Gleichspannung aus PWM per LC Filter, Praxisfrage

[Stefan B. (buddha_brot)]

Hallo!

Ich baue für meine Masterarbeit (Physik) eine Vakuumkammer die u.a. ein 
Heizelement (Ohmscher Widerstand, 15 Ohm, max 55V) enthält. Dieses 
möchte ich per PWM vom Arduino ansteuern.

Dazu habe ich zunächst das PWM Signal des Arduinos (5V, ca. 1kHz) über 
einen Teiber (MIC 4452) an einen MOSFET (IRF540) gehangen und die 
Heizung zwischen Drain des MOSFET und den 48V Ausgang eines Netzteils 
gelegt. Source liegt auf Masse. Es fliessen also eingeschaltet 3.2A.

Das hat soweit auch funktioniert, allerdings wurden andere Teile des 
Versuchsaufbaus dadurch erheblich elektromagnetisch gestört.

Daher möchte ich das verstärkte PWM Signal (NACH dem MOSFET) glätten. 
Mein Grundverständnis und Recherche sagen mir das dies mit einem LC 
Filter möglich sein sollte, also die Induktivität in Reihe und die 
Kapazität parallel.
Die PWM Frequenz des Arduino kann ich auf ca. 31kHz erhöhen.

Mit dem Tool http://sim.okawa-denshi.jp/en/RLCtool.php habe ich 
herausgefunden, dass dies mit 3,3uH und edit 1000uF edit (einheit 
vertippt...)  möglich sein sollte (Grenzfrequenz ca. 2,5kHz).

Wie genau schalte ich das ganze so, dass ich

1.) nicht den Kondensator schlagartig über den MOSFET entlade (wäre der 
Fall wenn ich den Kondensator parallel zum MOSFET schalte)

2.) keine Probleme mit Überspannung an der Spule bekomme (Diode 
benutzen?)

3.) Die Heizleistung proportional zum PWM Tastgrad ist? (Notfalls kann 
ich das digital nichtlinear ausgleichen)

Ich habe da leider grade ein Brett vorm Kopf! Irgendwie kenne ich Filter 
aus dem Studium nur ohne Last und als Eingangssignal eine Spannung statt 
Lowside MOSFET.

Bis dann,
Buddha_brot

[StefG (Gast)]

Zum Heizen reicht wohl auch eine PWM mit 10s Periodendauer.
Je höher die Frequenz, desto Funk ;-)

[Stefan B. (buddha_brot)]

StefG schrieb:
> Zum Heizen reicht wohl auch eine PWM mit 10s Periodendauer.
> Je höher die Frequenz, desto Funk ;-)

Danke schonmal für die Antwort!

10s Periodendauer sind leider doch etwas langsam (ich regle die 
Temperatur per PID auf <0,5°C genau) und meine Sensoren würden auch 
durch das Einschalten der Heizung gestört werden.

[Der Andere (Gast)]

Baue eine geschaltete Konstantstromquelle.
Siehe 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Schaltregler

[Falk B. (falk)]

@Stefan Bölsker (buddha_brot)

>Dazu habe ich zunächst das PWM Signal des Arduinos (5V, ca. 1kHz) über
>einen Teiber (MIC 4452) an einen MOSFET (IRF540) gehangen und die
>Heizung zwischen Drain des MOSFET und den 48V Ausgang eines Netzteils
>gelegt. Source liegt auf Masse. Es fliessen also eingeschaltet 3.2A.

OK.

>Das hat soweit auch funktioniert, allerdings wurden andere Teile des
>Versuchsaufbaus dadurch erheblich elektromagnetisch gestört.

Naja, erstens braucht man für so einen Brocken von Heizung nicht 1 kHz 
und 2. war wahrscheinlich deine Leitungsfühung suboptimal. Hin- und 
Rckleitung müssen so nah wie möglich beieinander liegen, damit die 
ausgespannte Fläche minimal wird. Dann ist auch die Abstrahlung minimal. 
Das plus eine DEUTLICH niedrigere PWM-Frequenz (vielleicht ein paar Hz) 
+ ggf. verlangsamte Schaltflanken des MOSFETs (Vorwiderstand ans Gate, 
100-1000 Ohm) könnten schon reichen.

>Mein Grundverständnis und Recherche sagen mir das dies mit einem LC
>Filter möglich sein sollte, also die Induktivität in Reihe und die
>Kapazität parallel.

Ja, + Freilaufdiode.

>Mit dem Tool http://sim.okawa-denshi.jp/en/RLCtool.php habe ich
>herausgefunden, dass dies mit 3,3uH und 1000mF möglich sein sollte
>(Grenzfrequenz ca. 2,5kHz).

Eine ungünstige Kombination. Bei 30kHz hat man eher Induktivitäten im 
Bereich von ein paar hunder uH.

>1.) nicht den Kondensator schlagartig über den MOSFET entlade (wäre der
>Fall wenn ich den Kondensator parallel zum MOSFET schalte)

>2.) keine Probleme mit Überspannung an der Spule bekomme (Diode
>benutzen?)

>3.) Die Heizleistung proportional zum PWM Tastgrad ist? (Notfalls kann
>ich das digital nichtlinear ausgleichen)

So wie es jeder Tiefsetzsteller macht, nur halt an VCC. Sprich, die 
Spule in Reihe zu deinem Widerstand, den Kondensator parallel zum 
Widerstand. Die Freilaufdiode zwischen Drain und VCC.

[Stefan B. (buddha_brot)]

Falk B. schrieb:
> @Stefan Bölsker (buddha_brot)
>>Mit dem Tool http://sim.okawa-denshi.jp/en/RLCtool.php habe ich
>>herausgefunden, dass dies mit 3,3uH und 1000mF möglich sein sollte
>>(Grenzfrequenz ca. 2,5kHz).

Da habe ich kurz bei der Einheit nicht aufgepasst, es sind 1000uF.

> So wie es jeder Tiefsetzsteller macht, nur halt an VCC. Sprich, die
> Spule in Reihe zu deinem Widerstand, den Kondensator parallel zum
> Widerstand. Die Freilaufdiode zwischen Drain und VCC.

Danke, das Stichwort hilft mir weiter.

[Stefan B. (buddha_brot)]

Der Andere schrieb:
> Baue eine geschaltete Konstantstromquelle.
> Siehe
> 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Schaltregler

Das werde ich mir erstmal in Ruhe durchlesen, aber auf den ersten Blick 
scheint es nicht grade einfach zu sein und auch nicht ohne weiteres in 
meinen bisherigen Aufbau (Arduino) zu passen.

[Possetitjel (Gast)]

Stefan B. schrieb:

> 1.) nicht den Kondensator schlagartig über den MOSFET
> entlade (wäre der Fall wenn ich den Kondensator parallel
> zum MOSFET schalte)

Das ist doch schon rein logisch Unsinn: Du willst doch
nicht primär die Spannung am MOSFET glätten, sondern die
Spannung an der Last. Also gehört der Kondensator auch
parallel zur Last! Genauso hat es Falk ja auch beschrieben.

Kondensatoren parallel zu Schaltern sind immer eine schlechte
Idee, weil der Schalter dann jedesmal auf einen Kurzschluss
schaltet. Keinesfalls machen!

Die Spule kommt in Reihe zu der Parallelschaltung aus
Last und C; sie entkoppelt die Spannung am FET von der
Spannung an der Last.

> 2.) keine Probleme mit Überspannung an der Spule bekomme
> (Diode benutzen?)

Ja. Nennt sich "Freilaufdiode".

> 3.) Die Heizleistung proportional zum PWM Tastgrad ist?
> (Notfalls kann ich das digital nichtlinear ausgleichen)

Das ist automatisch so (zumindest so lange der ohmsche
Widerstand der Heizung als konstant betrachtet werden
kann).

[Hp M. (nachtmix)]

Stefan B. schrieb:
> baue für meine Masterarbeit (Physik) eine Vakuumkammer

Vakuum oder Hochvakuum?
Das ist evtl. wegen der baulichen Ausführung wichtig.


Stefan B. schrieb:
> mit 3,3uH und edit 1000uF

Wie andere schon schrieben: Sehr ungünstig.
Außerdem scheinst du, wie ebenfalls schon geschrieben, den C an der 
falschen Stelle eingebaut zu haben.
Man muß das Problem auch nicht unbedingt mit einer einzigen 
LC-Kombination  erschlagen, sondern kommt mit hintereinandergeschalteten 
Kombinationen auf einen steileren Dämpfungsverlauf bei verringertem 
Aufwand.



Stefan B. schrieb:
> 10s Periodendauer sind leider doch etwas langsam (ich regle die
> Temperatur per PID auf <0,5°C genau) und meine Sensoren würden auch
> durch das Einschalten der Heizung gestört werden.

0,5°C am Heizdraht oder am Objekt?
Evtl. kannst du eine Impulspaketsteuerung mit (halb)sinusförmigen 10ms 
Impulsen verwenden. Dabei treten keine steilen Flanken auf, und die 
sinusförmige Spannung kannst du über einen Transformator aus dem 
Stromnetz beziehen.

[Lurchi (Gast)]

Die Glättung hat mehr Ähnlichkeit mit einem Buck Schaltwandler als einem 
klassischen LC-Filter. Die Dimensionierung kann man sich also eher dort 
abschauen. Von der Tendenz her mehr Induktivität und eher etwas weniger 
Kapazität.

Mit der PWM Frequenz sollte man eher was höher gehen, so dass man nicht 
ganz so viel hört. Eine etwas höhere Frequenz erleichtert ggf. auch die 
Filterung, wenn es sehr glatt (quasi mit Gleichspannung) sein soll.

Die Leistung als Funktion des PWM-Wertes wird nichtlinear werden. Linear 
ist das ganze nur ohne Filterung, oder näherungsweise mit wenig 
Filterung nur um die steilen Flanken zu entschärfen. Wenn das System 
nicht so empfindlich ist, reicht ggf. schon die schwache Filterung nur 
der Flanken, und dann mit eher niedriger PWM Frequenz.

Eventuell wäre auch eine 2. Filterstufe (dann als klassischer LC) 
hilfreich / nötig, denn die Kondensatoren (insbesondere Elkos) sind 
keine Idealen Bauteile. Bei der Filterwirkung kommt es auch auf das 
Layout an, nicht nur auf die nominellen Bauteile. Wenn der Wirkungsgrad 
nicht so wichtig ist und die Frequenz nicht so hoch, kann man ggf. mit 
genügend Gate Widerstand die ganz hohen Frequenzanteile auf Kosten des 
Wirkungsgrades draußen halten.

[Jörg H. (sonichazard)]

Stefan B. schrieb:
> Wie genau schalte ich das ganze so, dass ich
>
> 1.) nicht den Kondensator schlagartig über den MOSFET entlade (wäre der
> Fall wenn ich den Kondensator parallel zum MOSFET schalte)

Siehe Plan "FAN" Ist zwar etwas anderes, das Prinzip aber dasselbe.

Für die Auslegung der Bauelemente musst Du dich allerdings schlau 
machen. (Lurchi:-> Buck Regler). Kennst Du nicht einige E-Technik 
Kommilitonen, welche dir unter die Arme greifen könnten?

[Manfred (Gast)]

Stefan B. schrieb:
> Ich baue für meine Masterarbeit (Physik) eine Vakuumkammer
> die u.a. ein Heizelement
Nutze Deine (hoffentlich) erworbenen Kenntnisse der Physik und ermittele 
die thermische Trägheit des Systems. Ich glaube nicht, dass da 
Heizzeiten im Millisekundenbereich notwendig sind.

IRF540 ist ein schöner FET, aber für diese Anwendung ziemlich 
ungeschickt - bestimme RDS(on) und rechne die Verlustleistung aus - es 
gibt geeignetere FETs.

Um diese albernen paar Ampere zu schalten, braucht es keinen Treiber am 
FET, das kann ein Logic-Level-FET direkt am Aurduino oder high-side mit 
einem zusätzlichen Transistor. Im Gegenteil: Ein niederohmiger FET ohne 
Treiber etwas langsam angesteuert fabriziert zwar Verluste beim 
Schalten, aber dafür geben flache Flanken weniger Störspektrum.

Ich unterstelle auch mal eine eher ungeschickte Leitungsführung.

[Stefan B. (buddha_brot)]

Über die Leitungsführung habe ich mir, wie ihr vermutet habt, keine 
Gedanken gemacht und dementsprechend lässt sich dort tatsächlich etwas 
verbessern.

Da es am besten zu meinem bisherigen Aufbau (und dem schon geschriebenen 
Code) passt, werde ich mich mal zum Thema Buck Regler/ Tiefsetzsteller/ 
Abwärtswandler schlau machen. Da fehlte mir schlicht der Kontakt zum 
Thema und es scheint ja genug Material zu geben.

Danke trotzdem für die anderen Vorschläge (Gatewiderstand, Sinus 
Halbwellen, langsamere Zyklen)! Die werden bei Gelegenheit sicher auch 
noch nützlich.

Hp M. schrieb:
> Vakuum oder Hochvakuum?
> Das ist evtl. wegen der baulichen Ausführung wichtig.

bis 10^-6mbar. Das Vakuumsystem funktioniert schon problemlos und außer 
der Leitungen und der Heizung selbst befindet sich die Elektronik 
natürlich ausserhalb der Kammer.

Manfred schrieb:
> Nutze Deine (hoffentlich) erworbenen Kenntnisse der Physik und ermittele
> die thermische Trägheit des Systems. Ich glaube nicht, dass da
> Heizzeiten im Millisekundenbereich notwendig sind.

Ist natürlich schon passiert, grob abgeschätzt ist die Wärmekapazität 
50-100 J/K. Bei einer Heizleistung von 150W sollte ich also nicht 
wesentlich langsamer als 0,1s werden, wenn ich die Temperatur im Rahmen 
von 0,5°C (genauer ist natürlich wie immer besser) stabil halten möchte.

[Kurt (Gast)]

Stefan B. schrieb:
> Das hat soweit auch funktioniert, allerdings wurden andere Teile des
> Versuchsaufbaus dadurch erheblich elektromagnetisch gestört.
>

Ev. könnte eine Pulspaketsteuerung hier Abhilfe schaffen.

Nach Brückengleichrichter im Nulldurchgang paketweise ein/ausschalten.
Da es sich ja überwiegend um ohmsche Last handelt dürften die induktiven 
Komponenten die noch Störungen verursachen könnten gering sein.

 Kurt

[eagle user (Gast)]

noch ein ganz anderer Vorschlag: ein kräftiges Netzgerät brauchst du ja 
sowieso und viele Labornetzgeräte sind per RS232 fernsteuerbar... Die 
haben natürlich eine endliche Einstellzeit und dank Digital auch noch 
eine Totzeit (z.B. 50 + 50ms; Versuch macht kluch).