Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik H-Brücke entwerfen


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von Denny L. (denny_123)


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Hey Leute!

Zuerst einmal ein herzliches Hallo! Ich bin der Denny und neu im Forum.
Ich bin dabei für ein Projekt eine H-Brücke selbst zu entwerfen, jedoch 
habe in diesem Gebiet kaum Erfahrung. Die H-Brücke sollte so ziemlich 
alle sinnvollen Schutzvorrichtungen haben (Shoot- through, usw.).
Die H-Brücke wird mit einem 5V PWM- Signal angesteuert und der 
Leistungteil liegt an einer 12V Versorgungsspannung. Ein bzw. zwei Pins 
für Vor- und Rücklauf und ein Pin für das PWM Signal. Ich habe mal ein 
Grundgerüst aufgebaut, so dass es funktioniert.
Kann mir jemand sagen ob das so schon mal so okay ist? Die Widerstände 
habe ich nicht genau ausgerechnet. Erstmal dass es funktioniert.
Wie gesagt, ich weiß nicht ob es da eine elegantere Lösung gibt. Im Netz 
kursieren ja tausend verschiedene Versionen.
Für Verbesserungsvorschläge oder gute Vorlagen wäre ich sehr dankbar :)

Liebe Grüße

Denny

von Christian M. (Gast)


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Da stimmt was mit der Logik nicht, es müssen jeweils Q2 und Q7 oder Q4 
und Q8 zusammen leiten.

Aber warum willst Du das Rad neu erfinden, solche H-Brücken gibt es als 
Module fix-fertig und getestet. Hast Du zuviel Zeit?

Gruss Chregu

von Sascha_ (Gast)


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Und über 1000 Ohm laden die Gates auch viel zu langsam auf.

von Denny L. (denny_123)


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@Christian:
Projekt von der Technikerschule. Sonst würde ich mir das auch nicht an 
tun.
Den Rest verstehe ich nicht. Oder meinst du Q7 und Q3 oder Q8 und Q1?

@Sascha: Vielen Dank! Werde ich noch ändern.

: Bearbeitet durch User
von Sascha_ (Gast)


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Denny L. schrieb:

> @Sascha: Vielen Dank! Werde ich noch ändern.

Ich fürchte, ich weiss schon was du tun wirst.

von Michael K. (Gast)


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Q3 + Q8 kannst Du als Logic Level Fet direkt ansteuern ohne über R2 R9 
signifikant Strom zu verbraten.

Die unteren Fets werden immer gemeinsam angesteuert, da dreht sich 
garnichts.
Bei Überstrom brennt die Brücke ab.

Ingesammt ein ziemliches Chaos das so zerissen gezeichnet ist das man 
schwer sehen kann das da nicht viel funktioniert.

An die oberen Fets gehört noch eine Transistorstufe um nicht 
schneckenlangsam und ineffizient über 1K aufzuladen.

Fang noch mal neu an und achte auf die Übersichtlichkeit dann findet Du 
Deine Fehler auch einfacher.
Gehe jede Ansteuerungspfad im Geiste durch und überprüfe dabei was 
worauf Auswirkungen hat.

Beschäftige Dich mit LTspice um solche Schaltungen zu simmulieren und 
dabei enorm viel über die Strom und Spannungsverläufe zu lernen.

von Denny L. (denny_123)


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@Michael Knoelke:
Ja da hast du Recht. Ich bin auch schon als auf der Suche nach einer 
guten Vorlage die ich in Multisim nachbauen kann, um die 
Schutzvorrichtungen usw. besser zu verstehen. Jedoch blieb meine Suche 
bis jetzt erfolglos. Bei den ganzen Varianten habe ich auch keine Ahnung 
welche jetzt die richtige, bzw. beste Variante ist.
Die Schaltung war einfach nur ein Versuch alles irgendwie mit rein zu 
bringen. Hat ja leider nicht geklappt.

von Denny L. (denny_123)


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Also ich habe hier irgendwo einen Denkfehler. Ich habe wirklich nochmal 
ganz von vorne angefangen. Verwende ich jetzt 2 P-Kanal und 2 N-Kanal 
MOSFET (P oben, N unten), dann kann ich doch theoretisch ein "Shoot 
through" gar nicht vermeiden? Ich bekomme meine P-MOS doch erst 
gesperrt, sobald ein N-MOS leitend wird. Und in diesem "Übergang" fließt 
doch kurzzeitig ein hoher Strom von P zu N MOS. Die einzige Möglichkeit 
wäre eine deutlich höhere Spannung an meine P-MOS anzulegen, untersagen 
mir jedoch die Vorgaben (12V Last, 5V PWM). Hat jemand dafür eine Lösung 
parat?

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Denny L. schrieb:
> Hat jemand dafür eine Lösung
> parat?

Guck dir die H-Brücke in meinem RC-Servo mal an:
Beitrag "Re: RC-Servoelektronik für DC-Motor"

Simpler geht fast nimmer. Du musst nur drauf achten, das PB0 und PB1 nie 
gleichzeitig high sind. Die PWM ist hier allerdings mit etwa 240 Hz 
recht niedrig. Für schnellere PWM sollte man die 2k2 im Kollektorkreis 
der NPN Transistoren kleiner machen.

: Bearbeitet durch User
von uwe (Gast)


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Guck dir doch mal die Blockdiagramme und Aussenbeschaltung und Pin 
Beschreibung von modernen h-Brücken im Datenblatt an. Versuch 
herauszufinden was der Bootstrap Pin macht. Weißt du was ne Ladungspumpe 
ist. usw.

von Sascha_ (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> Denny L. schrieb:
>> Hat jemand dafür eine Lösung
>> parat?
>
> Guck dir die H-Brücke in meinem RC-Servo mal an:
> Beitrag "Re: RC-Servoelektronik für DC-Motor"
>
> Simpler geht fast nimmer. Du musst nur drauf achten, das PB0 und PB1 nie
> gleichzeitig high sind. Die PWM ist hier allerdings mit etwa 240 Hz
> recht niedrig. Für schnellere PWM sollte man die 2k2 im Kollektorkreis
> der NPN Transistoren kleiner machen.

Da der TE eine H-Brücke mit allen möglichen Schutzvorrichtungen haben 
wollte, ist das wohl nicht so ganz das, was er sucht.

Ne PNP/NPN Totem Pole Endstufe mit Verbindung zum FET über 
Serienwiderstand+Paralleldiode macht Ein- und Ausschaltzeit ungleich 
lang was dem Shoot-Through vorbeugt.

Wenn man das nicht (wie bei dir) per Software garantieren kann, sollte 
man das in Hardware schon mit einbauen.

Ich hab schon Gate-Treiber diskret aufgebaut wo es nicht so wichtig war, 
bei Schaltwandlern zum Beispiel. Schlimmstenfalls wird da die 
Verlustleistung höher.

Bei ner H-Brücke für richtig Leistung würde ich eigentlich immer 
Gate-Treiber ICs nehmen. Da ist auch das Preis/Leistungsverhältnis 
besser.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Sascha_ schrieb:
> Da der TE eine H-Brücke mit allen möglichen Schutzvorrichtungen haben
> wollte, ist das wohl nicht so ganz das, was er sucht.

Davon sehe ich in seinem ersten Beitrag aber auch nix. Aber ein Inverter 
und ein dritter Pin am MC könnte das ja sicherstellen.

von Michael K. (Gast)


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> Die Schaltung war einfach nur ein Versuch alles irgendwie mit rein zu
> bringen. Hat ja leider nicht geklappt.

Du solltest weniger Zeit mit dem Suchen von Vorlagen verbringen.
Das Netz ist voll von Schrott und den kannt Du erst erkennen wenn Du 
genau verstehst was die da machen und was daran gut oder schlecht ist.

Selbst Deine Schaltung würde funktionieren wenn nicht ganz grundlegende 
Funktionsfehler drin wären die Du hättest finden können.
Analysiere die grundlegenden Probleme und unterteile die Schaltung in 
Funktionsblöcke die alle ihre dedizierte Aufgabe erledigen.

Die einfache Ansteuerung verursacht zwar relativ hohe Verluste im 
Umschaltmoment (langsames Aufsteuern der Fets) und hohe statische 
Verluste (1K an 12V pro Fet) hat aber den Vorteil das Du ohne große 
Klimmzüge mit dem langsamen Aufsteuern und dem schnellen Sperren über 
die Dioden den Shoot-Through im Griff hast.
Bei 470Hz können Dir die Umschaltverluste sogar relativ egal sein.

Was fehlt ist eine Überstromdetektion die im einfachsten Fall aus einem 
Widerstand im gemeinsamen Source der unteren Fets besteht.
Fällt mehr als 0,7V darüber ab sperrt ein Kleinsignaltransistor die 
Ansteuerung der Brücke.

Ohne die Verwendung eines Flipflops wirkt so eine I-Begrenzung aber als 
Stromregelung die Dir recht schnell die Fets zerkocht.
Mit FF sperrt man einfach bis zum nächsten Ansteuerpuls.

Der typische Anfängerfehler ist es aus dem Stand etwas perfektes bauen 
zu wollen und sich dabei so zu verzetteln das man im Endeffekt nichts 
fertig bekommt. Bau also was einfaches das Du in jedem Detail verstehst 
und lebe mit den Nachteilen.

>guten Vorlage die ich in Multisim nachbauen kann
Man kann auch schlechte Nachbauen und dann verstehen warum die schlecht 
sind.

>Verwende ich jetzt 2 P-Kanal und 2 N-Kanal
>MOSFET (P oben, N unten), dann kann ich doch theoretisch ein "Shoot
>through" gar nicht vermeiden?
Hängt alles nur davon ab wie Du die ansteuerst.
Du verzettelst Dich hier weil Du die Bauteile nicht richtig verstanden 
hast die Du verwendest.
Gehe so bald möglich in die Simulation und verwende unbedingt die 
Messmethoden die Dir die Simulation bietet.
Die meisten schauen sich nämlich nur das Ergebnis an und übersehen dabei 
das zwar irgendwann nach wildem und planlosen rumprobieren die richtige 
Kurvenform rauskommt die Ansteuerung aber 3 MW verbraucht weil sich die 
Simulation einen Dreck um die max. ratings der Bauteile kümmert.

Hektische Aktivität hilft Dir kein Stück sondern nur langsames und 
methodisches Vorgehen.

von wuff (Gast)


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Michael K. schrieb:
> Selbst Deine Schaltung würde funktionieren wenn nicht ganz grundlegende
> Funktionsfehler drin wären die Du hättest finden können.

Ganz genau.

von Denny L. (denny_123)


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@Michael Knoelke: Vielen Dank für die ausführliche Antwort! Ja da hast 
du auch vollkommen Recht. Ich will so etwas einfach immer sofort 
verstehen und perfekt beherrschen, funktioniert nur leider nicht. Ich 
habe das Projekt auch erstmal pausiert und beschäftige mich erstmal mit 
den MOSFETs. Die verstehe ich einfach nicht. Da ich vorher noch nie mit 
diesen Bauteilen gearbeitet habe, habe ich die Funktion auch völlig 
falsch verstanden. Ich lese mich zwar noch ein, aber falls jemand 
möchte, kann er mir gerne erklären was es mit der Aufladung bzw. 
Aufladungsgeschwindigkeit von FETs aus sich hat (Vorwiderstand). Ich 
denke hier gibt es Menschen die mir so etwas viel besser erklären 
können, als einige Fachbücher.
Nochmals vielen Dank!

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Lade dir mal ein paar der ausführlicheren Datenblätter von MOSFets und 
schau dir vor allem die Kennlinien an. Entscheidend für die Ansteuerung 
eines MOSFet ist, was dieser zwischen Gate und Source sieht.
Die Spannung Ugs bestimmt, wieviel Strom über den Drain-Source Kanal 
fliesst.
Diese Spannung ist positiv am Gate gegenüber der Source beim N-Kanal 
MOSFet und negativ beim P-Kanaler.
Das Gate ist sehr hochohmig (braucht also so gut wie keinen Steuerstrom) 
aber hat Kondensatoreigenschaften, d.h., man lädt es auf und der MOSFet 
fängt an, zu leiten und entlädt es, damit er sperrt.

: Bearbeitet durch User
von Michael K. (Gast)


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MosFets:

Bleiben wir der einfachheit halber beim N-Fet.
Eine positiv Spannung am Gate gegenüber Source steuert den auf.
In der idealen Bauteilbetrachtung völlig leistungslos, es fliesst also 
kein Strom.

Dabei gibt es eine Untergrenze in der der nicht aufsteuert (VGS(th)), 
einen Bereich in dem der als steuerbarer Widerstand arbeitet und einen 
Bereich ab der der voll durchgesteuert ist. Die Kurven stehen in den 
jeweiligen Datenblättern.
Logig Level Fets sind z.B. darauf optimiert bereits bei niedrigen 
Spannungen voll aufzusteuern.
Überschreitet man die max. UGS (Spannung Gate Source) geht der Kaputt.

Jetzt wirds real:
Das Gate hat natürlich eine Kapazität die ein paar nF betragen kann.
Die variert je nachdem wie viel Strom der schalten kann und ob der auf 
schnelles Schalten oder niedrigen RDS-on optimiert ist.
Der RDS-on ist der Widerstand den der Fet hat wenn der durchgesteuert 
ist.

Diese Gate Kapazität hat einen unangenehmen Nebeneffekt, das Miller 
Plateau.
Während sich die Gate Kapazität auflädt wird der Fet leitend und bewegt 
sich dabei durch den Bereich seiner Kennlinie in dem bereits Strom 
fliesst, der RDS-on noch hoch ist. Er verbrät also viel Energie in 
Wärme.
Diesen Bereich will man so schnell wie mögich verlassen, aber während 
des durchsteuern verändert sich die gate Kapazität dahingehen das trotz 
Strom ins Gate die Gate Spannung auf einem Plateau verweilt, dem Miller 
Plateau.
Je kleiner der Gate Strom um so länger verweilt man in diesem Bereich.

Im schnellen Schaltbetrieb prügelt man bei jedem Zyklus ein paar Ampere 
peak ins Gate.
Je schneller man den macht um so effizienter schaltet der Fet, aber um 
so größer werden auch die EMI Störungen weil auch die Last eine 
Kapazität und Induktivität hat.
Es gibt also ein Optimum zwischen Leistung die im Fet und Leistung die 
im EMI Filter verbraten wird. Darum kümmert man sich aber ganz zum 
Schluss, wenn überhaupt.

Bei Induktiven Lasten wie z.B. Deinem Motor ist das Aufsteuern der Fets 
garnicht das Problem. Legt man Spannung an eine Induktivität an fliesst 
im ersten Moment kein Strom, der baut sich erst langam auf.
Wenn kein Strom fliesst kann der RDS-on auch keine Leistung verbraten.

Im Abschaltmoment steht aber der maximale Strom an.
Der Fet versucht nun den Srom abzuwürgen, das zusammenbrechende 
Magnetfeld der Induktivität stemmt sich aber dagegen.
Dein Ansatz mit Dioden, ohne Vorwiderstand das Gate zu entladen ist 
nicht schlecht solange die Kleinsignaltransistoren den Gatestrom auch 
effektiv kurzschliessen können. Die BC846B können in Deiner Beschaltung 
vieleicht 0,5A aus dem gate ziehen.
Nicht berauschend, aber Deine Schaltfrequenz von 470Hz ist niedrig genug 
damit Dir das egal sein kann.

Alles in allem ist also Deine Schaltung (erstes Posting) nicht so 
schlecht trotz der langsamen Ansteuerung und der relativ hohen 
statischen Verluste.
Ein billiges Consumer Gerät bei dem jeder Cent gespart wird würde man 
fast so bauen.

Fast, weil es logische Fehler gibt die Du finden und entfernen must 
damit sich der Motor dreht und die Drehrichtungsumkehr funktioniert.

Es fehlen Überstromabschaltung und ggf. Übertemperaturabschaltung.
Die Überstromabschaltung habe ich bereits skiziert.
Ohne Überstromabschaltung wird jede Drehrichtungsumkehr bei laufendem 
Motor Deine Brücke zerlegen.

von Denny L. (denny_123)


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Hallo Leute!
Ich melde mich nach einiger Zeit in Abwesenheit wieder zurück. Ich habe 
meine Schaltung angepasst und ausführlich getestet und bin "eigentlich" 
zufrieden. Jedoch stehe ich jetzt vor einem grundlegenden Problem. Ich 
bekomme die Umschaltzeiten der MOSFETs nicht in den Griff. Wie ihr schon 
sagtet, werden die MOSFETs viel zu langsam geladen bzw. entladen. Ich 
möchte diese jedoch optimal schalten. Dies soll ja mit MOSFET Gate 
Treibern funktionieren. Leider habe ich noch nie mit Treibern gearbeitet 
und weiß somit auch echt nicht wie ich da anfangen soll. Ich suche 
eigentlich nur einen Treiber der mir die direkt verbundenen MOSFETs mit 
einem definierten Zeitwert auflädt, bzw. "MOSFET x" erst einschaltet 
wenn "MOSFET y" ausgeschaltet ist. Ich weiß nicht wie man dies am 
elegantesten veranstaltet.
Ich hoffe ich konnte mein Problem einigermaßen rüberbringen.

Schon mal vielen lieben Dank für jegliche Hilfe!

Grüße

Dennis

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Denny L. schrieb:
> Ich habe
> meine Schaltung angepasst

Die kennen wir aber nicht. Um irgendwas sinnvolles vorzuschlagen, 
müsstest du die mal vorlegen.

von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Poste erstmal die Schaltung. Ansonsten ist für H-Brücken der IC IR2110 
recht weit verbreitet und scheint das zu sein, was du suchst, sofern ich 
deine etwas wirre Beschreibung in Prosa richtig verstanden habe.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Stefan S. schrieb:
> Ansonsten ist für H-Brücken der IC IR2110
> recht weit verbreitet und scheint das zu sein, was du suchst

Nein. Der IR2110 ist für Halbbrücken gut geeignet, für H-Brücken aber 
nicht. Er erlaubt z.B. ohne schaltungstechnische Klimmzüge keinen 
Dauerlauf mit 100% Motorleistung.

von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Matthias S. schrieb:
> Stefan S. schrieb:
>> Ansonsten ist für H-Brücken der IC IR2110
>> recht weit verbreitet und scheint das zu sein, was du suchst
>
> Nein. Der IR2110 ist für Halbbrücken gut geeignet, für H-Brücken aber
> nicht. Er erlaubt z.B. ohne schaltungstechnische Klimmzüge keinen
> Dauerlauf mit 100% Motorleistung.

Tatsächlich! Mein Fehler, das hatte ich falsch in Erinnerung. Danke für 
die Korrektur.

von Sebastian S. (amateur)


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Deine Schaltung ist viel zu Symmetrisch!

Wenn Du noch mal zurück zur Grundschaltung mit den vier Schaltern gehst, 
wirst Du daran erinnert, dass z.B. zwei in Reihe liegende Schalter jeden 
beliebigen Zustand annehmen dürfen. Nur nicht zur gleichen Zeit!

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit nicht nur den logischen Zustand im 
Auge zu behalten, sondern auch den Zeitlichen.

Praktisch sieht das so aus, dass Du beim Umschalten berücksichtigen 
musst, dass das Aus- und Einschalten selber einige Zeit benötigt. Hier 
kann es zu recht stressigen Überschneidungen kommen. Meist ist auch die 
Zeit, die das Einschalten benötigt nicht genauso lang wie das 
Ausschalten.

von Denny L. (denny_123)


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Also ich verwende jetzt diese Schaltung um meine H- Brücke anzusteuern. 
Ich habe Multisim verwendet und die Schaltung bei einem PWM Signal von 
50 kHz ausführlich getestet. Alles funktioniert so wie ich es mir 
vorgestellt habe. Auch bei "verbotenen Zuständen" (Rechts- und Linkslauf 
gleichzeitig) bleibt die Schaltung ebenfalls intakt. "Q9" dient einfach 
zur Strombegrenzung auf 3,5A. Dann habe ich die Bauteile bestellt und 
alles auf einem Breadboard getestet, funktioniert ebenfalls. Die 
logischen Fehler von denen die Rede waren, die finde ich einfach nicht. 
Ich besitze auch nicht das extreme Vorwissen, um zu beurteilen, ob man 
das so macht oder nicht. Wenn diese Art der Schaltung kompletter Schrott 
ist, dann sagt mir das, aber auch bitte wieso.
Das mit der Zeit fürs ein- und ausschalten habe ich ja bemerkt. Ich 
dachte da vielleicht an einen IC, der diese Überschneidung verhindert. 
Jedoch fehlt mir, wie ich bereits sagte, die Erfahrung um festzustellen 
was die beste Methode ist.
Ich hoffe ihr könnt mir weiterhelfen. Momentan komme ich einfach kein 
Stück weiter...

Steckerbelegung:
J1: 1-Motor rechts, 2-Motor links, 3-PWM Signal, 4-GND
J2: 12V Versorgungsspannung
J3: Anschluss Motor

Dennis

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