Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Steuerung von Lasten mit Arduino und Mosfets


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von Stefan M. (beefjerky)


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Hallo zusammen,

ich habe ein paar Fragen zu einer Schaltung aus einem Arduino-Spezial 
aus der Make (s. Anhang). Es geht um die Steuerung größerer Lasten mit 
einem Arduino und Mosfets. Ohne die Diode verstehe ich die Schaltung 
ganz gut: Der eingesetzte Mosfet ist ein FQP30N06L (normally off). Ohne 
Spannung am Gate (Vgs = 0V) ist die DS-Strecke also hochohmig und leitet 
den Strom nicht, Schalter geöffnet. Erreicht die Spannung am Gate 
Vgs(th) (durch den Arduino-Pin) wird Rds immer kleiner und die 
DS-Strecke beginnt zu leiten, Schalter geschlossen. Die Last wird also 
nach GND durchgeschaltet und der Motor beginnt sich zu drehen, oder die 
LEDs zu leuchten oder was auch immer.

Mit Diode sieht es für mein amateurhaftes Verständnis am markierten 
Punkt aber nun so aus, als könnte der Strom entweder durch die Diode 
Richtung 9V fließen (Durchlassrichtung der Diode!), oder durch die 
DS-Strecke Richtung GND. Offensichtlich ist Letzteres der Fall und meine 
Frage ist warum?

2 Sachen habe ich mir überlegt:

1. Im gesamten Stromkreis durch die Last und die DS-Strecke fallen 9V 
ab, wobei je nach Rds(on) an der Last wahrscheinlich der größere Teil 
abfällt. Das heißt, dass das Potential (?) am markierten Punkt deutlich 
unterhalb von 9V liegt. Strom fließt aber nicht freiwillig vom einem 
niedrigeren zu einem höheren Potential (9V). Deshalb findet in diese 
Richtung auch kein Stromfluss statt.

2. Der Widerstand der Diode ist zunächst ja auch hoch. Erst ab ca. 0.7V 
beginnt die Diode den Strom in Durchlassrichtung zu leiten. Rds(on) 
liegt aber irgendwo im mOhm-Bereich. Deshalb fließt der Strom "lieber" 
durch die DS-Strecke nach GND und nicht durch die Diode.

Könnte eines von beiden in etwa richtig sein?

Es heißt die Diode schützt den Mosfet vor induktiven Strömen, die 
entstehen, wenn der Motor abgeschaltet wird und noch nachläuft, was bei 
einer PWM-Steuerung ja nun quasi permanent vorkommt. Ggfs. hohe Ströme 
würden also vom Motor durch das gelbe Kabel fließen und sollen durch die 
Diode daran gehindert werden über die DS-Strecke nach GND zu gelangen, 
weil diese Ströme den Mosfet zerstören können. Ist das so richtig?

Wenn die Last keine Spannung durch Induktion erzeugen kann, z.B. LEDs 
(?), kann man dann auf diese Diode verzichten?

Vielen Dank für Eure Hilfe!

Schönes WE,
Stefan

von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Schau dir mal den Artikel zur Freilaufdiode an, da ist alles genau 
erklärt.

von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Stefan M. schrieb:
> Es heißt die Diode schützt den Mosfet vor induktiven Strömen, die
> entstehen, wenn der Motor abgeschaltet wird und noch nachläuft, was bei
> einer PWM-Steuerung ja nun quasi permanent vorkommt. Ggfs. hohe Ströme
> würden also vom Motor durch das gelbe Kabel fließen und sollen durch die
> Diode daran gehindert werden über die DS-Strecke nach GND zu gelangen,
> weil diese Ströme den Mosfet zerstören können. Ist das so richtig?
>
> Wenn die Last keine Spannung durch Induktion erzeugen kann, z.B. LEDs
> (?), kann man dann auf diese Diode verzichten?

Deine vorherigen beiden Punkte habe ich ehrlich gesagt nicht wirklich 
verstanden. Aber dieser Part ist ziemlich richtig. Und auch Deine 
Schlussfolgerung, dass diese Diode dann entfallen kann. Bedenke aber - 
zur Vollständigkeit - dass auch lange Leitungen eine nennenswerte 
Induktivität haben können. Aber grundsätzlich ist es richtig, dass, wenn 
du keine (stark) induktiven Lasten - eben wie eine LED oder ähnliches - 
hast, dass du dann keine Freilaufdiode brauchst.

von Stefan M. (beefjerky)


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Hi, danke für Deine Antwort!

Stefan S. schrieb:
> Schau dir mal den Artikel zur Freilaufdiode an, da ist alles genau
> erklärt.

Diese Seite enthält momentan noch keinen Text. Du kannst sie erstellen, 
ihren Titel auf anderen Seiten suchen oder die zugehörigen Logbücher 
betrachten.

Ein passender Artikel fehlt wohl noch, aber ich kann mit Freilaufdiode 
ja schon mal weiter suchen. Es ist halt leider meistens so, dass es 
entweder nicht oder viel zu oberflächlich oder viel zu detailiert 
beschrieben wird... :-)

Gruß,
Stefan

von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Oh, mein Fehler!
Dachte, es gäbe einen eigenen Artikel. Naja, was nicht ist kann ja noch 
werden...

Egal, jedenfalls hier der passende Artikel - Relais sind auch nichts 
anderes als eine induktive Last:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Relais_mit_Logik_ansteuern

von Stefan M. (beefjerky)


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Bei Wikipedia steht unter Freilaufdiode: "Dazu werden Halbleiterdioden 
(im Schaltbild bezeichnet als Freilaufdiode) derart parallel zu 
induktiven Gleichstromverbrauchern (im Schaltbild: L mit 
Widerstandsanteil RL) geschaltet, dass sie von der Speisespannung in 
Sperrrichtung beansprucht werden."

Ok, "parallel zur Last in Sperrrichtung zur Speisespannung betrieben 
werden" hätte ich geschrieben und nicht "von der Speisespannung in 
Sperrrichtung beansprucht", aber ok, das kann ich noch verstehen. Jetzt 
muss man die Wirkung der Freilaufdiode, ja für den Fall betrachten, dass 
die DS-Strecke sperrt. Der Motor schaltet ab, aber der Strom fließt 
weiter in die gleiche Richtung plus der Induktionsspannung, also über 
das grüne Kabel (nicht das gelbe, wie ich vorhin geschrieben habe) bis 
zum markierten Punkt und dann über die Diode zurück zu 9V. Ohne die 
Freilaufdiode würde die hohe Spannung an Drain den Mosfet zerstören. 
Aber warum nimmt der Strom in diesem Fall (DS-Strecke sperrt) den Weg 
über die Diode, aber im anderen Fall (DS-Strecke leitend) den Weg über 
die DS-Strecke nach GND? Der Strom könnte doch auch bei 
durchgeschaltetem Mosfet den Weg durch die Diode nehmen. Warum tut er 
das nicht?

Gruß,
Stefan

von MaWin (Gast)


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Stefan M. schrieb:
> Erreicht die Spannung am Gate Vgs(th) (durch den Arduino-Pin) wird Rds
> immer kleiner und die DS-Strecke beginnt zu leiten, Schalter
> geschlossen. Die Last wird also nach GND durchgeschaltet und der Motor
> beginnt sich zu drehen,

Na ja, VGS(th) ist die Spannung unterhalb er sicher sperrt.

Dann kommt erst mal die lineare Region in der der MOSFET wie ein 
steuerbarer Widerstand wirkt.
Erst ab ca. 2* UGS(th) schaltet er richtig durch.
Man muss daher zumindest so eine Spannung ans Gate legen, zu der ein 
RDS(on) im Datenblatt genannt wurde, wenn man den MOSFET durchschalten 
will.

Bei Ansteuerung durch einen Arduino mit 5V also einen LogicLevel-MOSFET. 
Die gibt es bis ca. 100V Sperrspannung.

von my2ct (Gast)


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Stefan M. schrieb:
> ich habe ein paar Fragen zu einer Schaltung aus einem Arduino-Spezial
> aus der Make (s. Anhang).

Gibt es dazu auch einen (richtigen) Schaltplan?

von J. T. (chaoskind)


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Stefan M. schrieb:
> Der Strom könnte doch auch bei durchgeschaltetem Mosfet den Weg durch
> die Diode nehmen. Warum tut er das nicht?

Weil es gar nicht so sehr um den Strom geht. Beim Abschalten von Strömen 
in Induktivitäten wollen die Ströme weiterfließen, durch den nun 
geöffneten Schalter können sie aber nicht. Daher entsteht eine große 
Spannung, und die ist es, die den FET kaputt macht.
Ein Kondensator speichert Spannung, eine Spule speichert Strom, 
vereinfacht gesagt.
Beim Kondensator stelle ich mir immer ein Gefäß vor, in dem eine 
verschiebbare Platte drin ist, welche von einer Feder zurückgestellt 
wird. Wenn nun Wasser dareinfließt steht es unter um so größerem Druck, 
je weiter die Feder ausgelenkt wird.
Bei der Spule stelle ich mir ein Schwungrad an einer Turbine vor. Wasser 
fließt durch die Turbine, das Schwungrad fängt an sich zu drehen. Nun 
machst du dass Ventil zu, dass den Wasserfluss durch die Turbine 
steuert, es kann kein Wasser mehr abfließen. Das Schwungrad hat aber 
noch Schwung, dreht die Turbine weiter, welche nun als Pumpe fungiert. 
Dadurch entsteht eine Druckspitze am Ventil.
Ziemlich analog dazu passiert dass auch in der Elektronik. Nur dass der 
Schwung nicht nur aus der Masse kommt, sondern auch von den 
Magnetfeldern beeinflusst wird.
Und umso größer deine Indukitivität umso größer wäre deine Schwungmasse. 
Ein schweres Schwungrad ist schwerer in Gang zu setzen als ein leichtes. 
Dafür hat es dann aber auch mehr Schwung, wenn es erstmal in Gang ist.

MfG Chaos

von Stefan M. (beefjerky)


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Hi,

vielen Dank für Deine Antwort.

J. T. schrieb:
> Bei der Spule stelle ich mir ein Schwungrad an einer Turbine vor. Wasser
> fließt durch die Turbine, das Schwungrad fängt an sich zu drehen. Nun
> machst du dass Ventil zu, dass den Wasserfluss durch die Turbine
> steuert, es kann kein Wasser mehr abfließen. Das Schwungrad hat aber
> noch Schwung, dreht die Turbine weiter, welche nun als Pumpe fungiert.
> Dadurch entsteht eine Druckspitze am Ventil.

Ja, ich denke, mir ist klar wie das Phänomen entsteht, vor dem die Diode 
schützen soll. Aber: Welche Vorgänge laufen an der Diode ab?

An dem markierten Punkt liegt also beim Abschalten des Motors eine sehr 
hohe Spannung an, die nicht über die DS-Strecke nach GND abgeführt 
werden kann, weil die zu diesem Zeitpunkt unterbrochen ist. Stattdessen 
wird die Spannung aber offenbar über die Diode abgeleitet, denn die wird 
meiner Meinung nach zumindest ab 0.7V leitend. Allerdings leitet die 
Diode die Spannung nicht nach GND ab, sondern nach 9V der Batterie. 
Warum geht das trotzdem?

Und für den gegensätzlichen Fall, dass der Mosfet voll durchgeschaltet 
hat und die Last nach GND durchgeschaltet ist. Warum wird dann keine 
Spannung über die Diode abgeführt, sondern nur über die DS-Strecke nach 
GND?

Vielen Dank,
Stefan

: Bearbeitet durch User
von J. T. (chaoskind)


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Stefan M. schrieb:
> An dem markierten Punkt liegt also beim Abschalten des Motors eine sehr
> hohe Spannung an, die nicht über die DS-Strecke nach GND abgeführt
> werden kann

Die DS-Strecke entspricht dem Ventil. Dein Motor entspricht dem 
Schwungrad. In dem Fall hat er sogar wirklichen Schwung, der auch noch 
als Generator wirkt, nicht nur den induktiven "Schwung" aus den 
Motorspulen. Wenn du dem Gate jetzt die Steuerspannung weg nimmst, geht 
dein Ventil zu. Das Schwungrad pumpt weiter, da aber nichts mehr 
abfließen kann, steigt der Druck an. Sobald der "Druck"0.7 Volt größer 
als die Betriebsspannung ist (wenn es ne Siliziumdiode ist) macht die 
Diode auf und es kann wieder "Wasser" weiterfließen. Dadurch kann das 
Schwungrad wieder Strom statt Spannung machen. An den Widerständen 
unterwegs (auch Leiterbahnen haben in der Realität einen Widerstand) 
klingt die Energie langsam ab, die ohne die Diode in einer 
"Ventil"-zerstörenden Druckspitze geendet hätte.

In der Realität ist das ganze ein klein wenig komplexer, aber als grobe 
Modellvorstellung war mir das recht hilfreich

von J. T. (chaoskind)


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Stefan M. schrieb:
> Und für den gegensätzlichen Fall, dass der Mosfet voll durchgeschaltet
> hat und die Last nach GND durchgeschaltet ist. Warum wird dann keine
> Spannung über die Diode abgeführt, sondern nur über die DS-Strecke nach
> GND?

Weil dann keine ausreichende Spannung über der Fiode liegt, um einen 
Stromfluss zuzulassen. Normalerweise (ohne Induktivität die durch ihren 
"Schwung" Spannungsspitzen verursachen können) ist die Betriebsspannung 
ja die größte Spannung in einer Schaltung. Hinter jedem Widerstand wird 
die Spannung kleiner als vor ihm (spannungsrichtungsmäßig). Daher wird 
ohne Induktivität die Spannung an der Anode niemals größer als an der 
Kathode, welche an der Betriebsspannung liegt. Ich hoffe das war jetzt 
richtig rum. Ich hab meine Schwierigkeiten Anode und Kathode auseinander 
zu halten. Ich mein so wie bei dir, dass der Pfeil zur Betriebsspannung 
zeigt :D

von J. T. (chaoskind)


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Stefan M. schrieb:
> denn die wird meiner Meinung nach zumindest ab 0.7V leitend. Allerdings
> leitet die Diode die Spannung nicht nach GND ab, sondern nach 9V der
> Batterie. Warum geht das trotzdem?

Auch hierzu noch: der Strom geht dann durch den Kreis Motor --> Diode 
--> Vcc --> Motor --> Diode....

Wobei ich mir grad nicht sicher bin, ob nicht auch ein Teil des Stromes 
in die Batterie zurückfließen müsste und sie somit ein klein wenig lädt. 
Aber andrerseits ist die Spannung hinter der Diode ja wieder 0.7V 
kleiner, also exakt die Betriebsspannung, und damit dürfte es nur den 
genannten Kreis gehen.

von Stefan M. (beefjerky)


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Hi!

J. T. schrieb:
> Sobald der "Druck"0.7 Volt größer
> als die Betriebsspannung ist (wenn es ne Siliziumdiode ist) macht die
> Diode auf und es kann wieder "Wasser" weiterfließen. Dadurch kann das
> Schwungrad wieder Strom statt Spannung machen. An den Widerständen
> unterwegs (auch Leiterbahnen haben in der Realität einen Widerstand)
> klingt die Energie langsam ab, die ohne die Diode in einer
> "Ventil"-zerstörenden Druckspitze geendet hätte.

Sehr schön bildlich erklärt, vielen Dank. Und mir wird jetzt auch erst 
klar, dass die Diode natürlich nicht ab absolut 0.7V beginnt zu leiten, 
sondern ab 0.7V Potentialdifferenz, in diesem Fall also ab 9.7V. Das 
wird natürlich nie erreicht, solange die DS-Strecke nach GND 
durchgeschaltet ist. Dieser Fall ist damit denke ich erledigt.

J. T. schrieb:
> Aber andrerseits ist die Spannung hinter der Diode ja wieder 0.7V
> kleiner, also exakt die Betriebsspannung, und damit dürfte es nur den
> genannten Kreis gehen.

Ok, ich dachte allerdings, dass die Spannungen, die beim Abschalten 
einer induktiven Last entstehen schon deutlich größer sein können, als 
die Betriebspannung. Das Beispiel zur Freilaufdiode bei Wikipedia geht 
von mehr als 100V aus (2. Abbildung). Auch wenn die Spannung dann hinter 
der Diode wieder um 0.7V kleiner ist, wäre dann nicht als nächstes die 
Last selbst in Gefahr? In diesem Fall würde der Motor dann doch 
kurzzeitig eine erheblich höhere Spannung abbekommen, oder?

Vielen Dank und viele Grüße,
Stefan

von J. T. (chaoskind)


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Stefan M. schrieb:
> Das Beispiel zur Freilaufdiode bei Wikipedia geht von mehr als 100V aus
> (2. Abbildung). Auch wenn die Spannung dann hinter der Diode wieder um
> 0.7V kleiner ist, wäre dann nicht als nächstes die Last selbst in
> Gefahr? In diesem Fall würde der Motor dann doch kurzzeitig eine
> erheblich höhere Spannung abbekommen, oder?

Das Beispiel hab ich mir jetzt nicht angeguckt, vermute aber dass die 
angesprochenen 100V ohne die Freilaufdiode gemeint sind. Denn mit ihr 
fängt es ja, wie du ganz richtig verstanden hast, ab 0.7V potdif zu 
leiten an.
Nehmen wir an, im Abschaltmoment fließen gerade 10A durch deine Spule. 
Noch haben wir nicht abgeschaltet (nehmen wir an der MOSFET hat nen 
RDSon von 1mOhm) dann fallen an ihm 10mV ab. Nun machen wir den FET zu. 
Sein RDSoff wird bei, sagen wir spaßeshalber, 1GigaOhm liegen. Wäre die 
Diode nicht da, würden die weiterfließen wollenden 10A 10Gigavolt an ihm 
abfallen lassen. Da aber die Diode anfängt zu leiten, wenn die 0.7V 
erreicht sind, fließen die 10A einfach durch die Diode weiter. Und 
genaugenommen sind es auch nicht 0.7V, sondern genauso viele Volt, wie 
du über der Diode messen würdest, wenn du 10A durch sie fließen lässt.

von J. T. (chaoskind)


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Stefan M. schrieb:
> Ok, ich dachte allerdings, dass die Spannungen, die beim Abschalten
> einer induktiven Last entstehen schon deutlich größer sein können, als
> die Betriebspannung.

Können sie ja auch, wenn kein Pfad da ist, über den der induzierte Strom 
weiterfließen kann. Da aber die Diode da ist, steigt die Spannung nur so 
weit an, wie es nötig ist um den Strom im Abschaltmoment weiter fließen 
zu lassen

MfG Chaos

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