Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik H-Mosfet-Brücke bis 60V Nennspannung gesucht


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von Ralf (Gast)


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Guten Tag,
bei der Arbeit möchte ich ein Magnetventil schnell ansteuern:
Der Hersteller liefert eine 60V Spannungsversorgung, eine Treiberkarte 
mit einem Mosfet und allerhand Zeugs drauf (ich bin Maschinenbauer) und 
eben das Magnetventil.
Leider ist die Treiberkarte bzgl. der Stromverläufe nicht frei 
programmierbar,
zudem ist das Entladen der Magnetspule (für meine Begriffe) noch zu 
langsam bzw. man könnte möglcherweise noch was rausholen wenn man das 
Magnetventil beim Schließen (stromlos schalten, mechanische Feder 
schließt es dann) aktiv umpolt.
Wenn meine Annahme falsch ist, hat sich dieser Post erledigt.
Zu den Daten des Ventils:
Ohmscher Widerstand 5 Ohm
Induktivität der Spule: unbekannt - kann ich aber evtl. ermitteln

Stromverlauf beim Öffnen:
ca. 1ms 60V anliegend, in dieser Zeit steigt der Strom von 0 auf 2,5A
ca. 0,5ms Strom halten
danach Absenken des Stroms auf 0,8A durch PWM-Modulation der Spannung

Stromverlauf beim Schließen:
Abschalten der Spannungsversorgung
Vollständiges Enladen = 0A (keine klassische Entladekurve) in 0,5ms

Nun zu meinen Fragen:
- würde sich durch umpolen die Entladezeit weiter verringern
- gibt es "auf kurzem Dienstweg" eine Endstufe, die z.B. durch den
  Analogausgang eines µc gestuert werden kann und aktiv umpolt
- wenn nicht: wie aufwändig ist es, sich bei "erweiteten 
Lötkenntnissen",
  Grundkenntnissen in Messtechnik, E-Technik und µc-Programmierung,
  eine solche Endstufe selbst zusammenzubauen
  (nur zu Versuchszwecken, keine EMV-Anforderungen, CE usw.)
- ich habe bisher auf H-Brigdge-Endstufen bei ebay und amazon geschielt,
  deren maximale Spannung liegt aber immer sicher unter 60V
  (hat bestimmt auch seinen Grund...)
- recherchiert und gelesen habe ich zu Mosfet-Brücken ziemlich viel,
  selbst bauen ohne Anleitung: nein.

Danke für Eure Zeit, die Ihr hier invenstiert und sorry für den 
Nicht-Schaltplan - es gibt noch keinen...

Gruß
Ralf

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Ralf schrieb:
> sorry für den
> Nicht-Schaltplan - es gibt noch keinen...

Der wäre aber nützlich.
Vielleicht ließe sich durch eine kleine Ergänzung noch "etwas 
herausholen".

von Achim S. (Gast)


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Ralf schrieb:
> nduktivität der Spule: unbekannt - kann ich aber evtl. ermitteln
>
> Stromverlauf beim Öffnen:
> ca. 1ms 60V anliegend, in dieser Zeit steigt der Strom von 0 auf 2,5A

Wenn der gemessene Stromanstieg stimmt, dann kennst du - zumindest als 
groben Wert - schon die Induktivität: L = U / (di/dt) = 60V/(2,5A/ms) = 
24mH

Ralf schrieb:
> danach Absenken des Stroms auf 0,8A durch PWM-Modulation der Spannung

Planst du für die PWM-Modulation eine Freilaufdiode zu nutzen? Oder 
einen "aktiven Freilauf" durch eine Ansteuerschaltung?

Ralf schrieb:
> würde sich durch umpolen die Entladezeit weiter verringern

Durch das Umpolen sieht dein Verbraucher eine Gegenspannung von 60V. 
Damit sinkt der Strom in erster Näherung mit di/dt = U/L = 2,5A/ms (so 
schnell, wie beim Einschalten der Stromanstieg war). Für dein Ziel 
(0,8A/0,5ms) also schnell genug.

Anstelle des Umpolens würde es - je nach Schaltung - ggf. auch reichen, 
den Stromfluss durch die Spule unterbrechen. Dann steigt durch die 
Spannung durch die Induktion so weit an, bis der Strom wieder einen Weg 
zum Weiterfließen findet. Je nach Auslegung der Schaltung kann es gut 
sein, dass sich dabei grade die 60V einstellen. Mit einer Freilaufdiode 
klappt es auf dem Weg aber natürlich nicht - an der steigt die Spannung 
nicht auf 60V sondern eher nur auf ~1V.

Aber bist du sicher, dass deine Beschleunigungsversuche wirklich an der 
richtigen Stelle ansetzen? Es geht ja um die mechanische Bewegung eines 
Ventils. Macht es für die wirklich einen Unterschied, ob du den Strom in 
500µs oder in 2ms auf Null bringst?

von Newbie (Gast)


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Hallo,

es gibt da eine Möglichkeit mit der du das ggf. minimalinvasiv lösen 
kannst. Wenn du wie im Anhang anstatt einer Freilaufdiode eine 
Serienschaltung mit einer Zenerdiode verwendest kommt das aufs gleiche 
Raus und die Spule baut den Strom viel schneller ab!

Ich nutze das so für Hochfrequenzventile.

von Achim S. (Gast)


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Newbie schrieb:
> es gibt da eine Möglichkeit mit der du das ggf. minimalinvasiv lösen
> kannst. Wenn du wie im Anhang anstatt einer Freilaufdiode eine
> Serienschaltung mit einer Zenerdiode verwendest kommt das aufs gleiche
> Raus und die Spule baut den Strom viel schneller ab!

Für das schnelle Abschalten des Stroms funktioniert das einwandfrei. 
Aber ich hatte den TO so verstanden, dass er ggf. auch eine (längere) 
Phase hat, in der er den Strom durch PWM auf 0,8A halten will. Während 
dieser PWM-Phase würde diese einfache Lösung mit Zenerdiode massiv 
Leistung verbraten.

von hinz (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Aber ich hatte den TO so verstanden, dass er ggf. auch eine (längere)
> Phase hat, in der er den Strom durch PWM auf 0,8A halten will. Während
> dieser PWM-Phase würde diese einfache Lösung mit Zenerdiode massiv
> Leistung verbraten.

Dazu überbrückt man die Z-Diode, z.B. mit einem p-MOSFET.

von Newbie (Gast)


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So geht es auch ohne Z-Diode und viel Leistung. Braucht nur eine 
Halbbrücke.

von Ralf (Gast)


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Hallo Zusammen,

danke für Eure Vielzahl an Antworten, bin zur Zeit bei der Arbeit und 
kann daher nicht unmittelbar auf jede Frage antworten, ich versuche es 
jetzt mal gebündelt um alle aufkommenden Fragen zu beantworten:

"Vielleicht ließe sich durch eine kleine Ergänzung noch "etwas 
herausholen"."
Ich zeichne heute abend, das Leistungsteil, das ich jetzt über einen µc 
steuere und ich versuchsweise benutze, habe ich gerade nicht zur Hand.

"Planst du für die PWM-Modulation eine Freilaufdiode zu nutzen? Oder
einen "aktiven Freilauf" durch eine Ansteuerschaltung?"
Eine Freilaufdiode liegt vor, nur ist das Entladen dann sehr langsam, 
daher kommt grundsätzlich eher ein aktiver Freilauf infrage oder eine 
Ansteuerschaltung. Als unbedarfter Benutzer sah ich jedoch eine 
Gegenpolung als das Nonplusultra an, habe aber im Grunde genommen zu 
wenig Erfahrung mit Magnetspulen um das sicher sagen zu können.

"Aber bist du sicher, dass deine Beschleunigungsversuche wirklich an der
richtigen Stelle ansetzen? Es geht ja um die mechanische Bewegung eines
Ventils. Macht es für die wirklich einen Unterschied, ob du den Strom in
500µs oder in 2ms auf Null bringst?"
Definitiv ja! Ausschaltpulse von minimal 600µs haben noch einen 
deutlichen sichtbaren Effekt auf die Mechanik, sprich das Ventil 
schließt kurzzeitig.
Aber diese Ergebnisse wurde mit dem System des Lieferanten erzielt, ohne 
Gegenpolung und ohne Verminderung des Haltestroms da der Treiber (für 
mich) nicht programmierbar ist. Das reicht mir aber leider nicht. Ziel 
sind 200µs.
Die Bewegung kann natürlich zeitverzögert erfolgen, jedoch sollte das 
Ventil in dieser Zeit möglichst "gut" schließen und wieder öffnen...

"es gibt da eine Möglichkeit mit der du das ggf. minimalinvasiv lösen
kannst. Wenn du wie im Anhang anstatt einer Freilaufdiode eine
Serienschaltung mit einer Zenerdiode verwendest kommt das aufs gleiche
Raus und die Spule baut den Strom viel schneller ab!"
Ich hatte schon von dieser Lösung gelesen, Zener-Dioden sind auf dem 
Weg.
Vielleicht reicht das auch.

"Für das schnelle Abschalten des Stroms funktioniert das einwandfrei.
Aber ich hatte den TO so verstanden, dass er ggf. auch eine (längere)
Phase hat, in der er den Strom durch PWM auf 0,8A halten will. Während
dieser PWM-Phase würde diese einfache Lösung mit Zenerdiode massiv
Leistung verbraten."
In der Haltestromphase wird mit der Lösung Energie verbraten? Warum?
Die Zenerdiode sperrt doch zu diesem Zeitpunkt wieder - oder ist sie 
beim einmaligen Überschreiten der Maximalspannung dann auch bei 
geringeren Spannungen leitend?!
Hier hören meine E-Technik-Kenntnisse leider auf.

Gruß
Ralf

von Achim S. (Gast)


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Ralf schrieb:
> In der Haltestromphase wird mit der Lösung Energie verbraten? Warum?

Während der Haltstromphase mit PWM-Ansteuerung fließt der Strom 
abwechselnd
- mal durch den n-FET (bei deinen Spannungen nur für rund 10% Prozent 
der PWM-Periode)
- und mal durch die Freilaufdiode (für restlichen 90% der PWM-Periode). 
Das läuft so, wenn du nur die Freilaufdiode drin hast - weil der Strom 
über diese frei weiterlaufen kann - an der Diode fällt nur knapp 1V ab.

Wenn du aber zusätzlich die Zenderdiode in Serie hast, fällt an dieser 
eine sehr viel höhere Spannung ab. Der Spulenstrom mal der Zenerspannung 
heizen die Zenerdiode.

Der Spulenstrom sinkt dann sehr schnell auf Null und du muss den FET 
wieder einschalten, damit du im Mittel 0,8A hast. Beim Ausschalten ist 
das schnelle Absinken des Strom erwünscht, aber während der PWM soll der 
Strom frei weiter fließen können (dehalb die Freilaufdiode).

von Newbie (Gast)


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Ralf schrieb:
> In der Haltestromphase wird mit der Lösung Energie verbraten? Warum?
> Die Zenerdiode sperrt doch zu diesem Zeitpunkt wieder - oder ist sie
> beim einmaligen Überschreiten der Maximalspannung dann auch bei
> geringeren Spannungen leitend?!
> Hier hören meine E-Technik-Kenntnisse leider auf.

Das liegt daran, dass der Fußpunkt der Zenderiode, oberhalb des Low-Side 
Mosfet Zyklisch auf Ground = Ein und auf High Impedance = Aus geschalten 
wird. Es macht keinen Unterschied ob du das Ventil ausschaltest oder per 
PWM den Strom Hochfrequent ein- und ausschaltest.

Im Anhang siehst du was bei 50% Dutycycle passiert. Es fliesst für 50% 
der Zeit ein Strom durch die Zdiode. Über ihr fällt ihr Flussspannung 
ab. in meinem Fall 24V und 200mA -> das ist sau viel Verlustwärme. Wenn 
du PWM machen willst empfehle ich die Schaltung ganz rechts.

von Ralf (Gast)


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Hallo Zusammen,
das ist ordentlich was zu knabbern für mich.
Die Sache mit der Z-Diode habe ich verstanden, und ja, es soll PWM sein.
So wie es aussieht, ist auch dieses LTSpice ganz nützlich, in meiner 
Studienzeit gab es ähnliche Anwendung in Matlab Simulink...
Ich werde versuchen, die rechte Schaltung zu realisieren:
1) BSC031N06NS3 ist das falsche Gehäuse für meine Lötkenntnisse,
   wie ist es mit soetwas einfachem wie IRF520?
   FDR840P ebenso schnell unter meinem Daumennagel verschwunden
   Ich kann aber auch selber suchen...
2) Die Didoen und der Transistor haben keine Typbezeichung,
   warum das nicht - gibt´s doch auch 1000 Verschiedene, und mind. 50%
   davon passen.

Besten Dank nochmals für die schnelle, ausführliche Hilfe - und dass Ihr 
die Geduld aufbringt, einem Nicht-Elektroniker diese Dinge zu erklären.

Gruß
Ralf

von Achim S. (Gast)


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Ralf schrieb:
> So wie es aussieht, ist auch dieses LTSpice ganz nützlich

Ja, ist es ganz eindeutig. Und kostet deutlich weniger als Matlab 
Simulink ;-)

Ralf schrieb:
> 1) BSC031N06NS3 ist das falsche Gehäuse für meine Lötkenntnisse,
>    wie ist es mit soetwas einfachem wie IRF520?

Dein Treiber muss den FET sauber aufsteuern können. Der IRF520 braucht 
dafür eine Gate-Source-Spannung von ca. 10V. Die Antwort auf deiner 
Frage kommt darauf an, ob dein Treiber das liefern kann.

Ralf schrieb:
> Ich werde versuchen, die rechte Schaltung zu realisieren:

Dann aufpassen: Die "Schaltung rechts" ist aktuell für eine Versorgung 
von 24V dimensioniert (R4 und R5). Wenn du sie an 60V betreibst, zerhaut 
es dir sofort den pFET (weil die Gate-Source-Spannung zu groß wird).

Das Konstrukt aus C1 und R5, das Newbie gewählt hat, bietet die gute 
Chance, dass der pFET auch schon bei kleineren Versorgungsspannugen 
durchhaut (weil beim ersten Einschalten die volle Versorgung an 
Gate-Source des pFET anliegt). Außerdem heizen R4 und R5 in der On-Phase 
mit einigen W.

Ralf schrieb:
> Besten Dank nochmals für die schnelle, ausführliche Hilfe - und dass Ihr
> die Geduld aufbringt, einem Nicht-Elektroniker diese Dinge zu erklären.

Ein bisschen wirst du dich schon selbst in das Verständnis von PWM an 
induktiven Verbrauchern reinarbeiten müssen. Sonst gibt es böse 
Überraschungen, wenn der Aufbau raucht. Aber LTSpice ist auch ein gutes 
Hilfsmittel, um dein Verständnis der Schaltung zu überprüfen und weiter 
zu entwickeln.

von Newbie (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Das Konstrukt aus C1 und R5, das Newbie gewählt hat, bietet die gute
> Chance, dass der pFET auch schon bei kleineren Versorgungsspannugen
> durchhaut (weil beim ersten Einschalten die volle Versorgung an
> Gate-Source des pFET anliegt). Außerdem heizen R4 und R5 in der On-Phase
> mit einigen W.

Achim hat natürlich recht. Die Schaltung sollte nur das Prinzip 
geschwind illustrieren und ist ohne große Prüfung zusammengeklickt.

Wenn du tatsächlich PWM machen willst würde ich dir eine Halbbrücke 
empfehlen. Ein Dual-NFET gitbs im SO8 Gehäuse und dazu ein integrierter 
Treiber. Über die beiden Dioden kommt die Umpolung dann von alleine.

Wenn du es diskret machen willst kannst du dich von der Struktur an dem 
aus dem Anhang orientieren. Verstärkerstufe + Push-pull. Die Z-Diode 
begrenzt die GS-Spannung auf zulässige Werte.
Grüße

von Ralf S. (rmessi)



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Guten Tag Allerseits,

es hat ein wenig länger gedauert um mich in LTSPICE einzuarbeiten aber 
es geht.
Ich habe den Vorschlag von Newbie aufgenommen, ihn in LTSPICE überführt, 
Transistoren und Mosfets ausgewählt und den Stromverlauf anzuschauen...
Erkenntnis:
OHNE Widerstand R2 (wie in der Vorlage von Newbie) entlädt sich die 
Spule genau so schnell wie sie geladen wurde, nämlich langsam - nix 
gewonnen.
MIT Widerstand R2 (und je größer ich den Wert wähle), desto flotter ist 
die Spule leer - diese Lösung hatte ich mal in einem anderen Thread 
gelesen. Wo ist der Haken? Die Spannung über der Spule steigt zwar etwas 
- aber nicht ins Jenseits. Und es schwingt - aber da hören meine 
Kenntnisse in E-Technik auf.
Frage 1: kann man die Schaltung so umsetzen?
Frage 2: das ungewollte "Verbraten" von Energie in der LOW-Phase des 
PWM-Signals (siehe Text weiter oben) geschieht ja weiterhin. Da da 
PWM-Signal aus einem Microcontroller mit etlichen Ausgängen kommt, 
könnte ein zweites Signal den p-Mosfet separat schalten: in der 
Haltphase bleibt der p-Mosfet angeschaltet/leitend, beim Ausschalten 
wird auch der p-Mosfet abgeschaltet und die Energie der Spule über R2 
abgeleitet.
PS: ich weiß, das Signal meines µc ist 5V und hier sind es 10, dafür 
habe ich schon eine Lösung gefunden bei
http://www.bristolwatch.com/k150/port5.htm
Genau meine Niveau ;-)

Außerdem (keine Schleichwerbung, nur als Tipp für andere Suchende) eine 
H-Brücke bis 200V
Ebay-Artikel Nr. 183699154332

Besten Dank für Eure Hilfe
Gruß
Ralf

von Achim S. (Gast)


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Ralf S. schrieb:
> es hat ein wenig länger gedauert um mich in LTSPICE einzuarbeiten aber
> es geht.

Gut. Als nächstes solltest du dir angewöhnen, den Netzen Namen zu geben 
(mit Labels). Denn dann wird dem Betracher klar, welche Kurven du 
aufträgst. Im Augenblick müssen wir noch "raten", wo die Spannungen 
V(n006) und V(n012) wohl gemessen wurden.

Ralf S. schrieb:
> Frage 1: kann man die Schaltung so umsetzen?

NEIN! Ich hatte oben schon darauf hingewiesen:

Achim S. schrieb:
> Wenn du sie an 60V betreibst, zerhaut
> es dir sofort den pFET (weil die Gate-Source-Spannung zu groß wird).

Das gilt immer noch für diese Schaltungsvariante. Miss in der Simu nach, 
wie groß die Gate-Source-Spannung an deinem pFET wird. Und dann schau 
nach, wie viel tatsächlich erlaubt ist.

Was du z.B. machen könntest:
- wirf D1 aus der Schaltung
- gib Q1 einen Emitterwiderstand. Wenn der genau so groß ist wie R1, 
dann wird in der On-Phase des pFET der Spannungsabfall am 
Emitterwiderstand und an R1 ebenfalls gleich groß sein. Bei 10V 
Steuerspannung würden also an R1 9,3V abfallen - das reicht, um den pFET 
vernünftig aufzusteuern. Wenn du für Q1 eine andere Steuerspannung 
verwendest (z.B. 5V), dann muss der Emitterwiderstand entsprechend 
anders dimensioniert werden (z.B. 470 Ohm). Ziel ist jeweils, das U_GS 
des pFET im vernünftigen Bereich bleibt.

Ralf S. schrieb:
> in der
> Haltphase bleibt der p-Mosfet angeschaltet/leitend, beim Ausschalten
> wird auch der p-Mosfet abgeschaltet und die Energie der Spule über R2
> abgeleitet.

Ja: das wäre geschickter als die PWM auf nFET und pFET gleichzeitig zu 
geben.

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