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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Leistung eines Heizelementes mit µC regeln


Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Hallo,

ich möchte ein 12V 150W DC Keramik Heizelement (PTC Thermister) mit 
Hilfe eines Atmel Mega8 in der Leistung regeln. So möchte ich eine 
Leistung von beispielsweise 80W vorgeben und der Mega bzw. die Schaltung 
soll die Spannung für das Heizelement entsprechend runter regeln, so das 
die 80W in etwa erreicht werden. Strom und Spannung werden gemessen und 
die aktuelle Leistung kann errechnet werden. Die Einstellung soll von 
"volle Leistung"(volle Spannung, 150W) bis "aus"(keine Spannung, 0W) 
gehen.

Das Heizelement wird in einem Heizkoffer eingesetzt.

Wie kann ich eine solche Schaltung realisieren?

Vielen Dank,
Gruß Jörg

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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>So möchte ich eine
>Leistung von beispielsweise 80W vorgeben und der Mega bzw. die Schaltung
>soll die Spannung für das Heizelement entsprechend runter regeln,

Du kannst natürlich schon die Spannung runterregeln, mit einem Stepdown
beispielsweise. Viieeel einfacher ist eine Pulsweitenmodulation -
mit genau dem gleichen Effekt.

mfg

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Gute Idee, doch wie mache ich das genau? Der Mega8 kann ja PWM, aber nur 
bis 5V und ein paar mA. Wie komme ich von da zu den 12V und 150W? Gibt 
es vielleicht irgendwo eine Beispielschaltung? Ich kenne mich bei den 
Bauteilen nicht so aus, ich denke mal, ich brauche FETs oder so?

Gruß Jörg

Autor: ich (Gast)
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>ich denke mal, ich brauche FETs oder so?

Wird die beste Lösung sein.

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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Ach so - absoluter Anfänger.

>bis 5V und ein paar mA. Wie komme ich von da zu den 12V und 150W?

Kauf dir ein Netzgerät für die 12 V. Die 5V für den Atmega erzeugst
da am einfachsten mit einem 7805.

>Gibt
>es vielleicht irgendwo eine Beispielschaltung?

Ähnliche Schaltungen wirst du hier sicher finden, suchen musst du
aber selber.

>Ich kenne mich bei den
>Bauteilen nicht so aus, ich denke mal, ich brauche FETs oder so?

Ja, FETs, die du mit einem Treiber ansteuerst oder einen SmartFet mit
Logikeingang.

Autor: A. W. (wiwil)
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Bei den Reaktionsgeschwindigkeiten eines Heizelementes kannst du die PWM 
mit kleinen Frequenzen betreiben, wenn es akustisch nicht stört.
Dann reicht ein einfacher Logik-Level N-Mosfet am AVR-Port, der dir die 
12V schaltet.

Autor: A. W. (wiwil)
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Ah, noch vergessen, nicht mit der Spannung beim Mosfet sparen. Bei 12V 
als Lastspannung würde ich einen 55V Mosfet nehmen, auch wenn deine Last 
vermutlich keine besonders große Induktivität hat.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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IRL3705N zum beispiel. bei der leistung würd ich zwei davon verbauen, 
damit hast du nur noch ein viertel der verlustleistung an den FETs.

die PWM würde ich nicht so tief ansetzen, 100-300Hz sollten es schon 
sein. ansonsten darf das arme netzteil ständig zwischen leerlauf und 
150W ausregeln.

Autor: Mike J. (emjey)
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Hallo Jörg,

> Wie kann ich eine solche Schaltung realisieren?
Du musst sagen wie genau und detailliert du es beschrieben haben 
möchtest.
Auf welchem Stand bist du? (Null, Anfänger, Fortgeschritten, ... )
1. Wie sieht es mit deinen E-Technik und Programmierkenntnissen aus?


Das erste was du brauchst ist ein Netzteil welches 12V und etwas über 
150W liefern kann. Das kann auch ein PC Netzteil sein.

-------
Wenn du es dir ganz einfach machst nimmst du PulsweitenModulation.
Deine PWM müsste nicht so schnell sein, 10kHz reichen locker aus.

Wenn es etwas komplizierter sein soll nimmst du noch eine Spule und 
Diode zu deiner (50 KHz) PWM hinzu und hast einen Step-Down 
Spannungswandler.
(Du musst die resultierende Spannung messen und die PWM so lange 
angleichen bis die Gewünschte Spannung erreicht ist.)

-------
Ab 10 KHz musst du zusätzlich einen MosFET Treiber basteln (das häufige 
laden und entladen vom Gate bringt so ein I/O-Pin nicht)
Besteht quasi nur aus zwei Transistoren (NPN und PNP) und zwei 
Basis-Widerständen.

Treiber:
Beitrag "Re: MOSFET-Treiber diskret, Spannung bricht zusammen"
Beitrag "Re: n-kanal mosfet treiber diskret mit npn und pnp"

Bei 100 Hz kannst du bei so einer unkritischen Sache einfach den I/O-Pin 
nutzen.

------
Dein PTC Element besitzt einen bestimmten Widerstand, wenn es wärmer 
wird steigt dieser.
Du brauchst also einen kleinen Shunt Widerstand um den Strom zu messen.
Dann noch die Spannung

------


Zum Schluss hast du da einen Controller auf einem Steckbrett, fliegend 
verlötet oder auf einer Lochrasterplatine.
Dazu ein Leistungsteil mit dem MosFET und vielleicht mit Spule+Diode.

An Code kann es wenig sein, du brauchst nur PWM und ADC.


Wenn du Hilfe brauchst sag es einfach.

mfg

Autor: Falk Brunner (falk)
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Siehe PWM

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Vielen Dank erst einmal für Eure zum Teil sehr ausführlichen 
Hilfestellungen/Beiträge.

Zum meinen Kenntnissen, der Ausstattung, dem Hintergrund: Ich würde mich 
als fortgeschrittenen Anfänger bezeichnen und komme aus der Modellbauer 
Ecke. Der Koffer soll am Schaltnetzteil(20A), KFZ Netz und einem 
internen 3S Lipo betrieben werden. Je nach Quelle soll dann die Leistung 
eingestellt werden. Der Koffer ist mein erstes µC Projekt.
Die Spannung für den Mega8 wird per 7805 erzeugt. Die Spannung wird über 
einen Spannungsteiler mittels ADC gemessen. Bei der Strommessung kommt 
ein ACS713 Hall Sensor zum Einsatz. Die Temperatur wird mit KTY Sensor 
ebenfalls am ADC ermittelt. Zum Einstellen und Anzeigen kommen ein LCD 
und Taster zum Einsatz.
Die Heizung läuft nicht die ganze Zeit. Die Aufheizphase dauert ca. 2 
Minuten, danach wird nur noch knapp alle 2 Minuten für ca. 20 sec 
geheizt. (Erfahrungswerte mit festen 100W Heizleistung)

So würde dann jetzt die Lösung aussehen:
Logik-Level N-Mosfet (z.B. IRL3705N) direkt am PWM Pin des Mega8 und 
eine vergleichsweise niedrige Schaltfrequenz (um die 1KHz oder sogar 
noch niedriger). Dann noch den Laststromkreis anschließen und fertig.

Welcher FET wäre denn der richtige?
Die beiden Typen hab ich bei Farnell gefunden
IRL3705NPBF  (55V, 77A, Leistungsverlust:130W)
IRL3705NSPBF (55V, 89A, Leistungsverlust:170W)

Falls ich zwei verwenden muss, wie schalte ich die zusammen, das sie 
sich die Leistung teilen?

Vielen Dank,
mfG Jörg

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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Sieht schon ganz gut aus!

>Falls ich zwei verwenden muss, wie schalte ich die zusammen, das sie
>sich die Leistung teilen?

Viel kannst du da nicht machen. Mosfets gleichen dass zum Teil selber 
aus,
da sie einen positiven Temperaturkoeffizienten haben.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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ich würde beiden sicherheitshalber einen kleinen kühlkörper spendieren 
auf den beide gemeinsam draufpassen. drain und source kommen direkt 
zusammen, die beiden gates bekommen jeweils einen 22-47 ohm widerstand 
und erst dann gemeinsam an den µC pin. beide source-pins der FETs müssen 
auf masse, das heizelement dann zwischen plus und die beiden drain-pins.

bei 15A laststrom sind das bei zwei FETs 0.006 Ohm Rds(on), folglich 
1,4W verlustleistung, pro FET die hälfte. da reicht ein mini-kühlkörper 
aus, der muß nur dafür sorgen daß beide FETs möglichst die gleiche 
temperatur haben.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Vielen Dank, jetzt weiß ich Bescheid.

Eine letzte Frage habe ich aber noch. Kann mir jemand einen konkreten 
Logik-Level Transistor/FET empfehlen, den ich genau wie den Mosfet von 
oben anschließen kann, nur eben für kleinere Lasten bis 10W(12V Lüfter 
etc.)?

Gruß Jörg

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Ben _ (burning_silicon)

>bei 15A laststrom sind das bei zwei FETs 0.006 Ohm Rds(on), folglich
>1,4W verlustleistung, pro FET die hälfte. da reicht ein mini-kühlkörper
>aus, der muß nur dafür sorgen daß beide FETs möglichst die gleiche
>temperatur haben.

Wozu in einem HEIZkoffer ein FET für die PWM sonderlich verlustarm sein 
muss ist mir unklar. Und erst recht ZWEI davon.
Jeder 0815 FET mit 10..20 mOhm reicht, die paar W Verlustleistung werden 
sinnvollerweise gleich im Heizkoffer verbraten.

@ Jörg K. (joergonaut)

>Eine letzte Frage habe ich aber noch. Kann mir jemand einen konkreten
>Logik-Level Transistor/FET empfehlen, den ich genau wie den Mosfet von
>oben anschließen kann, nur eben für kleinere Lasten bis 10W(12V Lüfter
>etc.)?

SMD oder bedrahtet? IRF7301 oder IRL530, siehe MOSFET-Übersicht.

MFG
Falk

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Besonders verlustarm muss das ganze sicher nicht sein, im vernünftigen 
Rahmen halt. Da ich mit FETs noch nie gearbeitet habe, brauche ich eben 
konkrete Vorschläge. Und wenn die nicht übermäßig teuer sind und 
funktionieren dann ist gut.

Der Vorschlag für die 150W war bisher der IRL3705N und für 10W IRF7301 
oder IRL530. (bedrahtet würde ich bevorzugen)

Gruß Jörg

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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@  Falk Brunner (falk)

>Wozu in einem HEIZkoffer ein FET für die PWM sonderlich verlustarm sein
>muss ist mir unklar. Und erst recht ZWEI davon.
>Jeder 0815 FET mit 10..20 mOhm reicht, die paar W Verlustleistung werden
>sinnvollerweise gleich im Heizkoffer verbraten.

Eigentlich egal, aber bei geringerem Ron kann er weniger falsch machen 
;-)

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