Suche Schaltung zur Spannungsverstärkung

[RP6fahrer]

Hi Leute,

ich habe bereits viele Seiten hier im Forum gewälzt, aber noch nicht die passende Antwort gefunden. Ich hab folgendes Problem: Ich habe eine Eingangsspannung von 0-5V DC (Maximalstrom 1mA) und möchte damit aber 0-15V DC steuern (Maximalstrom 1A). Also, wenn ich ich 0V am Eingang hab, dann soll hinten auch 0V rauskommen und bei 5V Eingangsspannung, soll hinten 15V rauskommen.
Kennt jemand eine Schaltung mit der dies Realisiert wird und welche Bauteile sich eignen? Mir ist klar, dass ich eine Transistorschaltung benötige, aber kennt jemand eine mit genauen Werten?
Der Hintergrund ist der, dass ich mit einem Mikrocontroller und einem DAC-Baustein meine analoge Modellbahn steuern möchte. Ich habe bereits schon einige Schaltungen rausgesucht, aber die funktionieren alle mit 15V als Eingang. Ich habe diese schon mit vielen Testschaltungen versucht abzuändern, aber erfolglos, die 0-5V reichen leider nicht aus, oder wenn sie gereicht haben, dann war der Effekt eher wie ein Schmitttrigger, also Ein oder Aus.

Ich freue mich über jede Antwort und bei genaueren Fragen einfach melden.

Danke schon an alle

MfG
Daniel

[HeXPloreR]

Hallo Daniel,

sollte allein dafür nicht schon eine halbe H-Brückenschaltung (z.b. L298 ) ausreichen - damit wäre dann in eine Richtung fahren möglich. 15V sollten dem nichts machen - habe aber das Datenblatt grade nicht zur Hand ;)

Und wenn Du die Brücke voll betreibst kannst Du auch rückwärts fahren. PWM zur Ansteuerung sollte genügen und danach vielleicht noch etwas die PWM Spannung glätten.

[RP6fahrer]

Hallo HeXPloreR,

Danke für die schnelle Antwort. An PWM habe ich auch schon gedacht und sogar (teilweise) erfolgreich umgesetzt. Und zwar ich hatte an den Ausgang des PWM-Signals einen ausreichend starken Optokoppler rangehangen. Der war für U und I ideal und auch Frequenzmäßig ideal. Das Problem war nur, dass bei langsamen fahren die Züge gestottert haben. Im hohen Geschwindigkeitsbereich ging es einwandfrei, aber im unteren halt nicht, und der ist mir auch wichtig.
Vielleicht habe ich damals auch was falsch gemacht. Als Optokoppler habe ich einen MOC3041 verwendet.
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/185582-da-01-en-Optokoppler_MOC_3041.pdf

PWM - SPannung glätten, also einen Kondensator an den PWM Pin und Masse?
Das habe ich damals nicht gemacht.

[HeXPloreR]

ah, Modelbahn - ja, die braucht irgendwas mit ca 12V Wechselstrom? Sorry, schon lange her das ich nen Modelbahntrafo in der Hand hatte. Das Problem bei der H-Brückenschaltung ist wohl dass die das genau mal nicht macht. Das war kein guter Tipp von mir.

Maximal fällt mir noch ein das man das PWM- Frequenz schneller macht - also statt z.B. 10kHz, 20kHz oder mehr produziert. Da bin ich aber raus, das kann ich nicht aus dem Datenblatt lesen ob das der Optokoppler noch mit macht, und/oder Dein µC hergibt.

Dann wäre die untere Sinuswelle des Wechselstroms nicht mehr so sehr schlimm auffällig.
Untere Welle invertieren?
Mit Kondensatoren puffern?

[RP6fahrer]

Also mein Trafo liefert 12V Gleichspannung. Die Züge können aber theoretisch mit bis zu 16V DC fahren, weil durch das neue Digitalsystem, würden die eh an 16V Dauergleichspannung liegen. Ich hab nur nicht umgestellt, weil ich einige Züge mit dem alten System habe.
Aber ja, die H-Brücke würde da theoretisch schon funktionieren.
Ich werde mal versuchen, ob ich das PWM Signal schneller bekomme. Da werde ich nochmal ein bisschen experimentieren.

Aber vielen Dank für die Idee H-Brücke, wär ich von selbst gar nicht draufgekommen.

Das blöde ist nur, dass sich daraus ein nächste Problem für mich entwickelt (hab ich am Anfang vergessen zu erwähnen)
Ich hab ja viele Stoppstellen (10 oder so) und ich würde gerne bei jeder unterschiedliche Geschwindigkeiten haben wollen, das hieße also, für jede Stopstelle ein PWM Signal, da bräuchte ich aber viele Controller und mit dem DAC Baustein wär das programmtechnisch einfacher, vorausgesetzt ich finde ne gute Schaltung dafür...
Aber deine Idee ist ein sehr guter Anfang und ich werde mir mal Gedanke machen und wenn ich ne Lösung gefunden, werde ich sie mitteilen.

Nochmals vielen Dank

[Hubert.G]

Wenn du wirklich mit 1A auskommst, dann kannst du dir auch den L272 ansehen. Mit dem kannst du die 0-5V auf 0-15V umsetzen.

[RP6fahrer]

Hey,

@HeXPloreR
Ich habe die Idee mit der PWM-Frequenz wieder verworfen, weil ich gestern nen Glücksgriff hatte. Ich habe die 0-5V über einen 2K-Ohm Widerstand an die Basis eines Transistors angeschlossen (BD243C). Dann hab ich +15V an eine Seite des Gleises angeschlossen und die andere Seite des Gleises an den Kollektor des Transistors. Den Emitter hab ich dann über eine Schutzschaltung mit Masse verbunden. Die Masse ist mit der Masse des MC + DAC verbunden. Und schon hat es funktioniert.
Die Schaltung hab ich als Skizze mal angehangen. Wenn ich jetzt so ne H-Brücke vor die beide Enden(die zum Gleis gehen) schalte, dann kann ich sogar die Richtung wechseln.
Vielen Dank für den Tip.

@Hubert
Danke, dein Vorschlag klingt super. Das werde ich mir auf jeden Fall anschauen. Ich kann zwar, wie oben beschrieben es schon verwenden, aber da ist bei etwa 3-3,5V schon die volle Spannung am Zug. Da ich die Woche auswärts arbeite, hab ich leider kaum Zeit das zu prüfen. Ich werde aber am Ball bleiben. Vielen Dank nochmal.

Schöne Woche noch

[White_Fox]

Deine Schaltung ist eine Konstantstromquelle.
Du suchst aber eine Konstantspannungsquelle.
Mit dieser Schaltung vändert sich die Geschwindigkeit deines Zuges, sobald da noch eine zweite Lok dazukommt oder z.B. die Beleuchtung eines Personenwagens auch Strom haben will...doof.


Du hast zwei Möglichkeiten:
1. Operationsverstärker. Mit dem und zwei Widerständen kriegst du deine 0-15V ohne Probleme.

2. PWM mit Logik-FET. Mit dem internen Takt eines ATMega8 kriegst du selbst in Software ein PWM-Signal mit einer Frequenz von etwas über 120Hz hin. Ich kann mir kaum vorstellen, dass deine Lok auch ohne Glättungskondensator diesem Ruckeln wirklich folgen kann, mit Kondensator wird es allerdings bestimmt nicht mehr der Fall sein.

Ich an deiner Stelle würde die PWM-Variante bevorzugen. Kein Extra-Bauteil, und du kannst ohne Verlust locker acht PWM-Kanäle unabhängig steuern, d.h. die Geschwindigkeit mit nur einem Controller auf acht Streckenabschnitten unterschiedlich regeln. Über die Richtungsabhängigkeit müsstest du dir da allerdings noch Gedanken machen, dürfte aber kein Problem sein.

[RP6fahrer]

Hey,

nach langer Zeit hab ich mal wieder Zeit. Die PWM-Variante werde ich wieder angehen. Ich hab durch recherche im Atmega Datenblatt herausgefunden, wie ich die PWM-Frequenz erhöhe. Außerdem habe ich noch etwa 30 BC140-10 gefunden. Die sollten für meine Zugsteuerung ja ausreichen als H-Brücke.
Meine Frage aber an White_Fox ist, mit welchem Controller kann man acht PWM-Kanäle unabhängig voneinander steuern? Geht das mit einem Atmega?

Meine nächste Frage wäre, laut Datenblatt gibt es drei PWM-Kanäle beim Atmega8. Aber wie heißen die? Ich weiß, dass es mit Timer2 geht, aber wie heißen die anderen beiden? Sind das Timer1A und Timer1B?

Vielen Dank für eure Hilfe.

[Besserwessi]

Die BC140 sind für 1 A Laststrom etwas knapp: Es sind zwar 1 A als maximaler Strom angegeben, aber da werde die Eigenschaften (Verstärkung und Sättigungsspannung) schon relativ schlecht. Auch braucht so eine Bahn ggf. zum Anfahren zeitweise mehr Strom - für einen Trafo ist das für 1 Minute kein Problem, wohl aber für einen Transistor. Wenn man die H-Brücke schon aus einzelnen Transistoren aufbauen will, dann wäre eine Mischung mit 2 NPN und PNP Typen passender, oder halt MOSFETs (auch n und p gemischt).
Sofern man die Drehrichtung nicht so oft wechseln will, kommt auch noch die Variante mit einem Relais zum Umpolen und dann nur einem Transistor / MOSFET in Frage. Das ist einfacher aufzubauen.

Es gibt auch AVR Controller mit 8 PWM Kanälen. Ganz unabhängig in der Regel nicht, weil je Timer i.A. nur eine Frequenz möglich ist, aber der PWM Wert kann natürlich unterschiedlich sein. Bei nicht so hoher Anforderung an die Frequenz ginge es ggf. auch per Software PWM - ist dann aber nicht mehr so ganz einfach zu programmieren und mit Einschränkungen.

Der Mega 8 hat 3 PWM Kanäle: einen bei Timer2 und 2 für Timer 1. Die Namen hängen vom Compiler ab, bzw. ob es um die Pins oder Register geht. Für mehr Kanäle würde sich z.B. der ähnliche Mega88 anbieten, mit 6 PWM Kanälen.

[White_Fox]

Meine Frage aber an White_Fox ist, mit welchem Controller kann man acht PWM-Kanäle unabhängig voneinander steuern? Geht das mit einem Atmega?
Das kann jeder Controller, der über einen Timer und einen Port mit acht Pins verfügt...oder mehr. Du mußt die PWM halt in Software programmieren. Der ATMega8 kann das dann auch. Mit 16MHz Taktfrequenz kriegst du in Software eine PWM-Frequenz von etwas über 240Hz raus und für 8MHz (interner Takt) 120Hz, das müsste für deine Eisenbahn dicke reichen. Notfalls brauchst du noch ne Glättungsdrossel und eine Freilaufdiode, letztere solltest du sowieso haben.

In Software würde das so aussehen:
1. Timer konfigurieren, kein Vorteiler
2. Für jeden PWM-Kanal brauchst du ein eigenes Register, in dem du das Pulsweitenverhältnis speicherst.
3. Die PWM-Interrupt-Routine benötigt ebenfalls ein eigenes Register zum Hochzählen und würde so aussehen:

Portregister einlesen
ALLE PWM-Pins auf LOW setzen
Zählregister der Interrupt-Routine inkrementieren
Jedes Kanal-Register mit dem Zählregister vergleichen, bei größer/gleich: entsprechenden PWM-Kanal auf HIGH
Portregister am Port ausgeben
Interuptroutine beenden

[RP6fahrer]

Hallo.

Vielen Dank für die beiden Antworten.. Ich habe nochmal drüber nachgedacht. Ich brauch nicht sovie Richtungswechsel, da ich eine relativ kleine Modellbahnanlage habe (2mx1m). Ich könnte den Richtungswechsel locker mit Relais machen, weil ich da noch genügend übrig hab. Als Schalttransistoren würde ich dann BD243 nehmen, weil ich davon noch 2 übrig hab. Die sind für 10A Spitzenstrom und 6A Dauerstrom ausgelegt. Das würde also hinhauen. Demnach bräuchte ich nur 2 PWM-Signale, da ich 2 Fahrkreise hab, welche ich unterschiedlich steuern möchte.
Meine Frage, die jetzt ich trotzdem noch hab:
-Ich kann mir die Software PWM-variante noch nicht so richtig vorstellen. Könntest du mir dies mal an einem Beispiel zeigen? Mich würde es einfach nur mal interessieren, falls ich meine Anlage mal erweitere und das dann gebrauchen könnte? Natürlich nur, wenn das nicht so viel Aufwand für dich ist.

Vielen Dank für eure Hilfe und ich werde mich dann mal weiterversuchen. Wenn wieder Probleme auftreten, werde ich hier drin gleich wieder melden.
Schönen Sonntag wünsch ich euch noch.
MFG
Daniel

- - - Aktualisiert - - -

Und so schnell brauch ich eure Hilfe :D
Könntet ihr mir mal ein paar typen für Logik-Fet aufschreiben, welche meine erforderliche Leistung umsetzen können?
Ich hab derzeit leider überhaupt kein Geld dafür, aber wenn ich's hab, dann will ich den BD243 mit einem Logik-Fet ersetzen. Ich habe jetzt nämlich folgendes Problem: Jeder Zug hat ja andere Motoren drin. Die demnach auch unterschiedlich auf das PWM-Signal reagieren. Der eine fährt bei ca. 3V los, während der andere erst ab 7V losfährt, aber dann mit Vollgas. Ich habe die Spannung am Gleis gemessen, die ist bei jedem Zug anders, obwohl die PWM Frequenz die Gleiche ist. Ich denke aber, dass ich deshalb bei nem Probleme bekomme, weil der Transistor ja durch den Vorwiderstand zwangsläufig auf einen Zug (Innenwiderstand des Zuges) eingestellt ist und macht dementsprechend richtig auf und bei nem anderen Zug eben nicht so viel, oder mehr. Mit nem Logik-Fet sollte das Problem ja dann nicht mehr auftreten.
Vielen Dank für eure Hilfe.

[White_Fox]

-Ich kann mir die Software PWM-variante noch nicht so richtig vorstellen. Könntest du mir dies mal an einem Beispiel zeigen?
Hm...liesse sich am einfachsten in Assembler zeigen. Ich versuchs mal.


Edit: ich hab was...diesen Fetzen Code hab ich mal geschrieben, um eine RGB-LED über PWM zu dimmen bzw. die Farben zu mischen. Dies sind also drei PWM-Kanäle...



;Timer konfigurieren, Interrupt aktivieren



PWM: ;Hier springt das Programm hin, wenn der Timer einen Interrupt auslöst
push R16 ;R16 und R17 werden auf den Stapelspeicher gesichert
push R17
in R17, SREG ;Das Statusergister wird eingelesen...
push R17 ;und ebenfalls auf den Stapel gesichert
inc R20 ;Pulslänge hochzählen. Dieses Register stellt den "Zählfortschritt" eines PWM-Zyklus dar
in R16, PortD Portregister einlesen
andi R16, 0b00011111 ;Alle LEDs aus > Grundzustand (UND-Verknüpfung maskiert einzelne Pins aus, da nicht alle Pins verwendet werden)

;PWM_Rot: ;In R21 ist die gewünschte Pulsbreite für den Kanal "Rot" gespeichert. R21 wird jetzt mit R20 (Pulsbreite) verglichen (alle anderen Kanäle
;ebenso)
cp R20, R21 ;Helligkeitswert für Rot erreicht?
brsh PWM_Grun ;Wenn ja, Rot bleibt aus
ldi R17, 0b00100000
eor R16, R17 ;Wenn nicht, Rot ein

PWM_Grun:
cp R20, R22 ;Helligkeitswert für Grün erreicht?
brsh PWM_Blau ;Wenn ja, Grün bleibt aus
ldi R17, 0b01000000
eor R16, R17 ;Wenn nicht, Grün ein

PWM_Blau:
cp R20, R23 ;Helligkeitswert für Blau erreicht?
brsh PWM_Ausgabe ;Wenn ja, Blau bleibt aus
ldi R17, 0b10000000
eor R16, R17 ;Wenn nicht, Blau ein

PWM_Ausgabe:
out PortD, R16 ;Jetzt wird das neue Pinmuster am port ausgegeben, der eigentliche Umschaltvorgang findet jetzt erst statt
pop R17 ;alle gesicherten Register vom Stapel holen und wieder zurückschreiben....
out SREG, R17
pop R17
pop R16
reti ;...und zum Hauptprogramm zurückkehren

[PsiQ]

Wie gut vertragen denn die Motoren das PWM, bzw wie wird das original geregelt ??
Ich glaube unsere alte Bahn im Keller läuft noch mit einem 24V AC Trafo mit mechanischem Reglerabgriff, weitab von Digital oder DC Krimskram.


Zu dem Anfangsthema ohne µC PWM:
Ich habe vor 15 Jahren ( 2008 ) als ich noch jung war hier mal nach einem "Spannungsfolger" gesucht. => Op-Amp, am besten Rail-to-Rail ...
Der war gedacht für 0 - 12V auf 0 - 12V , um einen analogen PC Lüfterausgang zu entlasten/verstärken.

Ich habe den jetzt mal "umgemodelt" für eine 0 - 5V Steuerung die dann 0 - 15V ausgibt,
indem ich einen 2:1 Spannungsteiler vor den IC gebaut habe (theoretisch könnts klappen)
Der L165 sieht dann am Steuerpin und am Gegenpin 0 .. 5V (hoffentlich) obwohl er 15V ausgibt.

http://s23.postimg.org/z28qsxx47/spannungsfolger_L165.jpg (http://postimg.org/image/z28qsxx47/)

Der L165 kann aber nicht ganz bis an die 16V vom Trafo ranregeln da interner Spannungsabfall.
.. Dafür ist er Überlastgeschützt.

Das Original war das hier: (ruht noch irgendwo im Forum)
http://postimg.org/image/67nw6xljt/

Nur falls doch die Spannungsfolger-Lösung in Betracht kommt.

Günstig geben tuts den IC noch:
http://www.reichelt.de/ICs-KA-LF-/L-165/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=2911&ARTICLE=9633&SHOW=1&START=0&OFFSET=500&


edit: Mosfet:
Ab 5V tuts eigentlich schon der alte buz11 mit vielen Ampere,
ansonsten ein irfz44n (glaub so hieß er) oder ein irl3803 (overpowered hierfür) ...
ansonsten hast du ja eine hohe Spannung und kannst z.B. einen Treibertransistor
an den µC Ausgang bauen und damit dann auch normale, "nicht logic level" fets ansteuern.

Ich hab hier noch 2 TLE-5205 H-Brückentreiber liegen, (gibt auch 5206)
da könnte ich dir einen schicken, da wirds aber mit der frequenz nach oben hin über 100hz irgendwann eng..

http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CC0QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.infineon.com%2Fdgdl%2Ftle5206-2_1.pdf%3FfolderId%3Ddb3a304412b407950112b438231a6 a4f%26fileId%3Ddb3a304412b407950112b43823a06a50&ei=VPLSUffpOIn6sgbiAg&usg=AFQjCNHb4B5mVluPMDdI6ZZZKw8Sl6wrcw&bvm=bv.48705608,d.Yms&cad=rja

[White_Fox]

Wie gut vertragen denn die Motoren das PWM, bzw wie wird das original geregelt ??
PWM ist für Motoren unkritisch. Das sollte ohne Probleme gehen. Wenn du noch ne Glättungsdrossel und einen Kondensator hinten dranhängst hast du im Prinzip schon einen steuerbaren Schaltregler gebaut. Wie gesagt, vergiss nur die Freilaufdiode nicht. Den Motoren deiner Eisenbahn ists wurscht, aber dein Transistor dürfte sonst sehr schnell das Zeitliche segnen.

Wie das original geregelt wird weiß ich nicht genau. Ich denke, in moderneren Geräten wird das auch ein Schaltregler sein, bei alten Geräten vllt ein Stelltrafo.