VM-VerstärkerSiehe auch:
Zugkraftregelung Diese neue Miniverstärkerserie wurde für Anwender konzipiert, die eine hochwertige, kompakte und preiswerte Ansteuerung für z.B. DC-Kleinmotoren suchen. Kern der Überlegung ist die Einsparung von aufwendigen Chassis und Kühlkörpern, denn oft hat der Anwender genügend Kühlfläche an vorhandenen Aufbauten zur Verfügung. Die Verstärker-Basisplatte dient als Wärmeflansch, die an ein Gehäuse oder Kühlkörper angeschraubt wird.
Auch die Stromversorgung wurde separat aufgebaut, damit eventuell vorhandene Versorgungen benützt werden können. Es können somit auch beliebig viele Verstärker von einer leistungsmäßig passenden, stärkeren Stromversorgung gespeist werden und auf einen gemeinsamen Großkühlkör-per montiert werden, was bei mehreren Achsen ebenfalls zu Einsparungen führt.
VM-Serie - Allgemeine Beschreibung
SERVOWATT Leistungs-Operationsverstärker sind spezielle Baugruppen, die in einem Gerät die Eigenschaften von hochwertigen Operationsverstärkern mit einer Linearendstufe vereinen, die schnell, störungsfrei, extrem robust und dynamisch stabil arbeiten. Lineare Verstärker arbeiten auch bei hohen Leistungen völlig störungsfrei. Die Ausgangsspannung enthält daher keine störenden Signalkomponenten, Impulsnadeln, Harmonische oder Rauschen.
Alle Schaltungen, die bisher aus mehreren Stufen zusammengesetzt waren, können mit einer solchen Einheit phasenrein realisiert werden, wobei durch die hohe Stabilität auch komplexe Lasten zugelassen sind, ohne die üblichen Schwingneigungseffekte befürchten zu müssen. LOVs können nicht nur ohmsche, sondern auch induktive und kapazitive Verbraucher ansteuern.
Die hohe interne Verstärkung bewirkt erstens eine sehr präzise Arbeitsweise, zweitens ergibt sich dadurch auch ein sehr niederohmiger Ausgang bei Spannungsverstärkung und eine sehr hohe Quellenimpedanz bei Stromquellen. Fast die gesamte hohe interne Verstärkung in der Größenordnung von über 150 dB (ca. 50 Millionen-fach) kann zurückgekoppelt werden.
Diese präzise Ansteuerung für alle Arten von Lasten und Beschaltungen, eignet sich bestens für Präzisionsanwendungen, wie z.B. für Meßaufbauten, Servozustellungen in Maschinen, die im µm-Bereich arbeiten, sowie extrem dynamische und genaue Motor- und Aktuator-Ansteuerungen.
Der Preis für diese Qualitäten ist der geringere Wirkungsgrad gegenüber getakteten (PWM= pulsweiten modulierten) 4Q-Reglern, d.h. die Endstufen erzeugen mehr Wärme als getaktete Regler. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, sind die Endstufen großzügig dimensioniert, so daß diese auch im Dauerkurzschlußfall keinen Schaden nehmen.
Unser bewährtes Design zusammen mit besonders strengen Qualitätsnormen sowie eine 100-prozentige Eingangskontrolle der Leistungshalbleiter garantieren, daß diese Verstärker auch unter erschwerten Bedingungen zuverlässig arbeiten.
Netzgeräte mit linearer Endstufe bieten viele Vorteile: Linearendstufen haben nicht den höchsten Wirkungsgrad. Man erkauft sich jedoch mit dieser sauberen Lösung viele Vorteile, die anders nicht zu erreichen sind. Allein in der heutigen Meßtechnik werden so kleine Signale verarbeitet daß alle Störungsquellen generell völlig unerwünscht sind.
1.) Extrem schnelle Regelung Nahezu verzögerungsfreies Reagieren in Regelkreisen
Hochdynamische Regelungen verlangen unverzögertes Reagieren von Spannungs- und Stromreglern. In diesem hochdynamischen Servosystem mit einem Moving-Coil DC-Motor beschleunigt dieser präzise von Null auf 2000 U/min in nur 2,7ms!
2.) Lineare Regelung Unendliche Auflösung ohne Restwelligkeit: Bild A: Gefiltertes PWM-Signal. Dynamische Regelvorgänge verlangen Endstufen ohne verzögernde Filter am Ausgang. Bild B: Unendliche Auflösung und hohe Präzision kann nur eine linearen Endstufe erfüllen.
3.) Hohe Leistungsbandbreite Standardgeräte Typ. mit 25 kHz Sondergeräte bis 500 kHz
Realtime-Regelungen verlangen eine hohe Leistungsbandbreite, gleichbedeutend mit einer hohen Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Endstufe (Slew-Rate). Foto: Frequenz 55kHz, Slew-Rate +- 20V/µs Ausgang +-30V / 4A
4.) EMV-Störungsfreiheit Keine Impulsstörungen, Oberwellen oder Rauschen im System
Diese linearen Leistungsendstufen arbeiten gleitend und sind daher völlig störungsfrei. Benachbarte Systeme werden nicht mit fremden Signalkomponenten, Impulsnadeln, harmonischen Oberwellen oder Rauschen gestört.
5.) Verzerrungsfreie bipolare Regelung durch Null Somit höchste dynamische Genauigkeit
Die präzise Führung von Strom und Spannung verlangt eine Regelung durch Null ohne Totzone und ohne Totzeit. Im abgebildeten Diagramm gehen Strom und Spannung stetig durch Null.
Im Nullbereich bleibt der Verbraucher somit aktiv geführt.
6.) Kurzschlußfeste Endstufen Vorbildliche Zuverlässigkeit für anspruchsvolle Applikationen
Transistoren mit bis zu dem 8-fachen (!) Verlustleistungsgesamtwert garantieren hohe Zuverlässigkeit der Endstufen. Unser 4-Quadranten-Betrieb verlangt den Kurzschlußfall als Dauerbetrieb.
Übersicht VM-Verstärker: Lineare Leistungs-Operations-Verstärker. Standardversionen mit 10 - 400 Watt Ausgangsleistung Die Leistungs-Operations-Verstärker der VM-Serie sind aufgebaut auf einer Chassisgrundfläche von 170x65mm oder 170x80mm eine Endstufe mit Thermoflansch zur Montage an einen Kühlkörper. Der Dauernennstrom und der Spitzenstrom werden mit den Trimmern P1, P2, P3 und P4 werksseitig eingestellt. Die Spitzenstromdauer wird durch Auswahl der Kondensatoren C5 und C6 werkseitig eingestellt. Abweichende Einstellungen sind nach Absprache möglich, siehe auch Leistungsdiagramme. *Die Eingangsoffsetspannung von ca. 1mV ist durch 25kOhm-Trimmer auf Null abgleichbar.
Die VM- Endstufen enthalten Hochleistungstransistoren im Verlustleistungsgesamtwert x-fachen.
Arbeitstemperaturbereich bei Nennlast -30°C bis +45°C
Maximale Kühlkörpertemperatur bei Nennlast +90°C
Obige Daten gelten, wenn nicht anders angegeben, bei 25 Grad C und Nennanschlußspannungen. Änderungen vorbehalten.
Weitere Vorverstärkermodule: Sonderausführungen sind lieferbar für eine Vielfalt von Anwendungen: Spezielle Differenzeingangsstufen z.B. mit garantierter Drift kleiner 50 nV/°C, mit FET's und Eingangsströmen kleiner 50 pA oder mit größerer Gleichtakt-Eingangsspannung sind möglich. Es sind auch besondere Versionen mit höherer Slew-Rate bis 50 V/µs verfügbar. (nur beim Flansch mit 170 x 80mm)
VM-Serie Beschreibung (Beispiel gilt analog für alle Modelle):
Diese funktionieren statisch und dynamisch. Für kurze Beschleunigungs- und Bremsphasen bei Strombegrenzungsart C kann ein Impulsstrom in zweifacher Höhe für die vorgegebene maximale Zeit von 160 ms fließen. Strombegrenzungsart B lässt einen 3-fachen Spitzenstrom für die Zeit von 40 ms zu.
Danach klingt der Strom wieder auf seinen Nennwert ab. Die Strombegrenzungen werden mit zwei roten Leuchtdioden LED´s angezeigt. Dauer- und Spitzenströme können für beide Polaritäten verschieden eingestellt sein. Andere Werte für Spitzenströme und Zeitdauer sind möglich nach Absprache. Alle Geräte sind, ausreichende Kühlung vorausgesetzt, dauerkurzschlußfest ausgelegt. Die eingestellten Werte für die Strombegrenzung werden bei Auslieferung versiegelt. (Garantie!)
Beschaltungsbild: Auf dem Programmierfeld sind für +- E Plätze für zwei antiparallel geschaltete Schutzdioden 1N4148 nach Masse ME vorgesehen. Bei invertierenden Schaltungen liegt die steuernde Eingangsspannung an E- fast auf Nullpotential. Beide Dioden begrenzen die Eingangsspannung auf ca. +- 600 mV. Wichtig bei auftretenden Störspannungen im Sollwerteingang! Die Gleichtakt-Eingangsspannung (UE+ und UE-) sollte niemals den Bereich von +-11 V überschreiten, da sonst mit unerwünschten Effekten zu rechnen ist.
Ausgangssicherung über Ausgang A: Es besteht die Möglichkeit, den Verstärker über den Ausgang A zusätzlich zur elektronischen Strombegrenzung mit einer Ausgangssicherung (Feinsicherung der Größe 5 x 2O mm) auszurüsten. Diese Sicherung kann eine beliebige Charakteristik haben und somit nach Kundenvorstellung eine empfindliche Last vor Überlastung und Schaden bewahren. Bei den ersten Inbetriebnahmen kann eine solche Sicherung vorübergehend auch extern in Serie geschaltet werden.
Lineare Verstärker arbeiten schnell und sind völlig störungsfrei. Die Ausgangsspannung enthält keine fremden Signalkomponenten, Impulsnadeln, Harmonische oder Rauschen.
VM50/24 Inbetriebnahme (Beispiel gilt analog für alle Modelle)
Anschluß, Inbetriebnahme und Überprüfung der Funktion am Beispiel von VM50/24
Gerät mit auf den Lötgabeln aufgelöteter Beschaltung an das externe Netzteil anschließen. (Z-Eingang auf +24V oder UB+). Es leuchten zwei grüne +-35VDC LEDs auf der Verstärkerplatine auf. Ist dies nicht der Fall, so sind die Sicherungen zu kontrollieren. Bei ersten Versuchen und Experimenten ist es ratsam, einen 230V-Regeltrafo zum langsamen Hochregeln der Netzspannung zu verwenden. Der Verstärker arbeitet bereits ab 1/2 der Netzspannung in allen Funktionen.
Spannungssteuerung: Wird die Beschaltung zunächst für Prüfzwecke proportional gewählt (invertierend oder nichtinvertierend), so kann je nach gewählter Verstärkung mit einer entsprechenden bipolaren Steuerspannung der Verstärker angesteuert werden und die Ausgangsspannung mit einem Oszillographen überprüft werden. Die Beträge von Ein- und Ausgangsspannung müssen von Null bis zur +-Vollaussteuerung streng proportional sein. Unbelastet beträgt die max. Ausgangsspannung ca. +-35V, bei Belastung mit +-2 A ca. +-25V. Wird dem Ausgang dauerhaft mehr als +-2 A entnommen, so wird die Strombegrenzung die Ausgangsspannung je nach Last bis auf Null reduzieren.
Strombegrenzung: Sichert die Last und den Verstärker vor unzulässiger Überbelastung. Die entsprechenden Trimmer sind ab Werk eingestellt, versiegelt und dürfen nicht verändert werden (Garantie!). Eingebaute Leistungsreserven sind für Sicherheit und lange Lebensdauer notwendig und dürfen nicht vom Anwender nach Belieben ausgenützt werden. Bei Type A begrenzt die Endstufe sofort auf den maximalen Dauerwert +-2A, bei Type B wird der Strom beim 3-fachen Wert begrenzt und klingt nach 40ms Zeitkonstante auf den Nennwert ab, bei Type C kann die Ausgangsstufe über 160 ms den 2-fachen Wert liefern.
Offseteinstellung: Nachdem die endgültige Beschaltung optimiert wurde, sollte als letztes eine Offseteinstellung vorgenommen werden. Dies sollte nach ca. 15 Minuten Einschaltdauer geschehen. Nach Definition ergibt ein Operationsverstärker die Ausgangsspannung Null bei Eingangsspannung Null.
Die durch die Eingangsruheströme an Beschaltungswiderständen erzeugten Spannungen, sowie die verstärkereigene Offsetspannung, können mit dem Offsettrimmer intern kompensiert werden, so daß die Ausgangsspannung zu Null wird, wenn die beschalteten Eingänge an Eingangsmasse gelegt werden. Bei PI-Beschaltung muß der Rückführkondensator mit einem hochohmigen Widerstand überbrückt werden, damit die Offseteinstellung erleichtert oder überhaupt ermöglicht wird. In der Standardausführung liegt der Offseteinstellbereich bezogen auf den Eingang E+/E- bei maximal
+-1mV.
Verstärkungseinstellung: Zur Einstellung der P- oder PI-Verstärkung kann auf dem Beschaltungsfeld ein Trimmer (PA) eingelötet werden. Dies ist sehr hilfreich bei der Optimierung der Verstärkung im Servoregler zwischen zu hoher Verstärkung (Schwingneigung, steife Welle) und zu kleiner Verstärkung (große Laufruhe, aber nachgiebige Welle). Verlustleistung am Trimmer beachten!
HF-Kompensation: Ist der Verstärker überhaupt nicht oder nicht richtig kompensiert, so kann die Ausgangsspannung mit einer hochfrequenten Schwingung überlagert sein. Dies geschieht speziell bei kleinen Verstärkungen und muß vermieden werden, wenn der Verstärker programmgerecht arbeiten soll. Die entsprechenden Kompensationshinweise sind zu beachten.
VM-Reihe - Überwachungsfunktion UB-OK
Vorschlag möglicher UND-Verknüpfungen / Auf der Platine ist eine Unterspannungsüberwachung (UB-OK) integriert / ENA = Enable = FG(Freigabe) / RDY = Ready = UB-OK
Daten vom Optokopplerausgang UB-OK:
Maximaler Durchlaßstrom 20 mA
Maximale Sperrspannung 55 V
Maximale Verlustleistung 100 mW
ENA= Enable/Z-Eingang/ FG/Freigabe Die Endstufe wird aktiviert durch Anlegen einer +24V-Steuerspannung an ENA gegen Masse ME. Die Schaltschwelle liegt bei ca. +9 V. Die Endstufe wird mit einer Z-Spannung Uz = 0 stromlos geschaltet (Tristate-Zustand am Ausgang = hochohmig). Bei einem Servo kann man auf diese Weise die Welle frei durchdrehbar machen, z.B. zum Einrichten.
UB-OK: Unterspannungsüberwachung: Sinkt eine der beiden Hauptversorgungsspannungen UB+ oder UB- unter ca. 60%, unterbricht der Optokoppler zwischen RDY+ und RDY-. Der potentialfreie Optokopplerkontakt (NPN-Ausgang) RDY kann mit dem Z-Eingang in Reihe geschaltet werden ( Ver-UND-en). Diese Kontakte/Ausgänge sind im Rahmen der obigen technischen Daten frei beschaltbar. Für spannungssteuernde Verarbeitung müssen externe Pull-Up oder Pull-Down Widerstände vorhanden sein, wie z.B. in SPS-Steuerungen. Bitte Optokoppler-Maximaldaten beachten.
Ausgangsstrom-Begrenzungen (serienmäßig): Diese funktionieren statisch und dynamisch. Für kurze Beschleunigungs- und Bremsphasen kann Strombegrenzungsart C ein Impulsstrom in zweifacher Höhe für die vorgegebene maximale Zeit von 160ms fließen. Die Strombegrenzungsart B läßt einen 3-fachen Spitzenstrom für die Dauer von 40ms zu. Danach klingt der Strom wieder auf seinen Nennwert ab.
Die Strombegrenzungen werden mit zwei roten Leuchtdioden LED I+ und LED I- angezeigt. Dauer- und Spitzenströme können für beide Polaritäten verschieden eingestellt sein. Andere Werte für Spitzenströme und Zeitdauer sind möglich. Alle Geräte sind, ausreichende Kühlung vorausgesetzt,
dauerkurzschlußfest ausgelegt.
VM260 Auf Kühlkörper mit hermetischen Transistoren.
Anwendungs Praxisbeispiel: VM260/60 ist ein Leistungsverstärker mit Ausgang +-50V gegen Masse und Dauerausgangsstrom von +- 5A. Andere Ströme und Spannungen auf Anfrage. Auch erhältlich als unipolare Version mit +10A bei +50V. Die Endstufe wurde mit hermetischen Metalltransistoren bestückt, speziell für rauhe Umweltbedingungen, wie z.B. Salzwasser oder für Tropentauglichkeit, usw. Zur Kühlung wird der Verstärker gegen einen Kühlkörper, eine Gehäusewand, oder in ein hermetisches Gehäuse angeflanscht. Die technischen Daten und die Beschaltung entsprechen weitgehend der VM-Serie. Ein detailliertes technisches Datenblatt kann gesondert angefordert werden.
VM 50 - 100 - 200/24 Neue Version (mit bisherigem Lochbild)
Neue Ausführung mit verbesserter Endstufe im Flansch kompatibel zur Originalversion. Diese neuen Endstufen verwenden robuste Feldeffekttransistoren mit sehr großer Safe Operating Area. Die Servoverstärker in Schleif- und Zahnradmeßmaschinen von Baujahr 1982 bis 1997 sollten im Störungsfall mit diesen neuen Verstärkern bestückt werden.
Passende bipolare Netzteile für VM-Serie und DCE-Europakartenverstärker werden in einem separaten PDF behandelt.
Anwendungen
Bipolare Stromquelle: zum Einprägen eines Stromes auf alle Lasten, auch komplexe. Der Quellenwiderstand des Ausgangs ist praktisch unendlich, d.h. die Spannungen an einer komplexen Last z.B. einer EMK, L x di/dt und i x R werden allesamt unabhängig von ihrem Augenblickswert mit dem eingeprägten Strom durchflossen. Insbesondere Resonanzmessungen durch Frequenz-Wobbeln lassen sich mit solchen Stromquellen höchster Güte nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ genau durchführen.
Kombinierte Servosysteme: durch gleichzeitige oder umgeschaltete Funktionen von Drehzahlregler und Drehmomentregler. Damit lassen sich z.B. für das Anfahren mit definierter Anpreßkraft gegen einen Anschlag (Schleifwerkzeuge) oder einen Abrichtdiamanten mit definiertem Moment positionieren. In anderen Applikationen werden kombinierte Spannungs-/Stromsteuerungen durchgeführt, um bestimmte Effekte zu erzielen.
Servo-Drehzahlregelungen: Mit DC-Tachometer mit typischen Regelverhältnis 10.000: 1. In dieser Schaltung zeigen diese Verstärker ihre besonderen Qualitäten deutlich. Aufgrund der sehr hohen internen Verstärkung ist die Regelgüte ebenfalls sehr hoch und die Wellensteifigkeit gegen Störmomente, für viele überraschend, außergewöhnlich gut. Aus diesem Grunde können bestehende Aufgaben auch mit kleineren Motoren optimal gelöst werden.
Servoregelungen ohne Tacho: Nur mit IxR-Kompensation. Regelverhältnisse von ca. 100:1 lassen sich praktisch nur mit DC-Motoren verwirklichen, die über eine sehr gute Bürstenkommutierung verfügen. Nur für unkritische Fälle geeignet. Wir empfehlen solche Schaltungen nicht.
Geradeausverstärkung als bipolarer Spannungsregler mit linearem oder besonders gewähltem Frequenzgang. Der interne Ausgangswiderstand / Quellwiderstand ist praktisch Null bzw. praktisch nicht mehr meßbar. Dies ist dann wichtig, wenn bei genauen Leistungsmessungen (z. B. Leistungs-Löschglieder in Lokomotiven) eine Quelle mit praktisch Null Ohm vorausgesetzt wird. Mit steigender Frequenz wird der Quellwiderstand am Ausgang zunehmend größer. In der Praxis darf man schon mit Null-Ohm Ausgangsimpedanz rechnen.
Hochdynamisches Positionieren: mit hochwertigen Potentiometern und hochdynamischen Motoren. Mit einfachsten Mitteln lassen sich auf diese Weise hochgenaue und superschnelle Positionierungen realisieren. In einem Kreis wäre es z.B. möglich, 100 Positionen in der Zeit von 1 Sekunde nicht nur anzusteuern, sondern auch mit der erforderlichen Genauigkeit, d.h. inklusive Ausschwingen des Bewegungssystems zu positionieren. Bitte Info anfordern. Weniger spektakuläre Lösungen mit hervorragender Funktion lassen sich auch mit preiswerten Komponenten erreichen. Eine ganze Reihe von Potentiometern arbeiten heute sogar kontaktlos mit brauchbarer Genauigkeit.
Drehzahlregelung von hochdynamischen DC-Servomotoren mit DC-Tachometer: Winkelbeschleunigungen bis zu 200.000 rad/sec2, entsprechend 2.000 U/min in 1 Millisekunde. Bis 10 Nm Impulsmoment. Start-Stop Betrieb mit einem leisen Klick. Solche extremen Geschwindigkeitsänderungen erfolgen sogar aperiodisch, d.h. ohne Überschwingen.
Beispiel einer Spezialanwendung Zugkraftregelung von 28 Achsen: Laboratorium Dr. Blum, Stuttgart: Textilprüfung mit BIAX Streckrahmen. Faserverbundstoffe, beschichtete Gewebe, Folien und hochwertige Textilien werden in diesem Prüfrahmen 2-achsig auf Zugdehnung geprüft. Hierbei ist die Verteilung der Zugkräfte besonders wichtig, um einen homogenen anisotropen Spannungszustand zu erreichen. Verstärker, Motor, Getriebe und Spindel erzeugen pro Aktuator 20kN Zugkraft, insgesamt 140kN pro Seite. Die Verstärker sind als Drehzahlregler dem Zugkraft-Regelkreis unterlagert.
Weltweiter Einsatz dieser High-Tech-Materialien bei Überdachungen, Flugzeugbau und hochfesten Schalenelementen. Dieses Projekt wurde von der EU gefördert. Textilprobe im Einbauzustand nach der Fixierung. Schaltschrank mit angeflanschten DC-Servoverstärkern. Die Beschaltung wurde für ein sanftes Einfahren als Geschwindigkeitsservo gewählt. Die erforderliche Genauigkeit und Störungsfreiheit konnten unsere Linearverstärker erfüllen. Textilprobe im gespannten Zustand. 28 Stück VM50/24C (+-24V bei 2A) werden gemeinsam an einem Großkühlkörper an der Schrankwand gekühlt.
Vollständige Dokumentation als PDF
