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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MotorLeistungsStufe - Freilaufdiode - PWM glätten


Autor: Hans Müller (blue-eye-child)
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Hallo zusammen!
Ich hoffe ihr hattet schöne Weihnachten und wünsche allen einen guten 
Start ins neue Jahr. Danke an die vielen Helfer dieser Seiten und der 
Forenbeiträge. Ihr alle habt mir ohne es zu wissen schon viel geholfen!

Kurz zu mir:
Ich bin Schlosser und habe anschließend Maschinenbau studiert. Um 
E-Technik und Informatik habe ich bis vor einem Jahr den größt möglichen 
Bogen gemacht. Jetzt habe ich aber angefangen den schwarzen Fleck 
aufzuhellen. Strom ist für mich der mit Wasser gefüllte Querschnitt 
eines Flußbetts und Spannung das Gefälle. Mit laminarer Strömung (=etwa 
wie konstanter Gleichstrom) kann ich umgehen. Schwierig wird es für mich 
wenn Turbulenzen (=Frequenzen) dazu kommen.

Was vorhanden ist:
Ich habe einen ATtiny13 mit Stromversorgung 7805 etc aufgebaut. Einen 
Poti an einen ADC-Eingang angeschlossen und kann einen PWM-Ausgang damit 
steuern, ein LED wird heller und dunkler. Löten konnte ich das ganze 
auch. Die angehängte Leistungsstufe funktioniert ohne Freilaufdioden 
(D_M1, D_M2) und Kondensatoren (C_M) prima mit einer LED oder einem 
kleinen Motor (lastloser Testlauf ein paar Sekunden in der Hand).
Ich habe mit den PWM-Frequenzen gespielt, bis 200Hz lief der Motor 
unrund, bis ca 1kHz war ein unangenehmes Pfeifen hörbar, dabüber lief 
der Motor gut, die Geräusche waren ok. Der Motor ist nicht der finale 
Motor.

Mein Ziel:
Drehzahlstellung eines Motors 12V max30A ca max. 5000rpm. Alle 
Elektronik soll auf eine Platine, die Leitungen zum Motor sind etwa 1m 
lang. Wegen der langen Leitungen (EMV-Quelle) möchte ich den Motorstrom 
noch auf der Platine glätten.


Mein Informationsstand:

Ich brauche eine Freilaufdiode in Richtung D_M2. Die eingezeichnete 
Diode D_M1 muß entfallen, wegen falscher Richtung.

Frage 1: Ist das richtig?
Frage 2: Kann mir jemand eine passende Diode empfehlen?

Bei der Glättung ist im Forum häufig von Tiefpässen und Buck-Konverter 
die Rede.

Frage 3:
Wenn ich mich wegen des besseren Bauchgefühls für einen Tiefpass 
entscheide, kann man dann den Leitungswiderstand zum Motor als R nehmen 
und als C_M einen oder mehrere Kondensatoren auf die Platine setzen?

Frage 4:
Ist der Kondensator C_M richtig eingezeichnet?

Ich habe auch mal gesehen, daß ein Kondensator über den FET gezeichnet 
war.
Frage 5:
Was würde dieser bewirken?

In verschiedenen Quellen ist die Rede davon, daß ein Elko und/oder 
weitere Teile sehr heiß werden können.
Frage 6:
Wie entsteht Hitze im Elko? Wie kann diese durch Formeln berechnet oder 
wenn zu kompliziert abgeschätzt werden?

Dann habe ich auch hier im Forum gelesen, daß bei einem großen Elko C_M 
auch der FET stark belastet und uU überlastet wird.
Frage 7:
Ist das möglich? Falls ja wann ist ein FET durch einen solchen Elko 
überlastet?

Frage 8:
Welcher Kondensatortyp wäre für C_M der beste? Wären mehrere 
Kondensatoren parallel für C_M sinnvoll? Beispielsweise ein kleiner 
Folienkondensator ein dicker Elko?


Ich freue mich schon auf Eure Antworten und bin gespannt.
Hans

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Hans Müller (blue-eye-child)

>Ich habe einen ATtiny13 mit Stromversorgung 7805 etc aufgebaut. Einen
>Poti an einen ADC-Eingang angeschlossen und kann einen PWM-Ausgang damit
>steuern, ein LED wird heller und dunkler.

Schon mal ein brauchbarer Anfang ;-)

>auch. Die angehängte Leistungsstufe funktioniert ohne Freilaufdioden
>(D_M1, D_M2) und Kondensatoren (C_M) prima mit einer LED oder einem
>kleinen Motor (lastloser Testlauf ein paar Sekunden in der Hand).

Klar, der MOSFET spielt Freilaufdiode.

>Mein Ziel:
>Drehzahlstellung eines Motors 12V max30A ca max. 5000rpm.

30A! Hoppla!

>Elektronik soll auf eine Platine, die Leitungen zum Motor sind etwa 1m
>lang. Wegen der langen Leitungen (EMV-Quelle) möchte ich den Motorstrom
>noch auf der Platine glätten.

Mit dem Bügeleisen? ;-)

>Ich brauche eine Freilaufdiode in Richtung D_M2. Die eingezeichnete
>Diode D_M1 muß entfallen, wegen falscher Richtung.

Ja.

>Frage 2: Kann mir jemand eine passende Diode empfehlen?

In diesem Fall eine Diode, welche die 30A dauerhaft aushält. 
Wahrscheinlich Schottky, das spart ein wenig Verlustleistung. Aber einen 
kleinen Kühlkörper braucht die dennoch, bei 30A!

>Bei der Glättung ist im Forum häufig von Tiefpässen und Buck-Konverter
>die Rede.

Ja.

>Wenn ich mich wegen des besseren Bauchgefühls für einen Tiefpass
>entscheide, kann man dann den Leitungswiderstand zum Motor als R nehmen
>und als C_M einen oder mehrere Kondensatoren auf die Platine setzen?

Lass am besten erstmal die Kirche im Dorf. Nimm geschirmtes Kabel zum 
Motor, das macht schon mal viel aus.
Deine Kondensatoren lass man ganz fix weg.
Und nimm einen RICHTIGEN MOSFET-Treiber, deine Skizze ist keiner!

Passende Typen siehe Artikel MOSFET-Übersicht.

>Ist der Kondensator C_M richtig eingezeichnet?

Jain. Wenn du in Reihe zum MOSFET noch eine Induktivittät hättest, dann 
ja.
So wie deine Schaltung jetz ist, NEIN!

Lass ihn weg.

>Ich habe auch mal gesehen, daß ein Kondensator über den FET gezeichnet
>war.
>Frage 5:
>Was würde dieser bewirken?

Ja, er würde deinen MOSFET arg quälen und irgendwann in Rauch auflösen. 
Weg damit!

>Wie entsteht Hitze im Elko?

Wenn zu grosse Wechselströme durchfliessen.

> Wie kann diese durch Formeln berechnet oder
>wenn zu kompliziert abgeschätzt werden?

P = I^2 * ESR

wobei I der effektive Wechselstrom ist und ESR der äquivalente 
Innenwiderstand, steht meist im Datenblatt. Manchmal findet man auch 
direkt den max. zulässigen Wechselstrom.

>Dann habe ich auch hier im Forum gelesen, daß bei einem großen Elko C_M
>auch der FET stark belastet und uU überlastet wird.

C_M ist so vollkommen falsch platziert. Lass ihn weg!

>Welcher Kondensatortyp wäre für C_M der beste?

In deinem Fall egal, weil er eh wegfällt.
In einem richtigen LC-Filter meist ein hochwertiger Elko mit geringem 
ESR.

> Wären mehrere
>Kondensatoren parallel für C_M sinnvoll? Beispielsweise ein kleiner
>Folienkondensator ein dicker Elko?

Kann sinnvoll sein.

MFG
Falk

Autor: avion23 (Gast)
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Hallo Hans,
das sieht schonmal ganz gut aus. Von mir auch noch ein paar comments, 
auch wenn es teilweise die Aussagen von Falk wiederholt.

C_M, C_F kannst du weglassen. Beim schalten wird z.B. C_F 
kurzgeschlossen, das mögen weder Kondensator noch FET. Wichtiger wäre es 
die Versorgungsspannung zu puffern. Also deine 12V. Um den ESR zu 
verringern werden gerne mehrere Kondensatoren parallel geschaltet. Auch 
unterschiedlichen Typs, z.B. Keramikkondensatoren.


D_M1 ist falsch oder sollte eine Z-Diode sein. Ist aber unnötig weil der 
FET irgendwann in den Avalanche durchbruch kommt und wie eine Z-diode 
wirkt.

D_MZ ist die Freilaufdiode. Sie sollte eine Schottky-diode sein wegen 
der geringeren Verluste. Weil der gesamte Strom im Off-Teil deiner PWM 
über die Freilaufdiode fließt sollte diese möglichst nah am Motor sein. 
Damit minimierst du Verluste und Strahlung. Die Diode muss den vollen 
Motorstrom (30A) vertragen. Das aber nicht auf Dauer.

Dein FET-Treiber kann funktionieren. Sinn von dem Treiber ist es, den 
Strom den der attiny liefern kann zu erhöhen -> Impedanzwandler. 
Allerdings kannst du mit dem Treiber nur ausschalten. Beim einschalten 
(5V vom attiny) kommst du nur auf 4,3V wegen der Dropspannung an der 
BE-Strecke des Transistors. Das ist etwas zu wenig, selbst für LL-FETs. 
Deswegen brauchst du noch einen Pegelwandler davor. Der skaliert das 
Signal des attinys von 0V - 5V auf 0V - 12V. Die Billigversion ist eine 
npn-transistor mit pullup transistor an den 12V. Das reicht für deine 
Anwendung IMO auch vollkommen aus, der Treiber funktioniert bei mir sehr 
gut.


Du musst aufpassen wegen der Massepunktverschiebung. Wenn du 30A über 
den FET + Zuleitungen schickst hast du einen Spannungsabfall, der die 
Masse verschiebt. Den Treiber deswegen möglichst nahe am FET anbringen.


Bei 30A ist es auch nicht verkehrt, den attiny etwas zu schützen. Z.B. 
über Diode versorgen, dann Elko zum puffern + Spitzen killen, dann 
Spannungswandler. 1k Angstwiderstände wo sie nicht schaden. Zum Treiber 
brauchst du eh einen.

Ach ja, einen Buckwandler brauchst du nicht zu bauen. Die Leitungen 
vielleicht verdrillen und so kurz wie möglich.


Falls du noch weiter lesen möchtest findest du hier (etwas veraltetes) 
Futter:
http://www.4qdtec.com/pwm-01.html

Viel Spaß noch!

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  avion23 (Gast)

>Damit minimierst du Verluste und Strahlung. Die Diode muss den vollen
>Motorstrom (30A) vertragen. Das aber nicht auf Dauer.

Doch. Denn z.B. bei 90% Tastverhältnis fließt fast der volle Strom von 
30A. Der fliesst dann zwar nur für 10% der Zeit durch die Diode, aber 
man sollte hier Reserven haben. Die Vollprofis können das vielleicht 
noch kostenoptimieren.

>Signal des attinys von 0V - 5V auf 0V - 12V. Die Billigversion ist eine
>npn-transistor mit pullup transistor an den 12V. Das reicht für deine
>Anwendung IMO auch vollkommen aus,

Nö, keinesfalls. Bei 30A will man schon eher flink schalten. Und wenn 
man nicht tierisch Leitung mit dem niederohmigen Pull-Up verbraten will, 
nimmt man einen richtigen MOSFET-Treiber.

>Ach ja, einen Buckwandler brauchst du nicht zu bauen. Die Leitungen
>vielleicht verdrillen und so kurz wie möglich.

Eben. Ausserdem wirken die Motorwicklungen ja schon als Tiefpass, da 
wird der Strom schon ganz gut geglättet.

MFG
Falk

Autor: avion23 (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
>>Signal des attinys von 0V - 5V auf 0V - 12V. Die Billigversion ist eine
>>npn-transistor mit pullup transistor an den 12V. Das reicht für deine
>>Anwendung IMO auch vollkommen aus,
>
> Nö, keinesfalls. Bei 30A will man schon eher flink schalten. Und wenn
> man nicht tierisch Leitung mit dem niederohmigen Pull-Up verbraten will,
> nimmt man einen richtigen MOSFET-Treiber.

Sorry, wenn das nicht richtig herübergekommen ist. Ich meinte vor der 
Gegentaktstufe noch einen Pegelwandler schalten. Also so wie jetzt, nur 
das Signal vom attiny noch auf 0 - 12V skalieren. Ich hatte mal ein pdf 
zu diskreten mosfet treibern von irf, finde es aber gerade nicht mehr.

Mit einem Pullup kommt man hier nicht weit, das stimmt. Aber diese 
Version funktioniert richtig gut, und das nicht nur bei mir.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  avion23 (Gast)

>Sorry, wenn das nicht richtig herübergekommen ist. Ich meinte vor der
>Gegentaktstufe noch einen Pegelwandler schalten.

OK, das schon eher.

Sowas hier wie im Artikel Transistor.

Beitrag "Re: Wie Ugs (p-FET) sinnvoll begrenzen?"

MfG
Falk

Autor: Jens G. (jensig)
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>>Damit minimierst du Verluste und Strahlung. Die Diode muss den vollen
>>Motorstrom (30A) vertragen. Das aber nicht auf Dauer.

>Doch. Denn z.B. bei 90% Tastverhältnis fließt fast der volle Strom von
>30A. Der fliesst dann zwar nur für 10% der Zeit durch die Diode, aber
>man sollte hier Reserven haben. Die Vollprofis können das vielleicht
>noch kostenoptimieren.

hier kommts u.U. auf die Schaltfrequenzen, und auch die Pulsdauer an, 
die die Diode zu sehen bekommen wird. Da muß man mal in das Datenblatt 
einer gewählten Diode gucken, ob die bestimmte Überströme für bestimmte 
Dauer in bestimmten Intervallen aushält. Bei einer max. zu erwartenden 
Pulsdauer in der Diode von 50% (der gesamten Taktperiode) gibt's aber 
meistens noch keine besonderen Vergünstigungen in den Datenblättern. 
Sprich, bei anvisierten 30A sollte die Diode auch 30A haben. Bei höheren 
Frequenzen könnte man zwar eher eine Chance haben, eine 
unterdimensionierte Diode zu verwenden (weil sich der Wärmehaushalt der 
Diodensperrschicht besser ausmittelt), aber ich glaube, für 50% 
Tasverhältnis hatte ich noch nie Überstromungsoptionen in 
Diodendatenblättern gesehen.

Autor: Ulrich (Gast)
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Gegen zu viel an Elektromagnetischen Störungen kann eine kleine Drossel 
schon sinnvoll sein. Das wird damit noch kein voller Buck-Wandler, aber 
die ganz hohen Frequenzanteil kann man so ohne viel Aufwand rausfitlern. 
Gerade wenn der MOSFET schnell schaltet ist das wichtig.

Die Drossel kommt zwischen MOSFET und Motor, noch auf die Platine. Die 
Freilaufdiode direkt vom MOSFET weg, also noch vor der Drossel. Dann je 
ein kleiner Kondensator (z.B. 100 nF) an den Motor und auf die Platine 
ans Kabel.

Die Versorgungsspannung sollte auch noch ein paar Elkos/Kondensatoren 
bekommen, damit man die Störungen nicht über die 
Vesorgungsspannungsleitungen verbreitet.

Ein echter Gate Treiber ist auch sinnvoll, vor allem wenn man keinen 
Logic Level FET nimmt. Auch wenn das schalten dadurch etwas langsamer 
wird, den Gatewiderstand nicht vergessen.

Um sicher zu gehen ruhig eine 30 A Freilaufdiode vorsehen, auch wenn 
wahrscheinlich auch eine 15-20 A Type reichen würde, wenn man dem Motor 
nicht bei kleiner Drehzahl ein hohes Drehmoment abverlangt.

Autor: Hans Müller (blue-eye-child)
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Vielen, vielen Dank für Eure Tipps!
Ihr habt mir schon sehr geholfen. Ich arbeite die Infos grade durch, 
fehlende Teile habe ich bei Segor bestellt. Es wird also ein bischen 
dauern. Meine Lösung werde ich posten.

Den Vorschlag zum Pullup von avion23 und die Links von Falk, 
(Transistor... und ...Ugs...) habe ich schon mal auf dem Steckbrett 
versucht nach zu vollziehen. Also richtig ist, daß in meiner Version 
wirklich nur 4,x Volt am FET ankommen. Mit Pullup und weiterm Transistor 
habe ich die Schaltung ergänzt, aber da stimmt aber was nicht in meinen 
Ergebnissen oder meinem Aufbau 8-((. Ich gehe der Sache nochmal nach. Es 
interessiert mich einfach.
Unabhängig davon habe ich als FET-Treiber den ICL 7667 CPAZ bestellt. 
Das Teil war ua. von Falk im Forum empfohlen. Eigentlich ist der Chip 
für 2 MOSFETs aber ich gehe davon aus, daß es nix macht wenn nur einer 
dran hängt. Nur ich ärgere mich über die Verschwendung.

Elkos zur Stabilisierung der Versorgung sind jetzt eingeplant, danke für 
den Hinweis an Ulrich.

Als Freilaufdiode habe ich MBR6050PT bei Segor ausgeguckt. War eine 
verfügbare die passen sollte. Bin damit auf der sicheren Seite und habe 
eine Baustelle weniger. Danke für die Diskussion an Jens G, avion23 und 
Falk.

Eine Frage habe ich zu dem Vorschlag von Ulrich bzgl. Drossel und 100pF 
Kondensatoren. Ist das Konzept für die Entsörung des Motors gedacht oder 
als falksches Bügleeisen für die PWM? Der Motor (mit Bürsten) hat eine 
brauchbare Entstörung. Also machen Drossel und Kondensatoren in meinem 
Fall sinn? Falls ja, wie würdet Ihr die Drossel dimensionieren, oder wo 
finde ich Infos dazu?

Eine weitere Frage die sich mir stellt ist, mit wieviel Abwärme muß ich 
an dem IRF1404 und der Freilaufdiode MBR6050PT rechnen. Kann ich kurze 
Tests (2-3 Sekunden) ohne Kühlkörper machen ohne die Teile zu riskieren? 
Oder soll ich gleich Kühlkörper dranschrauben, wie groß sollten die sein 
um auf der sicheren Seite zu liegen? Brauche ich Wärmeleitpaste?


Kommt alle gut ins neue Jahr, ich wünsche allen einen guten Start und 
viel Erfolg!

Hans

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Hans Müller (blue-eye-child)

>Das Teil war ua. von Falk im Forum empfohlen. Eigentlich ist der Chip
>für 2 MOSFETs aber ich gehe davon aus, daß es nix macht wenn nur einer
>dran hängt.

Kein Problem. Nur solltest du den ungenutzen Eingang auf ein festes 
Potential legen und nicht einfach offen lassen.

>Als Freilaufdiode habe ich MBR6050PT bei Segor ausgeguckt.

Passt.

>Eine weitere Frage die sich mir stellt ist, mit wieviel Abwärme muß ich
>an dem IRF1404 und der Freilaufdiode MBR6050PT rechnen.

Für den FET P = I^2 * RDS-ON = 30A^2 * 4mOhm = 3,6W
Diode P = U * I = 0,7*30A = 21W

> Kann ich kurze
>Tests (2-3 Sekunden) ohne Kühlkörper machen ohne die Teile zu riskieren?

Ja.

>Oder soll ich gleich Kühlkörper dranschrauben, wie groß sollten die sein
>um auf der sicheren Seite zu liegen? Brauche ich Wärmeleitpaste?

Siehe Kühlkörper

MfG
Falk

Autor: Hans Müller (blue-eye-child)
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Es ist einige Zeit vergangen, da will ich mal kurz den Wasserstand 
melden. Also am aufwendigsten war es die Nachnahme aus der Packstation 
auszulösen, meine alte EC-Karte hat das Jahr 2010 Problem und ich konnte 
nicht bezahlen. Die Post hat's ausgebadet, nach 2 Wochen hatte ich 
Freilaufdioden, FET-Treiber etc in Händen nur war auch mein Urlaub 
vorbei.

Also es hat etwas gedauert bis ich alles korrekt verlötet hatte und seit 
soeben läuft die Schaltung wunderbar mit einem lastlosen Beispielmotor. 
Es wird noch ein paar Wochen dauern und dann wird es hoffentlich auch 
mit dem richtigen Motor unter Last laufen.

Vielen Dank nochmals an alle, die Tips waren alle sehr hilfreich.

Hans

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