzbar? Oder gibt es gar einfachere, bessere Varianten?

Gruß, CowZ

[kalledom]

Hallo CowZ,
daß Du Leistung 'verbraten' mußt, ist keine Frage.
Wie wäre es mit einer einstellbaren Konstantstrom-Quelle 0...300mA ?
Die Leistung fällt dann am Transistor ab; den mußt Du etwas kühlen (max. 5V * 0,3A = 1,5W).

[Olle_Filzlaus]

Hallo,

wie wäre es mit ner Spannungsgestuerten Stromquelle. Hab ich mal in Elektronik gehabt. Ist ne Schalötung mit nem OP.

Muss ich mal zu hause aus dem Hefter suchen. Oder du guckst hier unter Spannungs-Stromwandler:

http://www.batronix.com/elektronik/know-how/op-amp.shtml#05d

cu arno

[kalledom]

Folgende Schaltung http://www.mikrocontroller.net/attachment.php/411614/U-Stromquelle.jpg ist eine spannungsgesteuerte Konstant-Stromquelle für Ströme im Ampere-Bereich.

[CowZ]

Hi,
danke für die Antworten :)

Die spannungsgesteuerte Konstantstromquelle sieht sehr gut aus :)
3 Fragen:

1) Sehe ich das richtig, dass die Spannung (=5V) und der Strom konstant ist, egal wie groß der Lastwiderstand RL ist? (Der FET wirkt also als eine Art verstellbarer Vorwiderstand?)

2) Welchen OpAmp und welchen FET sollte ich nehmen? Habe da leider absolut keine Ahnung und müsste mich durch tausende Datenblätter wühlen... (Bestellung bei Reichelt)

3) an den Pluspol(?) vom OpAmp; kann ich da einfach eine Rechteckspannung anlegen, oder muss das geglättet werden?

edit: 4) Wie kann ich in dieser Schaltung (gleichzeitig zur Stromregelung) den Widerstand des Drahtes (bzw. den Lastwiderstand messen)? (Mit einem ADC vom µC möglichst genau (0,1Ohm 3-10Ohm so in etwa))

Gruß, CowZ

[kalledom]

Hallo CowZ,
1. Wenn am R1 bei maximalem Strom 5V abfallen und der Lastwiderstand so niederohmig ist, daß auch der maximale Strom fließen kann, dann ja.
Ich würde die 5V per Widerstands-Teiler auf ca. 1V reduzieren und den R1 so auslegen, daß dort bei Maximal-Konstant-Strom 1V abfällt. Die Leistung für R1 beachten !
2. FET = BUZ11 = Universal-FET für Alles und z.B. OpAmp = TLC272 RailToRail
3. Der Pluspol vom OpAmp kommt an max. +15V; mehr verträgt der OpAmp nicht. Der Minuspol vom OpAmp kommt an GND; er wird also asymmetrisch versorgt.
4. Du kannst den Spannungsabfall am R1 messen; U / R ergibt dann den Strom.
Gleichzeitig kannst Du den Spannungsabfall am Lastwiderstand messen; den Strom kennst Du schon vom R1, dann ergibt sich der Widerstand aus Spannungsabfall / I :-)

[dennisstrehl]

Darf ich fragen was du genau vorhast? Wäre es nicht möglich, den Draht direkt mit dem verstärkten PWM-Signal zu beheizen? Die Leistungen sind zwar nicht gerade groß und nen winziger Aufsteckkühler für den MosFET würde schon reichen, aber man muss ja nicht unnötig Leistung verheizen.

MfG

[CowZ]

Hi,

ich habe vor:
Ich habe einen Flexinoldraht. Dessen Temperatur möchte ich über die Temperatur steuern (also indirekt über den Strom).

Ich habe nun noch eine Frage zu der Konstantstromquelle:
Welchen Vorteil hat diese Methode gegenüber dem direkten Vorwiderstand?

Gruß, CowZ

[dennisstrehl]

Dann könnte man den Draht auch mit PWM beheizen. Das Problem ist dann, dass der Widerstand sich (vermutlich) ändert und dadurch die Stromstärke im dem Moment wo Strom fließt nicht immer gleich ist.

Wenn es dir nur drauf ankommt, dass der Draht mit regelbarer Leistung beheizt wird, dann kannst du PWM nehmen.
Ansonsten ist eine Stromregelung nötig, wie sie oben vorgestellt wurde. Die Leistung ändert sich aber auch dann mit dem Widerstand des Drahtes, denn P = I²*R.

MfG

[ogni42]

Je nach Versorgungsspannung bist Du mit einem NPN Transistor besser dran als mit einem FET, da Ugs bei den meisten FETs bei ein paar Volt sein muss, damit Rdson gut zu steuern ist. Da sollte das Datenblatt die Entscheidung allerdings leicht machen.

[CowZ]

Hi,
als Spannung stehen 5 Volt zur Verfügung.

Also, der Widerstand ändert sich (Wie stark, kann ich noch nicht sagen). Mir ist letztendlich "egal" wieviel Strom und wieviel Spannung der Draht bekommt. Wichtig ist letztendlich nur, dass die "Verlust"leistung geregelt werden kann. Wie kann ich das am besten machen?
(Ich verstehe die Unterschiede zwischen euren Schaltungen nicht ganz)

Gruß, CowZ

[dennisstrehl]

Die angehängte Schaltung wäre imho die einfachste und verlustärmste Lösung. (Verlustarm bzgl. der Leistung, die im Transistor flöten geht.)
Ein passender MosFET wäre der IRLZ34N von Reichelt. Die PWM-Frequenz sollte etwa bei 100 Hz liegen, der exakte Wert ist unkritisch.
Idealerweise verbaut man noch einen Widerstand von etwa 220 Ohm zwischen Gate und Mikrocontroller, um Stromspitzen beim Umschalten zu verhindern.

Mit "normalen" (bipolaren) Transistoren ließe sich das auch lösen. Dann nimmt man 1kOhm als Vorwiderstand und einen BC337, die Schaltung bleibt im Grunde gleich. Über den Widerstand fließen dann 5mA - Falls der Controller noch andere Lasten treiben muss, musst du schauen, dass der Gesamtstrom aller Lasten ausreichend klein bleibt.

Möglich sind imho beide Lösungen. Lösung 2 ist ~ 40 Cent günstiger, und der Spannungsabfall am Transistor ist einen kleinen Tacken höher.

MfG

[CowZ]

Hi,

ganz ehrlich: ich bin immer wieder begeistert über eure Antworten :) Danke :)

Momentan scheint mir die MosFET Schaltung von dennisstrehl am besten (Verlustarm und einfach aufgebaut und ich versteh's einigermaßen). Von wo bis wo kann ich denn dabei den Strom steuern (0 - xyzmA?) Ansich doch bis 5V / RDraht, oder?

Und wie sieht es aus, dass man das PWM Signal noch glätten muss / soll? Oder ist das Egal, weil der FET sowieso nicht so schnell schaltet?

Gruß, CowZ

[ogni42]

Wenn es nur ums steuern geht, reicht die Schaltung mit einfachem Mosfet aus. Soll der Strom geregelt werden muss der OP rein, oder Du misst die Spannung über den ADWandler des uC und regelst per Software.

[CowZ]

Humm?

Was meinst du mit Steuern und Regeln, bzw. wo ist der Unterschied?

[dennisstrehl]

Er meint (vermutlich) mit "steuern", dass man die Verlustleistung regeln kann (über die Pulslänge des PWM-Signals), und mit "... Strom geregelt ...", dass man einen bestimmten Strom durch den Draht fließen lassen kann.

Den mittleren Strom (mittlerer Strom, da es sich nicht um Gleichstrom sondern um Strompulse handelt) kann man fast linear zwischen 0 Ampere und 5 Volt / Rdraht steuern.

Das PWM-Signal darf dabei nicht geglättet werden. Der MosFET wird entsprechend dem PWM-Signal ein- und ausgeschaltet und der Strom durch den Draht wird dadurch gepulst. Das ist die einzige Möglichkeit, den Strom fast verlustfrei zu regeln.
Wenn man das Signal glätten würde, würde der MosFET am Gate eine Gleichspannung bekommen, und würde dann entweder gar nicht einschalten (bis ca. 1 Volt), so halb einschalten (bis ca. 3 Volt) oder ganz einschalten (ab ca. 3 Volt). Zum ersten ist die Heizleistung am Draht dann nicht linear regelbar, zum anderen treten, wenn der MosFET nur so halb einschaltet, Verluste am MosFET auf, da eine Spannung abfällt und gleichzeitig Strom fließt.

MfG

[Babbage]

Der Unterschied zwischen Regeln und Steuern besteht darin, das beim Regeln die zu regelnde Ausgangsgröße wieder rückgeführt und mit der Sollgröße verglichen wird.
Beim Steuern wird einfach eine Sollgröße angelegt ohne Beachtung von Störungen.

Das kann man wie mit nem Tempomat im Auto vergleichen. Das ist eine Regelung.
Dieser gibt Gas wenn die Geschwindigkeit nachläßt z.B. falls es bergauf geht und geht vom Gas wenns bergab geht.
Würde diese nur gesteuert werden, dann wirds langsamer und schneller weil einfach das Gaspedal feststeht.

Babbage

[CowZ]

Hi,

danke :) Mir geht es dann ja um's "steuern" :)

Danke für die Erklärungen :) (Bin immer wieder erstaunt, wie gut ihr das erklärt - auch jedem Deppen wie mir :D)

Noch eine Frage :) Um jetzt den Widerstand des Drahtes zu messen...
Wie mach ich das am besten? Wenn ich den ADC zwischen Draht und MosFET anbinde, sollte es ja gehen, wenn der MosFET leitet. Wenn der MosFET allerdings nicht leitet, geht es nicht (oder?) Wie kann ich die Widerstandsmessung unabhängig vom MosFET machen (oder zumindestens in der nichtleitenden Zeitspanne machen)?

[sigo]

Hi cowz,

ich habe mir auch so einen Draht bestellt, und daher kommt ein öhnliches Problem auf mich zu.

Ich denke auch an eine PWM mittels MOSFET.
Mir / uns stellt sich natürlich dann auch die Frage, ob reine Taktung der Gleichspannung reicht, da sich R ja ändert. Bei größeren R fließt automatisch weniger Strom durch durch den Widerstand, wobei U ja konstant bleibt, mit 5V * PWM-Rate.

Man könnte nun zusätzlich den Strom einem AD-Wandler messen, wenn man noch einen Strommesser in die Schaltung einbaut. Also entweder einen kleinen Shunt-Widerstand in der Masseleitung, mit OP, oder eben gleich eine integrierte Lösung, wie sie Maxim und andere anbieten.

So könnte man die Leistung errechnen, die den Draht aufheizt, den aktuellen Widerstand und auch eine Rückmeldung über die erfolgte Dehnung/Stauchung erhalten (Widerstandsänderung).

Mit Hilfe der im anderen Chat besprochenen aufgenommen Widerstandskennlinie kann man in etwa die Temperatur abschätzen und so auch Umgebungstemperatureinflüsse ausgleichen. Das kann man aber natürlich auch ggf. rechnrisch kompensieren, wenn man einen Temperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur vorsieht.
Es ist eben sonst nicht egal, ober das Teil bei 10°C oder 40°C betrieben wird...

So ließe sich einigermaßen sicher verhindern, dass man über die 90° kommt.

Ich warte noch auf meine Lieferung, da die Firma ein paar Tage Ferien macht. Dann baue ich das auch mal auf.

Bin auf deine Ergebnisse gespannt..

Sigo

[Frank]

Zum Thema passend:

Eine einfache Schaltung berechnen welche den Strom konstant hält.
Neu die Berechnungsroutine im Roboternetz:

https://www.roboternetz.de/phpBB2/konstantstrom.php