RPi pico PWM Ansteuerung 24V

[DC (dc001)]

Hallo zusammen,

Ich versuche gerade eine Leistungselektronik per PWM anzusteuern 
(ohmsche Last). Nachdem ich mich ein wenig eingelesen habe, komme ich 
auf die Schaltung im Screenshot. Sieht irgendwie fast zu einfach aus, 
aber bevor ich das zusammen baue die Frage an die Experten: funktioniert 
das ? Habe ich was übersehen ?

Links zu den Datasheets:

MOSFET-Treiber: https://www.mouser.de/datasheet/2/240/media-3320896.pdf

MOSFET: 
http://www.tmc.com.tw/data/upload/portal/20240316/TMC%20%20TM60N04D.pdf

[Ob S. (Firma: 1984now) (observer)]

DC schrieb:

> Sieht irgendwie fast zu einfach aus,
> aber bevor ich das zusammen baue die Frage an die Experten: funktioniert
> das ?

Nein.

> Habe ich was übersehen ?

Ja. U1 benötigt natürlich eine positive Versorgungsspannung. Sonst macht 
der im besten Fall garnix oder er geht sogar kaputt.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

DC schrieb:
> Sieht irgendwie fast zu einfach aus,

Weil du die wichtigsten Sachen weggelassen hast. Wo kommt die Speisung 
für den Treiber her und in welcher Höhe? Ausserdem kann es sein, das du 
bei PWM den Treiber überlastest, wenn du keinen Gatevorwiderstand 
vorsiehst.

Das ist ein Rechenspielchen zwischen maximalem Gatestrom des Treibers, 
dem RC Tiefpass von Gatekapazität und Gatewiderstand und der Frequenz 
der PWM. Ohne diese Daten sieht das alles sehr einfach aus :-P

[DC (dc001)]

Danke für den Hinweis mit der Versorgungsspannung.
Die liegt natürlich auch auf 24V.

[Rainer W. (rawi)]

DC schrieb:
> Habe ich was übersehen ?

Ja, die Angaben zum zu schaltenden Strom und zur PWM-Frequenz.

[Gerd E. (robberknight)]

DC schrieb:
> Die liegt natürlich auch auf 24V.

Falsch. Der Mosfet erlaubt max. +- 20 V ggü. Source.

Bei 10V ist Dein FET für einen niedrigeren Widerstand spezifiziert. Die 
10V am Gate müssen aber erst erreicht werden, was Zeit kostet und damit 
Deine PWM verlangsamt.

Bei 4.5V oder 5V hat er einen etwas höheren Widerstand, dafür wird 
dieser Pegel aber natürlich auch vom Treiber schneller erreicht.

Wie Matthias schon schrieb ist das ein Rechenexempel und ein Justieren 
der verschiedenen Größen.

[DC (dc001)]

Max 2A, PWM Frequenz kann ich selbst bestimmen.

[Ob S. (Firma: 1984now) (observer)]

DC schrieb:
> Max 2A, PWM Frequenz kann ich selbst bestimmen.

Dann mach' das doch einfach erst mal!

Hat nämlich u.U. Konsequenzen für die benötigte Hardwarebeschaltung. 
Falls dir das nicht klar ist...

[Klaus R. (klara)]

Gerd E. schrieb:
> DC schrieb:
>> Die liegt natürlich auch auf 24V.
>
> Falsch. Der Mosfet erlaubt max. +- 20 V ggü. Source.
>

Es war schon schwierig ein Datenblatt für diesen MOSFET zu finden. Erst 
bei JLCPCB bin ich fündig geworden, dachte ich. Aber es war doch nur der 
Typ TMG020N10AD.

https://jlcpcb.com/partdetail/TritechMOS-TMG020N10AD/C19189176

Wie kann man so etwas ohne Datenblatt verbauen wollen?

Aber mal zu Gerd. Wenn der MOSFET eine Gate-Source Voltage von +/- 20 V 
verträgt, warum sollte er in der Schaltung des TO dies nicht vertragen?
mfg Klaus

[Gerd E. (robberknight)]

Klaus R. schrieb:
> Es war schon schwierig ein Datenblatt für diesen MOSFET zu finden.

Das Datenblatt hatte der TO im ersten Post verlinkt.

> Aber mal zu Gerd. Wenn der MOSFET eine Gate-Source Voltage von +/- 20 V
> verträgt, warum sollte er in der Schaltung des TO dies nicht vertragen?

Wenn Du die Versorgung des Gate-Treibers auf 24V legst, gibt der 
Gate-Treiber auch wieder 24V (minus nen paar Millivolt) aus. Und 24V 
sind eben zu viel am Gate wenn der FET dort nur 20V erlaubt.

[DC (dc001)]

Vgss Problem verstanden.

Also ist die Lösung eine niedrigere Versorgungsspannung für den Treiber.
Mit 5V könnte ich den RPi pico ansteuern, würde doppelt Sinn machen.
Irgend eine Empfehlung, wie ich von 24V auf 5V komme ?

[Ob S. (Firma: 1984now) (observer)]

DC schrieb:
> Vgss Problem verstanden.
>
> Also ist die Lösung eine niedrigere Versorgungsspannung für den Treiber.
> Mit 5V könnte ich den RPi pico ansteuern, würde doppelt Sinn machen.
> Irgend eine Empfehlung, wie ich von 24V auf 5V komme ?

Das wäre kompletter Schwachsinn, zumindest bis du dich für eine konkrete 
PWM-Frequenz entschieden hast. Wenn die gering genug ist, kannst du 
nämlich den U1 komplett sparen und brauchst bloß noch einen FET.

Es fängt also damit an, dass du dich auf irgendwas festlegen musst. Das 
fällt Trollen natürlich schwer. Dann damit ist der Troll-Thread sofort 
beendet...

[DC (dc001)]

Es werden relativ träge Heizflächen angesteuert. 1kHz ist vmtl schon zu 
hoch. Ich werde das an einem Muster, bei dem die Steuerung Mist (im 
Sinne von Funktionalität) ist, der Rest der HW aber gut, mal abgreifen. 
Dort habe ich auch den MOSFET her.

[Gerd E. (robberknight)]

DC schrieb:
> Also ist die Lösung eine niedrigere Versorgungsspannung für den Treiber.
> Mit 5V könnte ich den RPi pico ansteuern, würde doppelt Sinn machen.
> Irgend eine Empfehlung, wie ich von 24V auf 5V komme ?

Spannungsregler. Bei der hohen Differenz bietet sich ein Schaltregler 
an. Bedenke bei der Auswahl dass der Mosfet-Treiber kurzzeitig 1,5A pro 
Kanal ausgeben kann, die also auch geliefert bekommen muss. Zum einen 
also mit genug & guten Kondensatoren puffern, z.B. Kombination aus 
Keramik und Polymer.

Zum anderen muss der Spannungsregler den Strom aber schon auch abkönnen. 
Die Frage ist hier nur wie viel. Mit PWM-Frequenz, Total Gate Charge und 
Gate-Widerstand könnte man das berechnen, dafür müsste man sich da aber 
auf konkrete Werte festlegen. Oder halt einfach überdimensionieren.

Wieviel Anhnung hast Du von Schaltreglern, traust Du Dir da ein Layout 
zu? Sonst nimm was fertig integriertes, z.B. RBT20W24S05 oder 
RPMB5.0-3.0.

[Ob S. (Firma: 1984now) (observer)]

DC schrieb:

> Es werden relativ träge Heizflächen angesteuert. 1kHz ist vmtl schon zu
> hoch.

Definitiv. Da würden einige 10Hz mehr als locker reichen.

Damit ist U1 komplett überflüssig und als FETs brauchst du welche, die 
mit 3,3V LL 2A schalten können. Da gibt es viele.

[Nemopuk (nemopuk)]

Meine alte Weller Lötstation taktete ihr PWM Signal mit ungefähr 5 Hz. 
Man konnte das gut an der Status-LED sehen. Mikrowellen-Geräte in der 
Küche takten mit weniger als 1 Hz.

[Ob S. (Firma: 1984now) (observer)]

Ob S. schrieb:

> Damit ist U1 komplett überflüssig und als FETs brauchst du welche, die
> mit 3,3V LL 2A schalten können. Da gibt es viele.

Ach so: natürlich sind aus diesen "vielen" wiederum nur die geeignet, 
die Vds >24V abkönnen. Aber selbst mit dieser Einschränkung bleiben 
immer noch viele über. Das ist einfach Wald-und-Wiesen-Kram ohne jeden 
besonderen Anspruch.

[Rainer W. (rawi)]

DC schrieb:
> Es werden relativ träge Heizflächen angesteuert. 1kHz ist vmtl schon zu
> hoch.

100 Hz wären ziemlich sicher auch noch mehr als hoch genug. Das würde 
deine Schaltverluste gegenüber 1kHz um einen Faktor 10 verringern.
Warum brauchst du überhaupt den Treiber?
Je nach dem, was "träge" in Zahlen heißt, reichen wahrscheinlich sogar 
10Hz aus. Die Temperaturwelligkeit kannst du aus Heizleistung, Frequenz 
und Wärmekapazität ausrechnen.

[Klaus R. (klara)]

DC schrieb:
> MOSFET:
> http://www.tmc.com.tw/data/upload/portal/20240316/TMC%20%20TM60N04D.pdf

Bitdefender warnt.

Eine verdächtige Seite wurde zu Ihrem Schutz blockiert
https://www.tmc.com.tw/data/upload/portal/20240316/TMC%20%20TM60N04D.pdf

Ihre Verbindung mit dieser Webseite ist aufgrund eines nicht 
vertrauenswürdigen Sicherheitszertifikats nicht sicher.
Phishing-Seiten verwenden häufig gefälschte Zertifikate, die diese 
Warnmeldung auslösen. Ziel ist es, Zugriff auf Ihre sensiblen Daten zu 
erlangen.

mfg Klaus

[Klaus R. (klara)]

Gerd E. schrieb:
> Wenn Du die Versorgung des Gate-Treibers auf 24V legst, gibt der
> Gate-Treiber auch wieder 24V (minus nen paar Millivolt) aus. Und 24V
> sind eben zu viel am Gate wenn der FET dort nur 20V erlaubt.

Jau, das hast Du recht. Den Treiber hatte ich mir nicht angeschaut. Aber 
der Mosfet ist bestimmt schon mit der Hälfte der Spannung genügend 
geöffnet.
mfg Klaus

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Ganz ohne Treiberbaustein und für niedrige PWM geht auch die Nummer mit 
dem P-Kanal MOSFet. Mit ein paar einfachen Bauteilen ist man dabei. Die 
Z-Diode dimensioniert man z.B. auf 10 oder 12V.

[Gerd E. (robberknight)]

Matthias S. schrieb:
> Ganz ohne Treiberbaustein und für niedrige PWM geht auch die Nummer mit
> dem P-Kanal MOSFet. Mit ein paar einfachen Bauteilen ist man dabei. Die
> Z-Diode dimensioniert man z.B. auf 10 oder 12V.

Naja, der P-FET macht es wieder komplizierter.

Warum nicht ein simpler N-FET der direkt mit den 3.3V vom 
Mikrocontroller am Gate klar kommt? Also z.B. AO3400A.

Hätte der TO gleich gesagt dass es um 10 - 100 Hz PWM bei 2A geht hätte 
man sich den Aufwand sparen können.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Gerd E. schrieb:
> Naja, der P-FET macht es wieder komplizierter.

Eigenartig, warum das viele immer wieder denken. Da ist nichts 
kompliziertes bei.

[Manfred P. (pruckelfred)]

DC schrieb:
> Es werden relativ träge Heizflächen angesteuert. 1kHz ist vmtl schon zu
> hoch.

Mindestens Faktor Eintausend, eher sogar 10.000 zu hoch. Bei 1kHz wäre 
aber nett, dass man hören kann, wie geheizt wird.

Nemopuk schrieb:
> Mikrowellen-Geräte in der
> Küche takten mit weniger als 1 Hz.

Meine mit mechanischer Uhr hat 30 Sekunden, also bei halber Leistung 15s 
Ein / 15s Aus. Schaut man sich Kochplatten an, Glaskochfeld, werden auch 
diese mit mehreren Sekunden Pause getaktet.

Klaus R. schrieb:
>> Und 24V
>> sind eben zu viel am Gate wenn der FET dort nur 20V erlaubt.
>
> Jau, das hast Du recht. Den Treiber hatte ich mir nicht angeschaut. Aber
> der Mosfet ist bestimmt schon mit der Hälfte der Spannung genügend
> geöffnet.

Dessen Datenblatt sagt max. 9 mOhm @ 10 Volt. Da bietet sich wohl an, 
den Treiber über einen 7812 samt Elko zu versorgen.

Da das Gebilde langsam sein darf / soll, ist der spezielle Treiber eh 
Luxus und man sollte schauen, LL-FETs direkt vom µC zu steuern.

Matthias S. schrieb:
>> Naja, der P-FET macht es wieder komplizierter.
> Eigenartig, warum das viele immer wieder denken. Da ist nichts
> kompliziertes bei.

Es sind zusätzliche Bauteile (samt der überflüssigen Z-Diode) und einen 
P-FET mit niedrigem RDS(on) findet sich auch nicht an jeder Straßenecke.

Die Idee ging mir auch durch den Kopf, aber ich habe sie aus diesem 
Grund nicht geschrieben!

[DC (dc001)]

Es wird gerade viel spekuliert hier…

Die Platine oben ist die Original-Steuerung.

Der 3er Anschluss oben ist 24V (Mitte nicht belegt)
Darunter der 2er ist die anzusteuernde Heizung.
Rechts der 2er ist ein Sensor, dessen Funktion ich noch nicht 
herausgefunden habe. Es ist vmtl ein Überhitzungsschutz oder ein 
Wärmesensor (Widerstand).
Unten der 2er ist der Lüfter.
Die Kontaktreihe rechts geht auf eine 7-Segment Anzeige mit 4 Stellen 
und ein paar Symbolen.

Leider sind einige Beschriftungen entfernt worden.

Diese Steuerung möchte ich ersetzen durch einen intelligenten 
Controller, der sich über eine HomeAssistant Zentrale steuern lässt 
(MQTT oder HTML).

Zum Heizbett habe ich keine technischen Daten und es gibt keine 
Aufdrucke um das Produkt identifizieren zu können.

Ich versuche morgen, das mit einem Oszi aufzudröseln.

[Nemopuk (nemopuk)]

DC schrieb:
> Diese Steuerung möchte ich ersetzen

Siehst du: Da werden die MOSFET Q2 und Q3 auch einfach direkt vom 
Mikrocontroller U3 angesteuert.

[DC (dc001)]

Wie versprochen habe ich heute die Schaltung mal versucht, etwas 
auseinander zu nehmen:

PWM läuft mit 10 Hz
MOSFET wird direkt mit 3,3V vom Controller angesteuert.

Die Schaltung schaut so aus wie im Anhang. Nice.

Bleiben jetzt noch 2 Fragen übrig:
- eine Empfehlung für eine vergleichbare Ansteuerung eines Lüfters (24V, 
100mA)
- Eure Meinung zur Struktur für 4 Geräte
  Variante 1: zentrale Platine, die alles steuert incl. 
Leistungselektronik
  Variante 2: zentrale Steuerplatine, 4x dezentrale Leistungselektronik

Hintergrund:
Es sollen 4 Systeme angesteuert werden.
Jedes System hat ein Heizbett, einen Lüfter und Sensoren via Qwiic 
angesteuert.
Variante 1 wäre, alles auf eine Platine zu packen und für jedes Gerät 
die endständige Verkabelung direkt anschließen.
Variante 2 wäre für jedes Gerät eine 24V Versorgungsleitung und die 3,3V 
Signale über ein separates Kabel (vmtl. zweckentfremdetes Ethernet-Kabel 
wg. Abschirmung) und eine Leistungsplatine in jedem der 4 Geräte mit den 
MOSFETs.

[Nemopuk (nemopuk)]

Der MOSFET ist dafür ungeeignet, da erst ab 4,5V Steuerspannung 
spezifiziert. Nimm  IRLML6344.

R1 und R3 sind zu hochohmig. Verringere sie auf 47 Ohm.

Wie man den Lüfter am besten Steuert, hängt stark vom konkreten Lüfter 
ab.

Die Frage nach zentraler oder verteilter Steuerung musst du selbst 
entscheiden. Beides kann funktionieren.

[Mi N. (msx)]

Gerd E. schrieb:
> Warum nicht ein simpler N-FET der direkt mit den 3.3V vom
> Mikrocontroller am Gate klar kommt? Also z.B. AO3400A.

Hätte ich ja auch gesagt.

DC schrieb:
> Zum Heizbett

Extern über Kabel angeschlossen? Dann fehlt ein Schutz vor Kurzschluß.