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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik H-Brücke die zweite


Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Schönen Neujahrstag!

Ich hatte schon einmal einen Beitrag bezüglich einer H-Brücke. Aus dem 
Beitrag ist die Brücke im Anhang entstanden.

Ich habe die Schaltung großteils übernommen aber es sind noch Fragen 
offen geblieben.

1.) Beim PWM Eingang ist ein Transistor als Schalter mit einem Inverter 
um die Brücke auch mit kleinen Logikpegeln (3,3V) ansteuern zu können. 
Wofür ist aber der Kondensator parallel zum Widerstand an der Basis?

2.) Die verwendeten FETs sind beide für 55V. Ist das auch die Maximale 
Spannung mit der ich die Brücke betreiben kann?

3.) Der IRLZ34N hat ein ID von 30A. Der IRF4905 hat ein ID von -74A. 
Kann ich die Brücke also mit bis zu 30A betreiben?

4.) Die Gate to Source Voltage liegt bei 20V. Wenn ich die Brücke mit 24 
od. 36V betreibe dann übersteigt die Gate-to-Source Voltage beim IRF4905 
die Zulässige. Wie kann ich dies verhindern? Oder verbessert mich bitte 
wenn ich mich irre.

5.) Als Dioden über die FET habe ich eine BYV29. Diese hält 9A aus. Hat 
dies eine Auswirkung auf den Betriebsstrom? Begrenzt diese Diode also 
meinen Maximalen Strom durch die Brücke? Oder meine Frequenz?

BG und noch schönen Feiertag
Andreas

Autor: MaWin (Gast)
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> Ich habe die Schaltung großteils übernommen

Erhöhe R5 R6 auf 22k, sonst ist die Ansteuerspannung der MOSFETs nicht 
9V+9V sondern asymmetrisch.
Du brauchst bei den NMOSFETs keine LogicLevel MOSFETs, denn 9V reichen 
auch zum Durchsteuern eines normalen IRZ34.
Dir ist klar, daß L/R mit 18V angesteuert werden muss ?

1.
Ein Speed-Up Kondensator, der hier definitiv unnötig ist.

2.
Nein, Ugsmax liegt je nach MOSFET bei 20V und wenn deine R1/R2 
Spannungsteiler korrekt arbeiten und die Spannung halbieren, wird ab 40V 
diese Ugsmax überschritten. Da man Reserven haben sollte, würde ich 
diese Brücke nur bis 24V Nennspannung betreiben, da können dann einige 
Volt bei vollem Akku mehr anliegen, aber nicht aml in die Nähe der 40V 
kommen. Denn derzeit (siehe Kommentar zu R5 R6) sind deine 
Spannungsteile nicht korrekt.

3.
Wenn die Transistoren so toll gekühlt werden (TC=25GradC) wie das 
Datenblatt vorschreibt, und du die passenden Dioden (siehe 5) hättest.

4.
Richtig erkannt (siehe Punkt 2). Man bräuchte eine andere Schaltung.

5.
Die BYV29 ist schnell, und im schlechtesten Fall (50% PWM) wird sie die 
halbe Zeit belastet, daher darf im Mittel 18A fliessen.

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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MaWin schrieb:
>> Ich habe die Schaltung großteils übernommen
>
> Erhöhe R5 R6 auf 22k, sonst ist die Ansteuerspannung der MOSFETs nicht
> 9V+9V sondern asymmetrisch.

Wieso muss ich auf 22k gehen? Es sind ja 2,2k für R1 und R2. Sollte sich 
die Spannung dort nicht auch 50/50 aufteilen? Welche Spannung wird hier 
geteilt? UB?

> Du brauchst bei den NMOSFETs keine LogicLevel MOSFETs, denn 9V reichen
> auch zum Durchsteuern eines normalen IRZ34.

Ich hatte den Logic FET gerade zur Hand.

> Dir ist klar, daß L/R mit 18V angesteuert werden muss ?

Oh an das habe ich nicht gedacht. Das heißt ich muss dafür auch einen 
Transistorschalter am Eingang machen?

> 1.
> Ein Speed-Up Kondensator, der hier definitiv unnötig ist.

Wieso ist der Hier unnötig?

> 5.
> Die BYV29 ist schnell, und im schlechtesten Fall (50% PWM) wird sie die
> halbe Zeit belastet, daher darf im Mittel 18A fliessen.

Also der Maximalstrom der Brücke darf 18A nicht überschreiten?

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Andreas Riegebauer schrieb:

Hier noch ein paar andere Antworten:

> 1.) Beim PWM Eingang ist ein Transistor als Schalter mit einem Inverter
> um die Brücke auch mit kleinen Logikpegeln (3,3V) ansteuern zu können.
> Wofür ist aber der Kondensator parallel zum Widerstand an der Basis?

Der Kondensator erzeugt beim Aussschalten von Q15 einen Ausräumstrom für 
die Basis. Da der BC548 nicht besonders schnell schaltet, kann diese 
Maßnahme bei Frequenzen > 10 kHz notwendig sein, um ein sauberes 
Rechtecksignal zu bekommen.

> 2.) Die verwendeten FETs sind beide für 55V. Ist das auch die Maximale
> Spannung mit der ich die Brücke betreiben kann?

theoretisch ja, praktisch solltest Du einen Sicherheitsabstand von 5-10V 
einhalten.

> 3.) Der IRLZ34N hat ein ID von 30A. Der IRF4905 hat ein ID von -74A.
> Kann ich die Brücke also mit bis zu 30A betreiben?

Theoretisch ja, praktisch nimmt man dann stärkere Transistoren mit einem 
niedrigeren RDSon, damit man nicht so viel heizen muß.

> 4.) Die Gate to Source Voltage liegt bei 20V. Wenn ich die Brücke mit 24
> od. 36V betreibe dann übersteigt die Gate-to-Source Voltage beim IRF4905
> die Zulässige. Wie kann ich dies verhindern? Oder verbessert mich bitte
> wenn ich mich irre.

Du irrst, wie auch MaWin. Die Schaltung ist, abgesehen von den fehlenden 
Gate-Widerständen und der fehlenden Totzeit, gut durchdacht. Sie liefert 
eine maximale Gate-Source-Spannung von ca. 17 V, unabhängig von der 
Betriebsspannung der Brücke.

> 5.) Als Dioden über die FET habe ich eine BYV29. Diese hält 9A aus. Hat
> dies eine Auswirkung auf den Betriebsstrom? Begrenzt diese Diode also
> meinen Maximalen Strom durch die Brücke? Oder meine Frequenz?

Die Dioden sind eher überdimensioniert bis überflüssig. Der Strom fließt 
fast immer durch die Transistoren und eigentlich nie durch die Dioden.

Jörg

Autor: MaWin (Gast)
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> Wieso muss ich auf 22k gehen?

Nun, wir haben

+18V +18V
  |   |
 2k2 2k2
  |   |
  +--|<
      |
     2k2
      |
     GND

Der Transistor leitet, einerseits von der Basis zum Emitter, 
andererseits vom Kollektor zum Emitter. Lassen wir den Kollektor mal 
weg:

+18V
  |
 2k2
  |
  +--|<
      |
     2k2
      |
     GND

dann ist der Transistor nur eine leitende Diode

+18V
  |
 2k2
  |
  +-|>|-+
        |
       2k2
        |
       GND

es stellen sich folgende Spannungen ein:

   +18V
     |
    2k2
     |
9.4V +-|>|-+ 8.6V
           |
          2k2
           |
          GND

würde ja passen. Nun kommt allerdings der Kollektor hinzu. Der 
Transistor ist leitend, wegen 4mA (zumindest so viel wie Kollektorstrom) 
Basisstrom voll leitend.

+18V   +18V
  |     |
 2k2   2k2
  |     |
  +-|>|-+
        |
       2k2
        |
       GND

es stellen sich durch die Parallelschaltung der Widerstände die Spannung 
ein

    +18V   +18V
      |     |
     2k2   2k2  <- 6.2V Ugs
      |     |
12.6V +-|>|-+ 11.8V
            |
           2k2  <- 11.8V Ugs
            |
           GND

> Wieso ist der Hier unnötig?

Weil man das nur bei dicken bipolaren Leistungstransistoren braucht wenn 
man sie wirklich schnell schalten will. So ein BC548 ist erstens sowieso 
schnell genug, und zweitens wären für ihn 100nF viel zu gross 
dimensioniert.

> Du irrst, wie auch MaWin. Die Schaltung ist gut durchdacht. Sie liefert
> eine maximale Gate-Source-Spannung von ca. 17 V, unabhängig von der
> Betriebsspannung der Brücke.

Ja, richtig, mehr als VCC des Treibers kann nicht als Gate-Spannung 
entstehen, auch im oberen Zweig. Der +Ub nach VDD Spannungsregler hab 
ich übersehen Dummerweise funktioniert die Schaltung halt nicht 
ordentlich wenn die Treiberspannung höher ist als Motorspannung/2. Man 
müsste dann, wie oben dargestellt den Basiswiderstand vergrössern auf 
22k. Zugegeben klüger wäre es, VDD zu verringern.

> abgesehen von der fehlenden Totzeit,

Quatsch. Die Totzeit macht nur die Ansteuerung, denn die Schaltung 
selbst steuert gar nicht den "oberen" EIN und den "unteren" einer Seite 
AUS, sondern nur gegenüberliegende EIN.

> den fehlenden Gate-Widerständen und

Auch die sind in Digitalschaltung unnötig. Angstwiderstände die man 
höchstens zur EMV-Unterdrückung bräuchte, aber niemals zur Funktion. Es 
gibt keine Schwingneigung wie in Analogschaltungen die gedämpft werden 
müsste.

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Die 18V hast du von der Logikversorgung oder? Ich werde die Logik 
allerdings nur mit 10V Versorgen. Die kann ich mit dem LM317 erzeugen. 
Sollte sich dann mit 12V UB ausgehen und mit 24V sowieso. Ist das ein 
Problem? Wie verhält es sich denn dann?

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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MaWin schrieb:

>> Wieso ist der Hier unnötig?
>
> Weil man das nur bei dicken bipolaren Leistungstransistoren braucht wenn
> man sie wirklich schnell schalten will. So ein BC548 ist erstens sowieso
> schnell genug, und zweitens wären für ihn 100nF viel zu gross
> dimensioniert.

Der BC548 ist schon recht langsam. Für schnelle Schaltanwendungen sind 
auf jeden Fall schnelle Schalttransistoren wie z.B. der 2N2369 zu 
bevorzugen. Insofern kann ein Speedup-Kondensator auch für einen BC548 
sinnvoll sein. Der Kondensator ist zwar sehr groß, aber das schadet auch 
nichts.


>> abgesehen von der fehlenden Totzeit,
>
> Quatsch. Die Totzeit macht nur die Ansteuerung, denn die Schaltung
> selbst steuert gar nicht den "oberen" EIN und den "unteren" einer Seite
> AUS, sondern nur gegenüberliegende EIN.

o.k., da habe ich jetzt die Überkreuzung der unteren Gateleitungen 
übersehen.
Damit wäre dann auch meine Aussage hinsichtlich der Dioden teilweise 
hinfällig. Stattdessen würde ich  raten, Schottky-Dioden zu verwenden, 
damit der Strom nicht über die langsamen Body-Dioden der MOSFETs fließen 
kann.

>> den fehlenden Gate-Widerständen und
>
> Auch die sind in Digitalschaltung unnötig. Angstwiderstände die man
> höchstens zur EMV-Unterdrückung bräuchte, aber niemals zur Funktion. Es
> gibt keine Schwingneigung wie in Analogschaltungen die gedämpft werden
> müsste.

Das ist nun wirklich Quatsch. Alle Schaltungen abrbeiten analog. Sie 
werden nur gelegentlich zur Vereinfachung digital genannt. Die 
Gate-Widerstände sind insofern funktional, als viele Schaltungen ohne 
diese Widerstände einfach nicht oder nicht richtig funktionieren. EMV 
ist in diesem Fall auch nicht nur eine Frage von Vorschriften über 
Störabstrahlung. Die hochfrequenten Schwingungen, die bei jeder 
Schaltflanke auftreten können, bringen regelmäßig die Funktion des 
ganzen Gerätes zum Erliegen.

Jörg

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Schönen Abend!

Ich habe jetzt die H-Brücke im Anhang aufgebaut. In eine Richtung 
funktioniert die auch obwohl mein Tiefentladeschutz immer wieder 
auslöst. Also zieht er viel Strom und die Spannung am Akku bricht ein. 
Auch ohne Motor aber.

Ich habe ein paar Punkte gemessen

 PWM  |  R/L  |  G Q1  |  G Q2  |  G Q3  |  G Q4  |
   0  |   0   |  12,14 |  12,17 |   0    |    0   |
   1  |   0   |  7,18  |  12,16 |   0    |  7,18  |
   1  |   1   |  10,3  |   5,82 |        |  8,4   |

Wo kann ich beginnen zu suchen. Die FETs werden verdammt heiß. Hab mir 2 
Finger verbrannt.

Das Problem gibt es erst seit die Logik dabei ist. Die Brücke so 
funktioniert. Ohne die Gate Widerstände. Mit habe ich die Schaltung 
alleine nicht versucht.

BG
Andreas

Autor: MaWin (Gast)
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>  0  |   0   |  12,14 |  12,17 |   0    |    0   | ok
>  1  |   0   |  7,18  |  12,16 |   0    |  7,18  |
sollte:          6        12,xx             6       sein, geht leidlich
>  0  |   1   |  10,3  |   5,82 |        |  8,4   |
falsch. Sollte   12.xx     passt    0       12.xx   sein

Dafür daß die Schaltung angeblich symmetrisch ist, ist also was faul im 
Aufbau.

> Die FETs werden verdammt heiß.

Eventuell reichen die 12V für deine MOSFETs nicht (macht nur 6V Ugs im 
optimalen Fall).
Die Schaltung soll für Motoren mit 24V sein !
Schliesslich kannst du aus 12V nicht 18V für die CD40xx regeln.

Autor: Dennis (Gast)
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Andreas Riegebauer schrieb:
> Also zieht er viel Strom und die Spannung am Akku bricht ein.
> Auch ohne Motor aber.

Naja, dann kann ja was nicht stimmen - dann sind ja definitiv zwei FETs 
auf einer Seite offen, die dir den Akku kurzschließen...und dass die 
heiß werden...logisch :-) Da stimmt was in der Ansteuerung nicht, oder 
deine FETs sind nicht 100% zu oder auf, sondern hangeln irgendwo in der 
Mitte herum.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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AUf den ersten Blick:

Die oberen beiden (P)-FETs sind falsch herum drin.

Und die Vorwiderstände R5 und R6 müssen raus.

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Matthias Lipinsky schrieb:
> AUf den ersten Blick:
>
> Die oberen beiden (P)-FETs sind falsch herum drin.

Das glaube ich nicht weil es sonst ein Problem mit den internen Dioden 
gibt. Oder meinst du in der aufgebauten Schaltung?

> Und die Vorwiderstände R5 und R6 müssen raus.

Wieso? Vorwiderstände sind ja nicht so verkehrt oder doch?

Autor: Nee nEE (Gast)
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Matthias Lipinsky schrieb:
> Die oberen beiden (P)-FETs sind falsch herum drin.

Die sind schon richtig so!

Matthias Lipinsky schrieb:
> Und die Vorwiderstände R5 und R6 müssen raus.

Die müssen nicht unbedingt drin sein, aber raus MÜSSEN sie auch nicht!

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Das glaube ich nicht weil es sonst ein Problem mit den internen Dioden
>gibt. Oder meinst du in der aufgebauten Schaltung?

Laut Schema schon:


        |  D
    ||--'
G   ||--.
----''--o
        |  S


Egal welche Polarität der FET hat, ich Symbol ist gegenüber vom G immer 
S !

Und für einen P-FET in der H-Brücke bedeutet das, das das S an der 
Betriebsspannung hängt.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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etwa so

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Ähm..... Mein S hängt an der Betriebsspannung.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Ähm ist das richtig, dass du das Gatter IC1 mit 18V versorgst, aber die 
Brückenspannung nur 12V ist?

Weiterhin bezweifle ich, dass 5V Gatespannung für die P-FETs reichen.

Je nach PWM-Frequenz finde ich die Vorwiderstande R1..R4 etwas groß.

...

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Nein das habe ich oben schon mal geschrieben. Die Versorgung der Logik 
beträgt 10V. Ich möchte 20kHz PWM verwenden. Wie groß würdest du die 
Vorwiderstände wählen. T = R * C?

Ich werde die Brücke heute noch mit 24V Versorgen und die Gatespannungen 
messen.

BG
Andreas

Autor: Nee nEE (Gast)
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Matthias Lipinsky schrieb:
> etwa so

Ist doch genauso!

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Ich werde die Brücke heute noch mit 24V Versorgen und die Gatespannungen
>messen.

Das solltest du sofort tun.

>Die Versorgung der Logik beträgt 10V

Ok.


       UB
    ---o-------
       |
       R1                Ich würde empfehlen, R1 (etwa) genauso
       |                 groß zu mache wie R2. Das ergibt folgende
       o------  OUT1     Spannungen:
       |
       |C                 IN     OUT1         OUT2
IN    |/                -----------------------------
 -----|                   0V      UB           0V
    B |\                 Uin   Ub-(Uout2)    Uin-0,7V
       |E
       |                     Die zweite Zeile gilt allerdings nur, wenn:
       o------  OUT2
       |                     2*(Uin-0,7) + 0,7V < Ub   ist.
       R2
       |                     Sonst geht der Transistor in die Sättigung.
    ---o------               Das bedeutet, dass der Abschaltvorgang
     GND                     nicht mehr (hauptsächlich) durch Uin
                           bestimmt wird, sondern jetzt die 
Speicherverzugszeit eintritt.

Zum Widerstandswert:
Im Moment des Durchsteuern des Transistorsfließt Strom von UB-R1-T-R2...
und Richtung OUT1 zur Push-Pull-Stufe. Vereinfacht kann man sagen, dass 
Uin/R1 den maximal möglichen Strom durch R1 darstellt. Und nur dieser 
kann der PushPull-Stufe als (möglichen max.) Basisstrom dienen.

Wenn du jetzt also 500mA Gatestrom haben möchtest, und die T's der 
PushPull-Stufe ein B von 100 haben (mögen), so brauchst du mind. 5mA 
Basisstrom. Für Uin=10V und 5mAergibt das ein R1=R2=2k.


Der IRF4905 hat eine total-gate-charge von 180nC. Wenn du diese mit 
500mA und 10V umlädst, dauert das etwa 360ns.

Hättest du aber nur 5mA, so benötigst du 36µs zum Einschalten. Und deine 
20kHz-PWM hat ein T=50µs...

PS: Hast du mal ein Oszi drangehalten?

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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AHHHHHHHHH.... Heute ist nicht mein Tag!

Zuerst habe ich beim Messen die 24V UB auf die Logik gebracht... 
BUMMM... Logik kaputt.... Dann habe ich die 24V UB an den PWM Eingang 
gelegt.... Kein Ahnung was dann passiert ist... Q7 Kaputt. Dann hat sich 
noch eine Leiterbahn mit 2mm aufgelöst. Ist durchgebrannt.

Was hättet ihr für Vorschläge für die Schaltung? Ich muss die Platine 
nochmal neu machen und dann kann ich gleich noch Änderungen einbauen.


@Matthias:
Das Gate wird doch durch Q9 und Q10 angesteuert oder nicht? Da habe ich 
doch keinen Widerstand ausser den 10 Ohm Widerstand.

BG
Andreas

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Das Gate wird doch durch Q9 und Q10 angesteuert oder nicht? Da habe ich
>doch keinen Widerstand ausser den 10 Ohm Widerstand.

Das ist schon richtig, aber was ist denn Q9/Q10?

Eine Push-Pull-Stufe, auch Emitterfolger genannt, auch unter 
Kollektorschaltung bekannt...

DIese Stufe hat eine Spannungsverstärkung von (ca) eins, aber dafür eine 
signifikante Stromverstärkung von (ca) B.

Also heißt das, wenn Gatestrom fließen soll (zum Umladen), so muss 
Basisstrom fließen. Und der kann nur durch den R1 kommen...

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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MaWin gab oben den Tip die Widerstände R1 und R2 zu vergrößern. Um den 
nötigen Strom zu erzeugen soll ich die verkleinern. Was soll ich jetzt 
machen? Ich habe die Gatewiderstände mal auf 5 Ohm reduziert.

Soll ich die Basis der beiden Transistoren Q5 und Q7 noch mit einem 
Widerstand auf Masse legen damit diese sicher auch 0 liegen wenn am 
Logik Ausgang ein Low Pegel anliegt?

Die Logikspannung werde ich auf 12V erhöhen nachdem ich die Brücke 
sowieso mit 24V versorgen muss.

Mit welcher Maximalspannung kann ich in die PWM und L/R gehen?

Die Brücke kann von 24 bis 36V versorgt werden?

Die Kondensatoren an den Eingängen PWM und L/R sind die mit 10nF OK oder 
noch kleiner?

Autor: MaWin (Gast)
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> MaWin gab oben den Tip die Widerstände R1 und R2 zu vergrößern.

Das war unter der Annahme, daß +Ub auch 18V beträgt so wie VDD.
Ich hatte den Spannungregler links oben übersehen.
Allerdings ist bei deiner aktuellen Wahl +Ub und VDD sogar schlappe 12V, 
der Tip bleibt als richtig.

> Um den nötigen Strom zu erzeugen soll ich die verkleinern.

Richtiger wäre es, als VDD die Gate-Spannung der MOSFETs zu nehmen, also 
bei LogicLevel MOSFETs was ab 6V, bei normalen MOSFETs was ab 10V, aber 
nicht mehr als 18V, und +Ub mehr als doppelt so hoch wie VDD zu wählen. 
Dann passen die im Original vorgegebenen Widerstandswerte.

> Was soll ich jetzt machen?

#Ub mit 24V anlegen, den Spannungsregler auf 10-12V einstellen.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>> Was soll ich jetzt machen?

Dir erstmal klar werden, wie die Schaltung überhaupt funktioniert, und 
nicht wird rumraten...

siehe meine Erklärungen...

Autor: Andreas Riegebauer (blackpuma)
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Schönen Abend!

Ich habe ein paar kleine Änderungen vorgenommen und die Schaltun noch 
mal aufgebaut. Versorgungsspannung ist jetzt 24V und die Logik wird mit 
12V Versorgt. Folgende Punkte habe ich gemessen.

 PWM  |  R/L  |  G Q1  |  G Q2  |  G Q3  |  G Q4  |
   0  |   0   |  24,5  |  24,5  |   0    |    0   |
   1  |   0   |  13,77  |  24,5 |   0    |  10,37  |
   0  |   1   |  24,5  |   24,5  |   0   |    0   |
   1  |   1   |  24,5  |   13,7  |  10,37  |  0   |

Bleiben noch folgende Fragen:

Mit welcher Maximalspannung kann ich in die PWM und L/R gehen?

Die Brücke kann von 24 bis 36V versorgt werden?

Die Kondensatoren an den Eingängen PWM und L/R sind die mit 10nF OK oder
noch kleiner?

Und noch eine ist mir eingefallen:

Ab welchem PWM Verhältnis sollte sich der Motor zu drehen beginnen oder 
ist das unterscheidlich?

BG
Andreas

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