L 293 B Entkopplung

[Der Eisvogel]

Hallo,

ich bin gerade dabei eine Schaltung für einen Motor-Treiber zusammenzubasteln. Zum Einsatz kommen mehrere 4-Kanal-Treiber vom Typ L 293 B. Da hab ich eine Frage zur Entkopplung. Die 5V Stromversorgung für die Logik muss ja pro IC mit 100nF entkoppelt werden, wobei wichtig ist, dass der entsprechende Kondensator im Platinenlayout so nah wie möglich am IC selbst ist. Jetzt sind im RN-Wissen (http://www.rn-wissen.de/index.php/Getriebemotoren_Ansteuerung#Ansteuerung_mit_Treibe r_IC_L293_B) aber auch zwei Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlichem Typ zwischen Versorgungsspannung für die Motoren und Masse. Wozu müssen hier zwei Kondensatoren hin. Spielt es hier eine Rolle wie viele IC's ich verwende und wo ich die Kondensatoren dann platziere?

Dann habe ich noch von einem etwas älteren Schaltplan eine andere Entkopplung gesehen:
26413
Hier befinden sich 100nF Kondensatoren zwischen den einzelnen Ausgängen der IC's und der Versorgungsspannung für die Motoren, sowie zwischen zwei jeweils zusammengehörigen Ausgängen. Was ist der Sinn davon? Ist das besser?

Die Motoren ziehen ca. 0,3A normal und 0,6A Peak für ca. 5s. Wie würdet ihr so eine Schaltung entkoppeln?

Ich freue mich schon auf eure Antworten.

MfG
Der Eisvogel

[Peter(TOO)]

Hallo,

Die drei Kondensatoren (z.B. C13, C14, C15) dienen der Funkenstörung, bzw. wegen EMV.

Allerdings muss man diese auch auf den Motor und die Leitungslänge abstimmen, sonst hat man am Ende noch Schwingkreise und das Ganze wird nur schlimmer.

MfG Peter(TOO)

[Der Eisvogel]

Hallo Peter,

vielen Dank für die schnelle Antwort. Habe mir gleich etwas zu dem Thema durchgelesen. Wenn ich das richtig verstanden habe, dann machen die Freilaufdioden doch so etwas ähnliches, richtig? Brauch ich diese Kondensatoren wirklich, oder sind sie notwendig? Habe ich größere Nachteile wenn ich sie weglasse?

MfG
Der Eisvogel

[Peter(TOO)]

Hallo Eisvogel,

Die Freilaufdioden, schützen die Ausgänge vor Überspannung.
Immer wenn man eine Induktivität schaltet, entstehen durch die Gegeninduktion, Spannungsspitzen. Die können leicht einige 100V bis kV betragen, das mögen die meisten Halbleiter nicht so gerne auf Dauer.

Das andere sind die Flanken, welche auch schon beim Schalten der Treiber entstehen.
Ein Rechecksignal, kann man in eine unendliche Reihe von Sinusschwingungen zerlegen:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fourier_synthesis.svg
(ganzer Artikel: http://de.wikipedia.org/wiki/Fourierreihe#Rechteckpuls)

Je steiler die Flanken sind, umso höher reichen die Oberwellen.
Mit einem schönen Rechtecksignal mit z.B. 1KHz, kann man dann locker Frequenzbereich um 100MHz erzeugen ... das mögen dann Radiohörer nicht :-(

Mit den Kondensatoren macht man dann die Flanken etwas langsamer und Spitzen werden auch abgeschwächt, was zu weniger Störungen führt.

EMV ist ein recht komplexes Gebiet.
Bei professionellen Geräten bekommt man schon EMV-Probleme, wenn man nur einen Draht (Leiterbahn) an einem unbenutzten I/O-Pin anschliesst. Der Draht wirkt als Antenne und das interne Übersprechen des CPU-Takts reicht dann schon, dass das Gerät die Normen nicht einhält. Abhilfe schaffen Ferrite in den Leitungen und RC-Glieder.

Nimm mal ein einfaches einfaches Transistorradio und halte es neben deinen µC. Ideal ist AM, und suche eine Stelle ohne Aktien Sender. Du wirst dann deinem µC zuhören können und sogar unterschiedliche Geräusche hören, je nachdem was das Programm gerade macht.

MfG Peter(TOO)

[Der Eisvogel]

Hallo,

ok, vielen Dank. Das hat meinen Horizont auf jeden Fall um Einiges erweitert. Jetzt bleibt aber noch die Frage warum die Große Spannungsquelle für die Motoren mit zwei Kondensatoren unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Größe versehen ist?

MfG
Der Eisvogel

[Peter(TOO)]

Hallo Eisvoge,


Hallo,
Jetzt bleibt aber noch die Frage warum die Große Spannungsquelle für die Motoren mit zwei Kondensatoren unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Größe versehen ist?


Wenn du mal einen einfachen Al-Elko nimmst, besteht der aus zwei Folien welche jeweils irgendwo mit einem Anschluss versehen sind und dann aufgewickelt wurden.
Nun wissen wir aber, dass eine aufgewickelter Draht eine Spule ist. Eine Spule hat aber die Eigenschaft mit zunehmender Frequenz einen höheren Widerstand zu haben (Impedanz).

Mit den Anschlussdrähten usw. ergibt sich also eine Ersatzschaltung für einen realen Kondensator, welche aus dem Kondensator, einem Widerstand und einer Drossel in Serie besteht.
Parallel zum ganzen liegt noch ein Widersand, weil kein Isolator so ganz ideal ist.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Elko-Ersatzschaltbild-Wiki-07-02-08.svg

Das ist aber die selbe Schaltung, welche wir auch als Tiefpass kennen:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LCR-Tiefpass.png

Wie gross die Werte für L und R sin hängt von der Bauart des Kondensators ab, bei einem Mehrschicht-Keramikkondensator sind diese Werte recht klein, im Verhältnis zu einem normalen Al-Elko.

Der kleine Kondensator ist dann für die HF-Spitzen zuständig, der kann wegen der kleinen Kapazität auch nur wenig Energie liefern, wenn eine Stromspitze auftritt.
Der parallele Elko, hat zwar eine grosse Kapazität, kann aber nur relativ langsam die Energie abgeben.
Kurz, die beiden teilen sich die Arbeit, der KerKo ist für die HF zuständig und der Elko liefert die grossen Stromspitzen.

Übrigens, das Serien-R erzeugt natürlich auch Verluste, welche in Wärme umgesetzt werden.
Deshalb wird bei Elkos auch der maximal zulässige Ripplestrom mit angegeben, bei Ladeelkos, meist für 50/60Hz, bzw. 100/120Hz.
Das ist auch der Grund wieso man oft mehrere Elkos parallel schaltet, anstatt einen einzelnen fetten zu verwenden. Die Rippleströme teilen sich dann auf und unerwünschte Serienimedanz wird, durch die Parallelschaltung auch noch kleiner.

Für Schaltnetzteile gibt es spezielle "low ESR" Elkos, welche für höhere Frequenzen, also kHz bis MHz, ausgelegt sind.

Bei einfachen Elkos, kann der ESR durchaus im ganzen Ohm-Bereich liegen.

MfG Peter(TOO)

[ranke]

Die drei Kondensatoren (z.B. C13, C14, C15) dienen der Funkenstörung, bzw. wegen EMV
Nicht Funken-störung sondern Funk-ent-störung. Also nicht um Funken zu stören sondern damit Funkdienste nicht durch die Aussendung von Hochfrequenz aus dem Motor gestört werden. Diese Kondensatoren gehören direkt an den Motor.
Ansonsten noch ergänzend:
Die Kombination 100 uF und 100 nF findet sich auch in einer Beispielschaltung im Datenblatt von SGS (ST) (siehe das von Reichelt verlinkte DB, Figure 11). Ich vermute der Schaltplan vom RN-Wisssen ist da einfach abgekupfert. Ansonsten werden die 100 nF in den meisten Fällen genügen. Falls die Spannungsquelle einen hohen Innenwiderstand hat könnte man Stromspitzen theoretisch mit einem Elko puffern, dazu bräuchte man aber eher einige Farad als Mikrofarad. Wenn man die Versorgungsspannung für den Motor aus einem stabilisierten Netzgerät holt, könnte ein dicker Elko eher kontraproduktiv sein, die meisten Regler mögen keine dicken Kapazitäten am Ausgang.

[Peter(TOO)]

Hallo,

Da ist ein t abhanden gekommen :-(

Ich habe auf dem PC irgendeinen Hintergrundtask, welcher manchmal dazu führt, dass Tastaturanschläge verloren gehen. Hab das sch.... Ding nur noch nicht identifizieren können.

MfG Peter(TOO)

[Ostermann]

Hallo!



Die Kombination 100 uF und 100 nF findet sich auch in einer Beispielschaltung im Datenblatt von SGS (ST) (siehe das von Reichelt verlinkte DB, Figure 11). Ich vermute der Schaltplan vom RN-Wisssen ist da einfach abgekupfert. Ansonsten werden die 100 nF in den meisten Fällen genügen.

Genau, ST hat den Elko da völlig umsonst reingemacht ;). Du kannst ja mal ausprobieren, was passiert, wenn du den Elko weglässt. Aber wunder dich nicht, wenn sich der Treiber beim ersten Abbremsen des Motors verabschiedet, weil die Versorgungsspannung zu stark ansteigt. Das Netzteil nimmt die Energie nämlich in der Regel nicht auf...

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[ranke]

Genau, ST hat den Elko da völlig umsonst reingemacht
Sieht fast so aus, beim ebenfalls von Reichelt verlinkten DB von Texas Instruments ist da nämlich nur 220 nF angegeben.


... wunder dich nicht, wenn sich der Treiber beim ersten Abbremsen des Motors verabschiedet, weil die Versorgungsspannung zu stark ansteigt. Das Netzteil nimmt die Energie nämlich in der Regel nicht auf...

100 Mikrofarad wäre viel zu wenig um die Energie eines abbremsenden Motors aufzunehmen. Es wäre aber auch technisch nicht möglich, weil die Generatorspannung (EMK) des Motors im Bremsbetrieb die Betriebsspannung immer unterschreitet. Ein Rückfluß von Energie ist so einfach nicht möglich (leider).

Es gibt eigentlich nur einen Effekt bei dem Energie vom Motor in die Betriebsspannung rückgespeist wird, das ist die Energie, die in der Induktivität der Spule gespeichert ist und beim Abschalten durch die Freilaufdioden auf die Spannungsversorgung abgeleitet wird. Beim klassischen Normalbetrieb (Halbschritt oder Vollschritt) eines Schrittmotors ist aber immer eine andere Spule da, die die Energie aus der abgeschalteten Spule aufnehmen kann. Bei einem vorgeschalteten Längsregler entstünde so ein verhältnismäßig geringer Spannungsripple (dafür ein Stromripple am Längsregler). Da sollte also der keramische Kondensator reichen.
Interessanter sind Ansteuerung mit PWM-Regelung, da kann es schon sein, dass kurzzeitig beide Spulen abgeschaltet werden (oder eine abgeschaltet, wenn die andere schon aus ist). Ebenso der Fall wenn der Motor stromlos geschaltet wird. Möglicherweise ist der Elko für solche Fälle gedacht. Alternativ könnte man auch andere Arten einer Überspannungsableitung denken.
Betreibt man direkt an einem Akku / Batterie dann sollte der Elko überflüssig sein, ebenso wenn man einen bürstenbehafteten DC-Motor betreibt, weil die Induktvität da viel kleiner ist als beim Schrittmotor.
Wer weiß näheres?
Braucht man Low-ESR Typen?

[Ostermann]

Ob 100µF zu wenig sind oder ausreichen hängt natürlich vom Motor, von der Last und von der Versorgungsspannung ab. Kein Elko ist aber auf jeden Fall zu wenig. Wenn Du es nicht glaubst, kannst Du es gerne ausprobieren. Ich entwickle seit über 15 Jahren Schrittmotorsteuerungen. Ich denke ich weiss wovon ich rede...

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[ranke]

Ich denke ich weiss wovon ich rede...

Ich habe keinerlei Zweifel an Deiner Kompetenz, was Motorsteuerungen betrifft. Du bist Profi im Geschäft, ich bin nur ein Bastler, der sich seine Gedanken macht.
Ich glaube Dir die Notwendigkeit des Elko gerne, umso mehr interessiert mich, was dahintersteckt. Sind es die Selbstinduktionsströme über die Freilaufdioden, wie ich in meinem letzten Posting vermutet habe? Oder habe ich etwas wichtiges übersehen? Nach welchen Grundsätzen wäre der Elko zu dimensionieren?

[Ostermann]

Du musst zwischen der in der Wicklung und der in der Mechanik gespeicherten Energie unterscheiden. Beim Abschalten der Wicklung wird je nach Treibertopologie zurückgespeist. Das geht aber meist direkt in die andere Wicklung, das hast du recht. Aber wenn der Motor eine Schwungmasse abbremsen muss, wirkt er als Generator und speist damit zusätzlich in den Zwischenkreis zurück.

Der Versuch, die Steuerungen immer kleiner zu machen führt da z.T. zu merkwürdigen Stilblüten. Die "Knubbel an den Gehäusen der mDrive Antriebe [1] enthalten z.B. eben diese Elkos. Bei den kleinen Steuerungen von Gecko oder Nanotec steht z.T. extra in der Doku, dass man extern zusätzliche Elkos vorsehen soll. Eine saubere Umsetzung stelle ich mir in industriellen Umgebungen (Schaltschrank) gar nicht so einfach vor...

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[1] http://motion.schneider-electric.com/products/mdrive/mdrive_hybrid_step_torque_speed.php?nema=23