Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Diskrete H-Brücke, was ist falsch?


von Thomas R. (r3tr0)


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Hallo Zusammen,

ich bin gerade dabei eine diskrete H-Brücke zu basteln.
Vorweg: Die H-Brücke muss nicht PWM-Fähig sein, sie soll einfach nur 
einen Motor links oder rechts herum drehen. Damit kein Kurzschluss 
entsteht, wenn der linke P-Fet + N-Fet leiten verriegel ich das Ganze 
per Software, diese sei mal ausgegliedert.

Somit sieht die Schaltung für mich eigentlich funktionierend aus.

Jedoch werden bei den zwei N-Kanal Fets die Treiberstufe (NPN+PNP 
Transistoren) sehr warm und die N-channels leiten nicht.

Ich war der meinung, dass es so eigentlich passen sollte.

Die P-Fets haben -9,6Vgs wenn der NPN dafür leitet, ansonsten  0Vgs.
Laut Datenblatt des IRFR5305PbF sind die -10V für meine Zwecke gut.

Die N-Fets haben +9,7Vgs wenn der NPN den PNP durchschaltet, ansonsten 
0Vgs.

Doch ist an meiner NPN/PNP Beschaltung irgendetwas falsch, dass sie so 
warm Werden? Habe ich einfach nur einen Denkfehler?
Geht mir generell nur mal um den Schaltplan. Würdet ihr hier insgesamt 
noch etwas ändern?
Wie gesagt, PWM ist keine Anforderung. Einfach nur An oder Aus.

Würde mich auf Rückmeldungen freuen!

von Thorsten S. (thosch)


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R21 und R29 sind viel zu klein, damit bekommen T13 und T15 rund 24mA 
Basisstrom, wenn die NPN- Stufe davor angesteuert ist!

Zeig doch mal ein Foto deines Aufbaus...

: Bearbeitet durch User
von foobar (Gast)


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Sieht prinzipiell ok aus, aber mach mal R21/R29 größer ...

von Falk B. (falk)


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Thomas R. schrieb:
> Hallo Zusammen,
>
> ich bin gerade dabei eine diskrete H-Brücke zu basteln.

Ja, basteln trifft es wohl recht gut.

> Somit sieht die Schaltung für mich eigentlich funktionierend aus.

Ja.

> Jedoch werden bei den zwei N-Kanal Fets die Treiberstufe (NPN+PNP
> Transistoren) sehr warm und die N-channels leiten nicht.

Dann hast du einen Fehler im realen Aufbau. Falsche Widerstände oder 
Verbindungen.
Allerdings verheizen dein 1k Basiswiderstände ordentlich Leistung.

P = U^2 / R = 24V^2 / 1k = 0,58W

Vermutlich heizen die durch ihre gute, thermische Kopplung.

von Sly_marbo (Gast)


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Die 24mA durch R21/29 verheizen in den Widerständen schon 
0,024mA^2*1000Ohm=0,54W. Wenn du die auf 4,7KOhm erhöhst hast du ca die 
selben Basisströme wie durch R14/19. [Ich nehm an das du mit 5V logik 
arbeitest].

von Udo S. (urschmitt)


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Thomas R. schrieb:
> verriegel ich das Ganze
> per Software, diese sei mal ausgegliedert.

Ist trotzdem sch... Ein Softwarefehler und deine Brücke ist abgeraucht.
Imho schlechtes Design.

Aber deine Entscheidung.

von Dumm und ungebildet (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> verriegel ich das Ganze
> per Software, diese sei mal ausgegliedert.

Das ist die schlechteste aller schlechten Lösungen!

Der Schaltplan sieht schon mal prinzipiell gut aus, die Tipps zu den 
Widerständen beachten.

von Peter D. (peda)


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Dumm und ungebildet schrieb:
> Thomas R. schrieb:
>> verriegel ich das Ganze
>> per Software, diese sei mal ausgegliedert.
>
> Das ist die schlechteste aller schlechten Lösungen!

Die Lösung ist sogar sehr gut.
Ich hab sowas mal für HV-Relais gemacht. Die vorherige diskrete Lösung 
hat nicht zuverlässig verriegelt und die Kontakte haben sich 
verschweißt. Erst die Lösung mit MC war zuverlässig.
Man kann dafür auch einen extra MC abstellen (ATtiny13), der nur die 
Verriegelung und das Power-On macht.

von Udo S. (urschmitt)


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Peter D. schrieb:
> Ich hab sowas mal für HV-Relais gemacht. Die vorherige diskrete Lösung
> hat nicht zuverlässig verriegelt und die Kontakte haben sich
> verschweißt. Erst die Lösung mit MC war zuverlässig.

Dann liegt das aber an dieser einen diskreten Lösung, die halt nicht gut 
war. Aber ein Design, das durch einen einfachen Softwarefehler einen 
massiven Hardwareschaden verursacht ist definitiv nicht "sehr gut".

Zwei Halbbrückentreiber mit interner Verriegelung und Totzeiteinstellung 
wären sicher, deutlich kleiner, weniger aufwändig bzgl. Layout und 
würden viel schneller schalten als diese "Treiberstufe" die z.T mehr als 
1K Innenwiderstand für das Umladen der Gates hat.
Nebenbei wäre das auch noch uneingeschränkt PWM fähig, was diese Stufe 
durch die hohen Innenwiderstände eigentlich nicht ist.

von W.S. (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Die Lösung ist sogar sehr gut.

Nö.
Was passiert eigentlich, wenn dein µC noch nicht programmiert ist oder 
abgestürzt?

Also, man kann ja per µC irgendwelche Verriegelungen machen - aber 
zuätzlich sollte bei so einem Treiber auch noch eine echte 
Hardware-Verriegelung stattfinden. Im simpelsten Falle ein 74.. oder 
CD... für ein paar Pfennige.

Die gezeigte Schaltung gefällt mir auch aus anderen Gründen nicht 
wirklich:
4 Transistoren und 10 Widerstände nur um die unteren zwei FET's herzlich 
hochohmig anzusteuern. Mag ja OK sein, wenn man keine passenden IC's 
hat, dafür aber ne Kiste voll Transistoren.
Mit echten Gate-Treibern wie z.B. TC4426..4428 (2 Kanäle) oder 
TC4420/4429 (1 Kanal) geht sowas weitaus besser, macht das Layout 
einfacher, kostet weniger LP Fläche und ist auch nicht teuer.

Man kann solche Treiber auch hängend von der VCC anordnen und damit die 
Hi-Seiten-FET's ansteuern. Ich hatte sowas bei meinem 
JBC-Lötstations-Nachbau gemacht.

W.S.

von Thomas R. (r3tr0)


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Danke an Alle für eure Tipps!

Basiswiderstand wurde nun um einiges vergrößert, wundert mich, dass ich 
da nicht selber darauf geschaut habe.

Ebenfalls habe ich meinen Fehler gefunden, warum die N-Fets nicht 
geleitet haben.
Habe als Package das D-PAK genommen, leider gottes habe ich nicht 
wirklich ins Datenblatt geschaut und geguckt, wo Gate und Source bei den 
N-Fets liegen. Diese sind bei meinem Mosfet zu meinem Package in Eagle 
genau umgekehrt. Mosfet ausgelötet, um 180° gedreht und nun funktioniert 
alles ;)

Finde es bei uns nicht notwendig, das Ganze per Hardware zu verriegeln, 
wenn ich eh nur 4 Ausgänge per Software habe und diese mit einer Totzeit 
verriegel. Der Softwarefehler möge eventuell einmal in der Entwicklung 
passieren, aber danach nicht mehr.


Nun eine andere Frage:
Kennt ihr aus dem Stegreif P-Channels + N-Channels mit möglich kleinem 
Rdson bei Vgs +10/-10V und der Gehäuseform D-PAK?
Ziel ist es bei uns maximal 7 Ampere fliesen zu lassen, für maximal 25 
Sekunden, danach wieder 5 Minuten Pause.
Bei unserem ausgewählten P-Channel sind wir bei 7A und Rdson 0.065Ohm (P 
= I²*R) schon bei 3,185Watt, klar die Platine kühlt ein bisschen, aber 
würden gerne einfach mit mehreren Fets rumprobieren.

Danke nochmal für eure Tipps :)

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Eine Hardware-Verriegelung kann im Bedarfsfall auch noch nachträglich 
mit einem vorgeschalteten CD4093 realisiert werden (Kreuzschaltung). Da 
dieses NAND-Gatter über Schmitt-Trigger Funktion verfügt, können sogar 
noch mit kleinen RC-Gliedern Minitotzeiten eingebaut werden.

Die gegenüberliegenden Eingänge der H-Brücke müssen dann verbunden 
werden, so dass die gesamte Brücke nur noch zwei Eingänge hat.

von Teo D. (teoderix)


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Udo S. schrieb:
> Zwei Halbbrückentreiber mit interner Verriegelung und Totzeiteinstellung
> wären sicher, deutlich kleiner, weniger aufwändig

Gibts bei den AVRs (ich denke um die gehts hier) keine die ein solches 
HW-Modul intus haben?

von Klaus (Gast)


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von Sebastian S. (amateur)


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Behalte aber bitte im Auge, wenn Du Widerstände vergrößerst, dass die 
FETs es sehr eilig haben, wenn das Gate umgeladen werden soll.
Kann bis zu einem Ausflug ins Nirwana gehen.

von Udo S. (urschmitt)


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Sebastian S. schrieb:
> Behalte aber bitte im Auge, wenn Du Widerstände vergrößerst,

Es werden nur die definitiv zu kleinen Basisvorwiderstände von T13 und 
T15 vergrößert. Deren Basisstrom ist fast 4 mal so hoch wie der 
Kollektorstrom! Das ist völlig gaga.
Dass die "Treiberstufe" eigentlich viel zu hochohmig ist wurde schon 
gesagt, wird aber durch die Anpassung der Basisvorwiderstände nicht 
verändert.

von W.S. (Gast)


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Das merkt er dann schon...

W.S.

von Alexander S. (alex998)


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Teo D. schrieb:
> Udo S. schrieb:
>> Zwei Halbbrückentreiber mit interner Verriegelung und Totzeiteinstellung
>> wären sicher, deutlich kleiner, weniger aufwändig
>
> Gibts bei den AVRs (ich denke um die gehts hier) keine die ein solches
> HW-Modul intus haben?

Die neueren 1er ATTinys (412, 416, usw.) haben dafür den 12-bit 
Timer/Counter Type D, damit lässt sich das komfortabel machen.

von Guest (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> Kennt ihr aus dem Stegreif P-Channels + N-Channels mit möglich kleinem
> Rdson

Wenn du niedrigen RDSon willst nimm 2 Mal N-Fet hat schon seinen Grund 
warum das in der Praxis bei höheren Strömen so gemacht wird. Es gibt 
zwar einige PFETs die an N ran kommen die sind aber meistens deutlich 
teurer und kommen dann immernoch nicht an entsprechende hochleistungs 
N-FETs ran. Da gibt es welche mit 2mOhm und weniger.

Du solltest in jedem Fall probieren wie schnell das FET schaltet wenn 
der Gatestrom zu gering ist. Kann es passieren das das FET beim 
Umschalten kurzzeitig einen relativ hohen Widerstand hat und dadurch 
thermisch zerstört wird bzw. gut heiß wird.

Thomas R. schrieb:
> Finde es bei uns nicht notwendig, das Ganze per Hardware zu verriegeln,

Was ist wenn der Controller den Geist aufgibt oder sich aus welchen 
Gründen auch immer mal aufhängt. Das kann beim testen und entwickeln 
nicht auffallen und im realen Betrieb läuft dir  eine Variable über oder 
sonstwas. Plötzlich verabschiedet sich das Ding und die Ausgänge sind im 
schlimmsten Fall undefiniert. Das mag man weg lassen können wenn man 
entsprechende Timer benutzt die komplementäre Ausgänge haben und das 
dort dann entsprechend in Hardware gemacht ist aber bei einer reinen 
Software Lösung würde ich das immer vorsehen.

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