Motorsteuertransistor wird heiß – Schaltungs- oder Bauteilproblem?

[Niklas B. (niklas90)]

Hallo,

ich habe in einem selbst gebauten Modellboot einen 6V Motor verbaut und 
steuere diesen über die Schaltung (siehe Bild) per PWM an. Da die 
Spannungsversorgungen vom Motor (4,8V) und vom µC (3,3V) recht niedrig 
sind, kann ich keinen meiner MOSFETs verwenden, da ich keinen besitze, 
der eine ausreichend niedrige GS-Schwellspannung für die 2..4A vom Motor 
hat. Deshalb habe ich eine Darlingtonschaltung gebaut (rechts im 
Schaltplan) und den BD243 mit einen Kühlkörper versehen.

Jetzt ist es aber so, dass der Kühlkörper schon nach kurzer Fahrtzeit so 
heiß wird, dass man sich daran die Finger verbrennt. Woran kann das 
liegen? Ist der BD243 einfach überhaupt nicht für sowas geeignet (was 
besseres habe ich leider zur Zeit nicht), oder stimmt was mit der 
Schaltung nicht?

Ich habe die Darlingtonstufe mal unter vereinfachten Bedingungen mit 
LTSpice simuliert, wobei ich den Motor durch einen 1Ω Widerstand ersetzt 
habe. PWM-Frequenz ist ca. 1kHz. Selbst in diesem "Worst-case" kommt es 
in der Simulation nur zu einer durchschnittlichen Verlustleistung von 
2W.

Da leider alles schon verbaut ist, kann ich auch nicht viel mehr ändern, 
außer die PWM-Frequenz zu erhöhen und zu hoffen, dass die Reaktanz von 
der Motorinduktivität damit steigt, aber große Hoffnungen mache ich mir 
nicht. Außerdem sinkt damit die Reaktanz vom Entstörkondensator (100nF).

[Falk B. (falk)]

Der Darlington hat ca. 1V Spannugnsabfall, mal 4A macht satte 4W 
Verlustleistung bei 100% Tastverhältnis. Ob man einen Kühlkörper 
noch anfassen kann oder nicht ist egal, die TEMPERATUR ist entscheidend. 
80°C sind kein Problem für den Transistor, nur für deinen Finger.

D1 ist für PWM ungeeignet. Da muss eine schnelle Diode her, z.b. eine 
Schottky 1N5818, siehe

https://www.mikrocontroller.net/articles/Dioden-%C3%9Cbersicht

1kHz ist schon recht viel, geh mal lieber runter. Wenn man einen Motor 
mit PWM ansteuert, darf der KEINE Entstörkondensatoren direkt am Motor 
haben! Denn die würden durch die PWM regelmäßig kurzgeschlossen!

[Norbert (Gast)]

Meß mal in durchgeschaltetem Zustand die Spannung am Kollektor T1.

Ändere die Schaltung.

Meß erneut!

[U. B. (Gast)]

1) Eventuell T1 weiter aufsteuern, dazu den Kollektor von Q2 über einen 
Vorwiderstand direkt an VPOWER legen.
Leider wird dann T1 langsamer, je nach Sättigung.

Oder:
2) Den Emitter von Q2 direkt an GND, Ansteuerung der BBasis über einen 
vergrösserten R5.
Den Kollektor über 330 Ohm (?) an VPOWER legen und von diesem Kollektor 
aus einen MOSFET mit niedriger U(GS) steuern.
Nachteil: Die Schaltfunktion ist dann invertiert.
Vorteil: Je nach MOSFET kann der Motor dann mehr Spannung bekommen.

[ArnoR (Gast)]

Der Widerstand R6 ist mit 10K auch viel zu hochohmig zum schnellen 
Sperren des BD243, und langsames Sperren bedeutet Verluste. Setze dort 
was im Bereich von 220R...680R ein.

[Niklas B. (niklas90)]

Danke erstmal für die Hinweise. Da wie gesagt schon alles verbaut ist, 
habe ich erst mal versucht weiter zu simulieren und die von euch 
vorgeschlagenen Dinge zu untersuchen.

Bei der Induktivität für die Wicklungen war ich mir nicht sicher, da 
habe ich gar kein Gefühl in welchen Dimensionen man sich da bewegt. Und 
LTSpice hatte keinen BD243, darum habe ich einen ähnlichen (?) 
Transistor genommen.

@Falk: (Bild 1): Ich habe die Simulation mit und ohne Entstörkondensator 
laufen lassen und habe kaum Unterschiede feststellen können, in beiden 
Fällen wären es grad einmal 600mW bei 50% duty cycle.

@Norbert: (Bild 2): Wenn ich keinen gemeinsamen Kollektor benutze, muss 
ich den von dir vorgeschlagenen Widerstand extrem klein wählen und 
selbst dann ist die Kollektorspannung vom Leistungstransistor größer als 
bei der Variante mit gemeinsamen Kollektor, also bliebe ja weniger für 
den Motor.

@U. B.: 1) siehe Norbert, 2) Ja, wenn ich einen solchen MOSFET hätte, 
wäre sowieso vieles einfacher ;-) Bei der nächsten Bestellung kommt ein 
IRLZ34N auf die Liste.

@ArnoR: probiere ich gleich mal

[Niklas B. (niklas90)]

Verringern von dem 10k Widerstand bringt laut Simulation auch kaum was 
:(. Scheint so, dass ich da doch nochmal eine reale Schaltung aufbauen 
und testen sollte.

[Schwer Grübelnder (Gast)]

Niklas schrieb:
>Da wie gesagt schon alles verbaut ist,
>habe ich erst mal versucht weiter zu simulieren und die von euch
>vorgeschlagenen Dinge zu untersuchen.

>Scheint so, dass ich da doch nochmal eine reale Schaltung aufbauen
>und testen sollte.

Ich denke, es ist schon alles verbaut? Hast Du die Simulation auf
einer simulierten Platine?

[Niklas B. (niklas90)]

Ich kann die Darlingtonschaltung nachbauen, die gleichen Teile habe 
ich nochmal, das meinte ich damit ;). Nur den Motor da wieder 
dranzubauen wird nicht zu 100% "gleich", da ich über Krokoklemmen an das 
Steckbord müsste und die dazugehörigen Kontakt- und Leitungswiderstände 
verändern natürlich die Ergebnisse.

Aber mal was anderes: im Datenblatt des BD243 steht eine 
Kollektor-Emitter Sättigungsspannung bei IC = 6A; IB = 1A von 1,5V. 
Bedeutet dass, er kann einfach gar nicht weiter durchschalten, egal wie 
weit ich die Schaltung optimiere? Darum war ja auch der Titel des Themas 
eine Frage nach dem Bauteil.

[Niklas B. (niklas90)]

Ach verdammt bin ich blöd >.< Natürlich kann da nur Grütze passieren, 
wenn Q2 am Kollektor von T1 hängt, da hattet ihr schon recht. Wenn T1 
leitet, gräbt er sich ja selber seinen Basisstrom weg, weil Q2 in dieser 
Form als eine art gesteuerte Spannungsrückkopplung fungiert. Die 
Schaltung hat einfach gar keinen Sinn gemacht :D

[Mach's doch so (Gast)]

Niklas vermutete:
>Ach verdammt bin ich blöd.

Naja, das passiert schon mal im Gedränge auf dem Damenklo....
Gefahr erkannt -Gefahr gebannt!

[batman (Gast)]

Darlington-Schaltung taugt bei niedrigen Spannungen nicht zum Schalten. 
2 Emitterschaltungen hintereinander bringen genug Strom.