Frage zu Ansteuerung von H-Brücke

[Mark K. (mamikoe)]

Hallole,
schaut euch bitte mal den angehängten Schaltplanauszug an. Da geht es um 
eine H-Brücke aus MOSFETs zum Betrieb eines DC-Motors. Oben zwei 
P-MOSFET, die über die bipolaren NPN angesteuert werden, unten zwei 
N-MOSFET. Die Anschlüsse T, L und R sind Ausgänge eines PIC. L und R 
sind die Richtungsausgänge, aktiv H, und an T liegt beim Betrieb des 
Motors eine PWM von ca. 16kHz (im Stillstand ist der Ausgang auf L).
Die Schaltung habe ich so vorgefunden, ist also nicht meine Idee.
Meine Frage ist nun: Gibt es einen einleuchtenden Grund, warum die 
beiden NPN als Stromquellen beschaltet sind und nicht, was mir 
sinnvoller erscheint, direkt mit dem Emitter an den L/R-Anschlüssen 
(also den Gates der N-MOSFET)? Auf diese Weise, wie abgebildet, fällt 
über die oberen 2k2 doch nur etwas mehr als 4V ab, so da die 
Gate-Spannung der P-MOSFETS noch nicht einmal 5V beträgt. Weswegen man, 
wenn man (natürlich) einen hohen Rdson vermeiden möchte, 
Logik-Pegel-P-MOSFETs verwenden müßte.
Ohne die Emitterwiderstände und dafür Basiswiderstände von 10k...22k 
würden die Gates im An-Zustand (der jeweilige Richtungsausgang L/R auf 
Masse) die vollen 18V erhalten. Alternativ und zum Einsparen der 
Basiswiderstände würde ich auch an Kleinsignal-N-FETS denken, in SMD 
etwa an den BSS123.
Oder, wenn diese Stromquellen-Beschaltung Vorteile bringen sollte, 
zumindest die oberen 2k2 auf 4k7 vergrößern, damit die P-MOSFETs 
wenigstens mit etwas mehr als 10V angesteuert werden.

[Günni (Gast)]

Die Schaltung kann so irgendwie nicht stimmen. Wenn der Tansistor mit T 
aufgesteuert wird, sind der P- und der N- FET in dem Zweig, der gerade 
mit (einem Logik-Pegel ??) angesteuert wird, gleichzeitig leitend, was 
nicht sein sollte. Verhindern könnte man das nur, wenn die Eingangspegel 
ganz auf Masse oder auf Versorgungsspannung liegen. Aber volle 
Versorgung am N-FET hält üblicherweise das Gate nicht aus. Irgend etwas 
stimmt da vermutlich nicht.

[Dieter (Gast)]

Bis 25.04.2020 17:24 59s hättest Du noch den ganzen Post löschen können 
oder editieren, usw. Jetzt ist es zu spät.

Im Internet gibt es genügend Enstufen zu finden. H-Brücke, 
Schrittmotoren sei mal als Suchworte genannt.

[Mark K. (mamikoe)]

Nee, der Schaltplan stimmt schon und die Schaltung funktioniert auch.
Also, nehmen wir an, L(inks) ist L und R(echts) ist H.
Dann liegt am Gate vom linken N-FET Masse und er sperrt. Der Emitter des 
linken NPN liegt über den unteren 2k2 ebenfalls auf Masse. Solange T auf 
L ist passiert nichts, der NPN schaltet nicht bzw. es fließt kein Strom 
über den CE-Kreis, so daß das Gate des linken P-FET über den oberen 2k2 
an Plus liegt und er sperrt.
Auf der rechten Seite sieht es umgekehrt aus: Anschluß R(echts) ist wie 
gesagt H, also liegt das Gate des rchten N-FET an +5V und der FET 
schaltet durch, legt Masse an den rechten Anschluß des Motors. Solange T 
auf L ist passiert nichts weiter, da so auch die Basis des rechten NPN 
auf Masse liegt.
Wenn nun T (PWM-Ausgang) auf H wechselt liegen +5V an den Basen der 
beiden NPN. Für den linken NPN bedeutet dies, daß er als Stromquelle 
arbeitet: 5V - Uce von ca. 0,7V führen zu ca. 4,3V, dividiert durch 2k2 
führen zu ca. 2mA. Diese bewirken am oberen 2k2 einen Spannungsabfall 
von ebenfalls ca. 4,3V, so daß das Gate des linken P-FET ca. 4,3V 
negativer ist als dessen Source und er (je nach Typ) wenn auch mit 
vergleichsweise hohem Rdson durchschaltet. Damit liegt die positive 
Versorgungsspannug am linken Motoranschluß.
Auf der rechten Seite bleibt es unverändert, denn mit Emitter über 2k2 
an +5V (von R(echts)) un Basis an +5V (von T) bleibt der rechte NPN 
gesperrt, so daß das Gate des rechten P-FET wie Source an +18V liegt und 
er somit sperrt. So daß es bei Masse am rechten Motoranschluß über den 
rechten N-FET bleibt.
wie gesagt, die Schaltung funktioniert auch, aber sie kommt mir recht 
suboptimal vor und ich frage nach Verbesserungen. Nach meinem 
Verständnis deren Funktionsweise, wie ich es oben beschrieben habe, 
müßte jede der im Ausgangspost beschriebenen Änderungen eines 
Verbesserung darstellen. ber ist es wirklich so?

[Mark K. (mamikoe)]

Dieter schrieb:
> Bis 25.04.2020 17:24 59s hättest Du noch den ganzen Post löschen können
> oder editieren, usw. Jetzt ist es zu spät.

Edit in Bezug auf Anlagen ist nicht möglich.

> Im Internet gibt es genügend Enstufen zu finden. H-Brücke,
> Schrittmotoren sei mal als Suchworte genannt.

Du hast meine Frage nicht gelesen. Wenn Du sie nicht beantworten kannst 
oder magst ist es auch o,k., aber dann erspar Dir, mir und dem Forum 
bitte diese OT-Antwort.

[my2ct (Gast)]

Mark K. schrieb:
> Edit in Bezug auf Anlagen ist nicht möglich.

Was verstehst du an "ganzen Post löschen" nicht?

[oldeurope O. (Gast)]

Mark K. schrieb:
> Oder, wenn diese Stromquellen-Beschaltung Vorteile bringen sollte,
> zumindest die oberen 2k2 auf 4k7 vergrößern, damit die P-MOSFETs
> wenigstens mit etwas mehr als 10V angesteuert werden.

Keine Sättigung, Gate-Source-Spannung unabhängig von der
Betriebsspannung der Brücke (solange mindestens ca.0,5V
am BJT abfallen.)

Ich würde mit dem Emitterwiderstand auf 1K gehen, damit
die Ansteuerung des highside FET nicht zu hochohmig wird.

Das Konzept ist jedenfalls gut, auch die Form der Ansteuerung
der H-Brücke.
https://www.mikrocontroller.net/attachment/454816/hbr.jpg
Für die 16KHz würde ich meine Hand nicht ins Feuer legen,
aber für die Arduino-PWM-Frequenzen 500Hz und 1KHz wird
sie gut geeignet sein und auch kaum stören.

LG
old.

[Dieter (Gast)]

Mark K. schrieb:
> Du hast meine Frage nicht gelesen.
Schon gelesen und mir die Freiheit genommen zu Deinem zweiten Post zu 
schreiben.

Lies Dir das durch, dann verstehst Du was geschrieben wurde:
Beitrag "Re: Fotos im Beitrag bearbeiten?"
Lothar M. schrieb:
>> Löschen und überlegen wie man es besser machen könnte.
> Ein angemeldeter User kann seinen Post löschen, solange noch kein
> weiterer Post dazugekommen ist. Er kann aber keine einzelnen Bilder im
> Post löschen und auch nicht bearbeiten. Das sollte zur Vorbereitung der
> Informationen vor dem Absenden des Posts gehören.


Zu Deiner Frage betreffend der 18V, bzw. 24V (28.8V) wird die Schaltung 
dann um begrenzende Zehnerdioden ergänzt um die übliche 
Spannungsfestigkeit von 20V der Gates einzuhalten. Nachteil ist dann, 
dass diese dann bei 12V nicht mehr funktioniert.
Diese Schaltung mit minimalen Bauteilaufwand ist nur für eine bestimmte 
Bandbreite von Versorgungsspannungen geeignet. Die Probleme, bzw. die 
Grenzen hast Du in Deinem Post eigentlich schon erkannt.

[Mark K. (mamikoe)]

Nicht ohne uns O. schrieb:
> Mark K. schrieb:
>> Oder, wenn diese Stromquellen-Beschaltung Vorteile bringen sollte,
>> zumindest die oberen 2k2 auf 4k7 vergrößern, damit die P-MOSFETs
>> wenigstens mit etwas mehr als 10V angesteuert werden.
> Keine Sättigung,

Welcher Nachteil ist damit verbunden, daß die NPN als Schalter in der 
Sättigung arbeiten? Was ich dazu gelesen habe erleuchtet mich nicht 
wirklich ....
> Gate-Source-Spannung unabhängig von der
> Betriebsspannung der Brücke (solange mindestens ca.0,5V
> am BJT abfallen.)

Dadurch, daß an dem Kollektorwiderstad aufgrund des Konstantstroms immer 
dieselbe Spannung abfällt? Ja, es gibt sicher Anwendungen, bei denen das 
wichtig ist, aber hier nicht. Die in Betracht kommenden P-FETs gehen 
alle wenigstens bis 20V Gatespannung und die Versorgungsspannung ist 
hier niemals größer als 18V. Im Gegenteil, diese popeligen 4,3V sind 
eigentlich zu wenig, jedenfalls suboptimal.

> Ich würde mit dem Emitterwiderstand auf 1K gehen, damit
> die Ansteuerung des highside FET nicht zu hochohmig wird.

Und dann den Kolltorwiderstand auf z.B. 2k7 vergrößern, damit wenigstens 
deutlich mehr als 10V Gatespannung rüberkommen?

Und was spricht dagegen, den NPN durch einen FET, z.B. BSS123, zu 
ersetzen und den Emitterwiderstand wegzulassen?

[Stoer P. (stoerpeak)]

Mark K. schrieb:
> Und was spricht dagegen, den NPN durch einen FET, z.B. BSS123, zu
> ersetzen und den Emitterwiderstand wegzulassen?

Im Prinzip spricht nichts dagegen. Das eigentliche Problem ist hier aber 
die Arbeitsfrequenz von 16kHz.
Und da per PWM ja nicht mit 50% Tastverhältnis sondern von 0 bis 100% 
angesteuert wird entstehen sehr kurze Ein- oder Ausschaltzeiten der 
Transistoren. D.h. sie müssten sehr schnell geschaltet werden.
Dazu verwendet man üblicherweise MOSFET Treiber die das Gate schnell 
laden oder entladen können. Der Pull-Up kann das nicht. Auch nicht wenn 
man ihn deutlich niederohmiger macht.

[Mark K. (mamikoe)]

Sodele, hat etwas gedauert. Ich habe mal mit dem Skop aufgezeichnet, wie 
die 16kHz (50% d/c) mit dem NPN und einem Emitterwiderstand von 2k2, 1k 
und 470R (der Kollektorwiderstand bleibt bei 2k2) sowie mit einem BSS123 
anstelle des NPN (Soruce-Widerstand überbrückt) aussehen.
Jeweils von unten nach oben:
PWM-Ausgang des PIC vs. Gate des P-FET (bzw. Kollektor des NPN)
PWM-Ausgang des PIC vs. Drain des P-FET (Motor angeschlossen)
Gate des P-FET (bzw. Kollektor des NPN) vs. Drain des P-FET (Motor 
angeschlossen)
Und dann als 4. Kompilat: Source des P-FET vs. Drain des P-FET (Motor 
angeschlossen), unten mit NPN, oben mit BSS123.

Die Signale am Gate des P-FET sehen schon sehr unterschiedlich aus, da 
wirken sich die unterschiedlichen Emitterwiderstände bzw. die Verwendung 
eines FET/BSS123 deutlich aus.
Zu meiner Überraschung schlägt sich dies aber kaum im Ergebnis, dem 
Schaltverhalten des P-FET, nieder. Gut, die Flanken sind etwas steiler, 
aber dafür ist es auch kein 50% d/c mehr.
Und entgegen meiner Befürchtung ist der Rdson des P-FET durch die 
geringe(re) Schaltspannung nicht so groß, daß sich dies durch einen 
großen Spannungsabfall auswirken würde - im Gegenteil scheint der 
Spannungsabfall bei Verwendung des NPN mit 2k2 fast noch geringer zu 
sein.

So suboptimal mir die Schaltung auch erschien - anscheinend erfüllt sie 
hier gut ihren Zweck und kann so bleiben.

[MaWin (Gast)]

Mark K. schrieb:
> Gibt es einen einleuchtenden Grund, warum die beiden NPN als
> Stromquellen beschaltet sind und nicht, was mir sinnvoller erscheint,
> direkt mit dem Emitter an den L/R-Anschlüssen

Um, unabhängig von der exakten Höhe der 18V, trotzdem eine definierte 
Gate-Spannung an den PMOSFETs zu bekommen, hier wohl -4.5V entsprechend 
der Ansteuerspannung der NMOSFETs, also beide müssen LogicLevel sein.
So arbeitet die Schaltung von 10V bis 60V.

[Mark K. (mamikoe)]

Ja, das habe ich mittlerweile verstanden. Offenbar hat der, von dem ich 
den Schaltplan habe, die Schaltung irgendwo abgekupfert, ohne sie 
wirklich zu verstehen, denn es sind immer ca. 18V und er verwendet einen 
normalen P-FET (SI4925). Gut, bei dem P-FET spielt es nicht so die 
Rolle, der Rdson ist auch bei ca. 4,5V niedrig genug, aber wirklich 
"passend" ist die Beschaltung nicht.
Überhaupt - einen DUAL-P-Logic-Level MOSFET in SO-8 finde ich auch bei 
Mouser nicht. Kennst Du einen Typ (30V, min.2,5A)?