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Thema: Hilfe Berechnung / Dimensionierung Spannungsgesteuerte Stromquelle

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Hilfe Berechnung / Dimensionierung Spannungsgesteuerte Stromquelle

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    Hallo zusammen

    Ich möchte mir, zur Steuerung einer Laserdiode, gerne eine spannungsgesteuerte Stromquelle aufbauen.
    Jedoch habe ich damit keine Erfahrung. Im Internet findet man zwar viele Threads die sich mit dem Thema beschäftigen, ich konnte jedoch keine A-Z Anleitung findet die sich mit dem Auswählen und Dimensionieren der Bauteile usw. beschäftigt.

    Was ich brauche ist eine Stromquelle die ich von 0-450mA steuern kann.
    Steuern möchte ich das Ganze mit einem ATmega (entweder 8 oder 32). Das heisst es stehen vom Mikrocontroller her 20mA und 5V zur Steuerung der Stromquelle zur Verfügung.
    Dabei wäre es natürlich am schönsten, den ganzen Bereich von 0-5V zur Steuerung zu nutzen.

    Froh wäre ich nun um Hilfe, wie ich dabei vorgehen muss. Zum Punkt A (eine Spannung von 0-5V aus dem ATmega zu kriegen) habe ich folgendes Recherchiert:
    Ich kann eine PWM ausgeben die ich mit einem RC-Glied glätte. Dazu dieser Link: http://all-about-embedded.blogspot.c...atmega-16.html
    Zusammenfassung:

    PWM-Frequenz: 50 Hz, R=1kOhm, C=3.2 uF

    Damit wäre also, in der Theorie, mal der Teil eine Spannung von 0-5V ausgeben zu können erledigt. (Hoffe ich )

    Nun der knifflige Teil:
    In diesem Thread (http://www.mikrocontroller.net/topic/97885) wird eine spannungsgesteuerte Stromquelle von 0-500 mA vorgestellt.
    Verwendet werden soll ein Operationsverstärker OPA251, wobei als Alternative ein TS912 vorgeschlagen wird.

    Leider verstehe ich den Schaltplan nicht so ganz:
    -Wozu dient P1 (10k) und V21?
    -Sind VF1 und VF2 wirklich Stromanschlüsse (laut Wikipedia schaltzeichen-referenz müssten es welche sein))

    Vielleicht könnt ihr mir ja ein bisschen in die richtige Richtung helfen...

    Grüsse
    Thor_

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von malthy
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    Moin!

    Du kannst Dir die Funktion der Schlatung (ich paste das Bild mal hier rein) so vorstellen, dass der Operationsverstärker mit Hilfe des Transistors die Spannung am Shunt so einstellt, dass sie der Spannung am nichtinvertierenden Eingang des OpAmps (+) entspricht. Wenn also bei 5 V Steuerspannung 450 mA über den Shunt fließen soll, dann müsste der Shunt R = U/I = 5 V/ 450 mA = 11.1 Ohm groß sein. Für die halbe Steuerspannug fließt dann folglich auch der halber Strom, oder allgemein, 0 ... 5 V werden linear in 0 ... 450 mA "übersetzt". Die Last befindet sich über dem Steuertransistor, und da der Strom der über den Shunt fließt (abgesehen vom relativ geringen Basisstrom von T1), nur über die Last seinen Weg nehmen kann, ist der Shuntstrom eben (nahezu) so groß wie der Laststrom.

    Das Poti (P1) ist ein Spannungsteiler, der die Steuerspannung liefert und somit den Laststrom einstellt. Hier würdest Du Deine Steuerspannung einspeisen. VF1 und VF2 sind - denke ich mal - nur Testpunkte, wie gesagt, die Schaltung sorgt dafür dass VF1 = VF2.

    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	STROM_DP.JPG
Hits:	23
Größe:	22,1 KB
ID:	29331
    Quelle: http://www.mikrocontroller.net/topic/97885

    Ich kenne mich nicht mit Laserdioden aus, es ist natürlich möglich, dass etwas dagegen spricht, eine Laserdiode auf diese einfache Art zu betreiben. Dazu kann vielleicht jemand anderes noch etwas sagen. Für normale Leutdioden funktioniert diese Methode.

    Vielleicht wäre es auch eine Möglichkeit, die Laserdiode direkt mittels einer PWM zu pulsen, und so die Leistung zu steuern?

    Gruß
    Malte

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Hallo Malthy und vielen Dank für deine Antwort.
    Da es mir wichtig ist, das wirklich zu verstehen schlage ich vor, dass ich hier mal schreibe, wie ich mir die Funktionsweise inwzischen zusammenreime, und du gibts dann da deinen Senf dazu

    T1: Der Transistor verstärkt den an seiner Basis anliegenden STROM (I).
    Ohmsches Gesetz: I = U / R
    Da R konstant ist (10 Ohm) führt eine Änderung der Spannung zu einem höheren Strom der zur Basis des Transistors fliest. (Richtig?)

    Frage: Dann spielt hier ja auch die Verstärkungscharakteristik des Transistors eine Rolle!? Wir müssen einen Transistor mit einem linearen Anstieg (von Uin nach Uaus) haben? Haben alle Transistoren so einen linearen Anstieg?


    Frage: Laut DB ist "Voltage Output Swing from Rail" max. 200mV. Was bedeutet das?

    OPV: Der OPV vergleicht nun die an den Polen N und P anliegenden Spannung. Die Differenzspannung (P - N) wird dann um soviel verstärkt, wie das der Typ des OPV eben macht. (richtig soweit?). Beim OPA251 liegt der open loop gain bei 100dB, also Faktor 10'000'000'000. (Wow)
    Wenn ich an dem P-Pol 5V anlege, wird er versuchen, den Transistor soviel Strom durchzulassen, dass an seinem N-Pol auch 5V anliegen.
    Was mir nun aber definitiv nicht klar ist ist folgendes:

    Wenn ich an V+ (oben an der Last) eine Spannung anlege, sagen wir einmal die kommt von einer Batterie.
    und auch sonst wird die ganze Schaltung von max. 5V versorgt.
    Dann ist die Spannung, die am Shunt abfällt doch von vorneherein klar?
    Weil U ist konstant, R ist konstant

    Ich weis nicht, ob ich klar machen kann wo mein Knüppel liegt - ich hoffe es. Und ich hoffe das ihn jemand lösen kann ich versuche es auch weiter, falls ich es schaffe lasse ich es euch wissen

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von malthy
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    Hey,

    Wenn ich an V+ (oben an der Last) eine Spannung anlege, sagen wir einmal die kommt von einer Batterie.
    und auch sonst wird die ganze Schaltung von max. 5V versorgt.
    Dann ist die Spannung, die am Shunt abfällt doch von vorneherein klar?
    Weil U ist konstant, R ist konstant
    Du hast ja noch den Transistor dazwischen. Den kannst Du Dir hier vereinfacht als steuerbaren Widerstand vorstellen, d. h. dass die OpAmp-Schaltung ihn so einstellt, dass die Spannung "unter" dem Transistor (am Shunt), der Steuerspannung entspricht. Der Spannungabfall am Transistor wird von diesem "verheizt".

  5. #5
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    Hallo Thor.
    Vergiss mal den Widerstand R1, der ist nur als Schutz um den Basistrom des Transistors T1 zu begrenzen, wobei 10 Ohm echt wenig ist
    Die Stromverstärkung ist hier vorerst auch unwichtig.

    Das Prinzip ist wie malthy schon erklärte.
    Am Plus Eingang des OP's wir eine Spannung eingestellt. Das wird hier über das Poti P1 gemacht.

    Der OP versucht immer den Ausgang so einzustellen, das beide Eingänge zusammen wieder 0 Volt ergeben.
    Das bedeutet, der OP öffnet den Transistor soweit, das an dem SHUNT, hier mit 2 Ohm, die gleiche Spannung wie am Plus Eingang des OP's anliegt.
    Also liegt am Plus Eingang vom OP z.B 1 Volt an, dann wird am Shunt auch 1 Volt anliegen.
    Damit das funktioniert muss der OP natürlich die Basis Emitterspannung von ca. 0,65V von T1 MEHR am Ausgang erzeugen.
    Der Strom durch den Shunt ist dann die 1 Volt / 2 Ohm, also 500mA
    Im Kollektorzweig, wo LOAD steht, hast Du einen konstanten Strom, der aber um den Basistrom geringer ist, als durch den Shunt.
    Wobei sich der Basisstrom durch die Stromverstärkung des Transistors ergibt.
    Der Widerstand R2 ist auch recht unerheblich. geht auch ohne oder mit 1K.
    Normalerweise versucht man die Eingangsströme des OP's identisch zu halten.

    Ich hoffe das ist richtig erklärt.
    Siro

    [edit] Ich würde mit einer Pulsbreite steuern, wenn sowieso ein Controller vorhanden ist.
    Dann berechnest Du den Vorwiderstand für den maximalen Strom schaltest deine Diode in Reihe.
    Über einen Transistor schaltest Du nur den Strom ein und aus. Siehe Pulsbreitensteuerung PWM.

    450mA ist aber ganz schön für eine Laserdiode.....Bitte Laservorschriften beachten
    Geändert von Siro (18.11.2014 um 17:05 Uhr)

  6. #6
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    Hallo Siro,
    Zitat Zitat von Siro Beitrag anzeigen
    [edit] Ich würde mit einer Pulsbreite steuern, wenn sowieso ein Controller vorhanden ist.
    Dann berechnest Du den Vorwiderstand für den maximalen Strom schaltest deine Diode in Reihe.
    Über einen Transistor schaltest Du nur den Strom ein und aus. Siehe Pulsbreitensteuerung PWM.
    Das kommt ganz darauf an, was er mit dem Laser machen will!

    Wenn er mit dem Laser einen Strich zeichnet, z.B. Ablenkung mit einem Polygonspiegel, kann er mit PWM einen gestrichelte Linie erhalten. Dann ändert sich nicht die Helligkeit der Linie, sondern die länge der Teilstriche.

    MfG Peter(TOO)
    Manchmal frage ich mich, wieso meine Generation Geräte ohne Simulation entwickeln konnte?

  7. #7
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    Das kommt ganz darauf an, was er mit dem Laser machen will!
    Ich denke mal das Ganze steht im Zusammenhang mit diesem Thread, demnach möchte Thor_ einen Lasercutter/gravierer bauen. Wenn sich eine PWM also grundsätzlich zur Leistungssteuerung von Laserdioden eignet, wäre das vermutlich auch bei seiner Anwendung eine bessere Wahl als der andiskutierte Lineartreiber. Aber dazu müsste er selbst etwas sagen

    Gruß
    Malte

  8. #8
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    Hallo Malte,
    Zitat Zitat von malthy Beitrag anzeigen
    Ich denke mal das Ganze steht im Zusammenhang mit diesem Thread, demnach möchte Thor_ einen Lasercutter/gravierer bauen. Wenn sich eine PWM also grundsätzlich zur Leistungssteuerung von Laserdioden eignet, wäre das vermutlich auch bei seiner Anwendung eine bessere Wahl als der andiskutierte Lineartreiber. Aber dazu müsste er selbst etwas sagen
    Die PWM-Frequenz muss einfach relativ hoch im Verhältnis zur Verschiebung des Lichtpunktes sein.
    Andenfalls hat man mehr ein Oszilloskop für die PWM-Frequenz gebaut.

    Ist immer das selbe Problem, Anfragen für ein Detail, aber keine Angaben zum Kontext

    Als Fachmann kommt man da ins Schleudern, als Halbwissender nicht.

    MfG Peter(TOO)
    Manchmal frage ich mich, wieso meine Generation Geräte ohne Simulation entwickeln konnte?

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von malthy
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    Moin Peter!

    Ich verstehe weder etwas von Lasern noch vom Laserschneiden (weniger als Halbwissen also ). Ich hatte es aber kurz überschlagen: die chinesischen Hobby Laserengraver fahren bis 10 mm/ sec (keine Ahnung ob das realistisch ist oder nur noch für Butterbrotpaier funktionieren würde). Wenn man den Laser mit "nur" 10 kHz pulsen würde (ich habe wesentlich höhere Anstiegszeiten von Laserdioden im Hinterkopf, das kann aber falsch sein), käme man demnach auf 1 µm Vorschub pro PWM-Periode. Das hielt ich - vor allem auch angesichts der Spotgröße bei einem Hobbysystem - für absolut akzeptabel.

    Gruß
    Malte

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Hallo Malte,

    So geht's natürlich.
    Ich habe aber auch schon Systeme gesehen, welche mit einem Polygonspiegel aus einem alten Laserdrucker arbeiten, da sieht es u.U. wieder anders aus.

    Aber dazu äussert sich der Frager ja nicht -(

    MfG Peter(TOO)
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