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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kleinmotor (4,5V) mit PWM ansteuern: BUZ21?


Autor: Dominik (Gast)
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Hallo,
vorweg: Ich habe noch nie eine PWM-Schaltung aufgebaut und noch nie eine 
MOSFET-Schaltung.

Ziel: Ich möchte einen kleinen Modellbaumotor (gemessener Strom bei 
4,5V: 1,1A) zwischen Maximalleistung/geschwindigkeit und etwa halbe 
Leistung/Geschwindigkeit ca. im 10Sekunden Takt wobbeln lassen.

Vorhanden sind div. 18pol. PIC-Controller (16F84, 16F628, 16F88). 
Software sollte kein Problem sein. Manche PICs haben ja fertige 
PWM-Module, aber ich kann das für so einen einfachen Fall sicher auch 
selbst per Software implementieren.
1. Nur mit etwa welcher Frequenz sollte man so Kleinmotoren via PWM 
regeln?

2. (eigentlich Frage). Ich habe mir vor einiger Zeit bei pollin zwei 
BUZ21 MOSFETS bestellt. Leider finde ich keine Seite, die halbwegs 
einführend solche Leistungsmosfets erklären. Datenblatt habe ich 
natürlich.

Ist meine Idee so Halbwegs umsetzbar:
Da der BUZ21 ein N-Kanal MOSFET ist, schließe ich Source an Masse. 
zwischen Drain und Vcc schalte ich meinen Modellbaumotor (parallel dazu 
noch eine 1N4007 als Freilaufdiode in Sperrrichtung?).
Ans Gate schließe ich über eine Widerstand (oder auch keinen: Ein FET 
schaltet ja quasi leistungslos? Da brauche ich dann keinen?) direkt den 
(TTL/CMOS-) Ausgang des PICs an.
Muss ich noch was beachten? Schaltet der BUZ21 bei 3,6V (3 Akkus) bis 
4,5V (3 Batterien)
überhaupt voll durch?
Der Widerstand des BUZ21 soll <0,85Ohm liegen. D.h. es fallen maximal 
P=R*I^2=0,85*1,1^2=1,02W ab. Da braucht's sicher noch keine Kühlung?

Sind meine Ideen soweit in Ordnung? Habe ich was vergessen oder liege 
vielleicht vom Verständnis total daneben? Kennt jemand einen guten Link 
zu einer Seite mit einführenden Charakter zu MOSFETs, speziell die 
BUZ=Typen?

Danke im voraus,
Dominik

Autor: Martin C. (Gast)
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Hallo Dominik,

eine Einführung zur FETs kenne ich zwar nicht,
aber das Wichtigste zu Deinen Fragen (Leistung, Durchschalten bei 4V)
gibt die Kurve links oben auf Seite 6 des Datenblatts an.
Sie zeigt Strom und Spannung bei verschiedenen Gate-Spannungen.

Bei einer Gate-Spannung von 4.5V gilt Kurve b, also
der Strom steigt nie über 5 Ampere, der FET ist nicht ganz 
durchgeschaltet.
Für 1.1 Ampere Motorstrom (ID) fällt aber nur etwa 0.2 Volt (Vds) ab,
die Leistung ist dann sehr gering (0.22 Watt), das geht noch ohne 
Kühler.

Bei 3.6 Volt liegt man aber unter der Kurve a und der FET wird
wahrscheinlich gar nicht durchgeschaltet.

Gruß,
Martin

Autor: Jochen Müller (taschenbuch)
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Dominik,

>>Ein FET schaltet ja quasi leistungslos? Da brauche ich dann keinen?)

Das vergiss besser mal gleich, das ist einer der dümmsten Dinge die in 
der Geschichte der Elektronik je geschrieben wurden. Und genau wie der 
Quatsch mit dem Eisen im Spinat ist das auch nicht mehr tot zu kriegen. 
Leider.

Das gilt bestenfalls für Kleinleistungs-FET, AUF KEINEN FALL gilt das 
für Power-Mosfets, wie Du sie verwenden willst/musst.
Um die nämlich ganz aufzusteuern und vor allem schnell, musst Du 
regelrecht gewaltige Gateströme fliessen lassen bzw. zulassen. Das liegt 
eben daran, dass du eine relativ grosse Gatekapazität schnell umladen 
musst. Ganz besonders bei PWM stellt sich das Problem. Du benötigst für 
einen (zwar sehr kurzen) Zeitraum einen sehr hohen Gatestrom.

Steuerst du das Gate nicht niederohmig genug an, schaltet der Fet zu 
langsam und nicht ganz auf, erwärmt sich stark und verbraucht so 
unnötige Energie.

Jochen Müller

Autor: Dominik (Gast)
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Hallo,
erst mal danke für die raschen Antworten!
zu Martin: Um den Motor also wirklich noch sinnvoll bei 3,6V mit nahezu 
volle Leistung zu betreiben, sollte ich also besser einen anderen 
MosFET-Typ wählen? Werde mir mal genauer die genannte Kennlinie 
anschauen, auch bei anderen Typen. Danke!
zu Jochen: D.h. ich muss auf Grund der hohen Gateströme noch ein 
(bipolar) Transistor zwischenschalten (die PIC-Ausgänge sind sehr 
hochohmig, glaub 10mA können die max. schalten). Kann ich dann überhaupt 
noch schnell genug schalten? Ich habe nämlich immer noch keine Plan, 
welche Frequenz man beim PWM-Betrieb eines kleinen Modelbaumotor 
mindestens benutzen sollte? Reicht 1kHz schon?

Danke,
Dominik

Autor: Jochen Müller (taschenbuch)
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Dominik,

ich würde sagen da reicht auch weniger als 1Khz, so ab 500Hz kann das 
klappen. Ich würde den FET erstmal direkt am Portausgang anschliessen, 
aber nur über einen kleinen Gatewioderstand. Nicht mehr als 100-470 Ohm 
für den Anfang.

Jochen  Müller

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Genau - einfach mal über 270 Ohm direkt am PIC anschließen. Das ganze 
mal laufen lassen und schauen, ob sich der FET zu stark erwärmt. Falls 
er das tut, solltes du einen FET-Treiber ->
http://www.mikrocontroller.net/articles/Mosfet-%C3...

oder eine sogenannte Push-Pull Stufe einsetzen. Die besteht aus einem 
npn und einem pnp Transistor (+Widerstände)

Autor: Dominik (Gast)
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So, nachdem ich drei PIC16F628A geschrottet habe, habe ich erst mal 
genug für heute :(
Zuerst hat es prima geklappt. Ich habe eine kleines Programm 
geschrieben, welche zwischen 50%an 50%aus bis 100%an und 0%aus an 
PortA,0 hin und her wobbelt in wenigen Sekunden. Achja, PWM-Frequenz 
habe ich 250Hz genommen.
Das ganze auf dem Oszi angeschaut, noch kleine Rechen/Denkfehler 
beseitig und dann von PortA,0 über 100Ohm ans Gate vom BUZ21.
Parallel dazu das Oszi an PortA,0 hängen lassen (allerdings gegen 
Masse).

Source an Masse, Vcc über sperrende Freilaufdiode an Drain. Parallel zur 
Freilaufdiode habe ich dann den Motor angeklemmt. Hat prima 
funktioniert! Er lief langsam -> schnell -> langsam -> schnell -> usw. 
Das ganze mehrere Minuten lang und der BUZ21 ist höchstens mal handwarm 
geworden. Habe dann noch einen anderen Motor mit Propeller genommen, 
welcher auch geklappt hat.

Allerdings war es mir nicht langsam genug. Also Motor ab, Spannung ab 
und PIC neuprogrammiert, dass er bis 25% runtergeht (minimales 
Tastverhältnis von 128an (=128/255) auf 64an (=64/255) geändert). 
Nachdem ich den PIC wieder in meine Testplatine gesteckt habe, und die 
4,5V Spannung eingeschaltet habe (Motor noch nicht dran), zeigte das 
Oszi nichts mehr an an PortA :(. Schlecht.
Auf einer anderen Testplatine auch nichts mehr und PIC wurde im Brenner 
nicht mehr erkannt. Am Schaltungsaufbau habe ich nichts verändert, PIC 
tot.

Na ja, alles noch mal überprüft, 100Ohm Widerstand durch 470Ohm ersetzt 
und einen anderen PIC genommen. Nun zeigt das Oszi eine Gleichspannung 
von 1-2V an PortA,0 an, mehr nicht. Auch in einer anderen Testplatine 
selbes Ergebnis. PIC lässt sich lesen und schreiben. Habe ihn noch 
mehrfach geschrieben und verifiziert (alles in Ordnung). aber am Oszi 
kein PWM mehr zu sehen. :(

Also einen nagelneuen PIC genommen (nie benutzt) ans Oszi in anderer 
Testplatine: Schönes PWM, welches bis auf 1/4 runtergeht. 
Sicherheitshalber wieder auf 128 (50%) hochgesetzt (programmiert) und 
noch mal in der Testplatine anzeigen lassen. Nun Software wieder 
identisch wie beim ersten PIC, als es funktioniert hat.
Neuen PIC in die Testschaltung mit dem BUZ21 eingesetzt, Motor noch 
nicht angeschloss, eingeschaltet, nichts. Oszi zeigt nur Groundlinie am 
PortA,0 Ausgang. Sofort wieder abgeschaltet und wieder in die andere 
Testplatine => nichts mehr zu messen. PIC lässt sich im Brenner auch 
nicht mehr lesen. :(

Ich habe keine Ahnung, wie die alle kaputt gehen konnten. Zu Anfang hat 
es ja über lange Zeit funktioniert! Und der Eingang ist ja nur über 
470Ohm mit dem Gate des BUZ21 Verbunden. Selbst wenn der voll 
durchlässt, dürften bei 4,5V Vcc nie mehr als die erlaubten 10mA fließen 
können!
Ich habe die Komponenten meiner PIC-Testplatine dann alle überprüft 
(Verpolungsschutzdiode, Elko und 10K Widerstand = Spruts 
16F84/62x-Mini-Platine + Verpolungsschutzdiode), die sind auch alle in 
Ordnung. Mir ist es echt ein Rätsel, wie die PICs kaputt gehen konnte. 
Bisher ist mir noch NIE ein PIC kaputt gegangen und das obwohl ich 
schon viel Blödsinn geschafft habe (z.B. falschrum reingesteckt) und die 
schon fast am abrauchen waren (zumindest hab ich mir mal den Finger 
verbrannt und der PIC lief danach, nach richtigen Einsetzen noch). Die 
Dinger sind eigentlich sehr robust.

Autor: rotzfrech (Gast)
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Wenn Du einen Motor mit zb nur 20% Tastverhältnis ansteuerst, so setzt 
Du die 5V Spannung runter auf 1V. Du hast einen StepDown Wandler. 
Umgekehrt: Wenn Du den Motor voll laufen läßt, und bremmst ihn dann mit 
20% PWM ab, hast Du einen Hochsetzsteller, der dir die vom Motor 
generatorisch erzeugte Spannung um Faktor 5 hochsetzt, also auf fast 25V 
(ideal).

Das kann den PIC schon schrotten.

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Er hat doch nen MOSFET zwischen PIC und Motor. Oder meinst du, dass die 
ganze Versorgungsspannung angehoben wird?

@Threadsteller:
Die Freilaufdiode für den Motor hast du schon drin, oder?
Ansonsten sind die PICs wirklich sehr robust - habe auch noch keinen 
klein bekommen. Hast du auf deinem Experimentierboard nen Fehlerdrauf. 
Könnte ja sein, dass während dem Betrieb ein Drähtchen gebogen wurde und 
nun was überbrückt.

Autor: Dominik (Gast)
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Klaro habe ich die Freilaufdiode drin auf einem 
Steck-Experimentierbrett. Habe an dieser mit zwei Krokodilklemmen den 
Motor abgegriffen (so bin ich eigentlich auf der sicheren Seite).
Ich habe es nun noch ein viertes mal probiert und nun klappt es wieder. 
Allerdings kriege ich jetzt seltsamerweise den Motor nicht mehr voll 
durchgeschaltet und der BUZ wird heiß. Auch mit dem 100Ohm Widerstand 
keinen Unterschied. Mit dem Oszi messe ich aber auch nur 4V am 
PIC-Ausgang!

Die Verpolungsschutzdiode nimmt dem PIC noch die 0,5V weg, ist mir jetzt 
im Nachhinein eingefallen. Diesmal hab ich den BUZ21 noch vor der Diode 
angeschlossen, so dass am Gate wohl 0,5V weniger anliegen. Ich vermute, 
dass der BUZ21 deshalb nicht voll durchschaltet.

Vielen Dank,
Dominik

Autor: Bastler (Gast)
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Moin,
soweit ich das hier entnommen habe, wird bei dir der FET über einen 
100-Ohm Widerstand von einem Pin des Pic angesteuert.(?) Das macht nach 
der Konensatoraufladeformel(mit t/tau=2) 30us pro Flanke, wo der FET 
neben den Leitverlusten noch Schaltverluste erzeugt. Eine 
Treiberschaltung die schneller durchschaltet, ist hier sinnvoll.
Was die Frequenz der PWM angeht so ist die nicht beliebig und 250Hz viel 
zu wenig.
Sie muss mindestens so hoch sein, dass die Statorinduktivität des Motors 
es schafft den Strom durch Motor und Freilaufdiodde für die längste 
mögliche "Aus"-Phase weiterfließen zu lassen. Wenn der Strom 
zwichenzeitlich auf Null geht, gelten die einfachen Regeln für PWM 
leider nicht mehr.
Da du ein Oszi hast, kannst du das messen.

Mein Vorschlag für weiteres Vorgehen:
Einen FET-Treiber einbauen.
Dein Testprogramm mit 50/50-Tastverhältnis laden und mit 20KHz anfangen.
Dabei gleichzeitig den absoluten Strom mit dem Oszi durch den Motor 
messen. Die Frequenz solange erhöhen, bis der kleinste Wert des Stromes 
höher ist als ca. 70% des durchschnittlichen Stromes (=> Bild).
Sind so Daumenwerte. Je höher die Frequenz desto geringer die 
Stromwelligkeit, aber auch desto höher die Schaltverluste des FET. Da 
muss man einen Kompromiss finden.
Jetzt ein Testprogramm mit dem kleinsten gewünschten Tastverhältnis 
laden und schauen, ob der Strom auch da die ganze Zeit größer als Null 
bleibt.
Falls nicht: Wieder die Frequenz erhöhen.

Bastler

Autor: Herbert von Caravan (Gast)
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Das Betreiben von Gleichstrom-Motoren mit Permanentmagneten durch PWM 
macht auf Dauer die Magneten "weich" d.h. deren Magnetfeld wird immer 
schwächer und sie werden unbrauchbar.
Wenn es denn unbedingt PWM sein muß: Setze einen bipolaren Transistor 
als
Leistungsglied ein, Du ersparst Dir den FET-Ärger und die Uce davon 
reißt es hier auch nicht raus.

Hochachtungsvoll
Herbert von Caravan

Autor: Dominik (Gast)
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Danke für die Warnung! Der Gleichstrommotor darf auf keine Fall dadurch 
schaden nehmen (er ist in ein 600EUR teurem Gerät integriert). Wie kann 
ich ihn sonst digital  regeln ohne den Dauermagneten zu zerstören? Mit 
einem 10Ohm Widerstand klappt das Manuell ganz gut, aber wie macht man 
sowas digital ohne dem Motor zu schaden?
Welcher bipolare Transistor würde sich denn hier eignen für die 1-2A? 
Ich dachte, sowas würde man generell nur mit MosFETs machen...


zu Bastler: Den Strom am Motors/der Schaltung    beobachte ich eh die 
ganze Zeit am Labornetzgerät. Wie soll ich mit dem Oszi den Strom 
messen? Dazu bräuchte ich noch einen (ohmschen/linearen) Widerstand? 
Wieso steigt der 'absolute' Strom mit der Frequenz (und wieso 70% des 
Normalwertes), aber nicht die Drehzahl/Motorleistung? ratlos. Da das 
Tastverhältnis doch gleich bleibt, müsste es der durchschnittliche Strom 
nicht auch (sofern die Freilaufdiode schnell genug den Induktionsstrom 
abbaut)?

Autor: Bastler (Gast)
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"Das Betreiben von Gleichstrom-Motoren mit Permanentmagneten durch PWM
macht auf Dauer die Magneten "weich"... "
Jo, das ist richtig, wenn der Stromrippel zu groß wird passiert das mehr 
oder weniger schnell. Das spricht wieder für eine hohe Schaltfrequenz.
Was m.E. noch schlimmer ist, ist wenn die Motoren durch unzureichende 
Kühlung
zu warm werden.

Autor: Bastler (Gast)
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"Dazu bräuchte ich noch einen (ohmschen/linearen) Widerstand?"
Entweder den oder eine Strommesszange.

"sofern die Freilaufdiode schnell genug den Induktionsstrom abbaut..."
Genau das ist der Punkt: Um den Motor sauber zu regeln soll der Strom 
nicht auf Null abgebaut werden!
Er soll vielmehr um einen Mittelwert herumrippeln, wie auf dem Bild.

Vorweg: Mit PWM steuert man die durchschnittliche Spannung über dem 
Motor, nicht den Strom!

"Wieso steigt der 'absolute' Strom mit der Frequenz?"
Wenn sich deine Schaltung nicht im "kontinuierlichen Leitbetrieb" 
befindet (d.h. die PWM-Frequenz zu niedrig ist) wird der Strom durch 
deinen Motor während der Freilaufphase auf Null zurückgehen, bis der FET 
wieder einschaltet.
Damit der Motor sauber steuerbar ist, sollte das nicht passieren und die 
PWM-Frequenz so hoch sein, dass der Strom in der Freilaufphase nicht 
zurück auf Null kommt.
Alternativ zur Erhöhung der Frequenz kann man eine Spule in Reihe zum 
Motor schalten und so die Statorinduktivität künstlich vergrößern.

Bastler

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