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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PWM an Induktivität


Autor: PeterKnolle (Gast)
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Hallo zusammen,

bitte verzeiht wenn ich etwas unbeholfen bin aber ich benötige eure 
Hilfe. Ich möchte eine Induktivität mit 24V speisen, diese Spannung wird 
über eine PWM geschaltet.

Wie ihr im beigefügten Bild sehen könnt passt der Strom durch die Spule 
nicht wirklich mit dem zusammen was ich haben möchte:

U=R*I-> I=U/R=24V/14,3 Ohm(Spulenwiderstand)=1,68A
Laut Simulation bekomme ich aber nur ca. 560 mA maximal und der Strom 
wird auch nicht wieder 0A.

Passen die Bauteile nicht?
Was kann ich tun?

: Verschoben durch Moderator
Autor: Martin H. (mahi)
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Warum erwartest Du, dass sich eine Spule wie ein Widerstand verhält?

Wenn Du einen Widerstand willst, bau' einen statt der Spule ein.

Autor: John D. (drake)
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PeterKnolle schrieb:
>
> U=R*I-> I=U/R=24V/14,3 Ohm(Spulenwiderstand)=1,68A
> Laut Simulation bekomme ich aber nur ca. 560 mA maximal und der Strom

Du scheinst ein Tastverhältnis von ungefähr 1:3 zu haben - passt doch.

> wird auch nicht wieder 0A.

Klar, wenn M1 abschaltet, fließt der Strom durch die Freilaufdiode 
weiter.

: Bearbeitet durch User
Autor: PeterKnolle (Gast)
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Ist das Problem tatsächlich die Zeitkonstante? t=L/R konkret wäre das 
t=1,9H/14,3 Ohm=133ms?

Danke für die schnelle Antwort.

Autor: Ralf (Gast)
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PeterKnolle schrieb:
> Was kann ich tun?

Die PWM-Frequenz deutlich herabsetzen damit der Strom durch die Spule 
ansteigt.

Oder einen Tiefpass vor die Spule schalten (10 Ohm und 1000µF). Der hat 
aber Verluste.

Autor: Falk B. (falk)
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@PeterKnolle (Gast)

>Wie ihr im beigefügten Bild sehen könnt passt der Strom durch die Spule
>nicht wirklich mit dem zusammen was ich haben möchte:

Aber mit der Physik.

>U=R*I-> I=U/R=24V/14,3 Ohm(Spulenwiderstand)=1,68A

Wo ist der in deiner Simulation?

Schon mal gehört, daß eine Spule einen Strom glätten kann?

>Laut Simulation bekomme ich aber nur ca. 560 mA maximal und der Strom
>wird auch nicht wieder 0A.

Logisch, weil die Spule bei abgeschaltetem Transistor zur Energiequelle 
wird und den Strom durch die Freilaufdiode weiter fließen läßt.
Der MITTLERE Strom wird durch den Einschaltwiderstand deines MOSFETs 
begrenzt, darum nur die 560mA.

>Passen die Bauteile nicht?

Dein Verständnis passt nicht.

>Was kann ich tun?

Einen deutlich niederohmigeren MOSFET nutzen.

Autor: Falk B. (falk)
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@Ralf (Gast)

>Die PWM-Frequenz deutlich herabsetzen damit der Strom durch die Spule
>ansteigt.

Unsinn. Damit erhöht man nur den Stromrippel, jedoch NICHT den MITTLEREN 
Strom! Außerdem ist die Frequenz schon exorbitant niedrig, gerade mal 30 
Hz!

>Oder einen Tiefpass vor die Spule schalten (10 Ohm und 1000µF).

AUA!!! Die Spule IST ein Tiefpaß.

Überall nur Fachkräfte . . .

Autor: PeterKnolle (Gast)
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Falk B. schrieb:
> Dein Verständnis passt nicht.

Ja das stimmt ich arbeite dran :-). Ich ersetze mal den MOSFET und 
schaue weiter,

Danke

Autor: Ralf (Gast)
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Falk B. schrieb:
> Die Spule IST ein Tiefpaß.

Richtig. Die Spule ist zwar kein echter Tiefpass im klassischen Sinne, 
aber sie wirkt wie ein Tiefpass, weil sie selbstglättend ist. Du hast 
recht.

Autor: Der Andere (Gast)
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PeterKnolle schrieb:
> Ich ersetze mal den MOSFET

Ersetze lieber erst mal die ideale Spule durch eine Reale mit einem 
ohmschen Widerstand.
Was sollen eigentlich C1 bis C3 in der Simulation deiner Meinung nach 
bewirken?

Beitrag #5019554 wurde vom Autor gelöscht.
Autor: eProfi (Gast)
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Erhöhe die Gatespannung von 5 auf 8 oder 10 Volt und hänge das .asc mit 
an.

Autor: John D. (drake)
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eProfi schrieb:
> Erhöhe die Gatespannung von 5 auf 8 oder 10 Volt und hänge das
> .asc mit
> an.

3.3V oder 5V ist völlig ausreichend für den FDC637.

Autor: PeterKnolle (Gast)
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Der Andere schrieb:
> Was sollen eigentlich C1 bis C3 in der Simulation deiner Meinung nach
> bewirken?

Zitat: Der Kondensator C1 ist notwendig, um den durch die PWM gepulsten 
Strom zu glätten, da aufgrund der steilen Flanken ansonsten in den 
Zuleitungen ein Spannungsabfall bzw. Spannungsspitzen auftreten würden 
(am besten 2 oder mehrere Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität und 
Bauart verwenden, meistens ein Folienkondensator mit einigen Mikrofarad 
parallel zu einem Aluminiumelektrolytkondensator).

Ist aus diesem Artikel: 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoranst...

Autor: Waldemar Z. (waldemar_z39)
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Die Bauteile sind falsch angeordnet.

Siehe "Buck Converter" und "Boost Converter"...

: Bearbeitet durch User
Autor: PeterKnolle (Gast)
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Der Andere schrieb:
> Ersetze lieber erst mal die ideale Spule durch eine Reale mit einem
> ohmschen Widerstand.

Habe ich nun gemacht. Der Widerstand der Spule ist 14 Ohm ; L=100mH.
Habe Die Spannung nun auch auf 10V erhöht. Etwas besser aber immer noch 
nicht gut.

Autor: PeterKnolle (Gast)
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Waldemar Z. schrieb:
> Siehe "Buck Converter" und "Boost Converter"...

Danke, werde mich erkundigen.

Autor: eProfi (Gast)
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Schreib im Plan bitte explizit dazu, dass die Spule 14 Ohm hat.

> Etwas besser aber immer noch nicht gut.
Erkläre bitte mal, was gut ist, d.h. was dein Ziel ist.

Autor: Der Andere (Gast)
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PeterKnolle schrieb:
> Zitat: Der Kondensator C1 ist notwendig, um den durch die PWM gepulsten
> Strom zu glätten,

Dann lass die Kondensatoren mal weg und schaue was sich an deiner 
Simulation ändert.

Autor: Dietrich L. (dietrichl)
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Der Andere schrieb:
> PeterKnolle schrieb:
>> Zitat: Der Kondensator C1 ist notwendig, um den durch die PWM gepulsten
>> Strom zu glätten,
>
> Dann lass die Kondensatoren mal weg und schaue was sich an deiner
> Simulation ändert.

Ich glaube, Peter wird das verwirren. Daher möchte ich ihm das mal 
erklären:
- In der Realität ist das richtig und C1 ist notwendig.
- In der Simulation ist C1 nicht notwendig, da Spannungsquelle und 
Leitungen ideal sind. Es gibt also keine Spannungsabfälle und Spitzen. 
Stören tut der Kondensator aber auch nicht.

Autor: Waldemar Z. (waldemar_z39)
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Das hat alles keinen Sinn. Sobald der FET nicht leitet, existiert für 
die Spule nur der Stromkreis mit der Diode. Der Strom fließt also nicht 
zu den Kondensatoren...

Deswegen nochmal der Hinweis auf Buck und Boost Converter bzw. zu 
deutsch Ab- und Aufwärtswandler...

: Bearbeitet durch User
Autor: HildeK (Gast)
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Waldemar Z. schrieb:
> Deswegen nochmal der Hinweis auf Buck und Boost Converter bzw. zu
> deutsch Ab- und Aufwärtswandler...

Hier ist doch kein Buck- oder Boost-Converter zu sehen, nur schlicht 
eine niederohmige Spule, die schnell ein- und ausgeschaltet wird - fast 
als ob sie ein Relais darstellen sollte (bis auf den niedrigen 
Gleichstromwiderstand).

Autor: Falk B. (falk)
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@ PeterKnolle (Gast)

>> Was sollen eigentlich C1 bis C3 in der Simulation deiner Meinung nach
>> bewirken?

>Zitat: Der Kondensator C1 ist notwendig, um den durch die PWM gepulsten
>Strom zu glätten, da aufgrund der steilen Flanken ansonsten in den
>Zuleitungen ein Spannungsabfall bzw. Spannungsspitzen auftreten würden
>(am besten 2 oder mehrere Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität und
>Bauart verwenden, meistens ein Folienkondensator mit einigen Mikrofarad
>parallel zu einem Aluminiumelektrolytkondensator).

>Ist aus diesem Artikel:
>https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoranst...

In einer REALEN Schaltung braucht man die wirklich, in der Simulation 
nicht. Denn dort sind Spannungsquellen ideal, sie können beliebige viel 
Strom in beliebig kurzer Zeit liefern. Auch die Verbindungsleitungen 
sind ideal, kein Widerstand und keine Induktivität.

Du scheinst ein Problem mit deinem MOSFET-Modell zu haben. Denn der hat 
laut Datenblatt 24mOhm, da müßte der Strom DEUTLICH höher liegen, eher 
so bei 30A. Denn der mittlere Strom wird vom Widerstand der Spule + 
MOSFET bestimmt. Kann es sein, daß in dem Modell der Spule oder des 
MOSFETs noch ein Parameter für den Widerstand drinsteckt und dort ein 
recht hoher Wert eingetragen ist?

Autor: Falk B. (falk)
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Ich hab's mal fix mit einem IRF150 und 100mH simuliert, mittlerer Strom 
bei 90A ;-)

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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HildeK schrieb:
> Hier ist doch kein Buck- oder Boost-Converter zu sehen, nur schlicht
> eine niederohmige Spule, die schnell ein- und ausgeschaltet wird - fast
> als ob sie ein Relais darstellen sollte (bis auf den niedrigen
> Gleichstromwiderstand).

Die Ähnlichkeit mit einem konventionellen Schaltnetzteil ist allerdings 
vorhanden, nur das bei diesem dann die Spule ein Trafo ist. Genau wie 
der speichert die Spule halt.

Autor: Waldemar Z. (waldemar_z39)
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> Hier ist doch kein Buck- oder Boost-Converter zu sehen, nur schlicht eine 
niederohmige Spule, die schnell ein- und ausgeschaltet wird

Das habe ich auch nicht behauptet.
Man muss zwischen den Zeilen lesen :)

Es ist offensichtlich so, dass der Strom  der Spule zu den Kondensatoren 
und der Last fließen soll, was bei den genannten Wandlern auch passiert.
Man muss das Rad nicht unbedingt neu erfinden...
Natürlich gibt es noch andere Wandler, aber sie sind komplexer.

Autor: eProfi (Gast)
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Falk, er hat oben auf meine Bitte das .asc gepostet.
Die Spule hat eine Rser von 14 Ohm.

Autor: batman (Gast)
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Also ein DC-Motörchen mit 32kHz PWM. Bissie viel aber sieht doch ok aus? 
Gib mal 50%.

Autor: batman (Gast)
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Upps, ein k zuviel, also 32Hz, umso besser.

Autor: PeterKnolle (Gast)
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Falk B. schrieb:
> Du scheinst ein Problem mit deinem MOSFET-Modell zu haben. Denn der hat
> laut Datenblatt 24mOhm, da müßte der Strom DEUTLICH höher liegen, eher
> so bei 30A. Denn der mittlere Strom wird vom Widerstand der Spule +
> MOSFET bestimmt. Kann es sein, daß in dem Modell der Spule oder des
> MOSFETs noch ein Parameter für den Widerstand drinsteckt und dort ein
> recht hoher Wert eingetragen ist

So da bin ich wieder, erstmal vielen Dank für die ganzen Rückmeldungen 
ich bin begeistert.

Ich suche mir einen MOSFET raus auf den das zutrifft und probiere es 
erneut.

Autor: PeterKnolle (Gast)
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eProfi schrieb:
>> Etwas besser aber immer noch nicht gut.
> Erkläre bitte mal, was gut ist, d.h. was dein Ziel ist.

Mein Ziel ist das ganze schneller zu machen, also der Strom in der Spule 
sollte nicht nach ca. 20ms bei 0 sein sondern unter 8ms

Autor: batman (Gast)
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Also eine Art sportlicher Wettkampf oder wie ist das zu verstehen? Mit 
der Spule wird das schwierig.

Autor: Michael B. (laberkopp)
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PeterKnolle schrieb:
> Mein Ziel ist das ganze schneller zu machen, also der Strom in der Spule
> sollte nicht nach ca. 20ms bei 0 sein sondern unter 8ms

Na ja, dann musst du, bei gegebener Induktivität, mit höherer negativer 
Spannung rangehen.

Autor: Der Andere (Gast)
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PeterKnolle schrieb:
> Mein Ziel ist das ganze schneller zu machen, also der Strom in der Spule
> sollte nicht nach ca. 20ms bei 0 sein sondern unter 8ms
Dann schalte zu der Freilaufdiode eine Z-Diode antiseriell in Reihe.

Autor: Der Andere (Gast)
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Wobei du mal damit rqausrücken könntest warum der Strom so schnell 
abklingen soll. Normalerweise möchte man den Rippel eher klein halten.

Autor: Waldemar Z. (waldemar_z)
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PeterKnolle schrieb:
> Mein Ziel ist das ganze schneller zu machen, also der Strom in der Spule
> sollte nicht nach ca. 20ms bei 0 sein sondern unter 8ms

Dann schalte noch ein Paar Dioden parallel zur vorhandenen.

Was ist denn nun der Zweck der Schaltung?

Autor: Falk B. (falk)
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@Waldemar Z. (waldemar_z)

>> Mein Ziel ist das ganze schneller zu machen, also der Strom in der Spule
>> sollte nicht nach ca. 20ms bei 0 sein sondern unter 8ms

>Dann schalte noch ein Paar Dioden parallel zur vorhandenen.

Das bringt rein gar nichts. Wenn der Strom einer Spule schnell fallen 
soll, muss die Klemmenspannung möglichst groß werden. Denn es  gilt.

U = -L * di/dt

Autor: PeterKnolle (Gast)
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Waldemar Z. schrieb:
> Was ist denn nun der Zweck der Schaltung?

Das wird eine Art Schwebekugelfeld in einer bahn angeordnet.

Autor: Waldemar Z. (waldemar_z)
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> U = -L * di/dt

Ist doch dasselbe...
Spannung erhöhen oder Widerstand verringern...

Autor: Achim S. (Gast)
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Waldemar Z. schrieb:
> Ist doch dasselbe...
> Spannung erhöhen oder Widerstand verringern...

Nein, es ist nicht dasselbe sondern genau das Gegenteil.

Beim Abschalten des FET fließt der Strom über die Freilaufdiode weiter. 
Wenn der Strom schnell sinken soll, dann muss der Spannungsabfall an der 
Freilaufdiode groß sein. Zum Beispiel indem wie von Der Andere 
vorgeschlagen eine Z-Diode in Serie zur Freilaufdiode kommt, die die 
Energie verheizt. Oder ein Widerstand. Oder indem man die Spule in einer 
Brücke mit fast current decay betreibt, und die Energie zurückspeist. 
Oder ....

Was aber sicher nicht den gewünschten Effekt hat, ist mehrere 
Freilaufdioden parallel zu schalten.

Autor: Waldemar Z. (waldemar_z)
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> Wenn der Strom schnell sinken soll, dann muss der Spannungsabfall an der 
Freilaufdiode groß sein.

Ja, richtig. Es hat sich im Kopf verdreht :)
Aber meine Güte, viel Geschreibsel um nichts.
Dann halt den Widerstand erhöhen...

Autor: PeterKnolle (Gast)
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So, war ein Paar Tage am Strand :-)

Ich habe jetzt mal das mit der Z-Diode probiert. Das Ergebnis im Anhang. 
Was müsste ich beachten wenn ich die Bauteile kaufe? Ich weiß die Frage 
ist sehr allgemein...

Danke nochmal.

Autor: Achim S. (Gast)
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PeterKnolle schrieb:
> Was müsste ich beachten wenn ich die Bauteile kaufe?

Die Zenerdiode muss z.B. mit der Verlustleistung klarkommen. Bei der 
simulierten Ansteuerung muss sie z.B. eine mittlere Leistung von rund 
2,5W wegstecken (bei größeren Tastgraden/Strom entsprechend mehr). Die 
von dir simulierte Zener kommt maximal mit 0,5W klar.

Autor: eProfi (Gast)
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Du kannst auch eine H-Brücke "für Arme" (2 Ts + 2 Ds) bauen, dann wird 
die Leistung in die Versorgung zurückgespeist.
Dabei ist die Abklingspannung -VCC, d.h. es geht noch nicht so schnell 
wie in der obigen Simulation. Du kannst aber immer noch eine ZD 
einbauen, dann wird halt nur der VCC-Anteil zurückgespeist und der Rest 
verheizt.

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