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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisfrage zu der H- Brücke


Autor: KingRing (Gast)
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Hallo,

ich verstehe die H Brücke noch nicht vollkommen.

z.B. hier http://s-huehn.de/elektronik/fahrtregler/fahrtregler.htm

1) Warum müssen 2 P und 2 N mosfets verwendet werden?

2) Müssen beide diagonal liegenden Mosfets mit PWM getaktet werden?
   Es müsste doch reichen wenn einer durchgeschaltet wird und der andere
   mit PWM getaktet.
3) Wie wähle ich ein Mosfet aus?

Mein Motor soll max. 15A ziehen und wird mit 42VDC betrieben.

Autor: Otto (Gast)
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Hallo KingRing,

es gibt fertige Brücken, die haben alles "on Board" z. B. VNH2SP30, dann 
hast Du fertig - die kann 30A. Normalerweise wird nur der Low-Side mit 
PWM getaktet.

Gruss Otto

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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KingRing wrote:
> Hallo,
>
> ich verstehe die H Brücke noch nicht vollkommen.
>
> z.B. hier http://s-huehn.de/elektronik/fahrtregler/fahrtregler.htm
>
> 1) Warum müssen 2 P und 2 N mosfets verwendet werden?
Wenn die oberen beiden MOSFETs ohne High-Side-Driver angesteuert werden 
sollen, dann müssen p-Kanal-FETs genommen werden, weil da das 
Source-Potenzial definiert ist. Bei n-kanal-FETs läge das 
Source-Potenzial floatend an der Motorklemme, was eine separate 
Steuerspannung mit der Motorklemme als Bezugspunkt erfordern würde. Die 
Variante mit komplementären MOSFETs geht aber nur bei Spannungen, die 
kleiner sind als die maximale Gate-Source-Spannung der MOSFETs (also im 
Bereich unter 20 V). Bei Deinen 42 V wirst Du um eine Schaltung aus 4 
n-Kanal-FETs und die entsprechenden High-Side-Treiber nicht rumkommen.

> 2) Müssen beide diagonal liegenden Mosfets mit PWM getaktet werden?
>    Es müsste doch reichen wenn einer durchgeschaltet wird und der andere
>    mit PWM getaktet.
Es gibt zwei Möglichkeiten:
a: Eine Halbbrücke wird mit dem PWM-Signal getaktet (beide MOSFETs 
jeweils im Wechsel) und die andere Halbbrücke gibt statisch die 
Drehrichtung vor.

b: Eine Halbbrücke wird mit dem PWM-Signal angesteuert, die andere mit 
dem invertierten PWM-Signal. Dabei ist kein separates Signal für die 
Drehrichtung erforderlich und man hat allein durch die PWM einen 
durchgehenden Drehzahlbereich von max. negativer Drehzahl bis max. pos. 
Drehzahl. Außerdem ist in diesem Fall auch bei Drehzahl Null ein 
Drehmoment vorhanden (es fließt ein Strom), während Variante a kein 
Haltemoment hat.

Generell wird bei Variante a ein Wechsel zwischen "Volle Spannung an der 
Last" und "Spannung an der Last ist Null" (Freilauf) im Takt der PWM 
durchgeführt, während bei Variante b zwischen "Volle positive Spannung 
an der Last" und "Volle negative Spannung an der Last" geschaltet wird.

In diesem Fall wird Variante b genutzt, also müssen die FETs über Kreuz 
geschaltet werden.

> 3) Wie wähle ich ein Mosfet aus?
Erstens gibt es fertige Module, die komplette H-Brücken enthalten. Ob es 
in dem Spannungs- und Strombereich noch was leicht erhältliches gibt, 
weiß ich jetzt nicht. Ansonsten muss man eben wissen, was für Spannungen 
und Ströme im Betrieb zu erwarten sind und entsprechend mit einem 
bisschen Reserve die Bausteine auswählen...

Autor: RaKo (Gast)
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> 1) Warum müssen 2 P und 2 N mosfets verwendet werden?

Das ist nicht zwingend erforderlich - es gehen z.B. auch 4 N Mosfets. Da 
aber Mosfets (wie in dem zitierten Artikel erwähnt) relativ hohe 
Ansteuerspannungen benötigen, müssten die oberen N-Mosfets mit einer 
Steuerspannung versorgt werden, die über der Versorgungsspannung liegt! 
Soweit eine soche vorhanden ist, ist das natürlich kein Problem. Es gibt 
auch spezielle MOSFET-Ansteuerbausteine (Treiber/Ladungspumpe), die aus 
der Versorgungsspannung eine höhere Steuerspannung erzeugen.

> 2) Müssen beide diagonal liegenden Mosfets mit PWM getaktet werden?
   Es müsste doch reichen wenn einer durchgeschaltet wird und der andere
   mit PWM getaktet.

Das reicht nicht nur - das sollte auch so sein. Ein Elektromotor besteht 
im inneren aus Spulen - und in Spulen kann der Strom nicht abrupt 
angehalten werden - tut man es doch, so geht im einfachsten Fall die 
Motorleistung nach unten, im schlimmsten Fall entstehen Überspannungen, 
die die Elektronik killen. Man sollte dem Strom also einen Freilaufzweig 
anbieten - und das geht am Einfachsten (wenn auch nicht am Effektivsten) 
dadurch, das man einen der beiden Mosfets anläßt - die Bodydiode des 
nicht aktiven Transistors auf der selben Seite schaltet dann durch und 
der Motorstrom kann durch diese Diode und den eingeschalteten Transistor 
fließen.

Such mal nach dem L6203 (komplette H-Brücke mit TTL-ansteuerung. Der ist 
zwar für deinen Fall zu schwach, aber im Datenblatt ist das Prinzip gut 
erklärt (4x N + chargePump + Freilaufzweig)

MfG
Rainer Koch

Autor: KingRing (Gast)
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Danke erst mal.

Angenommen ich nehme eine fertige Brücke, wie ist es mit der 
Wärmeableitung?
Die VNH2SP30 Brücke hat zu wenig Spannung (41V)

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Die Variante mit komplementären MOSFETs geht aber nur bei Spannungen, die
>kleiner sind als die maximale Gate-Source-Spannung der MOSFETs (also im
>Bereich unter 20 V). Bei Deinen 42 V wirst Du um eine Schaltung aus 4
>n-Kanal-FETs und die entsprechenden High-Side-Treiber nicht rumkommen.


Nö. Das geht auch mit p/n-Kanal FETs. ist nur aufwendiger, weil man dann 
die Ansteuerschaltungschaltung mit Begrenzung für Ugs selbst bauen muss. 
Hat dann aber den Vorteil, dass ein permanenter Wechsel zwischen 
High/Low-Side ansteuerung nicht notwendig ist, da es hier keinen 
Bootstrapkondensator gibt.

Ich hab die Schaltung mal angehängt.

Autor: Otto (Gast)
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> Angenommen ich nehme eine fertige Brücke,
> wie ist es mit der Wärmeableitung?

aufgrund des geringen Rds on reichen i. A. (mehr oder weniger grosse) 
Kupferflächen auf der Platine.

Gruss Otto

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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@Matthias:
Richtig. Ich meinte eigentlich eher, dass die Schaltung, wie sie auf der 
verlinkten Seite dargestellt ist, nicht für höhere Spannungen 
funktioniert. Mit der Zusatzbeschaltung geht das zumindest im vom OP 
geforderten Bereich. Bei wesentlich höheren Spannungen wird das dann 
aber auch schwierig.

Die Bootstrap-Problematik (die sich bei der "Über-Kreuz-Ansteuerung" 
sowieso nur bei der Minimal- und der Maximal-Drehzahl ergibt) kann man 
übrigens auch durch eine Versorgung über Ladungspumpen oder induktiven 
Wandlern (letzteres wird aber eigentlich nur bei höheren Leistungen 
gemacht, wo die Gatekapazität vergleichsweise groß und die Schaltzeiten 
kritischer sind) umgehen. Ist aber (v.a. im zweiten Fall) ein nicht 
unerheblicher Zusatzaufwand.

Autor: schnudl (Gast)
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Bei der Gelegenheit noch eine kleine Zusatzfrage:

1)
Fast jeder MOSFET hat eine Reverse Diode eingebaut. Auch die 
beschriebenen Typen. Braucht man dann überhaupt noch die eingezeichneten 
Dioden. Gehe ich recht in der Annahme, dass es sich ume eine Art von 
"Freilaufdioden" handelt oder wofür sind diese da?

2)
Noch eine grundlegende Frage: leitet ein MOSFET im Gegensatz zum 
Bipolartransistor eigentlich in beide Richtungen? Er ist ja (zumindest 
im prinzip) symmetrisch aufgebaut, kann man daher D und S quasi 
vertauschen?

Ansonsten verstehe ich nämlich gar nicht, wie die Kommutierung in der H 
Brücke bei einer induktiven Last geschieht, da ja der Strom nicht 
schlagartig die Richtung wechseln kann und anfangs verkehrt durch den 
aktiven Brückenzweig fliessen muss, d.h. von "unten nach oben". Oder 
haben diese eingebauten Dioden was damit zu tun?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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1)
Diese interne Diode hat JEDER Fet. Die ensteht bauartbedingt. Gucke dir 
dazu mal einen Aufbau eines FETs an. Da gibt es immer einen P-N Übergang 
=> sogenannte Bodydiode.

2)
Ja, das geht. Hab ich bei nem Synchrongleichrichter schonmal gemacht. 
Den Strom durch die Bodydiode geschickt und zusätzlich den Kanal leitend 
geschaltet. Man muss nur beachten, dass die Steuerung IMMER zwischen 
Gate und BULK (Substrat) erfolgt. Bei den meisten FETs ist BULK mit 
Source verbunden.
Wäre das nicht so, könnte man quasi galvanisch getrennt steuern. (so 
wird das im Innern von Logikgattern realisiert)

>nicht schlagartig die Richtung wechseln
Ist die Induktivität in dem Zweig (nicht die des Motors) klein genug, 
kann er (fast) schlagartig die Richtung wechseln, falls nicht enstehen 
hohe SPannungsspitzen.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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schnudl wrote:
> Bei der Gelegenheit noch eine kleine Zusatzfrage:
>
> 1)
> Fast jeder MOSFET hat eine Reverse Diode eingebaut. Auch die
> beschriebenen Typen. Braucht man dann überhaupt noch die eingezeichneten
> Dioden. Gehe ich recht in der Annahme, dass es sich ume eine Art von
> "Freilaufdioden" handelt oder wofür sind diese da?
Die Bulkdioden der MOSFETs sind manchmal nicht ausreichend für solche 
Zwecke. Da müsstest Du ins Datenblatt des betreffenden MOSFET schauen, 
ob die Spezifikationen ausreichen (v.a. Schnelligkeit). Meist nimmt man 
zusätzliche Schottky-Dioden und bei Spannungen, für die es keine 
Standard-Schottkys mehr gibt, schnelle Si-Dioden, um die Verluste bei 
der Kommutierung zu reduzieren.

> 2)
> Noch eine grundlegende Frage: leitet ein MOSFET im Gegensatz zum
> Bipolartransistor eigentlich in beide Richtungen? Er ist ja (zumindest
> im prinzip) symmetrisch aufgebaut, kann man daher D und S quasi
> vertauschen?
Bei handelsüblichen MOSFETs ist das Substrat mit dem Source-Anschluss 
verbunden. Deshalb geht es in der Praxis nicht. Nur bei MOSFETs, bei 
denen der Substrat-Anschluss separat herausgeführt ist, kann man das 
machen. Allerdings kommt noch hinzu, dass Leistungs-MOSFETs nicht 
symmetrisch aufgebaut sind (die Drain- und die Source-Seite sind 
unterschiedlich, allein schon durch den vertikalen Aufbau), weshalb es 
auch aus dem Grunde nicht problemlos möglich ist.

> Ansonsten verstehe ich nämlich gar nicht, wie die Kommutierung in der H
> Brücke bei einer induktiven Last geschieht, da ja der Strom nicht
> schlagartig die Richtung wechseln kann und anfangs verkehrt durch den
> aktiven Brückenzweig fliessen muss, d.h. von "unten nach oben". Oder
> haben diese eingebauten Dioden was damit zu tun?
Die Dioden sorgen dafür, dass der Strom sich abbauen kann (auch entgegen 
der anliegenden Spannung, Generator- bzw. Bremsbetrieb im UI- bzw. 
nM-Diagramm).

Autor: schnudl (Gast)
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Das mit dem Bulk hab ich leider noch nie verstanden. Was meinst du mit 
deinem Satz "immer zwischen G und B ansteuern" ? Wo kann ich das 
nachlesen? Ich hab das noch nirgends vernünftig gefunden...Ist für die 
Steuerkennlinie nun die Spannung U(gs) oder U(bs) oder was 
verantwortlich? Wie kann ich das verstehen? Das Gate ist der 
Steuereingang... wozu DIENT der Bulk Anschluss dann und wie verwende ich 
diesen systematisch?

Und: Bei der induktiven Last fliesst der Strom anfangs "verkehrt" durch 
den aktiven Brückenzweig, sehe ich das richtig? Ich meine mit induktiver 
Last eine nicht zu vernachlässigende Induktivität, zB bei einem 
Wechselrichter. Wenn ich den mit einem sinusförmigen PWN ansteuere, so 
wird die Spannung ebenfalls sinusförmig sein, aber der Strom um 90° 
nacheilen. Es gibt daher Zeitpunkte, wo der Strom "verkehrt" durch den 
FET fliessen muss. Oder ist dies ohnehin selbstverständlich?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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siehe hier:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0510161.htm

Ein mosfet hat folgendes (vereinfachtes) Ersatzschaltbild:

Source --o--[Rds]--o-- Drain
         |         |
        ===       ===                      Rds:  Widerstand des Kanals
        / \       / \                      Cgb:  Kapazität Gate-Bulk
         |         |
Bulk ----o---------o-------[Cgb] -- Gate

Durch die Spannung von Cgb kannst du den Widerstand von Rds zw. (fast) 
null und (fast) unendlich steuern.
Bei Schaltungen IN logikIcs sind diese vier Anschlüsse getrennt 
verschaltet. (Bsp. muss ich suchen). Bei diskreten Baulementen ist 
SOurce mit Bulk verbunden (siehe Bild in Link), somit eine der gemalten 
Bodydioden verbunde. Die andere bleibt "übrig".

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Wenn ich den mit einem sinusförmigen PWN ansteuere, so
>wird die Spannung ebenfalls sinusförmig sein, aber der Strom um 90°
>nacheilen. Es gibt daher Zeitpunkte, wo der Strom "verkehrt" durch den
>FET fliessen muss. Oder ist dies ohnehin selbstverständlich?


PWM an Induktivitäten bedeutet immer Dreieckförmige Ströme (bei f_pwm 
betrachtet). Diese Dreiecke können über "längere" Zeit (Anderung duty 
von pwm, bsp.50Hz) einen Sinus nachbauen...

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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schnudl wrote:
> Das mit dem Bulk hab ich leider noch nie verstanden. Was meinst du mit
> deinem Satz "immer zwischen G und B ansteuern" ? Wo kann ich das
> nachlesen? Ich hab das noch nirgends vernünftig gefunden...Ist für die
> Steuerkennlinie nun die Spannung U(gs) oder U(bs) oder was
> verantwortlich? Wie kann ich das verstehen? Das Gate ist der
> Steuereingang... wozu DIENT der Bulk Anschluss dann und wie verwende ich
> diesen systematisch?
Schau Dir bei wikipedia oder elektronik-kompendium die entsprechenden 
Beschreibungen an. Da steht, wie ein MOSFET funktioniert.

> Und: Bei der induktiven Last fliesst der Strom anfangs "verkehrt" durch
> den aktiven Brückenzweig, sehe ich das richtig? Ich meine mit induktiver
> Last eine nicht zu vernachlässigende Induktivität, zB bei einem
> Wechselrichter. Wenn ich den mit einem sinusförmigen PWN ansteuere, so
> wird die Spannung ebenfalls sinusförmig sein, aber der Strom um 90°
> nacheilen. Es gibt daher Zeitpunkte, wo der Strom "verkehrt" durch den
> FET fliessen muss. Oder ist dies ohnehin selbstverständlich?
Ja, hab ich doch oben geschrieben: Das UI-Diagramm 
(Spannung-Strom-Diagramm) hat bei der H-Brücke vier Quadranten (weshalb 
die H-Brücke auch oft als Vierquadrantensteller bezeichnet wird). Es 
gibt positive und negative Spannung und positiven und negativen Strom. 
Macht unterm Strich vier mögliche Kombinationen. Und da der Strom durch 
eine Induktivität sich nunmal nicht sprungartig ändern kann, muss er 
sich kontinuierlich abbauen können. Deshalb gibt es in der beschriebenen 
Ansteuerungsart eben den Fall, dass die Spannung bereits umgepolt wurde, 
der Strom aber noch in der alten Richtung weiterfließt. Und der Strom 
ist letztendlich für das Drehmoment zuständig.

Autor: schnudl (Gast)
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Ohm mann, sorry ...ich habs noch immer nicht gecheckt.

Heisst das nun, dass für die Leitfähigkeit des Kanals eigentlich die 
Spannung U(GB) zwischen Bulk (B) und Gate (G) massgeblich ist, bei 
diskreten FETS B mit S der Einfachheit halber eben verbunden sind und 
man deshalb "lernt", dass U(GS) die bestimmende Grösse sei?

Autor: tobiasblome (Gast)
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Hallo,
der Beitrag ist zwar schon älter aber ich habe da eine 
Verständnissfrage:

Johannes M. wrote:
>b: Eine Halbbrücke wird mit dem PWM-Signal angesteuert, die andere mit
>dem invertierten PWM-Signal. Dabei ist kein separates Signal für die
>Drehrichtung erforderlich und man hat allein durch die PWM einen
>durchgehenden Drehzahlbereich von max. negativer Drehzahl bis max. pos.
>Drehzahl. Außerdem ist in diesem Fall auch bei Drehzahl Null ein
>Drehmoment vorhanden (es fließt ein Strom), während Variante a kein
>Haltemoment hat.


Wo genau kommt nun das PWM Signal drann und wo das invertierte?
Wenn ich im Bild auf S1+2 das PWM Signal gebe, habe ich einen 
Kurzschluss...

Wenn ich auf S1+3 das PWM Signal gebe und auf S2+3 das invertierte dreht 
sich wohl nichts weil immer der gegenpol fehlt also kein plus oder kein 
minus

Wenn ich auf S1+4 das PWM Signal gebe und auf S2+3 das invertierte PWM 
Signal würde er wohl drehen aber ist das "gesund" für die Schaltung, 
weil der Motor doch dann immer den vollen Gegenstrom zwischendurch 
bekommt....

Tobias

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Wenn ich auf S1+4 das PWM Signal gebe und auf S2+3 das invertierte PWM..

GEnau so ist das gemeint.


>Signal würde er wohl drehen aber ist das "gesund" für die Schaltung,
>weil der Motor doch dann immer den vollen Gegenstrom zwischendurch
>bekommt....

Das ist falsch. Der Strom in einem Motor(Induktivität) kann nicht 
springen.
Im Falle einer PWM Ansteuerung ist dieser dreieckförmig...

Im ANhang mal die generellen Verläufe

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