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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Treiberstufe f. Motorsteuerung


Autor: Christian T. (shuzz)
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Hallo zusammen,

ich möchte einen (kleinen) DC-Motor per PWM in der Drehzahl regeln.
Soweit so gut, PWM ist auch nicht das Problem, ich knobele aber gerade 
an der Dimensionierung der Treiberstufe.

Nach der Suche hier im Forum bin ich auf folgende Schaltung von lippy 
gestossen: http://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png

Nun habe ich die Komponenten in der Schaltung durch Teile die ich noch 
daheim habe ersetzt, die Widerstände grob auf die niedrigere 
Versorgungsspannung umgerechnet und bin zu folgendem Ergebnis gekommen:

            .--------------------------o--------o +12-18V
            |              |           |
            |            |/            |
           .-.        .--|   BC337     |
           | |330     |  |>            |
           | |        |    |           |
           '-'        |    |           |
            |         |    |           |
            o---------o    o--------||-+
            |         |    |        ||-> IRF5305
            |         |    |        ||-+
  0/5V    |/          |  |<            |
  o-------|  BC337    '--|             |
          |>             |\ Some PNP   |
            |              |           '--------o  Out
            |              |
           .-.             |
           | |             |
           | |100          |
           '-'             |
            |              |
  o---------o--------------o--------------------o  GND

"Some PNP" bedeutet: Ich bin noch nicht sicher, welchen PNP ich da 
nehmen werde, mal schauen was sich noch in der Bastelkiste finden lässt.

Die Versorgungsspannung wird irgendwo zwischen 12 und 18V liegen.

Die 0/5V kommen von einem µC, muss da noch ein Basiswiderstand rein?

Zwischen Out und GND soll dann der Motor mit Freilaufdiode hängen.

Würde das so funktionieren?
(Um es anders zu sagen: Ich denke es würde funktionieren, möchte aber 
gerne nochmal Leute mit mehr Ahnung befragen... ;) )
Falls nein, wie sollte ich das Ganze dann aufbauen?


Danke und Grüße,

Christian

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ja, es sollte so funktionieren. Für den PNP könnte man den BC327 
verwenden.
Ein Vorwiderstand ist nicht erforderlich, der steckt quasi im 
Emitterwiderstand.

Autor: Christian T. (shuzz)
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Super, danke für die schnelle Antwort! :)

Autor: Christian T. (shuzz)
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Oha, Stopp nochmal: Wenn der Emitterwiderstand das einzige ist was den 
Strom begrenzt brauche ich aber doch nen Basiswiderstand, sonst würden 
ja 50mA aus dem Controller gezogen oder?

Könnte ich die Widerstände auch wie in der Originalzeichnung bei 1k/330R 
lassen?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Christian T. schrieb:
> Oha, Stopp nochmal: Wenn der Emitterwiderstand das einzige ist was den
> Strom begrenzt brauche ich aber doch nen Basiswiderstand, sonst würden
> ja 50mA aus dem Controller gezogen oder?

Nein. Durch die 5V an der Basis wird der Transistor leitend und der 
Hautpanteil des Stromes fließt durch den Kollektor.
Wenn allerdings die Kollektorleitung unterbrochen sein sollte, dann 
zieht der Transistor aber wirklich den Strom komplett aus dem µC.

> Könnte ich die Widerstände auch wie in der Originalzeichnung bei 1k/330R
> lassen?

Ja. Damit kommst du auf etwa -12V Gatespannung was ausreichend sollte 
und die Schaltzeiten sollten auch ausreichend klein sein.

Autor: .... (Gast)
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wie bitte soll denn der PNP in der Schaltung durchgesteuert werden?

Autor: .... (Gast)
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> Damit kommst du auf etwa -12V Gatespannung

wo sollen die -12V herkommen?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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.... schrieb:
> wie bitte soll denn der PNP in der Schaltung durchgesteuert werden?

Wenn der vom µC angesteuerte BC337 durchgesteuert wird, zieht er dessen 
Basis runter und steuert diesen somit durch. Stichwort 
Kollektorschaltung.

>> Damit kommst du auf etwa -12V Gatespannung
>
> wo sollen die -12V herkommen?

Aus den 18-24V:
Source des P-Kanal FETs liegt an dieser Spannung, das Gate wird etwas 
12V negativer.

Autor: Christian T. (shuzz)
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            .--------------------------o--------o +12-18V
            |              |           |
            |            |/            |
           .-.        .--|   BC337     |
           | |330     |  |>  (T2)      |
           | |        |    |           |
           '-'        |    |           |
            |         |    |           |
            o---------o    o--------||-+
            |         |    |        ||-> IRF5305
            |         |    |        ||-+ (T4)
  0/5V    |/          |  |<            |
  o-------|  BC337    '--|             |
          |> (T1)        |\ Some PNP   |
            |              |(T3)       '--------o  Out
            |              |
           .-.             |
           | |             |
           | |100          |
           '-'             |
            |              |
  o---------o--------------o--------------------o  GND

Mal sehen ob ich das zusammekriege:

Eingang 0V --> T1 sperrt --> T3 sperrt / T2 offen --> T4 sperrt.

Eingang 5V --> T1 offen  --> T3 offen / T2 sperrt --> T4 offen.

So sollte der PNP eigentlich durchgesteuert werden, vermutlich nicht 
voll durchgesteuert, aber ausreichend.

Die -12V sind ja bezogen auf die Source des MOSFETS.

Edit: Zu langsam... ^^

Autor: yalu (Gast)
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Die Dimensionierung der Schaltung hat zwei Nachteile:

1. Beim Betrieb mit 12V bekommt ist Ugs des Mosfets nur etwa 7,5V. Bei
   den meisten (nicht Logic-Level-) Mosfets ist für sauberes Durchschal-
   ten ein Ugs von etwa 10V üblich. Das wäre in dieser Schaltung erst ab
   einer Versorgungsspannung von 14,5V gegeben.

   Soll die Schaltung mit 12V betrieben werden, würde ich nach einem
   Mosfet Ausschau halten, der schon bei 5V gut leitet.

2. Bei einer Versorgungsspannung bis 18,7V (also im gesamten angegeben
   Spannungsbereich) geht der linke Transistor in die Sättigung. Das
   macht nicht nur langsam, sondern belastet auch den PWM-Generator (µC
   oder was auch immer). Bei 12V beträgt der Eingangsstrom immerhin
   schon etwa 20mA.

   Wenn du, wie oben vorgeschlagen, einen Mosfet nimmst, der schon bei
   5V ausreichend durchschaltet, kannst du die 100Ω auf etwa 270Ω
   erhöhen. Damit sollten beide angesprochenen Probleme gelöst sein.

   Da der Emitterstrom des linken Transistors dann nur noch etwa 16mA
   beträgt, würde ich statt des BC337 einen BC547C nehmen, da dieser
   eine etwas höheren Stromverstärkung hat, so dass der Eingangsstrom
   noch geringer wird. Für die Gegentaktstufe ist das BC337/BC327-
   Pärchen aber in Ordnung.

Autor: Christian T. (shuzz)
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@yalu: Vermutlich wird die Schaltung bei ca. 16V betrieben, ich bin nur 
momentan nicht sicher da ich die Stromversorgung nicht selbst mache.
(Es geht hier um eine Art Gemeinschaftsprojekt von einem Freund und mir, 
es werden vom µC einige LEDs sowie ein Motor gesteuert...)
Von daher sollte der "normale" MOSFET eigtl. durchgesteuert werden.
Um ehrlich zu sein: Mir fehlt es momentan an den Grundlagen um das Ganze 
komplett durchzurechnen, so ganz habe ich die Transistoren bislang noch 
nicht begriffen. Ich verlasse mich daher auf die Aussagen von Benedikt 
und Dir.

Die Geschichte mit der Sättigung leuchtet mir (mittlerweile) ein, im 
Prinzip darf der Potentialunterschied zwischen Basis und Emitter nicht 
mehr als 0,7V betragen, sonst geht der Transistor in die Sättigung, 
richtig?

Wie langsam würde das Ganze denn werden?
Da es um eine Motorsteuerung geht sollte es ja eigentlich nicht das 
Problem sein wenn ich nur auf ein paar kHz komme oder?

Könnte man dem auch auf andere Weise entgegen wirken? z.B. mit einer 
Darlington-Schaltung?
(Grund für die Frage: BC337 hab ich noch massig rumfliegen, IRF5305 
ebenfalls, nen Logic-Level MOSFET müsste ich erst besorgen... ;) )
Bei Darlington würde sich dann die Gate-Spannung nochmal um 0,7V 
verringern, aber die Schaltgeschwindigkeit erhöhen oder?

Autor: yalu (Gast)
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> Vermutlich wird die Schaltung bei ca. 16V betrieben, … Von daher
> sollte der "normale" MOSFET eigtl. durchgesteuert werden.

Ja, bei 16V Versorgungsspannung ist Ugs etwa 11,5V, was ausreichend ist.

> Die Geschichte mit der Sättigung leuchtet mir (mittlerweile) ein, im
> Prinzip darf der Potentialunterschied zwischen Basis und Emitter nicht
> mehr als 0,7V betragen, sonst geht der Transistor in die Sättigung,
> richtig?

Nicht ganz: Die Sättigung ist dann erreicht, wenn die Basis-Kollektor-
Spannung größer als etwa 0,5V wird, so dass die Basis-Kollektor-Diode zu
leiten beginnt.

> Wie langsam würde das Ganze denn werden?

Hmm, das ist schwer zu sagen, da das auch davon abhängt wie stark der
Transistor in die Sättigung geht. Schlimmstenfalls erhöht sich die
Schaltzeit dadurch bei 12V vielleicht um einige µs. Mit höherer
Versorgungsspannung nimmt diese Verzögerung ab.

Das Tolle an dieser Schaltung ist eben, dass normalerweise (bei
richtiger Dimensionierung und ausreichender Versorgungsspannung) keiner
der drei Transistoren in die Sättigung geht und das Ugs am Mosfet
unabhängig von der Versorgungsspannung ist, so dass man auch bei hohen
Spannungen keine gesonderte Gate-Schutzschaltung braucht. Bei weniger
als 18,7V wird aber der erste, bei weniger als 14,5V gleich beide
Vorteile geopfert, was halt etwas schade ist :)

> Da es um eine Motorsteuerung geht sollte es ja eigentlich nicht das
> Problem sein wenn ich nur auf ein paar kHz komme oder?

Ein paar kHz sollten nicht so kritisch sein. Dann stellt sich aber die
Frage, ob eine einfache Emitterschaltung als Ansteuerung für den
Mosfet nicht auch ausreichend wäre, was zwei Transistoren und einen
Widerstand einsparen würde.

> Könnte man dem auch auf andere Weise entgegen wirken? z.B. mit einer
> Darlington-Schaltung? … Bei Darlington würde sich dann die
> Gate-Spannung nochmal um 0,7V verringern, aber die
> Schaltgeschwindigkeit erhöhen oder?

Nein, der Darlington macht die Sache eher noch langsamer. Er bringt nur
mehr Verstärkung, aber davon ist eigentlich schon genug vorhanden.

Wenn du aber schon weißt, dass die Schaltung mit mindestens 16V
betrieben wird, würde ich Folgendes vorschlagen: Mit 330Ω für den
Kollektorwiderstand (wie gehabt) und 129-141Ω für den Emitterwiderstand,
sollte es gerade so hinkommen, dass der Transistor nicht in die
Sättigung geht Mosfet mindestens 10V bekommt. 150Ω sollten auch noch
gehen, dann ist Ugs eben nur noch 9,5V, was keinen großen Unterschied
macht.

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