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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Schaltverluste - Erklärungen und Tipps gesucht


Autor: Mario (Gast)
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Hallihallo zusammen,

ich steuere mit einem kleinen Logiclevel-Mosfet (DPAK)(IRLU024N) einen 
Bürstenmotor an, der etwa 0.5-1A zieht, je nach belastung.
Der FET wird direkt von einem ATmega8 getrieben.
Die Leistung des Motors wird per PWM gesteuert. Die Frequenz beträgt 
32kHz.
Die Spannung bei 100%Dutycycle wäre 16V.

Nun ist es so, dass der FET sehr heiss wird, ich messe knapp 120°C am 
Gehäuse (IR-Thermometer....)

Das Oszibild der Gate-Ansteuerung zeigt mir ein Überschwingen beim ein- 
und ausschalten des FET...

Wodurch kommen diese Verluste zustande? Muss ich mit der Frequenz 
runter?
Warum überschwingt die Gatespannung?

Herzlichen Gruss
Mario

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Schaltung, Oszibild?

Sonst würde ich sagen, der Widerstand R3 ist zu groß.

Autor: Michael (Gast)
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Freilaufdiode drin? Poste doch mal deine Schaltung.

Mfg

Michael

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ich tippe auf die fehlende Diode über dem Motor.

Autor: Mario (Gast)
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Reicht die FET-interne nicht aus? / Ist es die, die die Abwärme 
produziert?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Reicht die FET-interne nicht aus? / Ist es die, die die Abwärme
>produziert?

DIe ist bei DEINER SCHALTUNG wirkungslos!

Autor: Mario (Gast)
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Es gibt kein Layout...
ATmega ==> IRLU024N, Motor highside. Punkt. Und warum ist die 
FET-interne wirkungslos? zu langsam?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Wie wäre es MAL MIT EINER SCHALTUNG!

das layout ist nicht nötig.

ANSONSTEN wie schon gesagt:

Der R3 ist zu groß

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Mario wrote:
> Es gibt kein Layout...
> ATmega ==> IRLU024N, Motor highside. Punkt. Und warum ist die
> FET-interne wirkungslos? zu langsam?
Die liegt IN REIHE mit der Last und hat deshalb keinerlei Funktion! 
Eine Freilaufdiode muss PARALLEL zur Last liegen. Punkt...

Autor: Mario (Gast)
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Die grüne Fläche ist der Motor, entstört.

Autor: Mario (Gast)
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@ Johannes: Aaah... endlich mal was sinnvolles...

Dank dir!

Gruss
Mario

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>endlich mal was sinnvolles...

Was hast du erwaret?
Wenn du Probleme im Schaltplan hast, dann poste ihn auch gleich!

Sonst raten wir hier nur rum.

Bau die Freilaufdiode über den Motor und fertig.

Autor: Mario (Gast)
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Ja aber Sätze wie "Die ist wirkungslos" helfen auch nicht weiter... eine 
kleine Erklärung, WARUM sie wirkungslos ist, hätte das Problem auf 
Anhieb gelöst...
Jetzt ist sie drin und alles bleibt schön kühl.

Noch ne allgemeine Frage: Was sind Schaltverluste? Bzw. wo entstehen sie 
genau? Beim umladen von Kapazitäten? Wie ist die Abhängigkeit der 
Verluste zur Schaltfrequenz?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Mario wrote:
> Ja aber Sätze wie "Die ist wirkungslos" helfen auch nicht weiter... eine
> kleine Erklärung, WARUM sie wirkungslos ist, hätte das Problem auf
> Anhieb gelöst...

Ein Schaltplan von dir aber auch !!!

> Noch ne allgemeine Frage: Was sind Schaltverluste? Bzw. wo entstehen sie
> genau? Beim umladen von Kapazitäten?

Unter anderem. Ein Mosfet kann nicht unendlich schnell schalten, daher 
sinkt dessen Widerstand von nahezu 0 bis fast unendlich (bzw. 
umgekehrt). In dieser Zeit ist er im linearen Bereich und es entstehen 
Schaltverluste.

>Wie ist die Abhängigkeit der Verluste zur Schaltfrequenz?

In etwa direkt proportional.

Autor: Mario (Gast)
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Ok, check ;)

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Mario wrote:
> Ja aber Sätze wie "Die ist wirkungslos" helfen auch nicht weiter... eine
> kleine Erklärung, WARUM sie wirkungslos ist, hätte das Problem auf
> Anhieb gelöst...
Ein kleines Bisschen Nachdenken deinerseits hätte aber dazu führen 
müssen, dass es Dir selber klar wird. Wo soll denn bitteschön ein 
Freilaufstrom fließen können, wenn eine Diode in Sperrrichtung in Serie 
zur Last liegt?

> Noch ne allgemeine Frage: Was sind Schaltverluste? Bzw. wo entstehen sie
> genau? Beim umladen von Kapazitäten? Wie ist die Abhängigkeit der
> Verluste zur Schaltfrequenz?
Zur Ansteuerung einer Last per PWM wird der Transistor idealerweise nur 
in zwei Betriebszuständen betrieben: AN und AUS, also leitend 
(Spannungsabfall über D-S idealerweise Null -> P_V = 0) und gesperrt 
(Stromfluss Null -> P_V = 0). Dummerweise ist es nicht möglich, in 
unendlich kurzer Zeit zwischen diesen beiden Zuständen hin- und 
herzuschalten, u.a. weil, wie Du schon selber angedacht hast, das Gate 
gegenüber dem Substrat eine nicht unerhebliche Kapazität besitzt, die 
bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden muss. Es gibt also beim 
Schalten immer einen Zeitraum, in dem die Drain-Source-Spannung und der 
Drain-Strom sich kontinuierlich ändern, wobei gilt P_V = U*I. Wenn man 
dann noch eine nicht ordentlich beschaltete Induktivität im Kreis hat, 
dann versucht diese, beim Abschalten den Strom durch den MOSFET 
aufrechtzuerhalten, was zu einem zusätzlichen Anstieg der Spannung über 
der hochohmiger werdenden Drain-Source-Strecke führt, und damit zu einer 
erheblich höheren Verlustleistung --> WARM.

Normalerweise werden MOSFETs und IGBTs v.a. im Bereich höherer 
Leistungen mit entsprechenden Treibern beschaltet, die in der Lage sind, 
kurzzeitig sehr viel Strom zu liefern, um die Gatekapazität möglichst 
schnell umzuladen.

Autor: Mario (Gast)
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Cool, Danke für die Erklärung!

Autor: Mario (Gast)
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Noch ein Nachtrag: Warum kommt es zum Überschwingen (und langsamen 
einpendeln) des Signals beim Schalten des Transistors?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Poste mal das Oszibild!!
Und am Besten den Schaltplan, da obiger ja nicht korrekt ist

Woher sollen wir sonst wissen, was wie überschwingt!

Autor: Hans Wingartz (Firma: no) (styropor)
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Hallo  Mario

Mit Sicherheit werde ich Dir helfen können. Aber bevor ich damit 
loslege, möchte ich einige Fragen klären:
Ich entnehme dem Schaltbildauszug, das per Computer ein Motor gesteuert
werden soll. Du schreibst, die Leistung des Motors soll geregelt werden.
Was ist darunter zu verstehen? Ich vermute, die Drehzahl des Motores 
soll eingestellt werden. ( Wenn die Drehzahl geregelt werden soll, muss 
am Motor ein Geber gekoppelt sein, der den Istwert an den 
Regelverstärker zurückgibt, wo er mit dem Sollwert verglichen und 
geregelt wird.
Die Motordrehzahl bleibt dann bei unterschiedlicher Belastung in einem 
begrenzten Bereich konstant. Das Drehmoment passt sich der Belastung an 
und die Stromaufnahme des Motors ist proportional der Belastung.
)
Anders arbeitet der Drehzahlsteller. Dieser führt dem Motor einen 
konstannten Strom zu und sorgt so für ein konstantes Drehmoment.
Bei unterschiedlicher Belastung schwankt deshalb die Drehzahl.
Drehzahlsteller kann man unterschiedlich auslegen: Analog oder Digital.
Dein Schaltbild zeigt eine Mischung von Beiden, was natürlich nicht 
funktionieren kann. Dein Mosfet wird digital angesteuert, aber der 
Drainstromkreis ist als Analogwiderstand ausgelegt.
Für eine Variante musst Du Dich nun entscheiden.
Wie sieht der Impuls an Pin 15 den IC aus? Welche Amplitude hat er und 
in welchem Bereich lässt sich die Pulsweite steuern? Welche Form hat der 
Impuls? (Wie steil sind seine Flanken?)
Teile das doch bitte mit. Dann sehen wir weiter und nur so. Die Fragen, 
die im Forum aufgetaucht sind, umfassend und verständlich zu beantworten 
ist ein abendfüllendes Programm. Ich habe Jahre gebraucht, um alle 
Vorgänge beim Schalten eines Mosfets mit induktiver Last zu verstehen.
Fassen wir uns kurz.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Hans Wingartz wrote:
> Drehzahlsteller kann man unterschiedlich auslegen: Analog oder Digital.
> Dein Schaltbild zeigt eine Mischung von Beiden, was natürlich nicht
> funktionieren kann. Dein Mosfet wird digital angesteuert, aber der
> Drainstromkreis ist als Analogwiderstand ausgelegt.

Kannst du das mal näher ausführen.
Für mich sieht das ganze wie eine astreine Pulsweitenmodulation aus.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Alexander Schmidt wrote:
> Kannst du das mal näher ausführen.
> Für mich sieht das ganze wie eine astreine Pulsweitenmodulation aus.
Ist es auch. Da hat einer ganz gewaltig über das Ziel hinausgeschossen.

Die Überhöhung am Gate kommt übrigens schlicht und ergreifend durch die 
Einkopplung der Induktionsspannungsspitze über die Gatekapazität 
zustande.

Autor: Hans Wingartz (Firma: no) (styropor)
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Alexander Schmidt wrote:
> Kannst du das mal näher ausführen.
> Für mich sieht das ganze wie eine astreine Pulsweitenmodulation aus.
Ist es auch. Da hat einer ganz gewaltig über das Ziel hinausgeschossen.

In der Tat sieht die Schaltung bei oberflächlicher Betrachtung wie eine 
"astreine" PWM aus. Wenn dem so wäre, wäre die Frage zu klären, warum 
wird denn Martios FET so heiß und warum ist denn diese Diskussion 
überhaupt entstanden? Mancher Tipp in diesem Forum zielt schon in die 
richtige Richtung. Einer kommt dem Fehler schon nahe. Aber jeder für 
sich ist nicht geeignet, Marios Problem zu lösen.
Ich bin gern bereit, meine These zu erläutern und bei der 
Fehlerbeseitigung behilflich zu sein. Aber dazu brauche ich Zeit und die 
ist bei mir sehr knapp.
Aber auf etwas möchte ich hinweisen: Nicht nur in der Medizin, sondern 
auch in der Technik ( Auto, TV, E.-Geräte) gilt der Grundsatz: Erst 
kommt die Diagnose. Ist diese sichergestellt, kann erfolgreich mit der 
Reparatur begonnen werden. Kaffeesatz lesen und Fingerspitzengefühl 
führen nur selten und zufällig zum Ziel.

Was mich sehr erfreut, ist das rege Interesse an diese Thema.
Den Interessenten empfehle ich das Buch von Dipl.-Ing. Ludwig Retzbach:
Drehzahlregler für elektrische Modellantriebe. ( Mit 
FET-Technik)Erschienen im Nekarverlag. ISBN 3-7883-1182-7. Mein Exemplar 
ist bereits 25 Jahre alt, was aber der Sache keinen Abbruch tut. Der 
Strom, der durch die Bauteile fließt, hat seit Jahrhunderte nicht 
verändert; Egal ob er gelb, rot oder schwarz ist ;-) und es schadet 
überhaupt nicht, wenn man den Kollegen von der anderen Fakultät über die 
Schultern schaut.

Autor: JensG (Gast)
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wieso - das Problem ist doch schon gelöst mit der Freilaufdiode. Also 
liegts vermutlich an Spannungsspitzen, die direkt oder indirekt den 
Mosi aufheizen.
Meine Vermutung: die Spannungsspitzen sind so hoch, daß der Mosfet in 
den Avalanchebereich reinrutscht, und dabei leitend wird bzw. die 
Energie dabei vernichtet (also Uds geht über das erlaubte Maß hinaus). 
Die Freilaufdiode verhindert dies.
Btw - wozu soll denn eigentlich der R parallel zur G-S-Strecke dienen?

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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JensG wrote:
> Btw - wozu soll denn eigentlich der R parallel zur G-S-Strecke dienen?
Im Normalfall, um ein floatendes Gate (und damit ein undefiniertes 
Verhalten des FET) im Reset-Zustand des Controllers zu verhindern.

Im Übrigen stimme ich Dir zu: Das Problem war weitgehend gelöst und der 
OP wollte eigentlich nur noch wissen, warum es ohne Freilaufdiode 
Überschwinger der Gatespannung gegeben hat, und ich denke, auch das 
wurde geklärt. Zunächst kein Grund, hier irgendwelche Abhandlungen zu 
schreiben, die den OP auf seinem derzeitigen Wissensstand nur verwirren!

Autor: Sym (Gast)
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Des Rätsels Lösung ist:
Der MOSFET wird deshalb sehr heiß, weil die Diode im MOSFET in den 
Avalanchebereich kommt (wg. großer Drain-Source Spannung) und der FET 
dann leitend wird.

Mit einer Freilaufdiode über dem Motor kommt der Lawineneffekt im FET 
nicht zustande und der bleibt deshalb auch kalt.

Die Verluste kannst du auf fast null reduzieren, indem du einen 
FET-Treiber verwendest und eine Synchrongleichrichtung (statt 
Freilaufdiode ein weiterer FET) betreibst.

Autor: JensG (Gast)
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@ Johannes M. (johnny-m)

>> Btw - wozu soll denn eigentlich der R parallel zur G-S-Strecke dienen?
>Im Normalfall, um ein floatendes Gate (und damit ein undefiniertes
>Verhalten des FET) im Reset-Zustand des Controllers zu verhindern.

Jetzt, wo Du das sagst, fällt mir das auch wieder  ein - hatte selber 
mal so ein Problem, was am undefinierten Gatezustand vorm/während des 
Reset lag. Naja, man vergißt das halt hin und wieder mal ;-)

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