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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Motfet und Elko


Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Hallo,

ich möchte ein Heizelement per PWM am Mega8 betreiben. Dazu habe ich vor 
kurzem auch einen Thread eröffnet:
Beitrag "Leistung eines Heizelementes mit µC regeln"

Jetzt zum Problem:
Ich habe oft gelesen, das die Kombination Elko-Mosfet sehr ungeeignet 
bzw. sogar gefährlich ist. Sowohl die Schaltung als auch die Heizung 
werden aus der gleichen Spannungsquelle gespeist, i.d.R. wird das ein 
Lipo Akku sein. Die Versorgungsspannung für den AVR liefert ein 7805 mit 
der Beschaltung nach 
http://www.halvar.at/elektronik/kleiner_bascom_avr....
Der Mosfet kommt über einen 220R Widerstand direkt an den AVR und 
bekommt einen 10K Pull Down Widerstand. Er sitzt zwischen Heizelement 
und GND.
Die PWM soll bei unter 1KHz laufen.

Gibt das ein Problem mit dem 1000µF Elko, der parallel in der 
Spannungsversorgung sitzt und wenn ja, wie kann ich das lösen?

Die Schaltung habe ich mal angehangen.
Heizelement R7 oben rechts, Mosfet IRL 3705N rechts am Rand

Gruß Jörg

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Jörg K. schrieb:
> Jetzt zum Problem:
> Ich habe oft gelesen, das die Kombination Elko-Mosfet sehr ungeeignet
> bzw. sogar gefährlich ist.

Nonsens. Daher:

Wo gelesen? Zitat bitte nebst exakter Quellenangabe.

> Gibt das ein Problem mit dem 1000µF Elko, der parallel in der
> Spannungsversorgung sitzt und wenn ja, wie kann ich das lösen?

Sofern der Elko für die Betriebsspanunng dimensioniert ist: Keines.


Den GND Pin des 7805 bitte mit GND Schaltung verbinden.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Dein Heizelement wird kalt einen viel kleineren Widerstand haben als 
Warm, und dir beim Einschalten erstmal den ersten Elko "entleeren".

Idee: Vor dem Elko nochmal eine Diode verbauen (nicht in den Lastkreis).
Dann kann deine Batteriespannung einsacken wie sie will, der Elko 
versorgt den 7805+µC weiter.

Dann: R5 ist für meinen Geschmack zu groß, eher Drahtbrücke oder 12 
Ohm...
R6 ist zu klein, eher 100k .. 1Meg.

R3 könnte etwas größer sein, die meisten LCD-Backlights sind schon bei 
viel weniger Strom sehr hell.

Und wenn du eh Pins übrig hast, könntest du mit einem Transistor das 
Backlight schaltbar/dimmbar machen... So als Spielerei.

Edit:

Und natürlich darf der unvermeidbare Hinweis auf die Bildformate 
nicht fehlen. Du hast zwar ein PNG hochgeladen (Lobenswert!), aber 
dieses wurde wohl aus einem JPEG generiert.
=> Wenn der Schaltplan erstmal als JPEG gespeichert wurde, ist das Bild 
schon "kaputt", das kann auch eine nachträgliche Wandelung in ein 
Monochrom-PNG nicht mehr korrigieren.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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wieso... für 4539x3112 pixel ist diese datei doch gar nicht so groß...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Ben _ (burning_silicon)

>wieso... für 4539x3112 pixel ist diese datei doch gar nicht so groß...

Einfach mal den Artikel Bildformate lesen . . .

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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ooch falk lass du mich doch einfach in ruhe! du wirst meinen humor 
NIEMALS verstehen!

Autor: Peter L. (peterl)
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Das mit Elko und Mosfet ist nur dann ein Problem, wenn Spannung mit 
einem Mosfet mit niedrigem RDSON, auf einen grossen (leeren) Elko mit 
niedrigem ESR geschaltet wird.

Der anfänglich hohe Impulsstrom kann den Mosfet killen.

Autor: MaWin (Gast)
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> Ich habe oft gelesen, das die Kombination Elko-Mosfet sehr ungeeignet
> bzw. sogar gefährlich ist.


Sie ist unggeignet, wenn man versucht mit einem Elko eine PWM zu 
glätten, also

 +Ub
  |
  +------+
  |      |
 Last  Elko
  |      |
  +------+
  |
MOSFET
  |
 GND

Denn da zerknallt der MOSFET, auch wenn der Elko nach Masse geschaltet 
wird.


Aber dein Aufbau ist in Ordnung.

Du wirst ggf. trotzdem Probleme bekommen, wenn der Umschaltvorgang zu 
langsam (220 Ohm Gate-Widerstand) oder zu schnell ist. Ist er zu 
langsam, wir dder MOSFET heiss, eventuell zu heiss. Ist er zu schnell, 
stört die hohe Stromänderungsgeschwindigkeit deinen uC.

Du könntest mit deinen 220 Ohm im günstigen Bereich liegen.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Danke für Eure Antworten!

Scharfes Auge! Die Verbindung vom GND Pin des 7805 zu GND muss beim Copy 
& Paste irgendwo verloren gegangen sei; ist natürlich vorhanden.

Das es zu Problemen mit Elkos bei PWM kommt habe ich sicher im 
Zusammenhang mit dem Glätten der PWM Spannung gelesen (so wie "MaWin" es 
angesprochen hat) und falsch interpretiert.

Die Idee mit dem Dimmen/Schalten der LCD Beleuchtung finde ich gut. Nur 
muss ich mal sehen, ob noch ein Pin übrig bleibt. Die Schaltung ist 
nicht komplett, es fehlen noch Taster, LEDs, Summer, Stromsensor, 
Temperatursensoren, Lüfter, ... .

Das mit der Umwandlung von JPG nach PNG kann sein, weiß ich jetzt nicht 
mehr genau. Die "Verpixelungen" kommen aber von der Umwandlung in s/w. 
Immerhin ist alles zu Erkennen und die Dateigröße ist auch angenehm 
klein.

Mit dem Widerstand am Gate muss ich ggf. etwas "spielen".

Gruß Jörg

Autor: hasso (Gast)
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>> Mit dem Widerstand am Gate muss ich ggf. etwas "spielen".

Wenn die PWM-Periode recht lang ist (100 Hz bis ca. 1 kHz), ist die 
Dimensionierung des Gate Widerstands relativ unkritisch, d.h. relevant 
ist die Dauer des Mosfet Ein-/Ausschaltvorgangs im Verhältnis zur Gesamt 
Ein-/Auschaltdauer.
Falls die schnelle Laständerung an der Versorgungsspannungsquelle 
wirklich zum Problem wird, kannst Du immer noch eine Drossel plus 
Diodenfreilauf am Heizwiderstand verwenden.

Autor: Mike J. (Gast)
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Mit dem 20K Poti kannst du eine Spannung von 0 bis 5V an den Pin PC0 
geben, wenn du nur 2.56V Referenzspannung nutzt bringt dir die Spannung 
über 2.56V nichts.

Von Vcc zum Poti könntest du einen 20K Widerstand in Reihe schalten.

Autor: Volker (Gast)
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Hallo Jörg,

überprüfe auch noch die Polung der beiden Elkos.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Hallo,

danke für die Hinweise.

Die Elkos habe ich jetzt richtig angeschlossen. Über einen passenden 
Spannungsteiler (symbolisiert durch das 20K Poti rechts) soll die 
Versorgungsspannung gemessen werden, nicht die 5V vom 7805. Ich habe das 
im Schaltplan aktualisiert. Als ADC Referenzspannung werde ich AVCC 
nutzen (5V).

Jetzt habe ich noch ein paar Fragen: Ich möchte mittels Hall Sensor 
(ACS712) den Strom messen und zusammen mit der gemessenen 
Versorgungsspannung die Leistung des Heizelementes ermitteln und per PWM 
einstellen. Wo platziere ich den Stromsensor, zwischen V+ und 
Heizelement oder zwischen Heizelement und GND/Mosfet (oder spielt das 
keine Rolle)? Der Strom springt ja wegen der PWM immer zwischen 0 und 
Imax hin und her. Was muss ich tun, um vernünftige Messwerte 
(Effektivwert?) zu erhalten? Vielleicht doch das PWM Signal am 
Heizelement glätten und dazwischen den Stromsensor unterbringen? Wie 
würde der Aufbau einer solchen Glättung aussehen und welche Bauteile 
sind zu verwenden? Ich habe das leider noch nie gemacht.

Hier nochmal die Eckdaten: max 12,5A bei 12V am Heizelement, PWM mit 
max. 1KHz

Gruß Jörg

Autor: Markus F. (5volt) Benutzerseite
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Wozu willst du denn den Strom messen? Der ist doch direkt proportional 
zur Betriebsspannung.
Die Leistung kannst du dann per P = (Tastverhältnis * U² * R) berechnen.

Einen ACS712 würde ich dafür nicht "verschwenden", diese Chips sind ja 
bestimmt nicht so billig...
Falls nötig, würde sich als Mess-Shunt auch der Rds des Mosfets von ca. 
10mOhm anbieten. Der ist nämlich auch relativ konstant.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Den Strom möchte/muss ich messen, weil der Strom durch das Heizelement 
eben nicht proportional zur Spannung ist. Das Heizelement ist ein PTC 
Widerstand, dieser ändert sich mit der Temperatur. Ist das Heizelement 
kalt, fließt ein hoher Strom. Mit zunehmender Erwärmung steigt der 
Widerstand und der Strom sinkt.
Einen ACS712 habe ich mir beim letzten mal für ca. 3€ mitbestellt, ich 
wollte damit mal ein wenig rumspielen. Das Messen über den Mosfet als 
Shunt finde ich auch eine klasse Idee, doch dort gibt es ja dann das 
gleiche an/aus Problem.

Autor: Markus F. (5volt) Benutzerseite
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Die Mess-Schaltung muss eben gegen die Spannung von ca. 12V geschützt 
sein, die an Drain anliegt wenn der Mosfet aus ist.
Ansonsten geht das prima mit einem OpAmp (ich empfehle CA3140), der als 
nichtinvertierender Verstärker geschaltet ist. Den OpAmp solltest du 
aber mit den 12V versorgen.
Der Ausgang vom OpAmp geht dann über einen Widerstand an einen ADC vom 
AVR. Der ADC muss aber noch mit einer Zenerdiode gegen die Überspannung 
geschützt werden, die anliegen würde wenn der Mosfet aus ist.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Hat jemand eine Lösung wie ich den ACS712 entsprechend meines vorletzten 
Postings (mit Anhang Heizkoffer2.png) verwenden kann?

Autor: Michael_ (Gast)
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Warum willst du den Strom am Drain messen, Stand der Dinge ist doch die 
Messung am Source.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Das war ja eigentlich meine Frage, wo ich den Stromsensor unterbringe um 
den Strom zu messen. Also zwischen GND und Source.

Ich werde beide Varianten mal ausprobieren.

Zu der Variante mit Rds als Messwiderstand:
Wie kann ich denn die Messschaltung vor den 12V schützen, die an Drain 
anliegen wenn der Mosfet nicht durchleitet? Eigentlich würde ich ja 
genau dann 0V messen wollen.

allgemein:
Und wie mache ich das mit der Messung beim pulsieren PWM Signal? Muss 
ich die Messung mit der PWM Frequenz synchronisieren, so das ich nur 
messe während der Mosfet durchgeschaltet ist und dann die effektive 
Leistung errechnen? Oder doch irgendwie glätten, das der gemessen 
Stromwert dem tatsächlichen effektiven Strom entspricht?

Gruß Jörg

Autor: Mike J. (emjey)
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Jörg, wenn du den Strom messen willst solltest du entweder
- den Shunt zwischen Masse und Source legen und von Source geht ein 1k 
Ohm Widerstand zum PC0 und direkt am PC0 hängst du noch einen 100nF 
Kondensator.

oder

- Du lässt den Shunt-Widerstand oben in der + Leitung und misst die 
Spannung vor und hinter dem Widerstand. Die Differenz ist dein Strom.
(mach es hier wieder so mit dem Kondensator und dem 1k Widerstand am ADC 
Eingang)

Wenn du jetzt  kontinuierlich 12,5A fließen lässt muss der Shunt sehr 
klein sein.
Wenn maximal 100mV am Shunt abfallen sollen 0.1V / 12.5A = 0.008 Ohm
Das sind aber schon 1.25W die da verbraten werden.

Du könntest ein Stück Konstantandraht nehmen mit 1 Ohm pro Meter.
Am besten dann 12 Stück mit 10cm Länge (eher 11cm , man muss sie noch 
irgendwo  anlöten) oder 6 Stück mit 5cm Länge parallel um die Wärme auch 
abführen zu können.

Bei 12.5A kann man dann bei 10Bit ADC Auflösung eine 20 messen.
Bei 1A ist es dann eine 1 , also ist die Sache nicht sehr genau.


Am besten wär eine Referenzspannung von 100mV und wenn man dann zwischen 
GND und Source misst, dann würde man bei 12.5A eine 1023 als ADC Wert 
bekommen.
Dann hätte man auch eine schöne Auflösung von 0.012 A !



> Falls nötig, würde sich als Mess-Shunt auch der Rds des Mosfets
> von ca. 10mOhm anbieten. Der ist nämlich auch relativ konstant.
Schau dir mal das Datenblatt des IRF3705N an.
da steht: ID = 77A, Vgs = 10V
 - Junctionn Temp. =  30°C => Rds_on = 1.0 (ohne Einheit)
 - Junctionn Temp. = 100°C => Rds_on = 1.5 (ohne Einheit)

Das scheint der Widerstand zu sein in Ohm denk ich mal.

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