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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Bipolare Gegentakt-Stufe - "Kurzschluss" beim Umschalten


Autor: David Madl (md2k7)
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Hallo,

Ich habe die angehängte Schaltung zweimal aufgebaut und daraus eine Art 
H-Brücke gebildet. Die Leitungen links kommen direkt von den I/O Pins 
eines Mega8. Der wird dabei als Timer "missbraucht" (ja ich weiß, mit 
Kanonen auf Spatzen geschossen).

Mein Problem nennt sich soweit ich weiß im englischen Jargon "shoot 
through", dabei leiten im Umschaltmoment beide Transistoren der 
Halbbrücke, sodass kurzzeitig eine Art Kurzschluss entsteht. Ich dachte, 
dass es sowas nur bei MOSFETs gibt, wurde aber eines besseren belehrt.
Je höher die Schaltfrequenz wird, desto wärmer werden die Transistoren. 
Die "Last" besteht derzeit aus einem 1 k Widerstand, der somit kaum zur 
Erwärmung beiträgt.

Ich habe trotzdem nicht umsonst zwei Leitungen zum Controller gelegt, 
sodass ich nun in der Software ein wenig mit Delays spielen konnte. 
Siehe da: Wenn ich zuerst den einen Transistor abschalte, dann 5 us 
warte, und erst dann den anderen einschalte, sind sie merklich kühler.

Mein Problem ist nur, dass ich gern auf einige 100 kHz hinauf möchte - 
und da zieht mir dieser Delay einen Strich durch die Rechnung.

Wie kann man nun das Abschalten bei Bipolartransistoren irgendwie 
beschleunigen?

Gruß,
David

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Dem unteren enziehst du ja die Ladungsträger durch kurzschließen direkt, 
das Problem liegt also am oberen Transistor. Der braucht irgendeine 
niederohmige Verbindung Basis-Emitter, damit der Transistor schneller 
abschaltet.

Für einige 100kHz würde ich eher Mosfets verwenden als bipolare 
Transistoren. Vor allem Darlingtons sind nochmal eine ganze Stufe 
langsamer.

Autor: David Madl (md2k7)
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mhm ja, das habe ich auch gemerkt, dass der PNP wärmer wird...
d.h. irgendwie noch einen PNP oben so einbauen, dass der dort 
kurzschließt? Das werd ich jetzt mal versuchen.

MOSFETs.. mhm, das Ganze wird eine Treiberstufe für zwei MOSFETs :) Soll 
aber galvanisch getrennt über einen Ferrit-Ringkern gehen.

P.S. bei "einigen 100" beschränke ich mich hier erstmal wieder auf max 
ca. 200 kHz.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Lass mich raten: SSTC ?
Was spricht gegen einen fertigen Mosfet Treiber ? Sowas wie ein TC4451 
oder 4452 sollte eigentlich genügend Leistung haben.

Autor: David Madl (md2k7)
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richtig geraten :)

Gegen diesen Treiber spricht eigentlich nur die fehlende Verfügbarkeit 
bei Reichelt...

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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OK, dann versuchs mal so:
ICL7667 -> kleine N + P Kanal Mosfets (z.B. IRF510+IRF9510 -> Übertrager
Alternativ: ICL7667 -> NPN + PNP (in Kollektorschaltung) -> Übertrager

Autor: Jochen Müller (taschenbuch)
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David,

Zusätzlich zu dem bereits geschriebenen:
Wenn Q3 komplett sperrt, dann hängt die Basis von Q2 so ziemlich in der 
Luft, was nicht die Ideallösung ist. Schon garnicht bei mehreren 100Khz.

Jochen Müller

Autor: David Madl (md2k7)
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@ Benedikt: überzeugt!
aber zwischendurch wird, da ja Wochenende ist, mal mit dem Vorhandenen 
weiterprobiert :)

@ Jochen: Ja, jetzt ist mir das klar... Bin halt (noch?) kein As in 
"analoger" Elektronik.

Autor: Tom (Gast)
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Mach doch mal alle Widerstände 3,3k und 1k kleiner, vielleicht 330 Ohm 
und 100 Ohm oder so. Dann einen Widerstand (z.B. 100 Ohm) beim pnp von 
Basis nach Emitter, damit die Basis-Emitter-Spannung schneller auf Null 
geht, bzw. Ströme über die C-B-Kapazität nicht in die Basis fliessen.

Das dürfte die Schaltzeiten wesentlich verbessern.

5 Mikrosekunden Delay ist sehr reichlich, weniger hätte es 
wahrscheinlich auch  mit der Originalschaltung getan. Die optimale 
Delayzeit findest du am besten mit einem Oszilloskop. Die 
Temperaturmethode ist doch etwas grob und ungenau. Ohne Oszi könntest du 
auch die mittlere Stromaufnahme messen.

Autor: Bensch (Gast)
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Die saubere Lösung ist eine MOSFET-Endstufe mit einem passenden Treiber. 
Der kann auch gleich die Verzögerung der Signale übernehmen (break 
before make). Gibt's z.B. von NS oder IRF. Zudem haben die Teile auch 
gleich eine Bootstraperzeugung für den oberen N-MOSFET.
Ersatzweise, aber nicht wirklich zu empfehlen: getrennte Ansteuerung 
durch den uP, der übernimmt dann die Verzögerung.

Aber wenn man mit Reichelt& Co verheiratet ist, hat man eben nur 
beschränkte Möglichkeiten....

Autor: David Madl (md2k7)
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Oszi steht neuerdings auch zur Verfügung, aber damit muss man erstmal 
messen und dann auch noch das Angezeigte verstehen können. Jetzt habe 
ich z.B. von +12V (Oszi GND) die Basis des oberen PNP gemessen und habe 
keine Ahnung, was der Buckel hinten soll.

Dazu drunter in blau das Signal vom Controller. Darauf sieht man 
wenigstens schön die Störungen, die von den 12V herrühren, die sind auf 
beiden gemessenen Kanälen drauf, da ich ja beide auf die 12V beziehe.

Man beachte weiters dass ich noch immer zwei der Brücken zusammen 
(gegenphasig) betreibe.

@ Bensch: Ich bin halt leider Bastler und keine Firma, somit habe ich 
nur beschränkte Möglichkeiten bzgl. Shop. Zusätzlich bereiten mir auch 
die bei Reichelt geforderten 150 € Mindestbestellwert aus Österreich 
Kopfschmerzen...

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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In dem Moment wo Q3 abschaltet, fällt die Basisspannung des PNPs etwas 
ab, aber er bleibt noch leitend. Dann schaltet der NPN ein, und die 
Basisspannung steigt wieder etwas an, aufgrund des hohen Stromes, der 
dir sogar das Massepotential verzieht (kleine Welle im blauen Signal). 
Damach verschwinden nach und nach die Ladungsträger aus der BE Diode, 
und der PNP sperrt.

Machs mal so wie es tom beschrieben hat: 100 Ohm parallel zu BE.

Autor: David Madl (md2k7)
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Ich hab mal R3 gebrückt und R2 gegen 330 Ohm getauscht, weiters 100 Ohm 
am PNP BE. Sieht gleich viel besser aus. Mit eurer Hilfe pfusch ich das 
noch dieses WE hin :)) Ich werd dann noch berichten, ich bau erstmal die 
andere Halbbrücke genauso um und dann werd ich weiter Versuche 
anstellen, ob das so geeignet ist.

Autor: avion23 (Gast)
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Hallo David,
dass Thema gab's schon öfters :)
Ich habe in Erinnerung, dass BJT als Emitterfolger schneller sind aber 
nur noch eine Verstärkung von 1 haben. Auf Seite 12/37 von 
http://focus.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf siehst du eine Totem-pole 
Stufe, welche du gerade zu bauen versuchst. Der untere Transistor ist 
ein "gedrehter" pnp. Bei dieser Schaltung gibt es keinen Shootthrough! 
Der Rest des pdfs (diskretes bootstrapping etc) lohnt sich auch.

Zusätzlich brauchst du einen Pegelwandler um von ~5V auf 12V zu kommen. 
Dafür kannst du Vcc über einen Widerstand, R ~ 1kΩ, an die 
zusammengeschalteten Basen legen. Der Widerstand kann den oberen 
Transistor durchschalten.
Um den unteren durchzuschalten verwendest du einen weiteren Transistor, 
der die Basis auf Masse zieht, also den neu eingefügten Widerstand kurz 
schließt.

An diesem Punkt bist du fertig. Optimieren kannst du noch indem du für 
den Pegelwandlertransistor ebenfalls einen pnp als emitterfolger 
verwendest. Sonst hast du überschwinger und abgeflachte Kanten, 
zumindest in SwitcherCad.

Du brauchst auch noch einen Blockkondensator, der den Umladungsstrom 
liefert. Ich habe da Werte von (2 - 20)µF genannt bekommen.

Autor: David Madl (md2k7)
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Super Paper, werde ich dann morgen weiter studieren, danke.

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