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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Phasenabschnitt / Spikes am Mosfet??


Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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Hi,

ich habe einen kleinen Phasenabschitsdimmer mit AVR gebaut. Zum Testen 
natürlich erstmal alles auf 12V Basis! Nach dem Trafo wird von einem 
Brückengleichrichter die Betriebsspannung für die Glühbirne zur 
Verfügung gestellt. (100hz)

Der MOSFET (IRF530) schaltet quasi "Masse" für die Glühbirne, und wird 
von einem AVR angesteuert. Soweit läuft alles perfekt.
Ich habe erstmal eine Hauptschleife geschrieben, die 4 Glühbirnen in 100 
Stufen dimmen kann. Nun messe ich am Drain (Wo die Glühbirne dran hängt) 
immer im Ausschaltmoment (egal wann, also auch, wenn die Halbwelle kurz 
vor Nulldurchgang ist) eine ca 120V große Spannungsspitze die ich mir 
nicht erklären kann. Hat die Glühbirne (Halogen) eine so hohe 
Induktivität?

Autor: Ein (Gast)
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Ich würde mal statt Trafo mal `ne Batterie als Speisung nehmen.
Schätze mal dann ist der Peak weg.
Wie hast du die Ansteuerung gemacht?
I/O-Interupt?
Timereinstellung?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Wie lange liegt die Spannungsspitze an? Wenn es nur wenige ns oder µs 
sind, dann wird diese vermutlich durch die parasitäre Induktivität der 
Zuleitungen verursacht.
Abhilfe:
- Den Mosfet langsamer abschalten (auch aus EMV Gründen empfehlenswert!)
- Snubber über der Last
- Freilaufdiode über der Last

Autor: Timmy (Gast)
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Wie schaltest Du 230V Netzspannung mit dem IRF530? Der ist doch nur für
100Volt Vdds

Autor: Werner (Gast)
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>Nun messe ich am Drain (Wo die Glühbirne dran hängt)
>immer im Ausschaltmoment (egal wann, also auch, wenn die Halbwelle kurz
>vor Nulldurchgang ist) eine ca 120V große Spannungsspitze die ich mir
>nicht erklären kann. Hat die Glühbirne (Halogen) eine so hohe
>Induktivität?

Die Induktivität kann sehr klein sein. Es kommt auf die 
Stromänderungsgeschwindigkeit an!

U_l = L * di/dt richtig?!

Guck mal im Datenblatt Deines MOSFET's wie schnell der schaltet!
Dein di/dt ist riesig! Also ist auch Dein U_l riesig, selbst bei kleinem 
L.

Wie wäre es denn mit einer Beschaltung? R - C oder R - C + Diode?

Werner

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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Danke erstmal für die Antworten.
Der Trafo ist btw. ein IKEA-Halogentrafo (Weisses Steckernetzteil). Sehr 
massiv. Hinten kommt 12V AC raus.

@Timmy: Das habe ich im Datenblatt gesehen, hast du meinen thread 
gelesen?

@Ein:
Keine interrupts, keine timer alles purer schleifencode G - es geht 
ersteinmal darum, die Hardware stabil und Störungs(strahlungs)frei ans 
rennen zu bringen. Danach kann ich die Software schön machen, grins. Die 
Helligkeit bekommt der Controller über RS232 mitgeteilt. Das Scope zeigt 
keine merkbaren verschiebungen an, also gehe ich davon aus, das die 
Software relativ stabil läuft.
Trafo, mmhh da müsste ich irgendwie den Nulldurchgang faken. werds mal 
checken

@Benedikt:
Die Spannungsspitze liegt wenige µsec an
Freilaufdiode bringt nichts, da die Spannungsspitze Positiv ist.

>Den Mosfet langsamer abschalten:
.
.
>R - C oder R - C + Diode?


@Werner&Benedikt: mit nem RC-Glied am Gate? gibts da erfahrungswerte? so 
1k 10nF oder so?
ich hatte gehofft die Kapazität des Mosfet ist groß genug, man ließt ja 
immer man soll nen Treiber (was ich nicht gemacht habe) verwenden etc.


BTW. mit einem 100 OHM widerstand sieht alles (wie Erwartet) sauber aus, 
nur leuchtet der leider nicht so schön, grins

Autor: Gast4 (Gast)
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>BTW. mit einem 100 OHM widerstand sieht alles (wie Erwartet) sauber aus,
>nur leuchtet der leider nicht so schön, grins

Der nimmt auch nur 120mA, waehrend eine 20W-Halogenlampe schon 1,67A 
schluckt.

Gast5

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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Dessen bin ich mir bewusst, allerdings habe ich keine Widerstände in der 
Größenordnung... Ich wollte nur wissen, ob es generell an dem Mosfet 
liegt oder ned

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Sebastian Heyn schrieb:
> Freilaufdiode bringt nichts, da die Spannungsspitze Positiv ist.

Wieso? Spannung an Drain > Betriebsspannung: Diode leitet und schließt 
die Spannungsspitze kurz. Genau das ist der Sinn der Freilaufdiode.
Das nächste Problem ist dann natürlich die Zuleitung zur Schaltung: Auch 
diese stellt eine Induktivität dar. Hier hilft dann ein Kondensator, der 
den Stromfluss abfängt.

> mit nem RC-Glied am Gate? gibts da erfahrungswerte? so
> 1k 10nF oder so?

100 Ohm + 1-5nF -> Schaltzeit irgendwo bei ein paar 100ns - 1µs.

> ich hatte gehofft die Kapazität des Mosfet ist groß genug, man ließt ja
> immer man soll nen Treiber (was ich nicht gemacht habe) verwenden etc.

Die Aussage man braucht einen extrem schnellen Mosfettreiber stimmt 
leider nicht immer. Oft hat ein langsames schalten sogar Vorteile, so 
wie hier.

Man muss halt immer überlegen was man braucht und alle Werte 
gegeneinander abwägen: Bei 50kHz Schaltfrequenz und einer Schaltzeit von 
50ns verbringt man 0,5% der Zeit mit dem Schalten. Das ist hinreichend 
wenig für eine PWM Auflösung von 1%. Auch die Verluste halten sich in 
Grenzen.
Bei 100Hz könnte man die Schaltzeiten sogar auf 100µs vergrößern um die 
1% zu erreichen. Von daher macht es auch bei den Verlusten kaum einen 
Unterschied, ob man jetzt eine Schaltzeit von 10ns, 100ns oder 1µs hat. 
Beim Spike macht dies jedoch einen sehr großen Unterschied!

Autor: Werner (Gast)
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Das ganze ist so:

Der Strom der durch eine Induktivität fließt möchte weiterfließen. Also 
musst Du ihm einen Weg ebnen, auf dem er weiterfließen kann. Sonst gibt 
es Spannungsspitzen bis hin zu Zerstörungen.

Wenn Du deine Induktivität lokalisiert hast (guck dir mal den glühdraht 
an, was siehst du?), dann gibt es verschiedene Möglichkeiten:

1. Freilaufdiode über der Induktivität (natürlich auf genügend 
Spannungsfestigkeit achten)

2. R - C Beschaltung über der Last

3. R - C - D Beschaltung über der Last

4. Snubber (R - C oder R - C- D über dem Mosfet. Eigentlich fast immer 
empfehlenswert.

Bedenke: der Trafo hat auch deine Streu-Induktivität. Diese ist 
vermutlich viel größer, als die der Halogen.


Ich würde eine R-C-D Beschaltung am Mosfet anbringen (von D nach S).
100 Ohm in Reihe ein paar uF (ausprobieren) und eine Diode parallel zum 
Widerstand (Kathode in Richtung C, Anode in Richtung Drain).


Um die Schaltzeiten des Mosfet  zu verändern kannst du das Gate schnell 
aufladen (mit nur wenigen Ohm Gatewiderstand + Diode) und beim Entladen 
parallel zu dieser Kombi einen Entladewiderstand anbringen, der dann 
dafür sorgt, dass Du die Abschaltzeit verändern kannst. Dabei solltest 
Du natürlich darauf achten, dass die Schaltleistung nicht zu groß wird 
und den Mosfet zerstört.

Autor: Sebastian (Gast)
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Vielen Dank für die Tipps! Ich werds nach Feierabend gleich mal 
probieren!! freu meld mich nochmal

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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Also ich habe als erstes mal einen 2,2µ ans Gate gemacht, Ich habe 
bereits einen 330 Ohm in reihe gehabt, ich werde nun wohl mal an der 
feinabstimmung arbeiten lassen. der Spike ist fast weg, allerdings ist 
nun ein kleiner "Buckel" zu sehen, wo vorher keiner war(Während die 
Lampe AN ist) -ganz klar denn der Mosfet schaltet nun später durch...

Allerdings hat das ganze einen entscheidenden Nachteil: der Mosfet wird 
dabei sehr schnell heiß...
Ich werde nun mal weiter mit einer Schottky als freilaufdiode 
"experimentieren"

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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Okaaay, eine Schottkydiode hat auf den Spike kaum Einfluss, reduziert ca 
30V.
Eine 4001 hingegen reduziert den Spike um ca. 80V. Das ist schon 
beachtlich! (ich dachte immer, Schottkys wären da besser, da 
schneller..)

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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2,2µF am Gate sind viel zu groß. Faktor 1000 kleiner ist besser.
Wie hast du die Dioden genau verschaltet?
Eigentlich müsste die Schottky Diode nämlich sehr viel besser sein.

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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Zuerst habe ich die diode quasi über die glühbirne gemacht, die idee, 
der spike soll in in V+ fließen, allerdings leider zum Scheitern 
verutreilt, weil die Lampe nicht an ist also auch kein Verbraucher da 
ist, der die Ladung aufnehmen könnte.

Dann habe ich die 4007 mit der Kathode an das Drain und Anode gegen 
Masse, (Da geht die 4007 deutlich besser als die MBR1045). Ich verstehe 
nur nicht, wieso sorum der spike begrenzt wird, da eigentlich nur 
negative spannungen von der Diode kurzgeschlossen werden sollten, wenn 
sie sorum drin ist?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Sebastian Heyn schrieb:
> Zuerst habe ich die diode quasi über die glühbirne gemacht, die idee,
> der spike soll in in V+ fließen, allerdings leider zum Scheitern
> verutreilt, weil die Lampe nicht an ist also auch kein Verbraucher da
> ist, der die Ladung aufnehmen könnte.

Schließ mal zusätzlich einen Kondensator zwischen V+ und GND an. Die 
Schottkydiode kommt dann zwischen Drain und dem V+ Anschluss des 
Kondensators. Alle 3 Bauteile möglichst eng beieinander. Die Lampe wird 
dann an der Diode angeschlossen (nicht nur elektrisch, sondern auch 
mechanisch). Damit sollten die Spikes weg sein.

> Dann habe ich die 4007 mit der Kathode an das Drain und Anode gegen
> Masse, (Da geht die 4007 deutlich besser als die MBR1045). Ich verstehe
> nur nicht, wieso sorum der spike begrenzt wird, da eigentlich nur
> negative spannungen von der Diode kurzgeschlossen werden sollten, wenn
> sie sorum drin ist?

Die 4007 ist langsam. Dadurch braucht sie eine Weile ehe sie sperrt. Sie 
verlangsamt also quasi die Schaltzeit des Mosfets.

Autor: Sebastian heyn (Gast)
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Wenn ich einen Kondensator zwischen V+ und GND mache, habe ich keine 
Nulldurchgänge mehr am Controller. selbst 100nf riechen da schon aus. 
muss ich wohl meine anzapfung für den nulldurchgang woanders her 
"besorgen" also noch mit zusätzlicher diode auskoppeln?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ok, das ist natürlich ein Problem. Dann muss eine andere Lösung her.
Häng mal einen Kondensator mit z.B. 10nF parallel zum Mosfet, also 
zwischen Drain-Source. Zusätzlich häng noch 5-10nF parallel zu 
Gate-Source.
Damit sollte der Mosfet deutlich langsamer schalten.

Autor: Sebastian heyn (Gast)
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1) AALSO. erstmal die schaltung aufgeräumt, um vermeintl. Fehler 
auszuschließen...

habe jeweils 10nf sehr nah am mosfet drangehangen, hat nichts genützt. 
dann 47nf am gate, keine änderung. 47nf am drain:Lampe bleibt aus!???

2) Idee gehabt. Schottky von drain auf v+. zwischen v+ und gnd einen 
100ohm widerstand. und siehe da (abgesehen von der verbrennung an 
zweigefinger und daumen) keine spikes mehr. Ich überlege evtl eine 
crowbar mit einzubauen??

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Sebastian heyn schrieb:

> habe jeweils 10nf sehr nah am mosfet drangehangen, hat nichts genützt.
> dann 47nf am gate, keine änderung. 47nf am drain:Lampe bleibt aus!???

Mist, durch die Lampe schließt der ja auch deine Nulldurchgänge kurz. 
Daran hatte ich nicht gedacht.

> 2) Idee gehabt. Schottky von drain auf v+. zwischen v+ und gnd einen
> 100ohm widerstand. und siehe da (abgesehen von der verbrennung an
> zweigefinger und daumen) keine spikes mehr. Ich überlege evtl eine
> crowbar mit einzubauen??

Vergrößer mal den Widerstand wieder und häng parallel dazu einen 
Kondensator.
Falls das nix wird, dann muss eben doch eine Supressordiode zwischen V+ 
und GND + die Freilaufdiode herhalten.

Autor: Sebastian heyn (Gast)
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okay, beim rumfuchteln habe ich folgende beobachtung gemacht: Die 
Spannungsspitze verschwindet auch, wenn ich NUR den 100Ohm widerstand an 
den TRAFO halte. Sollte die Spannungsspitze sich schon im Trafo bilden 
durch den Lastwechsel? Dann könnte eine Crowbar oder gar nur eine 
Z-Diode meine erlösung sein, oder?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Oder ein Kondensator vor dem Gleichrichter.

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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mmhh wie groß sollte ich den Dimensionieren?

Habe jetzt mit einer Diode aus dem bereits gleichgerichtetem meine 
versorgungsspannung für die µCOMs ausgekoppelt. das reicht schon um die 
spikes loszuwerden :-( naja zwar einen abend verplempert, aber wieder 
eine erfahrung mehr. UND die vorfreude morgen mit der Software 
weitermachen zu können...  Danke die trotzdem vielmals, ich glaube ich 
hätte schon laange aufgegeben...

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Sebastian Heyn schrieb:
> mmhh wie groß sollte ich den Dimensionieren?

Vor dem Gleichrichter ist es egal, da stören auch ein paar 100nF nicht. 
Diese helfen auch Störungen aus dem und ins Stromnetz zu verhindern.

> naja zwar einen abend verplempert, aber wieder
> eine erfahrung mehr. UND die vorfreude morgen mit der Software
> weitermachen zu können...

Das ist normal. Ist denke ich immer so, dass man an Kleinigkeiten hängen 
bleibt, mit denen man nicht gerechnet hat.

Autor: Ein (Gast)
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Und warum habe ich den Vorschlag mit der Batterie gemacht?

Phasenabschnitt eher in kapazitiven Verbraucher.
Phasenanschnitt für ohmsche und eisenhaltigen Verbrauchern.

Gibt auch UNI-Dimmer, die messen aber Strom- und Spannungswinkel und 
stellen daraufhin ihre Ansteuerung um!!

Autor: Sebastian Heyn (Gast)
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@EIN: jep, das habe ich mir hinterher auch gesagt :-)

@benedikt: Da muss ich wohl mal rumspielen, habe werte von 47nf bis 1µ 
versucht..Da ist an der Stelle, wo vorher die Spitze war immer ne kurze 
schwingung zu sehen.

Autor: Werner (Gast)
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>Sollte die Spannungsspitze sich schon im Trafo bilden
>durch den Lastwechsel? Dann könnte eine Crowbar oder gar nur eine
>Z-Diode meine erlösung sein, oder?

Siehe meinen Beitrag vom 01.07.2009 13:51

>>>Bedenke: der Trafo hat auch deine Streu-Induktivität. Diese ist
>>>vermutlich viel größer, als die der Halogen.

Hatte ich das nicht schon erwähnt?


Werner

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