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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Theoretische Frage: Aktive Freilaufdiode in H-Brücke


Autor: Michael H. (overthere)
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Hallo,

ich habe mal eine prinzipielle Frage zu H-Brücken. Bei meiner H Brücke 
sei oben, links, Q1, oben rechts Q2, unten links Q3, unten rechts Q4.

Angenommen ich fahre in Richtung Q1, d.h. Q1 Q4 leiten und ich schalte 
die PWM-Periode ab, dann will ja I_Motor weiterfließen. Normalerweise 
macht man das ja so, man Freilaufdioden anti-parallel einbaut. Diese 
möchte ich aber wegoptimieren.
Kann man die H-Brücke jetzt so konstruieren, dass jetzt der Strom 
I_Motor über statt über die Freilaufdioden über Q3 und dann über Q4 
fließt.

Einerseits sagt mir mein Praxiswissen, dass der Motor durch das 
kurzschließen der Windungen gebremst wird.
Anderseits sagt mir mein theoretischer Verstand, dass ja Q3 und Q4 
leiten, d.h. in guter Näherung der Widerstand fast null ist, und somit 
der Strom weiterfließen kann, und der Motor nicht gebremst wird, da kaum 
Spannung abfällt.

Wer kann mir weiterhelfen?

Michael

Autor: Hubert G. (hubertg)
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Nur zur Klarstellung, der Motor wird gebremst wenn er kurzgeschlossen 
wird.

Autor: Michael H. (overthere)
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In diesem kurzen Moment (nach dem Abschalten) kann man den Motor als 
Konstantstromquelle ansehen. Sehe ich das richtig?
Dann müsste doch der Motor je weniger gebremst werden, je kleiner deltaU 
ist. Oder?

Autor: holger (Gast)
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>In diesem kurzen Moment (nach dem Abschalten) kann man den Motor als
>Konstantstromquelle ansehen. Sehe ich das richtig?

Nö, als Generator und als Spule. Was beim Abschalten von Spulen
passiert ist dir bekannt?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Michael H. (overthere)

>macht man das ja so, man Freilaufdioden anti-parallel einbaut. Diese
>möchte ich aber wegoptimieren.

Warum? Mal wieder zu teuer? Was macht deine H-Brücke im Umschaltmoment? 
Dann werden die Motorwickungen zu "Zündspulen". Denn der Strom keinen 
Weg findet, holt er seine große schwester, die Spannung, DIE findet dann 
einen Weg.

>Kann man die H-Brücke jetzt so konstruieren, dass jetzt der Strom
>I_Motor über statt über die Freilaufdioden über Q3 und dann über Q4
>fließt.

Sicher, denn alle MOSFETs haben parasitäre Dioden eingebaut. Die sind 
zwar etwas schelchter als "richtige" Lsitungsdioden, für die meisten 
Zwecke reichen sie aber.

>Einerseits sagt mir mein Praxiswissen, dass der Motor durch das
>kurzschließen der Windungen gebremst wird.

Das wird er auch. Allerdings muss man hier unterscheiden. Und zwar 
zwischen Motor- und Generatorbetrieb.

Im Motorbetrieb fliesst netto Energie vom Netzteil über die H-Brücke zum 
Motor. Das "Kurzschliessen" ist kein "echtes" Kurzschliessen sondern 
einfach PWM. Der Wicklungsstrom fliesst bei Kurzschluss weiter, sinkt 
dann halt linear wie in jedem Schaltregler.

Beim Generatorbetrieb fliesst Energie vom Motor über die H-Brücke in des 
Netzteil bzw. den Zwischenkreis. Und zwar denn, wenn der Motor von 
aussen schneller gedreht wird, als über die PWM an den Motor angelegt 
wird. Dann wirkt der Kurschluss wirklich als Kurzschluss und Bremse.

MfG
Falk

Autor: Michael H. (overthere)
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Zur Beruhigung: Wir nehmen mal an, dass das Umschaltmoment 
vernachlässigbar ist, da die Umschaltung für unser Problem ausreichend 
schnell ist, wenn nicht werden die Dioden der FETs für die hundert ns 
greifen.

In dem von mir betrachteten Fall, schaltet man den Motor gerade ab, also 
im PWM-Betrieb, wenn ich Falks post richtig interpretiert habe. Ich weiß 
nicht, ob der Motor Energie abgibt oder aufnimmt, mein Ziel ist es 
"nur", dass der Motor weiterdreht, und dabei möglichst wenig Energie 
verliert.
Könnte man es also so lösen, wie oben vorgeschlagen?

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Hubert G. schrieb:
> Nur zur Klarstellung, der Motor wird gebremst wenn er kurzgeschlossen
> wird.

Wenn man den Motor in der Freilaufphase direkt an seinen Klemmen 
kurzschließt, bremst er natürlich nicht!
Ist doch klar, wo soll die Rotationsenergie hin? Gibt ja keinen 
Bremswiderstand zum Beispiel.

Wenn man hingegen (zum Beispiel mit einer Z Diode) höhere 
Freilaufspannungen zulässt (also die 0V bei dem Kurzschluss), dann wird 
die Rotationsenergie in der Z Diode verheizt und der Motor bremst 
schneller.

@Michael: Ja, man kann das so machen. Bei IR2110 Treiber zum Beispiel 
geht es sogar nur so. Das nennt man Aktiven Freilauf oder Synchrones 
Gleichrichten.

Der größte Vorteil dabei ist, dass man keine (großen) Freilaufdioden 
mehr hat, sondern einen extrem gut leitenden FET zum Beispiel. Deswegen 
ist die Verlustleistung am FET selber geringer.

Autor: Bernd Rüter (Gast)
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Die Freilaufdiode in Q3 kannst Du entlasten, indem Du Q3 durchschaltest, 
weil der MOSFET wahrscheinlich einen kleineren Widerstand darstellt als 
die Diode. Wir immer gerne gemacht, wenn hohe Ströme fließen.

Die Diode ansich würde ich lassen, weil sie schneller schalten kann, als 
Deine MOSFET-Ansteuerung.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Simon K. (simon) Benutzerseite

>Wenn man den Motor in der Freilaufphase direkt an seinen Klemmen
>kurzschließt, bremst er natürlich nicht!

Du hast noch nie einen Motor in der Hand gehabt. Das solltest du 
nachholen. Dreh den mal per Hand. Dann schleiss die Anschlüsse kurz und 
dreh nochmal. Du wirst staunen.

>Ist doch klar, wo soll die Rotationsenergie hin? Gibt ja keinen
>Bremswiderstand zum Beispiel.

Aber sicher, die Wicklung. Und die ist verdammt niederohmig. Wenn gleich 
das bei größeren Motoren auf Dauer ins Augeg geht, dort verheizt man die 
Energie besser in externen, robusten, gut gekühlten Bremswiderständen.

>Wenn man hingegen (zum Beispiel mit einer Z Diode) höhere
>Freilaufspannungen zulässt (also die 0V bei dem Kurzschluss), dann wird
>die Rotationsenergie in der Z Diode verheizt und der Motor bremst
>schneller.

Nöö. Klassischer Denkfehler. Ein Motor ist KEIN Relais. Auch wenn es auf 
den ersten Blick so scheint.

>@Michael: Ja, man kann das so machen. Bei IR2110 Treiber zum Beispiel
>geht es sogar nur so. Das nennt man Aktiven Freilauf oder Synchrones
>Gleichrichten.

Spielt aber nur bei kleinen Betriebsspannungen wirklich eine Rolle, so 
12V und weniger.

MfG
Falk

Autor: Hubert G. (hubertg)
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Simon K. schrieb

> Wenn man den Motor in der Freilaufphase direkt an seinen Klemmen
> kurzschließt, bremst er natürlich nicht!
> Ist doch klar, wo soll die Rotationsenergie hin? Gibt ja keinen
> Bremswiderstand zum Beispiel.

Das wäre dann deiner Meinung nach so, dass der Motor bremst wenn er 
nicht kurzgeschlossen wird.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Nein meiner Meinung nach bremst der Motor nur, wenn man anfängt die 
Polung umzudrehen. Bis zum Stillstand. (Natürlich stückchenweise).

Aber mein Denkfehler ist, dass ich grad Relais == Motor gesetzt habe :-)

Übrigens meinte ich den IR2104 und nicht IR2110 oben. Der hat nur den 
aktiven Freilauf eingebaut.

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