Lektion10 - Nano

Elektronisch
messen, steuern, regeln
Aktuatoren:
Mechanische Antriebe
Motoren
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Magnetische Kräfte
Die Lorentz-Kraft auf einen
stromdurchflossenen Leiter
im Magnetfeld wird:

 
FL   I  B  dl
L
(L = Leiterlänge, I = Strom, B
= Stärke des Magnetfeldes)
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2
Magnetische Kräfte 2
Auf ferromagnetische Teile
werden im inhomogenen
Magnetfeld eines Permanentoder eines Elektro-Magneten
Kräfte ausgeübt.
Werden diese Teile durch die
Kräfte bewegt, so kann das
Magnetfeld durch kleineren
magnetischen Widerstand selbst
auch noch verstärkt werden.
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Relais
Umschalt-Kontakte
bewegliche
Eisenwippe
Eisen
Eisenkern
Kupferwicklung
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Wird die Kupferwicklung von
einem Strom durchflossen, so
wird die Eisenwippe an den Kern
gezogen. Durch den geringeren
Luftspalt wird das Magnetfeld
zusätzlich noch grösser.
Beim Ausschalten lässt die
Federkraft der mittleren
Kontaktlamelle die Wippe wieder
in die Ruhestellung zurückfallen.
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Zugmagnete
Wird die Kupferwicklung von
einem Strom durchflossen, so
wird die Eisenscheibe an den
Kern gezogen. Durch den
geringeren Luftspalt wird das
Magnetfeld zusätzlich noch
grösser.
Beim Ausschalten lässt die
Federkraft die Scheibe wieder in
die Ruhestellung zurückfallen.
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5
Ventile
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Ansteuerung
Um die relativ hohen Ströme (bis
1A) schalten zu können,
verwendet man
Schalttransistoren.
+24V
Relais,
Ventil,
Magnet
FreischaltDiode
Logik-Signal
Beim Ausschalten möchte die
Induktivität der Spule den Strom
erhalten. Durch Selbstinduktion
würden am Kollektor des
Transistors so hohe Spannungen
entstehen, dass der Transistor
zerstört würde.
Die Freischaltdiode verhindert die
Zerstörung des Transistors
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Kompensationswaage
Beim Lautsprecher wird die Spule
im Magnetfeld von
Wechselströmen durchflossen
und damit die Membrane bewegt.
Bei der Kompensationswaage
wird nach Auflegen des
Gewichtes ein Gleichstrom durch
die Spule im Magnetfeld solange
erhöht, bis sich der Waagenteller
wieder an genau derselben
Position befindet, wie ohne
aufgelegtes Gewicht.
Der Strom ist dann genau
proportional zur Gewichtskraft.
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Gleichstrom-Motor
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Prinzip des Gleichstrommotors
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10
Gleichstrom-Motoren
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Bürstenlose Motoren
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12
Planetengetriebe
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Leerlaufdrehzahl des
Gleichstrommotors
Leerlaufdrehzahl [rpm]
10000
8000
6000
4000
2000
0
-2000
-4000
-6000
-8000
-10000
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Spannung [V]
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Belastungs-Charakteristik
des Gleichstrommotors
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Drehzahl
Strom
Abgabeleistung
Wirkungsgrad
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Drehmoment (normiert)
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Schritt-Motor
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Prinzip des Schrittmotors
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Schrittmotoren
Permanentmagnet
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S
N
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Ansteuerung
Strom
in
Spule 1
Zeit
Bewegungsrichtung und Zeitpunkt
des nächsten Schrittes können
beliebig gewählt werden.
Strom
in
Spule 2
Zeit
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Die beiden Spulen des
Schrittmotors können mit
beliebigen Sequenzen mit Strom
versorgt werden.
Dadurch lassen sich absolute
Winkelpositionen kontrollieren!
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Ansteuerung 2
Die beiden UND-Tore sind
eingefügt, dass die Schalter A und
B (oder C und D) nicht gleichzeitig
eingeschaltet werden können. Sie
verhindern einen Kurzschluss
zwischen +Speisung und 0V.
+Speisung
A
C
B
D
X=0
X=1
Y=0
Y=1
Spule des Motors
kurzgeschlossen
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Die Schalter sind mit Transistoren
realisiert, meist kommen
Leistungs-Metall-OxydSemiconductor-FeldeffektTransistoren (PowerMOSFET) zur
Anwendung.
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Piezo-elektrische Antriebe
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Piezo-elektrischer Effekt
Ferroelektrische Materialien z.B.
BaTiO3, Bleizirkonat, Bleititanat sind
ohne Polarisation isotrop.
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Durch die Polarisation (= erwärmen,
abkühlen mit angelegtem el.Feld unter
die Curie-Temperatur) wird das Material
anisotrop und piezo-elektrisch.
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Einfache piezo-elektrische
Aktuatoren
Polarisation
+
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+
Wird das elektrische Feld parallel
zur Polariation angelegt, so wird
deren Wirkung noch verstärkt, der
Stab wird länger und dünner.
Wird das elektrische Feld
antiparallel zur Polariation
angelegt, so wird deren Wirkung
noch vermindert, der Stab wird
kürzer und dicker.
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Piezostacks
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Nichtlinearität / Hysterese
Position [um]
10
0
0
100
200
300
400
Spannung [V]
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Bimorph Piezo‘s
Polarisierung =
Polarisierung =
Spannung
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Bimorphe Piezo-Aktuatoren
bestehen aus zwei Schichten mit
entgegengesetzter Polarisation.
Beim Anlegen einer Spannung
dehnt sich eine Schicht aus, die
andere zieht sich zusammen.
Damit verbiegt sich der Piezo.
Mit der Verbiegung des Piezo
können relativ grosse
Auslenkungen erreicht werden.
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Piezo-Röhrchen
Piezo-elektrisches
Röhrchen
Polarisation
Wird der Piezo als Röhrchen
geformt und die äussere MetallElektrode in 4 Segmente unterteilt,
so lassen sich Bewegungen in 3
orthogonalen Richtungen ausführen.
Die innere Elektrode sei 0V.
MetallElektrode
Innen
4 Metall-Elektroden
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Bei gleicher Spannung auf allen
Segmenten kann die Länge des
Röhrchens verändert werden.
Werden an gegenüberliegenden
Elektroden Spannungen gleicher
Grösse, aber umgekehrtem
Vorzeichen angelegt, so verbiegt
sich das Röhrchen in dieser
Richtung (analog zum Bimorph).
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Z-Bewegung
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X-Bewegung
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Y-Bewegung
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Trägheitsmotor
Die vier Bimorph-Piezo‘s werden
durch die angelegte Spannung
gebogen. Die Masse wird mit dem
Anwachsen der Spannung linear
nach rechts bewegt.
Beim Zurückspringen der
sägezahnförmigen Spannung
kann die träge Masse der
plötzlichen Bewegung nicht
folgen.
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Drehstrom Asynchron-Motor
Rotierendes
Feld
Imrotierendes
Rotor werden
FeldSpannung
konstanterund
Amplitude
Strom
Magnetfeld
induziert.
bei 30
0 °°
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
-0.2
-0.4
Rotor
-0.6
Eisenkern
-0.8
Der
Feld zu folgen.
PoleRotor
undversucht
Spulendem
120rotierenden
°
-1.0
versetzt
-1.2
Wenn der Rotor gleich schnell dreht wie das rotierende Magnetfeld
konstanter Amplitude, kann nichts mehr induziert werden, deshalb stellt
sich die Drehzahl des Rotor leicht tiefer ein als diejenige des Feldes.
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