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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Leistungstransistor / Hitzeentwicklung


Autor: Malte S. (Gast)
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Hallo,

ich steuer mit einem ATMega32 per PWM (Frequenz ca. 10Hz) eine 
Wasserpumpe an die max. 7A zieht. Als Leistungstransistor verwende ich 
einen IRF540N der ja vom max. Strom her locker reichen sollte.

Derzeit habe ich noch einen recht kleinen Kühlkörper, später soll das 
Alu Gehäuse als Kühlkörper dienen. Was mir aber schon jetzt auffällt 
ist, das der Transistor (gerade bei höheren PWMs > 70%) extrem schnell 
warm wird und dann auch irgendwann den Hitzetod stirbt.

Als Vergleichstest habe ich den µc mal auf 60sec. PWM programmiert so 
das ich immer gleichlange Zeiträume habe. Bei einem Pumpenlauf von 
60sec. wird der Transistor von ca. 24°C auf knappe 50-60°C erwärmt.

Lässt man ihn dann noch weiter laufen, erhöht sich die Temperatur auch 
schnell auf 100°C und mehr...

Ist das bei diesen Strömen normal und einfach nur mein Kühlkörper zu 
klein oder liegt vielleicht ein Schaltungsfehler / falsche PWM frequenz, 
etc. vor?

Die Schaltung ist als simpler Low-Side Driver gegen Masse ausgelegt, 
ohne großen Schnickschnack wie Freilaufdioden ... könnte das ggf. der 
Grund sein?

Hat jemand vielleicht ein Schaltungsbeispiel wie so eine Schaltung 
optimalerweise aussieht?

Gruß
Malte.

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Wieviel Widerstand hat der FET ? Mit welcher Spannung steuerst Du das 
Gate an ?

Bei einer Ansteuerung mit 10V sollte er so ca. 44mOhm haben. Bei 7A 
Strom wären das dann ca. 2W Leistung. Die Erwärmung sollte man schon 
spüren. Ohne Kühlkörper wäre es tötlich für den FET.

Aber miß selbst mal...

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Läuft die Pumpe an Wechselspannung? Denn dann würde ich dir ganz 
dringend nen TRIAC empfehlen, der dann in Vollwellensteuerung arbeitet. 
Verlustleistung ist dabei theoretisch null, da im TRIAC selbst nix 
verheizt wird, da er ja immer beim Nulldurchgang der Versorgungsspannung 
schaltet (also entweder "ganz aus" oder "ganz an" ist).

Sollte es Gleichspannung sein, dann würde ich nochmal den Steuerteil der 
Schaltung überarbeiten. Vorallem ein Augenmerk darauf legen, dass der 
Transistor möglichst schnell voll durchsteuert, denn wirklich Leistung 
verheizen tut der nur, wenn er irgendwo zwischen "ganz aus" und "ganz 
an" gefahren wird (ähnlich wie Verstärkerbetrieb). Da du aber sowieso 
PWM machen willst, reicht es ja, denn Transistor immer ganz 
durchzusteuern (sättigen?).

Autor: Christian Erker (Gast)
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Mit den max. 5V des AVRs kannst du einen IRF540 nicht sauber 
durchschalten, er bleibt also hochohmig mit viel Verlustleistung. Du 
brauchst einen Logic-Level-FET oder eine Treiberschaltung die ~10V am 
Gate erzeugt. Wichtig bei einer Treiberschaltung: Gegentakt, damit die 
Flanken scharf werden, sonst wird die fallende Flanke (des Stroms) 
verschliffen und damit hast du wieder Verluste.

Gruß,
Christian

Autor: 3348 (Gast)
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Ein Triac hat null Verlust ? So, so.
Ein Triac hat etwa 4 Sperrschichten, das sind mal etwa 2V die Weggehen.

Autor: Sven (Gast)
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@Malte:

Um die Sache zu vereinfachen solltest Du einen Schaltplan
zeigen, dann weiss man auch genau wie Du den
Mosfet jetzt ansteuerst.

Gruß Sven

Autor: Malte S. (Gast)
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Stimmt, ihr habt recht... weis garnicht mehr wieso ich eigentlich nen 
IRF540 genommen hab... naja egal...

hab mir gerade mal hier ne Übersicht verschafft:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Mosfet-%C3...

was haltet ihr vom IRF3205 oder gibts einen bestimmten Transistor den 
ihr mir empfehlen könntet (möglichst <= 1€/Stk.) den ich direkt mit 
einem 0-5v PWM TTL Signal ansteuern kann?
Gehäuse sollte wenn möglich ein TO-220 sein

Möchte möglichst keinen Treiber verwenden, da zusätzliches Bauteil und 
Platinenlayout schon weitgehend fertig und sowieso wenig Platz im Case 
;-)

Die Pumpe ist eine 12v Gleichstrompumpe, d.h. der Transistor muss ein 
12v PWM für die Pumpe erzeugen.

Danke schonmal für die vielen schnellen Antworten.

Gruß
Malte.

Autor: 3348 (Gast)
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Ohne Treiber haste nur 5V am Gate. Dh ein Nicht-Logic-Level-FET ist ein 
Widerstand und kein Schalten. Da muss ein Logic-Level-FET her.

Autor: crazy horse (Gast)
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IRLZ44, billig, super.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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3348 wrote:
> Ein Triac hat null Verlust ? So, so.
> Ein Triac hat etwa 4 Sperrschichten, das sind mal etwa 2V die Weggehen.

Ich hab gesagt, der hat theoretisch null Verlust, damit meinte ich 
mehr das beschriebene Steuerprinzip als das Bauteil.

Autor: 3348 (Gast)
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Na. Jeder Schalter hat so Null Verlust. Sei das ein Relais, ein 
Optorelais, ein Optokoppler, ein FET, ein Transistor. Das hilft eher 
wenig.

Autor: yalu (Gast)
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> ohne großen Schnickschnack wie Freilaufdioden

Freilaufdioden sind bei der Ansteuerung induktiver Lasten in den
allerallermeisten Fällen kein Schnickschnack ;-)
Bau lieber eine ein.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Du könntest das Gate mittels Pullup auf die 12V legen und das Gate dann 
mit einem kleinen Transistor ala BC547 gegen Masse schalten. Evtl. noch 
ne Z-Diode von Masse zum Gate legen falls die 12V nicht ganz sauber 
sind.

Autor: Malte S. (Gast)
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Danke erstmal, der IRLZ44 sieht vielversprechend aus.
Hat noch jemand nen Hinweis zur Freilaufdiode? Gibts da was bei der 
Dimensoinierung zu beachten?

Gruß
Malte.

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Ja, es sollte eine schnelle Diode sein.
Sie sollte in der Spitze die 7A aushalten und im Mittel so ca. 4A 
Dauerstrom.
1N5820 evtl.

Autor: yalu (Gast)
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Ich schließe mich dem Vorschlag von Bernd an. Da Schottky-Dioden
praktisch keine Rückwärtserholzeit haben, eignen sie sich gut als
Freilaufdioden in PWM-Anwendungen. Der mittlere Diodenstrom beträgt
maximal ein Viertel des bei 100% Tastverhältnis fließenden
Motorstroms. Wenn du tatsächlich nur mit 10Hz arbeitest (oder sollte
das vielleicht 10kHz heißen?), ist der mittlere Strom noch deutlich
niedriger, da er genug Zeit hat, bis zum jeweils nächsten
Einschaltvorgang abzuklingen. In diesem Fall reicht auch eine etwas
handlichere 1N5817, 1N5818 oder 1N5819 (was gerade am billigsten ist)
für 1A.

Autor: Malte S. (Gast)
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Hallo,

ich brauche nochmal eure Hilfe. Ich verwende jetzt einen IRLZ24N und 
habe noch ein Problem.

1.) werde ich sicher noch eine der oben genannten Freilaufdioden 
verbauen, da ich festgestellt habe das die Induktiven Spannungen beim 
Abschalten ganz schön übel sind (hab gestern gut eine gewatscht bekommen 
als ich testen wollte wie heiß das Gehäuse wird)

2.) Habe ich nun an die Pumpe die ich ansteuere eine Düse montiert. Die 
Pumpe hat keinen internen Bypass und auch kein Druckschalter, nun hab 
ich das Problem das mein Transistor mit montierter Düse (Restriktion) 
wieder extrem heiß wird (binnen Sekunden >100°C). Ich nehme an das die 
Pumpe einfach zu viel Strom zieht.

Hat noch jemand ne Idee wie man das ganze ohne Pumpenänderung oder 
externen Bypass elektronich entschärfen kann?

oder könnten bereits besagte Induktionsspannungen für den höheren 
Energieumsatz im Transistor verantwortlich sein?

Ich würde das Ding gerne so auslegen, das der Controller nicht abraucht, 
auch wenn die Pumpe z.B. mal geblockt wird durch verschmutzung oder 
sonstwas.

Wie könnte ich ohne riesen Messaufwand (Oszi ist schwer, hab leider 
keins) an die Sache ran gehen?

Sorry für die vielleich blöden Fragen, aber mit höheren Strömen hab ich 
sonst nicht viel am Hut :-)

Gruß
Malte.

Autor: eProfi (Gast)
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Ohne Oszi ist sowas immer schwierig.
Hast Du auch auf niederohmige Verbindungen geachtet?
Du musst z.B. aufpassen, dass durch den Stromfluss nicht der 
Source-Anschluss nach oben gehoben wird und dadurch die 
Gate-Source-Spannung absinkt.
d.h. Laststrom direkt am Source-Pin einleiten.

Und eine Diode brauchst Du unbedingt, irgendwas schnelles oder Schottky, 
wenn beim Belasten/Blockieren mehr Strom fließt, muss die Diode auch 
stärker ausgelegt werden.
Die Diode am besten direkt neben dem Transistor platzieren, das hat den 
Vorteil, dass durch die Motor-Leitung nur Gleichstrom fließt und weniger 
Störstrahlung entsteht.

Parallel zu (Transistor und Diode) (=12V-Versorgung) einen guten C mit 
low-ESR, der die Spannung glättet und die zurückkommende Energie (die in 
der Spule gespeichert war) auffängt.

Du musst unterscheiden zwischen Erwärmung durch ohmschen Widerstand  und 
Erwärmung durch Schalten (Übergang leitend <--> nichtleitend).

Wenn die Erwärmung durch das Schalten kommt, hilft nur eine zackiger 
Gate-Treiber.

Autor: Stefanie B. (sbs)
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Ich kann den IRFU 024 empfehlen. klein billig logic level

Und zu deinem Problem:
Wenn du krasse Überspannungen hast durch die Induktivität und PWM,
und zusätzlich der Mosfet ein avalanche Typ ist, dann wirkt der Mosfet 
als zDiode über Nennspannung und vernichtet die Spannung/Strom in 
Wärme...

Autor: Thomas O. (kosmos)
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es gibt auch Transitoren die ab einer bestimmten Thermischen Balstung 
einfach abschalten (Thermal shut down).

Wenn du die Pumpe bremst zieht sie viel mehr Strom als ohne Belastung 
messe mal wieviel Strom da fließt evtl. ist dein Transitor einfach zu 
klein dimensioniert oder deine Wärmeabführ ist nicht optimal. Hier 
könntest du mal nen CPU Kühlkörper testen falls du sowas noch rumliegen 
hast.

Diese Induktionsspannungen können übrgigens auch deinen Transistor 
killen wenn die max. CE bzw. DS Spannung überschritten wird.

Autor: Oszi40 (Gast)
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Hallo Malte,

1. Freilaufdiode einlöten
2. Egal wie der dicke Transistor heißt, wenn er nicht ganz durchsteuert, 
wird er eine Menge Leistung verbraten.

Steure die Pumpe zu Test an und miß die Spannung über den Transitor wenn 
die Pumpe läuft. Wenn z.B. 3V über den Transisor zu messen sind, dann 
werden bei 7A schon 21 W verheizt! Anschließend kannst Du die Ursache in 
der schwächelnden Ansteuerung suchen oder überlegen, ob ein anderer 
Transisor (mit mehr Stromverstärkung) eine Lösung ist.

Autor: JensG (Gast)
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@ Oszi40 (Gast)
>Steure die Pumpe zu Test an und miß die Spannung über den Transitor wenn
>die Pumpe läuft. Wenn z.B. 3V über den Transisor zu messen sind, dann
>werden bei 7A schon 21 W verheizt! Anschließend kannst Du die Ursache in

Das ist Quatsch - wenn das PWM sein soll, dann wirste Mist messen . Oszi 
ist da besser.

Autor: Frank L. (hermastersvoice)
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Vielleicht wäre auch ein PROFET das richtige Schaltglied? Guck mal hier: 
http://www.sprut.de/electronic/switch/protfet/protfet.html da wird das 
Prinzip erklärt. Das Ding hat ne Menge Intelligenz schon mit dabei und 
schützt sich zudem auch noch selbst. Ich hab die Teile schon für diverse 
Basteleien benutzt und war immer überrascht wie einfach es doch gehen 
kann.

bye

Frank

Autor: JensG (Gast)
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Generell haste wohl folgende Möglichkeiten:

1. LogicLevel Typ mit wenig Rdson (viel Id) nehmen

2. wie schon  Thomas O. (kosmos) am 01.05.2008 15:50 schrieb, kannste 
mit 'nem einfachen Transistor einen Treiber bauen, der dann 12V 
Gatespannung liefert, womit der Transistor mit Sicherheit durchschalten 
sollte.

3. oder nehme einen der explizit dafür gemachten Gatedriver (gegentakt, 
wegen gute Flanken -> geringe Verlustleistung)

4. was ich mal gemacht hatte: zw. 12V und Masse in Reihe geschaltet (von 
12V Punkt abwärts gelistet):

 - R mit 47k (oder auch mehr)
 - rote bis orange LED in Durchlaßrichtung + C=100nF parallel
 - R mit 10k (soll Pegel nahezu auf 0 halten, wenn µC noch nicht 
initialisiert)
 - µC Ausgang zw. LED und 10kk anklemmen
 - Gate zw. LED und 47k

Dadurch haste einen Spannungshifter, der den Impulspegel um den Betrag 
der LED Uf höherschiebt. Damit kannste auch übliche MOSFETs nehmen, die 
ja ab 4-5V dann auch gleich ins Volle gehen (mit 'ner roten LED haste 
dann 7V H-Pegel)
Ok, ich gebe zu, diese Variante wird gleich Anlaß zur Kritik geben, aber 
egal.  Funktioniert, und sichert auch die Impulsflanken, solange es der 
µC Ausgang treiben kann.

5. oder einfach den µC mit 6V-7V betreiben (ich glaube, Atmel und PIC 
halten wohl bis zu 7V offiziel aus). Mit 6V haben dann auch die meisten 
MOSFETs einen recht niedrigen Rdson, was für viele Zwecke dann auch 
schon ausreicht.

Wie man dem Datenblatt zum IRF3205 als Beispiel entnehmen kann, nimmt 
der Spannungsabfall ab 7V ohnehin nicht mehr sehr relevant zu (bzw. 
Rdson ab). Kommt natürlich auf deine Pumpe unter Last an, ob es auf 
diese relativ geringe Verbesserung noch ankommt.

Autor: JensG (Gast)
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achja, und wenn Du Punkt 4 und 5 kombinierst, dann kommste (je nach 
Ausreizung der Eckwerte) schon auf über 8V Gatespannung.

Autor: Oszi40 (Gast)
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Stimmt Jens,mit Oszi gehts besser!
Da Malte scheinbar  keinen hat, programmierte er Pulsweiten von 60 
Sekunden zum Test (lies ganz oben). In dieser langen Zeit sollte er doch 
was messen können ?

Trotzdem wette ich, daß schon Freilaufdioden über Induktivitäten Wunder 
wirken.

2.Wenn das Wunder nicht eintritt, kann er ja mal 60 Sekunden lang 
messen, wie hoch der Spannungsabfall über den Endtransitor ist.

3.Die 7 A Punpenstrom sind bestimmt noch optmistisch gemessen im 
leichten Dauerbetrieb. Das heißt aber auch, daß der Anlaufstrom mit 
Belastung wesentlich höher sein wird!! Andieser Stelle könnte Franks 
PROFET interessant werden. Wie der ausreichend angesteuert wird, fehlt 
mir leider noch Erfahrung.

Lutz

Autor: JensG (Gast)
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Na gut - wenn er es mit 60secs macht, dann kann er natürlich Imax unter 
Last/Blockade einfach mit Multimeter messen ;-)

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