Wissenswertes

Lineare 4-Quadranten-Verstärker

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Technik

 

1)  Verlustleistungsbetrachtung

a)   Für reale Lasten

Schnelle, linear geregelte Leistungsverstärker müssen am Lade-C die max. benötigte Spannung vorhalten, womit sich bei geringer Aussteuerung eine hohe Verlustleistung ergibt. ( Lade-C-Spannung — Lastspannung ) x Ausgangsstrom = Verlustleistung.

Mit umschaltbaren Leistungsbereichen lässt sich die Verlustleistung, entsprechend der Reduzierung der Lade-C Spannung, reduzieren.

 

b)   Für induktive Lasten, z.B. cosφ 0,1

Hierbei ist die benötigte Spannung des Verstärkers vom L und von der Frequenz abhängig:  U = L x di/dt   bzw.  U = L x Ω.

Da es sich um praktisch eine reine Blindlast handelt, muss der Verstärker das Produkt der Lade-C Spannung x Strom in Verlustleistung umsetzen. Der Verstärker muss dafür 100% verlustleistungsfähig sein. Dies beeinflusst den Preis und wird deshalb bei Geräten oft nicht angegeben.

 

 

2)  Hohe Spannungen / hohe Ströme?

Um die ohnehin hohen Verluste eines linear geregelten Leistungsverstärkers in möglichst engen Grenzen zu halten, sollte der maximale Spannungshub auf die Anwendung abgestimmt sein. Um ein breites Anwendungsspektrum abzudecken, empfehlen wir umschaltbare Verstärker.

Schwieriger kann es bei induktiven Lasten werden. Um ein magnetisches Feld schnell verändern zu können wird eine entsprechend hohe Spannung benötigt, die allerdings eine hohe Verlustleistung nach sich zieht. Ein typisches Beispiel ist das Wobbeln einer Helmholtzspule von einigen 100Hz bis 170kHz, um z.B. die Anforderungen einiger Automotivanwendungen zu erfüllen. Hier bietet HERO®power Konzepte an, die ohne Umschaltung automatisiert werden können und mit Erfolg eingesetzt werden.

 

 

Das HERO®power Team steht Ihnen mit seiner über 45-jährigen Erfahrung zur Verfügung und berät Sie gerne.

 

 

 

Wofür soll man sich entscheiden:

 

 

Eigenschaften idealer linear-geregelter Verstärker:

  • Alleinstellung:  Einsetzbar für arbiträre, d.h. beliebige Kurvenformen
  • Für alle erdenklichen Lasten anpassbar
  • Exakte Nulldurchgänge
  • Geringste Restwelligkeit
  • Frequenzbereich: DC bis MHz
  • Einsatzgebiete:

Präzisions-Prüf- und Messgeräte sowie -Anlagen:

– Kalibrieraufgaben: z.B. 400Aeff / 100kHz / 1x10^-4

– Ablenksysteme: z.B. Teilchenbeschleuniger wie Cosy ll; Cooler Synchrotron-Bessy; Desy

– Netzsimulation

– Materialeigenschaften

– Magnet- und Piezosysteme; z.B. Steuerung von Hilfsflaps von Rotorblättern

Automotive:

– Magnet- und Piezoventile

– 6-phasige Lenksysteme

– Linetests von 5-phasigen Gleichrichtern mit 1000A

– Batterietests z.B. 1500A  Entladung in 1msec

– Resonanzermittlung von Antennen

Tests von Übertragern mit cosφ  gegen 0

Dauerverlustleistung bis >100% der Nennleistung

 

 

Eigenschaften getakteter Verstärker:

  • Negativ:

– Signalreinheit
– Schaltspitzen
– Verzerrungen im Nulldurchgang

  • Frequenzbereich:  DC / AC bis kHz
  • Positiv:  Hoher Wirkungsgrad = geringe Verlustleistung
  • Einsatzgebiete:  Anwendungen, bei denen die Störungen unkritisch sind, bzw. die Störungen durch Filterung oder
                              induktive Lasten tolerierbar.

 

Welche Anforderungen soll / muss der Verstärker erfüllen?

 

 

A) Leistungsanforderungen?

Bei stark unterschiedlichen Leistungsdaten sollte man an Verstärker mit umschaltbaren Leistungsbereichen denken.

 

B) Regelcharakteristik:

1. Soll die Ausgangspannung des Verstärkers (UOUT-Betrieb),

2.oder der Ausgangsstrom ( IOUT-Betrieb ) eine Funktion der Steuerspannung sein?

3. Oder soll die Regelcharakteristik umschaltbar sein?

 

C) Dynamik: Anstiegszeit (risetime):

Leistungsbandbreite mit Angabe der Lastbedingungen und der Dämpfung: z.B. –3dB-Punkt

 

D) Eingangskopplung:

DC ? oder  AC ?  Oder umschaltbar,  oder 2 addierende Eingänge,
1x DC-Kopplung und 1x AC-Kopplung.

 

E) Nullpunktverschiebung? Wieviel % ?

 

F) Verstärkungsumschaltung

a) Erhöhung: Um eine höhere Auflösung zur erhalten.

b) Dämpfung. Um bei geringen Aussteureurungen den Funktionsgenerator mit hohem Pegel auszusteuern, dies reduziert den Störeinfluss des Generators, der ca. 20dB höher ist als der des Verstärkers.

 

G) Ausgangspannungsbereich  von...bis

Angabe in ±V oder 0-Spitze, oder Spitze-Spitze, oder eff/rms;
was gilt für DC-Anwendungen?

 

H) Ausführungsvarianten:

– symmetrische 4-Quadrantenverstärker,

– asymmetrische 4-Quadrantenverstärker,

– unipolare 4-Quadrantenverstärker (z. B. für Batterietests)

 

I)  Welche Regelungcharakteristik soll ich wählen?  UOUT oder IOUT ?

Soll die Ausgangspannung des Verstärkers ( VOUT / UOUT-Betrieb ), oder der Ausgangsstrom (COUT / IOUT-Betrieb) eine Funktion der Steuerspannung sein? Oder soll die Regelcharakteristik umschaltbar sein?

Folgendes ist zu bedenken: Die Aussage, dass für induktive Lasten der IOUT-Verstärker vorzuziehen sei, kann man nicht so einfach in den Raum stellen. Vielmehr hängt es:

1. Vom Steuersignal, von den Verstärkereigenschaften und der Last ab.

Sobald das Steuersignal digital erzeugt wird, wie bei den handelsüblichen Funktionsgeneratoren, ist das Steuersignal treppenartig mit  du/dt gegen unendlich. Folglich wird vom Verstärker verlangt, dass auch sein Ausgang treppenartig ist. Im Strombetrieb würde dies bedeuten, dass die Ausgangsspannung gegen unendlich, also in die Sättigung gehen muss. Der Verstärker wird unweigerlich schwingen. Abhilfe schafft ein passives Eingangsfilter.

2. Bei großen Induktivitäten kann es bereits bei 60kHz zu Schwingungen im Zusammenhang mit den Eigenkapazität des Verstärkers im Strombetrieb kommen. Abhilfe kann nur über den Spannungsbetrieb mit einer entsprechenden Steuerfunktion erfolgen.

 

J)  Dynamik / Frequenzbereich

Hierbei gibt es sehr unterschiedliche Angaben. Es gibt Hersteller, die als Grenzfrequenz praktisch den unbelasteten Betrieb angeben und berufen sich auf Definitionen aus der Übertragungstechnik, wo man bekannterweise mit  mW (Milliwatt!) arbeitet. Dies hat überhaupt nichts auf dem Gebiet der Leistungselektronik zu suchen. In der Regeltechnik und Leistungselektronik wird klar definiert: Nennlast / Aussteuergrad z.B.: 100% oder Teillast xx %. Hier ist eine Angabe der Leistungsbandbreite – auf  mW  bezogen – reine Täuschung.

 

K)  Sicherheitseinrichtungen:

Wir bieten 4 Konzepte an:

1)   Standardausführung mit Stoppfunktionen und Quittierung zur Wiedereinschaltung;

2)   Ausführung mit Stoppfunktionen, sowie Primärabschaltung des Leistungspfades und Quittierung zur Wiedereinschaltung;

3)   Ausführung mit Stoppfunktionen, sowie Primärabschaltung des Leistungspfades und der Steuerung. Zur Wiedereinschaltung ist eine Hilfsversorgung mit sehr geringer Leistung implementiert. Quittierung und Wiedereinschaltung von Remote möglich;

4)   Ausführung wie 3), jedoch totale Abschaltung ohne Hilfsspannung zur Remoteeinschaltung. Die Wiedereinschaltung muss vor Ort händisch erfolgen.

 

L)  Spannungs- und/oder Strombegrenzung einstellbar / steuerbar

 

M)  Was soll bei Übersteuerung bzw. Überlast geschehen?

Signalisierung mit / ohne Abschaltung; Rückregelung in einen stabilen Zustand und Signalisierung?

 

N)  Es sind mit Sicherheit noch diverse Fragen in Zusammenhang mit der Applikation zu klären.

 

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