Ventilansteuerung mit Mosfet - Temperatur?

[M. W. (mw73)]

Guten Morgen,

in meinem aktuellen Projekt möchte ich ein Magnetventil eines 
hydraulischen Steuerblocks (proportional - Hersteller Parker) mit einem 
AVR mittels PWM ansteuern. Der Aufbau ist im Schaltplan ersichtlich. In 
einem ersten Test, hat sich jedoch herausgestellt, dass der verwendete 
Mosfet (IRF3705N) sehr warm wird, um nicht zu sagen heiß!. Allerdings 
verwende ich keinen Kühlkörper was ich aus Platzgründen nur im Notfall 
machen möchte. Achja, das Ventil hat bei einer Spannung von 24V eine 
maximale Stromaufnahme von ca. 800 mA.

Jetzt meine Fragen:
Wäre die Schaltung so wie ich sie aufgebaut habe in Ordnung bzw. was 
könnte man optimieren. (Ich weis die Werte für den FET-Vorwiderstand 
gehen lt. Forumsbeiträge von 0 - 4k7).

Wäre vielleicht ein anderer FET besser geeignet zb. mit einem 
niedrigeren RDS-on ? Könntet ihr mir eventuell einen anderen FET 
empfehlen?

Ist die Led parallel zum PWM-Ausgang ok, oder gibt es hier Einwände?

Bitte um eure Meinungen

Grüße
Markus

[Relais (Gast)]

Definiere "heiß". Wenigstens einen kleinen Kühlkörper kann man doch 
spendieren. Als Freilaufdiode verwende ich gerne schnelle Dioden bei 
PWM.

[Falk B. (falk)]

Markus W. schrieb:
> Guten Morgen,
>
> in meinem aktuellen Projekt möchte ich ein Magnetventil eines
> hydraulischen Steuerblocks (proportional - Hersteller Parker) mit einem
> AVR mittels PWM ansteuern. Der Aufbau ist im Schaltplan ersichtlich.

Laß mich raten, der IRF3905F kann mindestens 50A schalten?

Hmm, meine Suchmaschinen kennen keinen IRF3905N. Tippfehler?

 In
> einem ersten Test, hat sich jedoch herausgestellt, dass der verwendete
> Mosfet (IRF3705N)

Warum steht dann in deinem Schaltplan IRF3905N?

Auch den finde ich nicht.

> sehr warm wird, um nicht zu sagen heiß!.

Wie heiß? 50°C 100°C?

> Allerdings
> verwende ich keinen Kühlkörper was ich aus Platzgründen nur im Notfall
> machen möchte. Achja, das Ventil hat bei einer Spannung von 24V eine
> maximale Stromaufnahme von ca. 800 mA.

Also fast nix. Nimm einen Logic Level MOSFET ala IRLZ34N, dann klappt 
das auch mit der 5V Ansteuerung.

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Gate-Source_Threshold_Voltage

Allerdings brauchst du eine andere Freilaufdiode, die 1N4148 ist hier zu 
schwach. Nimm eine 1A Schottkydiode ala 1N5819.

> könnte man optimieren. (Ich weis die Werte für den FET-Vorwiderstand
> gehen lt. Forumsbeiträge von 0 - 4k7).

Auf keinen FALL 4k7!!! Die 470R für R1 sind gerade noch OK, man kann sie 
aber auch weglassen.

Beitrag "Re: Transistor, 1A, 4MHz Schaltfrequenz"

> Wäre vielleicht ein anderer FET besser geeignet zb. mit einem
> niedrigeren RDS-on ?

Jaja, 1mOhm sollte es maximal sein . . .

> Ist die Led parallel zum PWM-Ausgang ok, oder gibt es hier Einwände?

Naja, die ist mit 330 Ohm Vorwiderstand ein wenig stromhungrig. Geht so, 
könnte man aber auf 1k erhöhen.

Uuups, da war ja das Datenblatt im Anhang. Zu früh am Morgen 8-0
Naja, der MOSFET ist mit 4V U-GS spezifiziert, bei 18mOhm darf da gar 
nix warm werden. Wahrscheinlich ein Fehler in der Verdrahtung oder 
Ansteuerung. Man sollte sich mal das Gatesignal am Oszi anschauen.

[Falk B. (falk)]

Und wie schafft es der OP, zweimal den falschen MOSFET-Typen zu nennen 
und dann ein Datenblatt eines dritten MOSFETs anzuhängen? OMG!

[äxl (Gast)]

"AVR"
5Volt oder 3V3?

[Wolfgang (Gast)]

Markus W. schrieb:
> in meinem aktuellen Projekt möchte ich ein Magnetventil eines
> hydraulischen Steuerblocks (proportional - Hersteller Parker) mit einem
> AVR mittels PWM ansteuern.

Damit die Ventilstellung unabhängig von der Temperatur wird, muss das 
Ventil normalerweise mit einem geregelt Strom betrieben werden oder 
woher bekommst du bei deinem Aufbau die Rückmeldung der Ventilstellung?

[M. W. (mw73)]

Hallo zusammen!

zuerst einmal danke für die vielen Antworten.
Dann muss ich mich gleich entschuldigen und berichtige wie folgt:

Der verwendete Mosfet-Typ ist IRL3705N, dessen Datenblatt ich auch 
angehängt habe. Dabei handelt es sich um einen logic-level-Typ.

Falk B. schrieb:
> Wie heiß? 50°C 100°C?

Ich hatte bis jetzt nur einmal Zugang zum Ventil und konnte die 
Temperatur nicht messen. Gefühlt gesagt vielleicht 50°C

Falk B. schrieb:
> Also fast nix. Nimm einen Logic Level MOSFET ala IRLZ34N, dann klappt
> das auch mit der 5V Ansteuerung.

Wie gesagt, der von mir angegebene Typ ist logic-level, oder empfiehlst 
Du speziell diesen Typ?

Falk B. schrieb:
> Auf keinen FALL 4k7!!! Die 470R für R1 sind gerade noch OK, man kann sie
> aber auch weglassen.

Also eher runter mit dem Widerstand? wären 100R oder 220R besser?

Falk B. schrieb:
> Jaja, 1mOhm sollte es maximal sein . . .

Der IRL3705N hat laut Datenblatt bei 5V Gatespannung 12mOhm.
Der IRLZ34 hat aber bei 5V 36 mOhm!

Falk B. schrieb:
> bei 18mOhm darf da gar
> nix warm werden. Wahrscheinlich ein Fehler in der Verdrahtung oder
> Ansteuerung. Man sollte sich mal das Gatesignal am Oszi anschauen.

Die Verdrahtung ist lt. Schaltplan. Was meinst Du mit Ansteuerung in 
Bezug auf Fehler?
Ich werde bis spätestens Sonntag eine Messung mit dem Oszi durchführen 
und posten. Wenn es nur um das Gatesignal geht, reicht ja die Messung 
ohne Last -oder?

äxl schrieb:
> "AVR"
> 5Volt oder 3V3?

sorry, 5V

Wolfgang schrieb:
> Damit die Ventilstellung unabhängig von der Temperatur wird, muss das
> Ventil normalerweise mit einem geregelt Strom betrieben werden oder
> woher bekommst du bei deinem Aufbau die Rückmeldung der Ventilstellung?

Ich kann das Ventil nur mit PWM ansteuern. Über einen Lagesensor verfügt 
es nicht, falls Du das meinst.

@alle:
Ich habe die Fehler bzw. eure Vorschläge im Schaltplan geändert und noch 
einmal angehängt.

Danke und LG
Markus

[Εrnst B. (ernst)]

Markus W. schrieb:
> Also eher runter mit dem Widerstand? wären 100R oder 220R besser?

Fang mit 0 Ohm an. Wenn das Probleme macht (EMV etc), dann geh damit 
hoch, vielleicht 12 Ohm?

Keine Angst, den AVR überlastet das nicht. Total-Gate-Charge mit 
PWM-Frequenz  multiplizieren...

[Teo D. (teoderix)]

R1 würde ich noch kleiner machen, 220-270-Ohm. Und die Optionale LED mit 
an den FET hängen.

Markus W. schrieb:
> Wenn es nur um das Gatesignal geht, reicht ja die Messung
> ohne Last -oder?

Ja, aber:
Gleich mal prüfen, was das Ventil dir so an Störungen zurückwirft 
und ggf Gegenmastnahmen treffen (wenn nicht eh schon vorhanden?).

[MaWin (Gast)]

Markus W. schrieb:
> Bitte um eure Meinungen

244Hz sind zu gering um selbst über 470 Ohm zu nennenswerten 
Umschaltverlusten zu führen. Selbst satte 3.6nF bringen an 470R nur 2us 
Umschaltzeit.

Der durchgesteuerte MOSFET hat 18mOhm, an 0.8A also 11mW, zu wenig um 
warm zu werden.

Vermutlich verwendest du doch einen 3.3V AVR, denn so sind deine Wärme 
nicht erklärbar.

Markus W. schrieb:
> Ist die Led parallel zum PWM-Ausgang ok

470R+339R an 2.1V macht 20mA, geht gerade eben.

Wenn du die 470R verringern willst, aber nicht mehr.

[Falk B. (falk)]

Markus W. schrieb:

> angehängt habe. Dabei handelt es sich um einen logic-level-Typ.

Ok, das hatte ich im ersten Moment nicht gesehen.

> Ich hatte bis jetzt nur einmal Zugang zum Ventil und konnte die
> Temperatur nicht messen. Gefühlt gesagt vielleicht 50°C

Zu heiß für so wenig Strom.

>> Also fast nix. Nimm einen Logic Level MOSFET ala IRLZ34N, dann klappt
>> das auch mit der 5V Ansteuerung.
>
> Wie gesagt, der von mir angegebene Typ ist logic-level, oder empfiehlst
> Du speziell diesen Typ?

Beide sin für 5V Ansteuerung Ok, deine ist aber nochmal locker um Faktor 
2 überdimensioniert.

> Falk B. schrieb:
>> Auf keinen FALL 4k7!!! Die 470R für R1 sind gerade noch OK, man kann sie
>> aber auch weglassen.
>
> Also eher runter mit dem Widerstand? wären 100R oder 220R besser?

0 ohm sind hier voll OK.

>> Jaja, 1mOhm sollte es maximal sein . . .
>
> Der IRL3705N hat laut Datenblatt bei 5V Gatespannung 12mOhm.
> Der IRLZ34 hat aber bei 5V 36 mOhm!

Googele mal nach dem Stichwort Ironie ;-)

Beide MOSFETs sind mit 0,8A hoffnungslos unterfordert.

>> Ansteuerung. Man sollte sich mal das Gatesignal am Oszi anschauen.
>
> Die Verdrahtung ist lt. Schaltplan. Was meinst Du mit Ansteuerung in
> Bezug auf Fehler?

Nicht genügend Gatespannung oder komische Signalform.

> Ich werde bis spätestens Sonntag eine Messung mit dem Oszi durchführen
> und posten. Wenn es nur um das Gatesignal geht, reicht ja die Messung
> ohne Last -oder?

Warum? Miß doch einfach mit Last, auch wenn das hier keinen großen 
Unterschied macht.

[Platinen Frickler (Gast)]

Im PWM Schaltbetrieb empfiehlt sich einen speziellen MOSFET Treiber wie 
z.B den TC427 oder TC428 einzusetzen. Dessen Gegentakt Ausgangsstufe ist 
konzipiert die hohe GS Kapazität solcher Leistungstransistoren optimal 
umzuladen. Ein einzelner CMOS Ausgang schafft es nicht, das Gate mit 
seiner nF GS Kapazität schnell genug umzuschalten.

Der TC428 schafft 1A Umschaltstrom und kann mit z.B. 12V betrieben 
werden um die GS Schaltspannung dem MOSFET anpassen zu können. Mit 
dieser Maßnahme werden sich auch die MOSFET Schaltverluste beträchtlich 
verringern.

Sonst würde ich wenigstens einen HC Inverter mit allen sechs Stufen in 
Parallelschaltung zur GATE Ansteuerung einsetzen.

[Falk B. (falk)]

Platinen Frickler schrieb:
> Im PWM Schaltbetrieb empfiehlt sich einen speziellen MOSFET Treiber wie
> z.B den TC427 oder TC428 einzusetzen. Dessen Gegentakt Ausgangsstufe ist
> konzipiert die hohe GS Kapazität solcher Leistungstransistoren optimal
> umzuladen. Ein einzelner CMOS Ausgang schafft es nicht, das Gate mit
> seiner nF GS Kapazität schnell genug umzuschalten.

FALSCH!

https://www.mikrocontroller.net/topic/goto_post/2519459

> Der TC428 schafft 1A Umschaltstrom und kann mit z.B. 12V betrieben
> werden um die GS Schaltspannung dem MOSFET anpassen zu können. Mit
> dieser Maßnahme werden sich auch die MOSFET Schaltverluste beträchtlich
> verringern.

FALSCH die 2.!

> Sonst würde ich wenigstens einen HC Inverter mit allen sechs Stufen in
> Parallelschaltung zur GATE Ansteuerung einsetzen.

Unnötig!

[omg (Gast)]

Platinen Frickler schrieb:
> Im PWM Schaltbetrieb empfiehlt sich einen speziellen MOSFET Treiber wie
> z.B den TC427 oder TC428 einzusetzen.

Bei 800mA und 244Hz PWM-Frequenz?
Wo hast du das den aufgeschnappt?

[Platinen Frickler (Gast)]

Der angegebene Transistor hat immerhin 3.6nF GS C. Nun, bei unter 1A 
Schaltstrom würde ich zumindest keinen so gewaltigen MOSFET verwenden. 
Sogar ein kleiner IRFD120 wäre hier noch ausreichend. Mit dem wäre das 
GS C wesentlich kleiner.

Für eine CMOS Ausgangsstufe sind 3.6nF eine zu große dynamische Last, 
die den zugelassenen Ausgangsstrom des CMOS Pins aber übersteigt. Geht 
zwar in der Praxis, schön ist es aber nicht. Natürlich ist im 
angegebenen Fall die Schaltfrequenz niedrig und deshalb weniger ein 
Problem.

Wenn der angegebene MOSFET wirklich viele zig A schalten müßte, dann 
machen sich die zig us Schaltzeit mit einem CMOS Pin doch in der 
Verlustleistung stark bemerkbar.  Abgesehen davon würde man mit einer 
richtigen Treiberstufe mehr GS Spannung zur Verfügung haben und nicht 
auf Logiclevel Typen angewiesen sein.

Wir brauchen uns aber nicht streiten. Ihr habt praxismäßig recht und ich 
meine Ruhe:-)

Schönes Wochenende noch

[Andy H. (gastrelais)]

Also ich verwende für meine Hydraulikventile BTS452T. Ohne Kühlkörper. 
Angesteuert über den PWM eines ATTiny84.

[Teo D. (teoderix)]

Platinen Frickler schrieb:
> Schönes Wochenende noch

Hat dir einer ne Schiene ans Knie genagelt, oder warum macht dir das 
getroole so einen Riesenspaß?
Ich will das wirklich wissen, eventuell wäre das ja auch für mich, eine 
geeignete Methode Frust abzubauen.

[Sven S. (schrecklicher_sven)]

Markus W. schrieb:
> Bitte um eure Meinungen

Das Thema realer Aufbau kam hier noch viel zu kurz.
Gibt es da Fotos?
Lebt die 1N4148 noch? Ich kann mir vorstellen, daß die längst 
durchgebrannt ist, und der Mosfet die Magnetfeldenergie beim Abschalten 
verbraten muß.

[Bernd K. (bmk)]

Andy H. schrieb:
> Also ich verwende für meine Hydraulikventile BTS452T. Ohne Kühlkörper.
> Angesteuert über den PWM eines ATTiny84.

Ok, das ist jetzt aber ein Highside PROFET und kein N-MOSFET.
Der braucht zum Ansteuern bei 5V nur etwa 10 µA.
Das ist für einen AVR quasi Null-Last und geht entsprechend zackig.
Rdson mit 200mOhm ist schon recht viel, aber für 800MA ausreichend.
Insgesamt eine gute Wahl.

Wenn der TO bei einem N-MOSFET bleibt, sollte er auf low Qg achten.
Denn der IRL3705N hat Qg=98nC bzw Ciss=3600pF

Dieser z.B:
https://www.mouser.de/datasheet/2/427/si4850bdy-1222982.pdf
hat Qg=5,2nC bzw. Ciss=790pF

Da sind die Umschaltverluste um einiges geringer, wenn direkt vom AVR 
angesteuert wird

[Teo D. (teoderix)]

Wow, was für Boliden.
Ich werf einfach mal den IRLML2502 in den Raum. :)

[Micha T. (vollelektronisch)]

Teo D. schrieb:
> Ich werf einfach mal den IRLML2502 in den Raum. :)

...das würdsch bei 24V Ventilspannung vermeiden wollen ;-)
Für so Kleinzeug habe ich immer gern den IRLD024 genommen, ob es den 
noch gibt, weiß ich nicht.

Gruß Micha

[Teo D. (teoderix)]

Micha T. schrieb:
> ...das würdsch bei 24V Ventilspannung vermeiden wollen ;-)

Aua.... Ich hab grad an was ähnlichem mit 12V gebastelt und war mir 
sicher das.... 12/24V das würfelt sich schon mal. :)
SORRY

[Andy H. (gastrelais)]

Bernd K. schrieb:
> Insgesamt eine gute Wahl.

Rennt ja auch einwandfrei :-) Und man braucht nicht das ganze Gebastel 
drum rum. Warum kompliziert wenn es einfach geht :-)

[M. W. (mw73)]

Guten Morgen,

Danke für die zahlreichen Antworten. Da den grundsätzlichen Aufbau lt. 
Schaltplan niemand bemängelt hat, gehe ich davon aus, dass er soweit ok 
ist. Ich werde allerdings noch den Widerstandswert vorm Gate verringern 
und ev. einen anderen Mosfet verwenden da mir dieser Typ zwar verfügbar 
ist, aber angesichts der geringen Stromaufnahme zu oversized ist. 
Weiters werde ich noch das Gatesignal messen und hier noch posten.

Auf folgendes möcht ich noch kurz eingehen:

Sven S. schrieb:
> Das Thema realer Aufbau kam hier noch viel zu kurz.
> Gibt es da Fotos?

Zur Zeit existiert nur der Steckbrett Aufbau. Wenn ich die 
Temperaturprobleme in den Griff bekommen habe, wird eine Platine 
hergestellt.

Grüße Markus