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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Freilaufdiode bei langen Zuleitungen


Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Hallo,
im Artikel (http://www.mikrocontroller.net/articles/Snippets) steht, 
dass man bei langen Zuleitungen zu einer Last Freilaufdioden einsetzen 
soll.

Bei mir besteht die Last aus vielen Dioden (im Bild sind exemplarisch 
nur 2)

Die etwas unschön gezeichneten Bahnen vom FET zur LED und von dieser zum 
Vorwiderstand sind meine langen Zuleitungen (im Schnitt jeweils um die 
40-50cm). Widerstände und FET befinden sich nach beieinander auf einer 
Platine.

Die Diode soll nun ja über der Last, also nah bei ihr sein. Das kann ich 
bei mir aber nicht wirklich machen, oder? Meine Last besteht ja aus 
Widerstand und LED, welche aber ebenfalls weit voneinander entfernt 
sind.

Wohin also mit der Diode?

Danke!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Überlege dir, was es zu schützen gilt. Wahrscheinlich die LEDs? Gemäß 
dem Link, schalte also zu jeder LED parallel eine Freilaufdiode, ganz 
dicht bei ihr.

Ich würde vor allem mal Hin- und Rückleiter ganz dicht beieinander 
verlegen (verdrillen!), sodaß keine großen Stronmschleifen gebildet 
werden. Das reduziert die Induktivität schon mal enorm.

Schreib mal etwas mehr über die Steuerung. Hast du überhaupt PWM? Falls 
nicht, kannst du vielleicht auf die Dioden verzichten.

Kai Klaas

Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Kai Klaas schrieb:
> Überlege dir, was es zu schützen gilt. Wahrscheinlich die LEDs? Gemäß
> dem Link, schalte also zu jeder LED parallel eine Freilaufdiode, ganz
> dicht bei ihr.

Ich dachte die Dioden sind zum Schützen des FETs?
Daher wollte ich auch ihn schützen.

> Ich würde vor allem mal Hin- und Rückleiter ganz dicht beieinander
> verlegen (verdrillen!), sodaß keine großen Stronmschleifen gebildet
> werden. Das reduziert die Induktivität schon mal enorm.

Leider ist das nicht möglich, da die LEDs später als, allseits 
beliebter, LED-Würfel wiederfinden werden.

> Schreib mal etwas mehr über die Steuerung. Hast du überhaupt PWM? Falls
> nicht, kannst du vielleicht auf die Dioden verzichten.

Ja, PWM wird verwendet zum Schalten mit einer Pulsweite von 417µs. 
Frequenz sind entsprechend 100Hz.

Autor: Hilfs-Sysop (Gast)
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Die Dioden kannst du einspaaren.
Du hast keine gigantisch großen Ströme, keine allzugroße Induktivität, 
die FETs können einiges ab (=> "Avalanche energy" im Datenblatt für 
Details) und ein Vorwiderstand zum Begrenzen des Stroms ist ja auch noch 
im Pfad.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Ich dachte die Dioden sind zum Schützen des FETs?
>Daher wollte ich auch ihn schützen.

Ich dachte, der ist schon geschützt. Klar, alles was den "induktiven 
Kick" nicht aushält, gilt es zu schützen.

>Leider ist das nicht möglich, da die LEDs später als, allseits
>beliebter, LED-Würfel wiederfinden werden.

Hhm, das gibt dann aber ganz schöne Störungen, oder? Ich würde versuchen 
die FETs relativ weich zu schalten. Das verringert den "induktiven Kick" 
und hält auch die Störungen recht klein. Allerdings müssen die FETs das 
auch aushalten (SOAR).

Kai Klaas

Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Hilfs-Sysop schrieb:
> Die Dioden kannst du einspaaren.
> Du hast keine gigantisch großen Ströme, keine allzugroße Induktivität,

was heißt gigantisch? an meinem Fet liegen am Ende 15A an.

Wie groß meine Induktivität ist, kann ich nicht sagen.
Kann man die ohne Physikstudium grob berechnen?

> die FETs können einiges ab (=> "Avalanche energy" im Datenblatt für
> Details) und ein Vorwiderstand zum Begrenzen des Stroms ist ja auch noch
> im Pfad.

Leider  fehlt mir hierzu auch noch der Bezug, ich kann da ablesen, dass 
ich bei 75°C und abgeschätzt auf meinen Strom wohl um die 100mJ pro Puls 
haben kann. Was sagen mir die mJ?



-----


Kai Klaas schrieb:
> Ich dachte, der ist schon geschützt. Klar, alles was den "induktiven
> Kick" nicht aushält, gilt es zu schützen.

Nein, leider noch nicht, hierfür dann eine Diode parallel und direkt am
FET?


> Hhm, das gibt dann aber ganz schöne Störungen, oder? Ich würde versuchen
> die FETs relativ weich zu schalten. Das verringert den "induktiven Kick"
> und hält auch die Störungen recht klein. Allerdings müssen die FETs das
> auch aushalten (SOAR).

Ohje, was man nicht alles bedenken muss,
kann ich den ganzen Störungen entgegenwirken, wenn ich zuerst alle LEDs
abschalte (auf der Lowside wird noch mit constant current LED sink
driver geschaltet) und dann den pFET schalte?

Autor: Hilfs-Sysop (Gast)
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Mirko P. schrieb:
> was heißt gigantisch? an meinem Fet liegen am Ende 15A an.

Ok, das ist dann doch einiges. Spielen Kosten eine große Rolle, wieviele 
von den FETs verbaust du? Bei den Dioden tuns auch billigere, wichtig 
ist in der Anwendung die turn-on time, die reverse recovery time macht 
bei deinen 100Hz noch keinen Unterschied.
(Hab meine Datenblatt-Samlung grad nicht zur Hand, vergleich mal z.B. 
1N5819, SB360, 1N4001)

Mirko P. schrieb:

> Leider  fehlt mir hierzu auch noch der Bezug, ich kann da ablesen, dass
> ich bei 75°C und abgeschätzt auf meinen Strom wohl um die 100mJ pro Puls
> haben kann. Was sagen mir die mJ?

Mili-Joule sind Milli-Wattsekunden, d.H. der FET würde es z.B. 
überleben, wenn jeden PWM-Puls für eine ms eine Induktionsspannung von 
30V@3.3A entstehen würde, und diese über den Avalanche ("Zener-Dioden") 
- Effekt der internen Diode abgebaut werden würde.

Mirko P. schrieb:
> Wie groß meine Induktivität ist, kann ich nicht sagen.
> Kann man die ohne Physikstudium grob berechnen?

Gibt da sicher eine Faustformel, viel mehr als eine Handvoll nH/m 
werdens aber nicht werden.

Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Hilfs-Sysop schrieb:
> Ok, das ist dann doch einiges. Spielen Kosten eine große Rolle, wieviele
> von den FETs verbaust du?

Schon ja, und ich verbaue 96 von den pKanal Fets, wie sie oben zu sehen 
sind.

> Bei den Dioden tuns auch billigere, wichtig
> ist in der Anwendung die turn-on time, die reverse recovery time macht
> bei deinen 100Hz noch keinen Unterschied.
> (Hab meine Datenblatt-Samlung grad nicht zur Hand, vergleich mal z.B.
> 1N5819, SB360, 1N4001)

Von welchen / wo zu platzierenden Dioden redest du dabei?

> Gibt da sicher eine Faustformel, viel mehr als eine Handvoll nH/m
> werdens aber nicht werden.

Habe mir sagen lassen 10cm Leitung haben 100nH.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Nein, leider noch nicht, hierfür dann eine Diode parallel und direkt am
>FET?

So wie im Link. Da die Drain des p-FETs in Gefahr ist und hier eine 
negative Spannung entstehen kann, muß dort die Kathode einer 
Schutz-Diode sitzen, die Anode sitzt an GND.

>kann ich den ganzen Störungen entgegenwirken, wenn ich zuerst alle LEDs
>abschalte (auf der Lowside wird noch mit constant current LED sink
>driver geschaltet) und dann den pFET schalte?

Ich kenne deine genaue Schaltung leider nicht.

>Habe mir sagen lassen 10cm Leitung haben 100nH.

Ja, kommt hin, wenn Hin- und Rückleiter nicht nahe bei einander liegen.

Kai Klaas

Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Kai Klaas schrieb:
> So wie im Link. Da die Drain des p-FETs in Gefahr ist und hier eine
> negative Spannung entstehen kann, muß dort die Kathode einer
> Schutz-Diode sitzen, die Anode sitzt an GND.

Kommt es hierbei aber darauf an ob die Diode nah an der Last liegt?

> Ich kenne deine genaue Schaltung leider nicht.

Die ist auch leider noch am Entstehen.

Aber getrieben werden sollen die LEDs von einem cat4016, welcher der 
besagte konstantstrom LED Treiber ist.
Von diesen werden einige verbaut, und Gruppen von LEDs werden dann auf 
der positiven Seite zusammengeschlossen und an jeweils einen pFET 
gehangen (so wie in der ersten Skizze).

Kurz gesagt: Skizze von oben, nur sind die LEDs nicht direkt mit GND 
verbunden, sondern dazwischen kommt noch der CAT4016.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Kommt es hierbei aber darauf an ob die Diode nah an der Last liegt?

Die Erfordernis der Schutz-Diode ensteht ja gerade, weil die Last weit 
weg ist und daher eine nicht zu unterschätzzende Leitungsinduktivität 
ins Spiel kommt. Du willst den FET ja gerade vor der Auswirkung der 
langen Leitung schützen, und deswegen ordnest du die Schutzdiode direkt 
beim FET an.

Erinnere dich daran, wie der induktive Kick entsteht: Es fließt Strom, 
der unterbrochen werden soll. Die Induktivität will den Strom jetzt also 
weiterfließen lassen und erzeugt eine Spannung, die sie aus ihrem 
eigenen Magnetfeld speist. Den LEDs droht keine Gefahr, weil der Strom 
durch sie ja weiter fließt. Sie sind es ja nicht, die den Strom 
unterbrechen wollen. Aber an der Drain des p-FETs droht Gefahr, weil der 
FET den Stromfluß unterbrechen will und hier der induktive Kick 
entsteht.

Kai Klaas

Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Kai Klaas schrieb:
> Die Erfordernis der Schutz-Diode ensteht ja gerade, weil die Last weit
> weg ist und daher eine nicht zu unterschätzzende Leitungsinduktivität
> ins Spiel kommt.

Stimmt, danke, ergibt Sinn.

Aber diese Diode muss dann ja auch 15A aushalten können?
Wenn ich mich jetzt nicht verguckt habe, gibt es solche großen Dioden 
nur in TO220 Bauform und in teuer.
Wenn ich wie nun aber alle LEDs vor dem schalten ausmache (sprich im 
CAT4016 alle deaktiviere) fließt ja eigentlich kein Strom mehr und somit 
sollte der pFET auch gefahrlos ohne Schutzdiode schalten können, 
richtig?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wenn ich wie nun aber alle LEDs vor dem schalten ausmache (sprich im
>CAT4016 alle deaktiviere) fließt ja eigentlich kein Strom mehr und somit
>sollte der pFET auch gefahrlos ohne Schutzdiode schalten können,
>richtig?

Der Teufel ist ein Eichhörnchen... Mach auf jeden Fall eine hin. Denk 
nur an Stromausfall und ähnliches. Manchmal tuts auch eine 
Parallelschaltung von zwei kleineren Dioden.

Kai Klaas

Autor: Ulrich (Gast)
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Viele der neueren MOSFETs sind Avanache fest können also einen nicht zu 
großen Puls mit Überspannung/Strom vertragen. So groß wir die 
Gespeicherte Energie ja auch nicht sein. Entpsrechend wird auch die 
Freilaufdiode den Strom nicht lang Leiten müssen, sondern nur ein paar 
µs oder weniger. Selbst eine 1N4001 sollte genu Peak Strom vertragen, 
und schnell muß die Diode auch nicht sein.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Ulrich schrieb:
> Selbst eine 1N4001 sollte...

Einfach mal simulieren/ausprobieren.
Ich verwette eine Tüte 1N4148 dass ebendiese auch ausreicht, sogar bei 
mehreren Metern Kabel.

Autor: Mirko P. (bk_brot)
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Kai Klaas schrieb:
> Der Teufel ist ein Eichhörnchen... Mach auf jeden Fall eine hin. Denk
> nur an Stromausfall und ähnliches. Manchmal tuts auch eine
> Parallelschaltung von zwei kleineren Dioden.

Stromausfall, stimmt, hab ich noch gar nicht dran gedacht

Εrnst B✶ schrieb:
> Einfach mal simulieren/ausprobieren.
> Ich verwette eine Tüte 1N4148 dass ebendiese auch ausreicht, sogar bei
> mehreren Metern Kabel.

Die Wette nehme ich an, nur für alle Fälle ;)

Alles klar, bin nun wieder ein bisschen schlauer, vielen dank allen 
Helfern!

Autor: oszi40 (Gast)
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Manchmal sind auch 2 Säcke Dioden noch billiger, als einen 
Servicetechniker später die Schaltung beim weit entfernten Kunden 
reparieren zu lassen?

Auf die in MOSFETS integrierten Schutzdioden würde ich mich NICHT 
verlassen, da bei der ganzen Aktion auch zusätzliche Wärme im MOSFET 
entsteht, die auch noch betrachtet werden sollte.

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