Was ist CLL und was muss beim Einsatz mit PWM beachtet werden?

Was ist CLL?

CLL bedeutet capacitor long life und wird eingesetzt, um die Lebensdauer der DC-Motoren mit Edel­metallkommutierung zu verlängern. CLL unterdrückt das Bürstenfeuer nach dem Prinzip der kapazitiven Funkenlöschung.

Beim Kommutierungsvorgang mit Bürsten werden ständig Kontakte über der induktiven Last einzelner Segmente der Motorwicklung geschlossen und wieder geöffnet. Die beim Öffnen auftretenden Induktions­funken greifen Metallbürsten und Kollektor an, indem sie die Oberfläche aufschmelzen. Als Resultat reduziert sich die Lebensdauer des Kommutierungssystems. Diese Elektroerosion ist umso ausgeprägter, je höher die Strombelastung und Induktivität der Wicklung sind.

Beim CLL-Konzept wird im Prinzip ein zusätzliches RC-Glied zwischen zwei benachbarte Kollektorlamellen, das heisst parallel zum sich öffnenden Kontakt, geschaltet. Die magnetische Energie der geschalte­ten Teilwicklung, induziert eine Spannungsspitze, die nun nicht als Entladung abgebaut wird, sondern in die Kapazität C umgeleitet als gedämpfte Schwingung im RLC-Schwingkreis aus Teilwicklung und CLL Wärme umgewandelt wird. Im Idealfall bleibt die maximal auftretende Spannung unterhalb 12 V, der minimal benötigten Spannung für Entladungen zwischen Kollektor und Bürste.

CLL-Prinzip zur Unterdrückung des Bürstenfeuers. a) Prinzipschaltung am Beispiel eines 7-teiligen Kollektors, b) Schematischer Spannungsverlauf (prinzipiell) beim Öffnen des Kontakts zwischen Bürste und ablaufender Kollektorlamelle, c) Rotor mit CLL-Scheibe.

CLL wird nur bei den auf Bürstenfeuer empfindlichen Edelmetallbürsten eingesetzt. Bei Graphitbürsten erreicht man keinen Vorteil bezüglich Lebensdauer. Die Funken unterdrückende Wirkung hat auch einen positiven Einfluss auf die elektromagnetische Abstrahlung.

CLL und getaktete Ansteuerung (PWM)

Die Verwendung von CLL bedeutet aber auch, dass der Motor eine erhöhte Anschlusskapazität aufweist, was bei getakteter Ansteuerung (PWM) beachtet werden muss. Die Anschlusskapazität wirkt als Kurz­schluss für die schnellen Spannungswechsel, was zu erhöhtem Leerlaufstrom und zu unzulässiger Motorer­wärmung führen kann. Die Lebensdauer des Kommutierungssystems wird ebenfalls reduziert.

Die folgende Abbildung zeigt die Stromspitzen nach dem PWM Schaltvorgang. In der Stromreaktion erkennt man die Überlagerung des schnellen RC-Glieds der CLL sowie der langsamere Stromanstieg aufgrund der LR-Glieds der Motorwicklung.

Für jeden Motor lässt sich eine Ersatzschaltung bestimmen, wie folgendes Beispiel zeigt:

Motordrosseln (= zusätzliche Induktivitäten) können als externe Komponenten oder auch als integrierter Bestandteil in der Endstufe der Motorsteuerung die gezeigten Stromspitzen dämpfen. Trotzdem wird der Einsatz von CLL in Kombination mit modernen Motorsteuerungen mit einer PWM Endstufe normalerweise nicht empfohlen.

Zusammenfassung:

CLL kann in den folgenden Anwendungsfällen von Nutzen sein:

• Beim Einsatz von bürstenbehafteten Motoren, die direkt  aus einem Netzteil oder einer Batterie versorgt werden (d.h. ohne zwischengeschaltete Motorsteuerung und Leistungsendstufe).
• Beim Einsatz von sogenannten linearen Endstufen (anstatt PWM Endstufen).
  Anmerkung:
  Bei linearen Endstufen wird eine variable DC-Spannung an den Motor angelegt. Die Motorspannung wird in diesem Fall nicht durch eine getaktete Gleichspannung (wie bei einer PWM-Endstufe) erzeugt, sondern über eine Art variabler elektronischer Widerstand. Aufgrund der schlechteren Dynamik und des tiefen Wirkungsgrads (= hoher Verlustleistung) abhängig vom  Motorarbeitspunkt, sind lineare Endstufen heute nicht mehr sehr verbreitet und finden sich nur noch selten im Lieferprogramm. maxon's ältere Motorsteuerung "LSC"  (= Linear Servo Controller) hat besitzt noch eine solche lineare Leistungsendstufe, aber ist ebenfalls nur noch auf Anfrage erhältlich.

Auf den Einsatz von CLL sollte bei der Verwendung von Motorsteuerungen mit PWM-Endstufen nach Möglichkeit verzichtet werden. Alle aktuellen maxon Steuerungen (z.B. die ESCON und EPOS Produktlinie) besitzen PWM-Endstufen, d.h. diese sollten nicht mit DC-Motoren mit CLL kombiniert werden. Falls dies doch der Fall ist, muss die Notwendigkeit von zusätzlichen Motordrosseln überprüft werden.