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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ansteuerung Transistorendstufe mittels ATMega88 PWM


Autor: Volker Racho (Gast)
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Hallo,

ich muss für ein Projekt eine Highside-Transistorendstufe bauen die über 
Pulsweitenmodulation von einem ATMEL ATMega88 angesteuert wird.
Das modulierte Rechtecksignal soll im Frequenzbereich von 400-600Hz 
liegen.
Stellbereich der PWM beträgt 50% und 100%.

Die Endstufe steuert ein Magnetventil an, das anziehen soll und dann den 
Kontakt hält.
Ich muss also mit der selben Endstufe 2 verschiedene Ströme schalten 
können: Einmal den Anzugsstrom (2A) und zweitens den Haltestrom (1A).
Beides bei einer Spannung von 14V.

Meine Frage ist nun, wie eine Schaltung dafür aussehen könnte, vor 
allem, wie ich es hinkriege, dass ich die Endstufe so schalte, dass die 
Leistung am Verbraucher genau halbiert wird (da Haltestrom halb so gross 
wie Anzugsstrom sein muss)?

Ich habe im Datenblatt vom ATMega88 gelesen, dass der eine 
Betriebsspannung von 2,7-5V hat. Gehe ich richtig in der Annahme, dass 
bei 50% PWM dann 2,5V und bei 100% PWM 5V an meiner Endstufe anliegen?

Wäre toll wenn mir jemand weiterhelfen könnte!

mit freundlichen Grüßen

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Volker Racho (Gast)

>Die Endstufe steuert ein Magnetventil an, das anziehen soll und dann den
>Kontakt hält.

Und das mag PWM? Hmmmm?

>Ich muss also mit der selben Endstufe 2 verschiedene Ströme schalten
>können: Einmal den Anzugsstrom (2A) und zweitens den Haltestrom (1A).
>Beides bei einer Spannung von 14V.

???

>Meine Frage ist nun, wie eine Schaltung dafür aussehen könnte, vor
>allem, wie ich es hinkriege, dass ich die Endstufe so schalte, dass die
>Leistung am Verbraucher genau halbiert wird (da Haltestrom halb so gross
>wie Anzugsstrom sein muss)?

Ahhh, wir kommen dem Problem schon näher. Du willst das Relais erstmal 
anziehen lassen und dann (um nergie/Wärme zu sparen) den Strom auf 1A 
senken. Wirklich? Oder reicht es einfach, immer 2A durch das Relais 
zujagen, sollte ja nicht schaden, oder? Dann brauchst du keine PWM.

>Betriebsspannung von 2,7-5V hat. Gehe ich richtig in der Annahme, dass
>bei 50% PWM dann 2,5V und bei 100% PWM 5V an meiner Endstufe anliegen?

Bei 5V Versorgungsspannung.

>Wäre toll wenn mir jemand weiterhelfen könnte!

Was du aber brauchst ist eher eine Konstantstromquelle, nicht 
Spannungsquelle. Die kann man aber auch über PWM einstellen, bzw 
auch ganz abschalten.

MFG
Falk

Autor: Volker Racho (Gast)
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Hi!

Kann sein, dass ich mich vorhin etwas missverständlich ausgedrückt habe. 
Ich versuchs noch mal:

Also, ich habe ein Magnetventil. Die Aufgabenstellung lautet, dieses 
Magnetventil über eine Highside-Endstufe anzusteuern. Die Endstufe 
selbst, wird über einen PWM-Port des Mikrocontrollers ATMega88 
angesteuert.

Das Ansteuerungssignal der Endstufen ist ein PWM- moduliertes 
Rechtecksignal in einem Frequenzbereich von 400-600 Hz. Der PWM 
Stellbereich umfasst 100% und 50%.

Die Ansteuerfolge nach dem Einschalten ist wie folgt:

100% PWM für 50ms (in der Zeit soll der Strom am Magnetventil 2A 
betragen
                   und der Magnet soll anziehen)
---> Anzugsstrom

Anschließend 50% PWM. (jetzt wird weniger Strom benötigt, ab dieser
                       Zeit soll der Strom für unbestimmte Dauer 1A
                       betragen damit der Magnet den Kontakt halten 
kann)

Das Prinzip hast Du also richtig verstanden. Leider ist die Vorgabe so, 
dass der Strom nicht 2A bleiben darf. Die Spannungs- bzw. Stromquelle 
(deren Spannung durchgeschaltet werden soll) ist eine normale 
Autobatterie.

Ich hoffe das war jetzt etwas verständlicher :-)

MFG

Autor: Anon Ymous (anonymous)
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Hast du das Magnetventil in Realität? Das Funktionsprinzip dürfte 
ähnlich wie bei einem Relais sein. Dieses braucht zum schalten auch mehr 
Energie als zum Halten.

Ich gehe davon aus, dass die 1A, 2A Maximalwerte in den jeweiligen 
ZUständen sind und sich die Spule den Strom holt, den sie braucht - bei 
14V!

Autor: Volker Racho (Gast)
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Ja ich hab das Ventil in Realität. Du hast recht, das Verhalten ist wie 
bei einem relais. Mit dem Strom liegst Du ebenfalls richtig, die Angaben 
sind angenäherte Werte.

MFG

Autor: Anon Ymous (anonymous)
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Probier doch mal aus, ob das Magnetventil durchbrennt, wenn du einfach 
14V anlegst. Dann brauchst du auch keine PWM. Mal ganz davon abgesehen, 
dass du dann keinen konstanten Strom hast und eine Induktionsspannung.

Autor: Volker Racho (Gast)
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ich danke Dir für die Überlegung, die sache ist nur, dass es in der 
Aufgabenstellung gefordert wird genannte Bauteile so anzusteuern.
Die Frage ist also nicht, OB ich es so machen kann, sondern WIE ...

und das WIE bezieht sich eben auf den Aufbau der Endstufe, da ich kaum 
Erfahrung mit Verschaltung von MOS-FETs und ähnlichem hab...

Der Strom muss also auf jeden Fall auf 2A bzw 1A begrenzt sein und an 
dem Magnetventil (ein einfacher Elektromagnet) müssen die ganze Zeit 
über 14 +-0,5 Volt anliegen.

MFG

Autor: Michael Waiblinger (wiebel42)
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Volker Racho wrote:
> ich danke Dir für die Überlegung, die sache ist nur, dass es in der
> Aufgabenstellung gefordert wird genannte Bauteile so anzusteuern.
> Die Frage ist also nicht, OB ich es so machen kann, sondern WIE ...
Also kein Problem sondern eine Aufgabe, wie Realistisch auch immer, 
nagut.

> und das WIE bezieht sich eben auf den Aufbau der Endstufe, da ich kaum
> Erfahrung mit Verschaltung von MOS-FETs und ähnlichem hab...
Einen High-side MOS-FET kann man im einfachsten fall mit einem 
(Bipolar)Transistor und  einem Widerstand als Spannungsteiler treiben, 
also wenn der Transistor offen ist (0) zieht der Widerstand das Gate auf 
Vcc (14V) und der FET öffnet, wenn der Transistor schaltet (1) zieht er 
das Gate auf Masse und der FET leitet. Es gibt natürlich auch wesentlich 
elaboriertere Lösungen mit Treiber ICs Ladungspumpen, Hilfsspannungen 
....

>
> Der Strom muss also auf jeden Fall auf 2A bzw 1A begrenzt sein und an
> dem Magnetventil (ein einfacher Elektromagnet) müssen die ganze Zeit
> über 14 +-0,5 Volt anliegen.
Ja, das geht aber ja nun mal gar nicht, wenn an der Spule IMMER 14V 
anliegt wird da auch immer der Strom fliessen den die Spule eben grade 
zieht. Wenn du den Strom regeln willst wird das in jedem Fall 
Auswirkungen auf, die Spannung haben, die an der Spule abfällt. Wenn 
nicht

Wenn du eine richtige Stromquelle aufbaust, kannst du aber natürlich mit 
FETS die Stromvorgabe regeln, wie ja Falk bereits angedeutet hat. Aber 
so richtig klar ist das alles noch nicht.
Auf der anderen Seite solltest du das Forum auch nicht für 
unrealistische Schulaufgaben heranziehen, die meisten Leute hier sind 
sehr problemorientiert und haben nur bedingt Lust mit einem "Die Frage 
ist also nicht, OB ich es so machen kann, sondern WIE ..." zu leben, wo 
es doch offensichtlich keinen Sinn macht.

-wiebel

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Volker Racho (Gast)

>Kann sein, dass ich mich vorhin etwas missverständlich ausgedrückt habe.

Nöö, mir ist schon klar was du willst.

>Das Prinzip hast Du also richtig verstanden. Leider ist die Vorgabe so,
>dass der Strom nicht 2A bleiben darf. Die Spannungs- bzw. Stromquelle
>(deren Spannung durchgeschaltet werden soll) ist eine normale
>Autobatterie.

Naja, im Prinzip kein Thema. Die Strombegrenzung im Relais macht immer 
der ohmsche Widerstnad der Wicklung, wenn es bei 14V 2A zieht sind das 7 
Ohm. Um den Strom auf 1A zu bregrenzen muss man einfach nochmal 7 Ohm in 
Reihe schalten. Das Ganze über zwei HIGH-Side Schalter, eine UDN2981 
sollte es tun. Siehe Anhang. Dann braucht man nur zwei IO-Pin und keine 
PWM etc. Mit PWM und Konstantstromquelle ist die Edel-Deluxe-Variante.

MFG
Falk

Autor: Martin Schneider (Gast)
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Hallo,

der Ursprungsposter hat doch seine Ansprüche klar geschrieben:

Kurz 100% zum Einschalten und dann 50% zum Halten.

Wo ist da das Problem?

Er braucht eine H-Side Stufe, entweder mit einem teuren 
Automotive-Treiber
(z.B. von Infineon BTS...) oder die Minimalvariante aus npn-Transistor 
am
µC und pnp-Schalter (oder FET) zum Schalten der 2A.

Die Senkung auf 1A ergibt sich aus der Einschaltdauer von 50%. Der 
Schalter
schaltet immer 2A!

Alles andere mit Vorwiderstand oder Spannung (analog) regeln bringt 
unnötig hohe Verlustleistungen.

Es ist natürlich sicherzustellen, daß das Ventil mit PWM-Ansteuerung 
klarkommt und nicht zu heiß wird.

Ahoi, Martin

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Martin Schneider (Gast)

>Wo ist da das Problem?

>Es ist natürlich sicherzustellen, daß das Ventil mit PWM-Ansteuerung
>klarkommt und nicht zu heiß wird.

Eben DAS kann ein Problem sein. Relais direkt mit PWM ansteuern? Hmmm? 
Zumindest scheint mir dabei ein PWM-Freqeunz von 500 Hz etwas niedrig.

MFG
Falk

Autor: Volker Racho (Gast)
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Also, eine Stromregelung für das Ventil ist nicht erforderlich. Wie 
Martin schon sagte sollen sich die Ströme durch die PWM ergeben.

Ich weiss nicht, ob man sagen kann, dass das Ventil direkt mit PWM 
angesteuert wird... ich bekomme halt aus dem Mikrocontroller das 
genannte PWM-Signal und das muss ich so verarbeiten, dass das Ventil 
anzieht und dann angezogen bleibt.

Ich muss auch zugeben, dass ich das mit der PWM noch nicht so recht 
verstanden hab... ich verändere dabei doch die Spannung durch zeitliche 
verkürzung des Signales, richtig? Also hätte ich bei 5V 
Versorgungsspannung am IC für 50% PWM 2,5V die zur Endstufe gehen.
Die techn. Daten des Ventiles sagen aus, dass der Anzugsstrom ca 2A 
beträgt und der Haltestrom ca 1A. Also halbiert sich der Strom.
Wenn ich doch aber die Spannung durch PWM auch halbiere, dann müsste ich 
ja einen  Transistor haben, der ein lineares Verhalten aufweist oder bin 
ich jetzt total verwirrt? Und den gibt es nicht oder?

Übrigens ist dies hier keine sinnlose Schulaufgabe, sondern Teil eines 
Entwicklungsprojektes für ein KFZ-Steuergerät. Es sind nur die 
einzuhaltenden Vorgaben sehr detailliert... Also, PWM muss sein.

MFG

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Volker Racho (Gast)

>Ich weiss nicht, ob man sagen kann, dass das Ventil direkt mit PWM
>angesteuert wird... ich bekomme halt aus dem Mikrocontroller das
>genannte PWM-Signal und das muss ich so verarbeiten, dass das Ventil
>anzieht und dann angezogen bleibt.

>Ich muss auch zugeben, dass ich das mit der PWM noch nicht so recht
>verstanden hab... ich verändere dabei doch die Spannung durch zeitliche
>verkürzung des Signales, richtig?

PWM

>Die techn. Daten des Ventiles sagen aus, dass der Anzugsstrom ca 2A
>beträgt und der Haltestrom ca 1A. Also halbiert sich der Strom.

Naja, es reicht 1A, um das Relais im Haltezustand zu halten ;-)

>Wenn ich doch aber die Spannung durch PWM auch halbiere, dann müsste ich
>ja einen  Transistor haben, der ein lineares Verhalten aufweist oder bin
>ich jetzt total verwirrt?

Ja.

> Und den gibt es nicht oder?

Aber sicher, doch darum geht es nicht.

>einzuhaltenden Vorgaben sehr detailliert... Also, PWM muss sein.

Wahrscheinlich wegen der Verlustleistung. Naja, dann eben einfach einen 
HIGH-Side Trieber. PWM dran und fertig. GGf. braucht es noch ne 
Freilaufdiode, wenn die noch nicht im Relais drin ist.

MFG
Falk

Autor: Martin Schneider (Gast)
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Genau, der High-Side-Schalter verstärkt nur das PWM-Signal von 5V/2mA 
des Controller auf 14V/2A für das Ventil. Die Einschaltzeiten bleiben 
(etwa) gleich.

Das wird zum Beispiel zum Stromsparen auch in Batteriebetriebenen 
Aktoren gemacht: die Relais werden nach dem Anziehen nur noch mit 
schmalen Pulsen (PWM<30%) am Abfallen gehindert. Spart viel Strom. Ein 
Standard-KfZ-Relais von Tyco braucht laut Datenblatt min. 7V zum 
Anziehen und fällt erst unter 1.5V garantiert wieder ab - mit 20% PWM 
hat schon gute Karten.

Ein anderer Aspekt ist aber auch wichtig: PWM ist für EMV ganz schlecht, 
besonders bei höheren Strömen. Und: die Anforderungen an KfZ-Elektronik 
sind gigantisch... Insbesondere Störsicherheit bei Spannungsspitzen sind 
ein Thema.

Ahoi, Martin

Autor: Volker Racho (Gast)
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Könnte mir vielleicht einer wenigstens mal schemenhaft aufzeichnen wie 
das in etwa dann aussehen müßte? Dimensionieren wird ja schätz ich kein 
Problem sein. Nur damit ich weiss, wie ich den Treiber usw. verschalten 
muss. Wäre echt toll

MFG

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Volker Racho (Gast)

>Könnte mir vielleicht einer wenigstens mal schemenhaft aufzeichnen wie
>das in etwa dann aussehen müßte? Dimensionieren wird ja schätz ich kein
>Problem sein.

Ach ja? Wenn dir schon mal die Grundschaltung vollkommen unklar ist?
Wie das in der PRaxis aussieht siehst du in meinem bereits geposteten 
Bild, nur dass eben mur ein Kanal direkt verwendet wird. Oder schau in 
Datenblatt vom IC.

MfG
Falk

Autor: Volker Racho (Gast)
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Danke für die Antworten! Werde hoffentlich jetzt klarkommen...

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