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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM mit 555er


Autor: Gunter N. (tusor)
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Hallo,

ich stehe vor einem kleinen Problem: Ich habe für eine Modelleisenbahn 
eine PWM-Schaltung mit Hilfe des 555er-Bausteins aufgebaut. Das Vorbild 
stammt von: http://www.atx-netzteil.de/pwm_mit_ne555.htm
In meinem angehängten Schaltplan befindet sich rechts eine LED, die 
damit gedimmt wird und eigentlich nur als Betriebsanzeige dient. Der Zug 
ist dann parallel dazu angeschlossen.
Die Schaltung funktioniert soweit eigentlich prima. Nur leider kommt es 
nach gewisser Zeit dazu, dass sich der 555er mit einem Zischgeräusch 
verabschiedet. Den ersten Fehlschlag konnte ich mir noch erklären, da 
ich den MOSFET direkt an Pin3 des 555ers gehängt hatte. Ich hoffte 
eigentlich das Problem durch die Transistortreiberstufe zu beheben. Das 
sah auch eine ganze Weile gut aus, bis es jetzt am Wochenende wieder 
rauchte. Wo liegt also noch der Fehler begraben? Ist vielleicht C15 doch 
etwas zu klein und damit die Frequenz zu hoch? Ich habe den eigentlich 
bewusst so gewählt, da ich mal gelernt habe, dass man versucht die 
PWM-Frequenz aus dem hörbaren Bereich zu bringen, um das lästige Fiepen 
der Motoren wegzubekommen.

Ich hoffe ihr könnt mir hier weiterhelfen. Dafür möchte ich mich bereits 
im Voraus bedanken.

Viele Grüße

Gunter

Autor: tipppp (Gast)
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Ich würde spontan darauf tippen, dass die Induktionsspannung auf dem 
Motor beim Fahren bzw. PWM-machen dir deinen NE555 schrottet.

Wird er davor warm? Wenn ja, dann hast du noch andere Fehler drin.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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C15 ist etwas klein gewählt.
Die Dimensionierung rund um den Mosfet ist auch nicht perfekt:
R17 ist etwas zu groß, falls die Frequenz mehr als ein paar 100Hz 
beträgt.
Eine 1N4148 ist für den Snubber viel zu schwach. Die Diode muss 
mindestens soviel Strom abkönnen wie der Motor braucht.

Autor: Gunter N. (tusor)
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Vielen Dank für die schnellen Antworten

tipppp schrieb:
> Ich würde spontan darauf tippen, dass die Induktionsspannung auf dem
> Motor beim Fahren bzw. PWM-machen dir deinen NE555 schrottet.

Wie meinst du das mit der Induktionsspannung? Eigentlich sollte die ja 
durch D9 eliminiert werden, aber dazu später.

> Wird er davor warm? Wenn ja, dann hast du noch andere Fehler drin.

Warm wird er nicht. Ich habe das mal eine Stunde oder länger im 
Dauerbetrieb bei Teillast laufen lassen und konnte keine Erwärmung 
feststellen. Ich habe auch alle Verbindungen noch mal geprüft, sodass 
ich nicht von einer fehlerhaften Verbindung ausgehe.

Benedikt K. schrieb:
> C15 ist etwas klein gewählt.
> Die Dimensionierung rund um den Mosfet ist auch nicht perfekt:
> R17 ist etwas zu groß, falls die Frequenz mehr als ein paar 100Hz
> beträgt.

Kannst du die "etwas'" etwas präzisieren? ;-)

> Eine 1N4148 ist für den Snubber viel zu schwach. Die Diode muss
> mindestens soviel Strom abkönnen wie der Motor braucht.
 Ohwei....böser Fehler. Kann das dazu führen, dass die 
Induktionsspannung nicht mehr kurzgeschlossen wird und mir deshalb den 
555er zerstört? Ich suche gleich mal eine neue Diode raus.

Viele Grüße

Gunter

Autor: Icke (Gast)
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Nimm eine schnelle Schottky-Diode, hat bei mir funktioniert.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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der NE555 ist schon so alt, der funktioniert nur bei dampfloks... SCNR 
;)

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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> Die Diode muss mindestens soviel Strom abkönnen wie der Motor braucht.

oh doch noch etwas unsinn gefunden. die diode muß nur stark genug sein 
um die störspitzen aus der motorwicklung zu killen, mehr nicht. eine 
1N4148 ist aber wirklich zu schwach, aber eine schnelle 3A diode sollte 
mehr als genug sein - außer du willst eine PWM mit etlichen kHz, dann 
wird auch die warm.

R17 ist viel zu groß. ich hasse passive gatetreiber sowieso, für eine 
anständige flankensteilheit wie bei PWM eigentlich erforderlich brauchts 
was aktives. geh mit diesem widerstand nicht unter 1kOhm.

Autor: MaWin (Gast)
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Entfern mal R16, T3 und R1T und schliess den MOSFET direkt ohne 
Vorwiderstand an den LM555 an (die Drehrichtung des Potis verändert sich 
dadurch, eventuell Anschlüsse umlöten).
Ersetze die 1N4148 durch etwas kräftigeres (muss so viel Strom abkönenn 
wie dein MOSFET schalten muss, und schnell sein, also z.B. SB1040, keine 
1N5404)
Ersetze den 47pF Kondensator durch einen deutlich grösseren, z.B. 47nF 
(oder 100nF) damit die PWM deutlich langsamer wird.

Autor: Gunter N. (tusor)
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Ben _ schrieb:
> der NE555 ist schon so alt, der funktioniert nur bei dampfloks... SCNR
> ;)

Wird derzeit nur mit Dampfloks betrieben. Das kann es nicht sein ;-)

MaWin schrieb:
> Entfern mal R16, T3 und R1T und schliess den MOSFET direkt ohne
> Vorwiderstand an den LM555 an (die Drehrichtung des Potis verändert sich
> dadurch, eventuell Anschlüsse umlöten).

So hatte ich es vorher ja schon mal, aber habe dann gelesen, dass man 
das nicht machen sollte, da der Umladestrom des Gates zu groß sein kann.

> Ersetze den 47pF Kondensator durch einen deutlich grösseren, z.B. 47nF
> (oder 100nF) damit die PWM deutlich langsamer wird.

Wie sieht es dann eigentlich mit der Geräuschentwicklung aus? Ich möchte 
halt ungern, dass die Loks so ein hässlichen Fiepen produzieren.

Viele Grüße

Autor: Gast (Gast)
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>etwas zu klein und damit die Frequenz zu hoch? Ich habe den eigentlich
>bewusst so gewählt, da ich mal gelernt habe, dass man versucht die
>PWM-Frequenz aus dem hörbaren Bereich zu bringen, um das lästige Fiepen
>der Motoren wegzubekommen.

in Verbindung mit:

>R17 ist viel zu groß. ich hasse passive gatetreiber sowieso, für eine
>anständige flankensteilheit wie bei PWM eigentlich erforderlich brauchts
>was aktives. geh mit diesem widerstand nicht unter 1kOhm.

Da hoert man das Fiepen dann im Radio.
PVW mit "anstaendiger" Flankensteilheit und dann eine Antenne dran - da 
erzielt man auch ordentliche Reichweiten.

Gast

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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> muss so viel Strom abkönenn
> wie dein MOSFET schalten muss
nochmal: das ist unsinn. die muß doch nicht den motorstrom tragen, 
sondern nur die induktiv erzeugten störspitzen aus der motorwicklung 
beim abschalten der spannung durch den mosfet kurzschließen. das sind 
nur ganz kurze impulse, richtig strom kommt da erst bei einer PWM mit 
etlichen khz raus weil der motor dann mehr als drossel arbeitet. bei 
sowas ist einen PWM mit 100Hz, höchstens 1kHz genug und dann schaffen 
das auch kleinere dioden problemlos.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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sorry wenn ich zu erwähnen vergaß, daß man sowas entstören sollte. und 
bei 100Hz PWM frequenz fiept da nix im radio, so steilflankig daß es bis 
in die 80MHz vom radio stört bekommt man das dann doch nicht hin.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ben _ schrieb:
>> muss so viel Strom abkönenn
>> wie dein MOSFET schalten muss
> nochmal: das ist unsinn. die muß doch nicht den motorstrom tragen,
> sondern nur die induktiv erzeugten störspitzen aus der motorwicklung
> beim abschalten der spannung durch den mosfet kurzschließen.

Informier dich mal über Grundlagen Induktivitäten...
Wenn man eine Induktivität abschaltet möchte der Strom weiterfließen. 
Dazu ist die Freilaufdiode da. Der Strom ist genau so groß, wie er zu 
dem Zeitpunkt vor dem Abschalten war.
Wenn das Tastverhältnis klein ist, übernimmt der Mosfet zu z.B. 10% den 
Strom und zu 90% die Diode. Diese bekommt also nahezu den gesamten Strom 
ab der durch den Motor fließt.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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ist er. aber er fließt bei einem motor der nicht dafür ausgelegt ist 
elektrische energie in einem magnetfeld zu speichern nur eine verdammt 
kurze zeit.

Autor: MaWin (Gast)
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> nochmal: das ist unsinn.

Nein Ben, der einzige, der uninformierten Unsinn schreibt, bist du.

Der Motor als Induktivität führt zu einer Glättung des Stromes, in der 
PWM-Ein-Zeit steigt der Strom (und fliesst dabei durch den Transistor), 
in der PWM-Aus-Zeit fällt der Strom (und fliesst dabei durch die Diode).
Da bei hoher PWM-Frequenz der Strom sich nur um ein paar Prozent ändert, 
fliesst in der Diode derselbe Strom wie durch den Transistor und durch 
den Motor. Bei 50% PWM nur die Hälfte der zeit, aber genau so lang wie 
durch den Transistor.

Simulier' es einfach mal in Spice, oder bau es auf und schliess ein 
Oszilloskop an, aber red hier nicht von Unsinn.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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deswegen nimmt man ja eine möglichst geringe PWM-frequenz um diesen 
step-up-drosselwandler-effekt im motor zu verhindern. oder willst du mit 
damit heizen? das wäre auch einfacher möglich. übrigens müßte die 
gegenspannung des motors unmittelbar nach dem (durch die diode zu 
killenden) stör-spike diese sofort wieder sperren lassen, sodaß da 
überhaupt kein weiterer strom fließen kann. wenn ich hier in meiner 
bastelkiste noch einen motor für 12V finde der mechanisch kommutiert ist 
probier ichs bei gelegenheit mal aus.

Autor: MaWin (Gast)
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> deswegen nimmt man ja eine möglichst geringe PWM-frequenz um diesen

Nein, nimmt man nicht.

Sag einfach, daß du keine Ahnung hast, das ist nicht schwer, das tut 
nicht weh, wenigstens nicht so weh wie deine falschen Aussagen hier.

Grosse Objekte (E-Loks etc.) haben niedrige (hörbare, pfeifende) PWM 
Frequenz weil die Schaltelemente (Thyristoren, GTOs etc.) nicht 
schneller schalten konnten, ohne dass die Verluste zu hoch wurden.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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wer hier von uns beiden keine ahnung hat möchte ich jetzt nicht 
ausdiskutieren. was bitte hat ein modellbau-motörchen mit einer 
megawatt-starken antriebsmaschine zu tun? egal. ich kann nur sagen daß 
ich schon eine funktionierende motor-ansteuerung gebaut habe die mit 
einer PWM von 200 Hz läuft. merkwürdig daß die funktioniert wo ich ja 
keine ahnung von habe...

hören wird man eine PWM bei sowas immer ein wenig. ein paar kHz am 
lautsprecher hörst du ja auch. wenn das stört brauch ich halt einen 
echten step-down-wandler und gleichspannung am motor. aber wenn ich 
stattdessen eine 20kHz PWM in so einen motor (oder auch spule) jage 
brauch ich mich nicht wundern wenn ich wieder 50% verlustleistung habe 
und dadurch die besagte diode verdampft.

Autor: Gunter N. (tusor)
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Ich würde die hitzige Diskussion gern wieder auf den Kern lenken. Klar 
ist es grundsätzlich wichtig, wie hoch die Stromspitzen jetzt wirklich 
sind. Aber ich bewege mich in einer Leistungsklasse wo man für wenige 
Cent eine Diode bekommt, die den Strom aushält.

Ich habe gerade noch mal die Anleitung aus oben genanntem Link 
angeschaut. Dort steht, dass 100nF zu einer Frequenz von ca. 10Hz führt. 
Das wäre für eine PWM dann doch etwas wenig, oder? In welchem 
Frequenzbereich sollte man sich denn für eine Modelleisenbahn ungefähr 
bewegen? Aus dem von MaWin genannten Grund habe ich mir Mühe gegeben, 
die Frequenz hoch zu bekommen. An EMV habe ich dabei zugegebenermaßen 
nicht gedacht.

Viele Grüße

Autor: Icke (Gast)
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Bei RC-Modellbau-Reglern sind Frequenzen von 1-4 KHz üblich. Bei 10 Hz 
wird die Lok ganz schön zittern.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ben _ schrieb:
> ich kann nur sagen daß
> ich schon eine funktionierende motor-ansteuerung gebaut habe die mit
> einer PWM von 200 Hz läuft. merkwürdig daß die funktioniert wo ich ja
> keine ahnung von habe...

Es funktionierte nur deshalb weil du vermutlich nur einen Mosfet mit 
Freilaufdiode verwerdet hast und keine H-Brücke. Dann kehrt sich der 
Stromfluss nämlich um was zu einem hohen Strom (aufgrund der Bremsung) 
und zu einem Ruckeln des Motors führt.
Aber selbst bei dir dürfte der Motor etwas geruckelt haben.

Lies dir daher das mal durch:
http://homepages.which.net/~paul.hills/SpeedContro...

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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die 200Hz merkt man natürlich als leichtes "brummen" am motor, 
allerdings recht wenig. er dreht aber sanft und langsam los, läßt sich 
ausgezeichnet durch den kompletten drehzahlbereich fahren und bringt 
selbst bei kleinen drehzahlen schon ordentlich bumms. was will man mehr? 
1kHz würd ich das das maximum sehen, 3kHz erzeugen ein ziemlich ätzendes 
fiepen. 10 Hz sind um den faktor 10 zu wenig, das gibt nur ruckeln und 
keinen sauberen motorlauf.

eine H-brücke ist eine ganz andere geschichte, sowas brauchst du nur 
wenn du vorwärts/rückwärts fahren willst. und dann darfst du halt den 
motor über die H-brücke nicht kurzschließen, dann bremst da auch nichts. 
die diode am motor ist dann ebenfalls unnötig bzw. würde beim umpolen 
des motors für rückwärts fluchtartig ihren posten verlassen. die 
parasitären dioden der mosfets übernehmen diesen job ganz automatisch 
und leiten die spikes ab.

Autor: Smarti (Gast)
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hallo,

ich würde dir auch raten in einem niedrigen frequenzbereich zu bleiben

Durch hohe Schaltfrequenzen kommt es zu einer vorzeitigen Alterung der 
Isolierung, wenn diese nicht dafür ausgelegt ist wird dir der Motor 
deiner Lok schnell vor die Hunde gehen.

LG Smarti

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
Was sind denn das für 12V? Richtig stabilisierte oder nur so aus dem
Eisenbahntrafo? Der 555 hat eigentlich eine Ub von 16V!
Da ist man schnell drüber, wenns nicht ordentlich gemacht ist.

Viel Erfolg, Uwe

Autor: Gunter N. (tusor)
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Uwe schrieb:
> Hi!
> Was sind denn das für 12V? Richtig stabilisierte oder nur so aus dem
> Eisenbahntrafo? Der 555 hat eigentlich eine Ub von 16V!
> Da ist man schnell drüber, wenns nicht ordentlich gemacht ist.
>
> Viel Erfolg, Uwe

Die 12 V stammen aus nem Computernetzteil. Da gehe ich jetzt von einer 
ordentlichen Stabilisierung aus.

Autor: Gunter N. (tusor)
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So, mal ein kleines Update:
Ich habe die Diode und den Pullup-Widerstand am MOSFET getauscht. Bei 
dem Kondensator, der die PWM-Frequenz bestimmt kam ein Stück 
Buchsenleiste rein und es wurden verschiedene Kapazitäten und damit 
Frequenzen getestet. Am Ende kam wieder der alte Kondensator rein, da 
das Geräuschergebnis mit den restlichen nicht zufriedenstellend war. Die 
ersten Versuche sind aber sehr vielversprechend. Vielleicht lag es doch 
einfach an der schwachbrüstigen Freilaufdiode.

Viele Grüße und vielen Dank noch mal

Gunter

Autor: Gunter N. (tusor)
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Ich muss diesen alten Thread noch einmal ausgraben. Leider hat nämlich 
der Tausch der Diode und des Pullupwiderstands nur kurzzeitig Besserung 
gebracht. Also irgend ein anderer Fehler muss noch drin stecken. Sieht 
den vielleicht jemand?
Alternativ wäre natürlich auch eine komplett andere Schaltung oder gar 
ein kaufbares Bauteil eine willkommene Hilfe.

Autor: Sascha Weber (sascha-w)
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Gunter N. schrieb:
> Ich muss diesen alten Thread noch einmal ausgraben. Leider hat nämlich
> der Tausch der Diode und des Pullupwiderstands nur kurzzeitig Besserung
> gebracht.
Ich weiss das die Zeit heut'zutage schnell vergeht, aber wenn 21 Monate 
bei dir kurzzeitig ist ;-)

> Also irgend ein anderer Fehler muss noch drin stecken. Sieht
> den vielleicht jemand?
mach doch in die Versorgungsspannung des '555 einen 9V Spannungsregler.

Sascha

Autor: Gunter N. (tusor)
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Ich gebe zu, dass ich selbst überrascht bin, wie lange das schon her ist 
:-D. Aber da die Schaltung immer nur zur Weihnachtszeit zum Einsatz 
kommt ist es in Summe schon kurz :-).
Das mit dem Spannungsregler werde ich mal überdenken.

edit: Wenn ich es dem Datenblatt richtig entnehme dürften sogar 5V 
reichen, oder? Denn so ein Spannungsregler ist für andere Zwecke auf der 
Platine schon vorhanden. Und ich müsste dann links von dem Abgang für 
R17 die Spannungen trennen, oder?

Autor: Sascha Weber (sascha-w)
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Gunter N. schrieb:
> edit: Wenn ich es dem Datenblatt richtig entnehme dürften sogar 5V
> reichen, oder?
Ja
> Denn so ein Spannungsregler ist für andere Zwecke auf der
> Platine schon vorhanden. Und ich müsste dann links von dem Abgang für
> R17 die Spannungen trennen, oder?
wenn du die Treiberstufe in dieser Form noch drin hast - Ja

Sascha

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