Elektronik für Fluidtechniker Vorwort

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1 Elektronik für Fluidtechniker Vorwort Der Vormarsch der Elektronik in allen Bereichen der Antriebstechnik zwingt auch den Fluidtechniker dazu, sich mit diesem Teil der Technik auseinanderzusetzen. Oder will er dieses Feld dem Elektroantrieb überlassen? Dieser Lehrgang will einige Grundkenntnisse aus dem Gebiet der Elektronik vermitteln, wie sie dem Anwender zur Steuerung und Regelung von Antrieben geläufig sein sollten. Sicherlich ist Vielen der im Lehrgang behandelte Stoff zumindest teilweise bekannt; trotzdem werden hier die Grundlagen aus der Sicht der praktischen Anwendung noch einmal dargestellt. Es gibt eine Unmenge an Literatur über die industrielle Elektronik, die aber meist nicht für Maschinenbauer geschrieben wurde. Da es nur Wenigen möglich ist, sich durch dieses Dickicht hindurchzuarbeiten, um sich die für den Fluidtechniker relevanten Kenntnisse anzueignen, soll mit den folgenden Beiträgen bereits eine Auswahl getroffen werden. Die Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik, die sich mit dem Einsatz von Bauelementen beschäftigt, die nicht wie Metall (Silber, Kupfer, Konstanten usw.) eindeutige Leitfähigkeit besitzen, sondern deren Leitfähigkeit je nach Betriebszustand stark veränderbar ist, z. B. die sog. Halbleiter. Um Mißverständnisse zu vermeiden, muß ergänzt werden, daß die Halbleiter und deren vielfältige Anwendungen zwar einen wesentlichen Teil des Fachgebietes Elektronik darstellen, daß aber damit dieses Gebiet noch nicht ausreichend charakterisiert ist. Die Halbleiter-Bauelemente haben, je nachdem für welche Aufgabe sie entwickelt wurden, sehr unterschiedliche Eigenschaften. Außer den sog. diskreten Halbleiter-Bauelementen (Diode, Transistor, Thyristor usw.) werden komplette Schaltungen mit einer abgeschlossenen Funktion, z. B. Gatter, Zähler, Spannungsregler, Operationsverstärker u. a. m. als»black box«verwendet. Diese Integrierten Schaltungen (abgekürzt IC's) werden in einer so großen Vielfalt angeboten, daß es für den Steuerungstechniker nahezu entmutigend ist, nach Abschluß seiner Enwicklungsarbeit feststellen zu müssen, daß er eigentlich wieder neu anfangen müßte, weil neue integrierte Schaltkreise auf dem Markt angeboten werden, die seine Schaltung vereinfachen bzw. verbilligen könnten. Aber auch hier gilt das Sprichwort von dem»spatz in der Hand...«In dem Abschnitt über die Halbleiter-Bauelemente und Integrierten Schaltungen wird nur der für die Fluidtechnik wichtige Teil behandelt. Außer den Bauelementen werden im Abschnitt 2 typische Grundschaltungen erklärt. Damit wird die Voraussetzung gegeben, die Funktion einer Schaltung überprüfen zu können. Wie hilflos wäre der Elektroniker, wenn ihm nur seine fünf Sinne zur Beurteilung der Funktion einer Schaltung zur Verfügung stünden. Hier ist nur mit Hilfe komplizierter Meßgeräte eine Sichtbarmachung der Vorgänge in einer Schaltung möglich. Aber der Umgang mit diesen Meßgeräten erfordert auch entsprechende Kenntnisse. Um Meßfehler zu vermeiden, wird dem Umgang mit Meßgeräten ein eigener Abschnitt gewidmet. Die Antriebstechnik tendiert mehr und mehr dazu, die Steuerkette zu verlassen und Regelkreise einzuführen, sei es, weil die erreichbare Reproduzierbarkeit der Steuerkette nicht ausreicht oder der Regelkreis den Einsatz einfacher, preiswerter Stellglieder ermöglicht. Zur Realisierung elektrischer Regelkreise werden Meßwertaufnehmer benötigt, die einen Weg, eine Geschwindigkeit oder einen Druck in ein elektrisches Signal umformen können. Wichtige Meßwertaufnehmer und Auswerteschaltungen werden im Abschnitt 4 behandelt. Die Umwandlung eines elektrischen Signals in eine mechanische Stellgröße, wie sie bei schaltenden und stetig verstellbaren Ventilen üblich ist, gehört nicht zur Elektronik. Sie soll deshalb auch nur im Zusammenwirken mit der Elektronik im Abschnitt 5 erläutert

2 werden. Die beiden letzten Abschnitte mögen dem Projekteur elektrohydraulischer Antriebe eine Hilfestellung geben. Dieser Lehrgang ist kein Standardwerk. Andere Fachleute mit viel größerem Wissen und Geschick als wir es besitzen, haben umfangreiche Bücher geschrieben, die man für umfassende und detaillierte Studien benutzen kann. Wir sahen vielmehr unsere Aufgabe darin, das Interesse des Lesers zu wecken und die»elektronik in der Fluidtechnik«als vereinfachtes Ganzes ohne mehr Einzelheiten als notwendig darzustellen. 1. Grundlagen der Elektronik 1.1. Auch die elektronische Schaltung ist den bekannten Gesetzen der Elektrizitätslehre unterworfen. Es werden Spannungen und Ströme geteilt, addiert, subtrahiert, integriert, differenziert. Die für die fluidische Antriebstechnik verwendeten elektronischen Schaltungen werden überwiegend mit Gleichspannung betrieben und sind im Vergleich zur Nachrichten- oder Com'puter-Technik ausgesprochen langsame Schaltungen. Dadurch sind sie leichter zu realisieren und zu verstehen. Hierbei ist es z. B. möglich, einen Widerstand als idealen Widerstand ohne Induktivität und einen Kondensator als idealen Kondensator ohne Widerstand und Induktivität anzusehen. Der Widerstand ist innerhalb eines Stromkreises eine Engstelle, so wie die Drosselstelle in einer Fluid-Leitung (Bild 1.1.1). Spannungsteilung (Bild 1.1.2) Eine konstante Versorgungsspannung wird durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände auf eine niedrigere Spannung heruntergeteilt oder ein Schleifkontakt am Widerstand greift die gewünschte Spannung am Widerstand ab.

3 Strombegrenzung (Bild 1.1.3) Häufig ist die Belastbarkeit des Eingangswiderstandes Ri einer Schaltung gering. Um den Strom zu begrenzen, wird ein Widerstand R entsprechender Größe in den Strompfad ge schaltet Die Größe des Widerstandes R ist proportional der Länge L und umgekehrt proportional dem Querschnitt A. Dabei hat die Form des Querschnittes, ob rund oder rechteckig, keinen Einfluß. Ein hydraulischer Widerstand wird dagegen ganz wesentlich von der Querschnittsform beeinflußt. Der spezifische Widerstand des verwendeten Materials (Metall und Kohle) ist die dritte bestimmende Größe. Sie ist näherungsweise vergleichbar mit der dynamischen Zähigkeit des strömenden Mediums. Der Widerstand ändert seinen Wert nicht mit der Größe des Stromes im Gegensatz zur Drosselstelle einer Rohrleitung. In einem metallischen Leiter ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen bewegen, konstant, nur die Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit den Leitungsquerschnitt passieren, bestimmt die Größe des Stromes. Die Widerstände in elektrischen Schaltungen haben verschiedenartige Aufgaben: Stromsummierung (Bild 1.1.4) Häufig besteht die Aufgabe, die Summe verschiedener Spannungen, die aus einer gemeinsamen Spannungsquelle abgeleitet sind, zu bilden (z. B. Soll-Istvergleich). Die Spannungen werden durch die Widerstände Rei, Reg, Re3 in Ströme umgewandelt, die den Summenstrom I ergeben. Häufig erhalten die Widerstände den gleichen Wert R, so daß

4 ergibt. Wie aus diesem Strom die Summenspannung gebildet wird, soll später erläutert werden. Belastungswiderstand (Bild 1.1.5) In elektrischen Schaltungen werden Widerstände so dimensioniert, daß möglichst geringe Verluste entstehen. Die Wärmeentwicklung an Widerständen ist also unerwünscht. Der Steuerungstechniker ist bemüht alle Widerstandswerte groß zu dimensionieren, um die Stromaufnahme der gesamten Schaltung gering zu halten. Dies führt bei den Eingängen einer Schaltung, die mit der Peripherie einer Steuerung verbunden sind, zu einer Empfindlichkeit gegenüber vagabundierenden Spannungen und Strömen; deshalb werden diese Schaltungseingänge durch Belastungswiderstände R mit geringerem Widerstand abgeschlossen. Diese sollen die meist energiearmen Einstreuungen nahezu kurzschließen, dabei jedoch die Signalquelle des Eingangssignals nicht zu sehr belasten. Belastungswiderstände sind außerdem in Schaltungen vorgesehen, um u. a. einen Mindeststrom in einem Halbleiter-Bauelement zum Fließen zu bringen, damit ein definierter Arbeitspunkt erreicht wird. Da z. B. die Zenerspannung einer Zenerdiode für sehr kleine Ströme stark von der Temperatur abhängig ist, läßt man durch den Lastwiderstand einen Mindeststrom fließen (eine genauere Erklärung der Zenerdiode folgt später). Induktivität (Spule)

5 Induktivitäten sind mit den trägen Massen eines mechani schen Systems zu vergleichen. Es muß Energie aufgewand werden, um den Strom in der Spule zum Fließen zu bringe] und diese Energie wird beim Abschalten des Stromes voi der Spule wieder abgegeben. In elektronischen Schaltungei sind Induktivitäten selten anzutreffen, jedoch sind fast all elektromechanischen Wandler Elektromagnete, die ein dem Spulenstrom proportionale Kraft erzeugen. Diese elek tromagnetischen Stellglieder werden noch aus der Sicht de anzusteuernden Elektronik behandelt. Die den Spulenstrom liefernde elektronische Schaltung sol dafür sorgen, daß der Strom in der richtigen Größe mög lichst schnell zum Fließen kommt, bzw. möglichst schnell zi fließen aufhört, ohne daß die von der Spule abgegeben Energie die elektronische Schaltung beschädigt. Bekanntlicl ist ein vom Strom durchflossener Leiter von einem Magnet feld umgeben und außerdem bemerkt ein in einem Magnet feld befindlicher Leiter eine Magnetfeldänderung; es wir( nämlich eine der Feldänderung proportionale Spannung ii ihm induziert. Dabei ist es gleichgültig, wodurch die Feldän derung verursacht wird: Leiter und Magnetfeld können sicl relativ zueinander bewegen ( Generator) oder ein benachbar ter Leiter wird von einem veränderlichen Strom, z. B. einen Wechselstrom durchflossen (Transformator) oder der von Strom durchflossene Leiter erzeugt sich selbst mit jede Stromänderung auch eine Feldänderung. Diese Feldände rung induziert in dem Leiter eine Spannung. Die Spannunj wirkt der am Leiter angelegten Spannung entgegen, die so genannte Selbstinduktionsspannung. Eine Spule, die eines aufgewickelten Leiter darstellt, hat ein durch Windungszah und Abmessungen bestimmtes Verhalten, die Induktivität Die Selbstinduktionsspannung ul ist für eine Luftspule vol ihrer Induktivität L und von der zeitlichen Änderung de durch die Wicklung fließenden Stromes abhängig. Betrachten wir die Anordnung in Bild 1.1.6: