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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fahrtregler H-Brücke - funktionsfähig?


Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Hallo,

vor geraumer Zeit ist die H-Brücke aus dem Anhang entstanden, habe mir 
die Idee aus nem Elektor Artikel geklaut.

Aufgebaut hatte ich das Moped schonmal, allerdings mit FET's aus der 
Restekiste, da wollte das ganze nicht funktionieren. Bevor ich jetzt nen 
neuen "Großeinkauf" mache hab ich aber noch drei Fragen zur Schaltung:

- Ist der Schaltplan so stimmig, funktioniert das so?
- Ist der "IRF 4905" ein geeigneter P-Kanal FET?
- Welcher Strom geht als Dauerlast über die FET's und wann sollte ich 
lieber kühlen?

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Was mir auffällt ist folgendes:

- Es sind keine Abblockkondensatoren eingezeichnet. Ich kann nur hoffen, 
daß Du sie der Übersicht halber weggelassen hast. Ein 'Fetter' wird für 
den Leistungsteil benötigt und weitere (z.B. 100nF) für die Digital-ICs. 
Anbringungsort ist unmittelbar dort, wo die Energie benötigt wird. D.h. 
für die 100nF, z.B. so dicht wie möglich an den 
Betriebsspannungsanschlüssen der ICs und der 'Fette' in der Nähe der 
Schalttransistoren. Ein sogenannter Low-ESR-Typ (wie er z.B. in 
Schaltnetzteilen eingesetz wird) wäre hier sinnvoll.

- Der IRF9530 schafft bei einer Ugs von -5V gerade einmal 3A (unter 
idealen Bedingungen) zu schalten. Ist das für Deine Applikation 
ausreichend? Bei -4V kommt er nicht mal über 0,8A hinaus.

- Ich befürchte Cross-Conduction bei Deiner Brückenschaltung, d.h. 
möglicherweise leiten beim Umschalten für einen kurzen Augenblick beide 
Transistoren innerhalb eines vertikalen Zweigs. Mal mit einem Oszi und 
einem kleinen Shunt (Stromfühlerwiderstand in der Größenordnung eines 
Bruchteils von einem Ohm, z.B. 0,1 Ohm) in der Versorgungsspannungs- 
oder GND-Leitung nachmessen. Dafür braucht dann nicht einmal eine Last 
dran sein.

- Der BUK101, als Logic-Level MOSFET, ist OK. Sollte aber die Schaltung 
irgendwie die Neigung zum Schwingen haben, so sollte man in der 
Gate-Zuleitung zu den MOSFETs (insbesondere zu den IRF9530) kleine 
Serienwiderstände in der Größenordnung von vielleicht 10...100 Ohm 
vorsehen.

- Der physikalische Aufbau und insbesondere die Masseführung ist für die 
Funktion und Betriebssicherheit (z.B. bezüglich der eben erwähnten 
Schwingneigung) sehr wichtig. Da wo viel Strom fließt, sollten die 
Leiterbahnen breit und kurz ausfallen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Dazu noch:
- Die 1N4004 sind unnötig und kontraproduktiv, da zu langsam. Wenn 
schon, dann schnelle Schottkys.
- Die PWM über das Schalten der HCT125 auf Tristate ist suboptimal.
- Das ganze funktioniert nur, solange Vcc >5V und <20V ist.

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Danke für die Antworten.

-Den 9350 hatte ich nur eingesetzt, weil mir eine LIB für 4905 fehlt. 
Wäre ein 4905 denn besser? Ich kann die Daten von dir leider nicht 
nachvollziehen, muss gleich noch mal Datenblatt wälzen

-Die Dioden und Kondis lassen sich ja ohne Probleme austauschen / 
einfügen.

-gibt es eine Alternative zur der Logik?

-Das System wird von einem EmbeddedLinux-Kern + AVR gesteuert, deswegen 
ist das mit den der Betriebsspannung von >5 V relative irrelevant.

Nur....lohnen sich Weiterentwicklung und Selbstbau überhaupt?
Gibt es denn günstige Motortreiber? Ich kenne nur welche bist 2 Ampere


Ich möchte zwei Nagarashi N2738-48G Motoren von Conrad (Datenblatt: 
http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/2... 
) via PWM ansteuern.
Die Stromaufnahme soll im Durschnitt bei 3,2 A liegen.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Hä? Wenn ich mir das Datenblatt vom Motor so anschaue, dann soll er zwar 
3.545A bei einem Drehmoment von 1.4 OZ-IN 'ziehen', aber Du solltest Dir 
mal unbedingt die zweite Seite anschauen!
Im Leistungsdiagramm kann er bei maximum Torque von 48mNm etwa 13A 
'ziehen' (bei einer Anschlußspannung von 6V). Bei 5V wird's halt ein 
bißchen weniger sein, aber die von Dir angegebenen 3.2A sind wohl eher 
eine Illusion bzw. Wunschdenken. Beim Anlaufen (und ohne Sanftanlauf 
über eine Rampe) wird er sicher ganz kraftig die Amperes aus der 
Stromversorgung 'saugen', mal salopp gesagt.

Der IRF4905 ist nur unwesentlich besser (im Vergleich zum IRF9530). Wenn 
er kalt ist und -4V Ugs bekommt schafft auch er nur etwa 3.5A, ist die 
'Pille' (aka "Die") allerdings mal heiß (175°C) dann schafft er bei 
dieser Gate-Source-Spannung sogar 7A - aber sollte er diese Temperatur 
erreichen, haste was falsch gemacht.

Wenn Du Dir nun mal die üblichen Verdächtigen von Motorsteuerungen aus 
dem Modellbaubereich einmal anschaust, sollte Dir eines auffallen:
In der Regel wird man bei kräftigen Antriebssteuerungen nicht nur 4 
MOSFETs finden sondern häufig sogar (wesentlich) mehr. Das ist nicht 
zwangsläufig so, weil ein MOSFET allein nicht den zu schaltenden Strom 
schaffen würde, sondern (bei oft nur 4 Zellen als Fahrakku) auch das 
Problem einen MOSFET zu finden, der bei kleinen Gate-Spannungen auch 
genügend Strom schalten kann. Kann oder will man die Gate-Spannung nicht 
erhöhen, so schaltet man eben mehr MOSFETs parallel.
Will man dann auch noch schnell schalten, so sind dann Deine Treiber ein 
wenig schwachbrüstig, wie auch schon Benedikt K. bemängelt hatte (O-Ton: 
"suboptimal"). Dem kann ich nur beipflichten.

Fertige Lösungen kann ich Dir nicht ad-hoc aus dem Ärmel schütteln. 
Danach googeln sollte jedoch von Erfolg gekrönt sein, wenn man weiß 
welche Schlagwörter man eingeben muß. Da ist manchmal durchaus Phantasie 
gefragt.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Kann oder will man die Gate-Spannung nicht erhöhen, so schaltet man eben >mehr 
MOSFETs parallel.

Doch. Das wird mittels kleiner StepUp Wandler getan. Danach sind 
Halbbrückenwandler IR21?? verbaut. Somit werden die Gates mit ~12V 
betrieben.


>Kann oder will man die Gate-Spannung nicht erhöhen, so schaltet man eben >mehr 
MOSFETs parallel.

Dort fließen weit größere Ströme als die hier gefallenen 13A.


>Bei 5V wird's halt ein bißchen weniger sein, aber die von Dir angegeb

Guck dir mal den IRLR7843 an.


Willst du allen Ernstes die Brücke mit 5V betreiben??

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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@lippy:

- Bei Vollbrücken-Treibern für DC-Motoren habe ich (persönlich) das noch 
nicht so oft gesehen. Wenn Du da mehr Erfahrung hast - be my guest.
Bei BLDC-Treibern habe ich es schon wesentlich öfter gesehen, wenn sie 
via Bootstrap, aus der PWM-Ansteuerung zur Erzeugung der 3 Phasen, die 
höhere Spannung erzeugen.

Um Phil hier etwas mehr Background-Info zu geben, gibt es natürlich noch 
andere Gesichtspunkte, wie z.B. der gewünschte (niedrige) RDSon, um bei 
zig Amperes die Verluste so klein wie möglich zu halten. Ist halt häufig 
'ne Kosten/Nutzen-Rechnung.
Der IRLR7843 ist bei diesen Werten natürlich ganz Vorn mit dabei. ;-)
Schaut man sich den max. Drain-Strom an, protzt er mit bis zu 161A!
Aber wo Sonne ist, da ist auch Schatten: Das D-Pak-Gehäuse verkraftet 
aber nur max. 30A, wegen der 'dünnen' Anschlußdrähte (Fußnote 4 auf der 
letzten Seite im Datenblatt). Also wieder ein Grund, warum manchmal 
mehrere MOSFETs parallel geschaltet werden (müssen).

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Hmmmm,
schon wieder eine neue Baustelle im Projekt...

Mir stehen derzeit 7,2 Volt zur Verfügung, mehr wirds wohl auch erstmal 
nicht werden.
Der Motor wird aber wohl nicht dauerhaft diese Ströme ziehen, warum 
Conrad auf 3,2 A kommt weiß ich nicht.
Da ich mir jetzt sowieso
sehr gründlich überlegen muss, wie ich weiter vorgehe,
werd ich morgen erstmal die Ströme messen und dann mal von 
Erfahrungswerten berichten, den ganzen Zahlen trau ich nicht.
Hätte ich doch Graupner Motoren genommen....

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Genau. Und dann poste mal paar Eckdaten, die die H-Brücke können muss.

Also Spannung, Strom, PWM-Frequenz,...


>DC-Motoren habe ich (persönlich) das noch nicht so oft gesehen.

Da hast du recht. Für DC-Motoren geht das von dir erklärte 
Bootstrap-Prinzip nicht. Ich meinte bei meinen Ausführungen eher die 
MOtoren für den (Boot)Modellbau. Das sind aber glaub ich auch BLDC.

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Spannung - Dürfte so bei 6-8 Volt liegen, je nachdem, was der Akku 
hergibt (keine Konstantstromquelle)
Strom - Die Motoren kennt ihr ja jetzt, ich muss morgen mal messen, 
heute schaff ich das nicht mehr.
PWM-Frequenz - Naja, das was nen Mega32 (oder evtl. nen Mega128) zu 
bieten hat.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Spannung - Dürfte so bei 6-8 Volt liegen

Da brauchst du nen StepUp, um 10..15V als Gatespannung zur Verfügung zu 
stellen. (du brauchst zwei Hilfsspannungen)


>Strom ...
Spielt eher nur für die FET Auswahl eine Rolle.


>- Die Motoren..

Das scheinen echte DC Motoren zu sein. Somit kannst du 
Bootstrap-Schaltung vergessen, da die Brücke nicht zyklisch umgesteuert 
wird.


>PWM-Frequenz..

Hm.. Wird sicher unter 20kHz liegen, eher im einstelligen kHz Bereich. 
Mehr macht bei MotorPWM (meist) keinen Sinn (Ankerzeitkonstante).

Ich könnte dir zur Ansteuerung paar HCPL3120 anbieten.
http://www.bmh.nu/pdf/Opto/HCPL3120.pdf

Zur Erzeugung der Hilfsspannung könntest du zwei kleine DCDC Wandler 
nehmen. (SIM... bei Reichelt) Müsstest nur auf die Spannungen achten..

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Hmm, also für wenn ich zwei DC-DC-Wandler nehme bin ich schon mindestens 
20,-€ los. Wahrscheinlich werde ich dann noch drei Stück von denen 
zerschießen.
Kommen noch die FET's dazu.
Für mich stellt sich einfach nur gerade die Frage nach aufwand und Zeit 
von dem ganzen.

Gefunden habe ich einen anderen Motortreiber, der sieht sehr 
vielversprechend aus, könnte der mir helfen (ohne jetzt die genaue 
Stromaufnahme zu kennen)?:
http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/RN-VNH2Dualmotor

Da wäre ich mit 40,- € für eine fast fertige und funktionierende Lösung 
dabei.

Ich habe aber gerade eine ganz andere Frage, die in mir herumgeistert: 
Wie konstant bleibt die Spannung bei einem NiMh-Akku mit zunehmender 
Entladung?
Hab mir jetzt mehrere Datenblätter von einzelnen Zellen angeschaut, dort 
scheint die Spannung ziemlich lange auf einem konstanten Level zu 
liegen, liege ich da richtig?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Hmm, also für wenn ich zwei DC-DC-Wandler nehme bin ich schon mindestens
>20,-€ los.

Eher so etwa 12Euro. Kann aber sein, dass die eh nicht gehen, weil 
meineswissens gibt es nur 5V, 12V als Eingangsspannung. Was die sonst 
machen, weiß ich nicht.

Vielleicht ist ein Selbstbau mit einem kleinen EFD10-Kern eine Lösung.


>Kommen noch die FET's dazu.

Du willst eine Leistungsbrücke bauen (für Elektroniker sind 13A 
riesengroße Ströme ;-)
Also musst du auch etwas investieren. Beratung ist hier ja gratis. Oder 
du kaufst was Fertiges. Aber das ist gegen die Hobbybastlerehre.


>Wie konstant bleibt die Spannung

Keine Ahnung.

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Für mich sind das auch Riesenströme, ich schubse eigentlich mehr 
Digitalsingale rum.
Aber Motoren brauchen nunmal viel Strom.
Für Brushless reicht mein Investitionsvermögen gerade nicht; das man 
vernünftige Leistungselektronik nicht billig zusammenfummeln kann ist ja 
nichts neues.
Längerfristig ist ein Eigenbau mit Sicherheit nicht schlecht, ist also 
auch nicht so ganz schlecht einen Schaltplan zu entwickeln, außerdem 
lern ich dann ja auch noch mal dazu.
So weit geht meine Leidenschaft aber nicht, dass ich mir meine Wandler 
selbst Wickel, da muss schon etwas fertiges her.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>So weit geht meine Leidenschaft aber nicht, dass ich mir meine Wandler
>selbst Wickel, da muss schon etwas fertiges her.

Was ist denn das für ne Einstellung..

Das ist Hobby..
Und bei hohen Frequenzen und den Al-WErten brauchst du nur einige 
10Windungen...


;-)

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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Also, frische Daten...

Die Stromaufnahme liegt so im Durchschnitt bei 2,6 A.
An den Motoren selbst hängt auch nicht so wahnsinnig viel dran.
Kann hier leider nur digital messen, ich geh aber davon aus, dass der 
Einschaltstrom mit Sicherheit noch deutlich höher liegt.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Einschaltstrom mit Sicherheit

Versuche doch mal mit nem Ohmmeter den Ankerwiderstand im Stillstand! zu 
messen.

Autor: Phil J. (sunflower_seed)
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so um 1 Ohm.
Bei knapp 5 Volt (hatte ich oben im Test verwendet und vergessen zu 
posten) müssten also so 5A fließen?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>so um 1 Ohm.

Das kann auch ein halbes Ampere bedeuten..

Du solltest also von >10A ausgehen. Aber das ist wohl das kleinste 
Problem ;-)

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