Motor in PWM-Ansteuerung

Hallo Gruppe,

ich möchte einige Motoren per PWM ansteuern. Allerdings habe ich ein Problem: der Motor ist für 4V (400mA) spezifiziert, ich würde ihn gern an einem 12V Akku betreiben.

Folgendes hab ich mir gedacht: da die umgesetzte Leistung direkt proportional zum Quadrat der Spannungsquotienten ist, würde ich meinen PWM nur mit maximal (U_soll/U_ist)^2 Dutycycle (also mit 1/9, ~11,1%) fahren. Geht das?

Welche Schaltfrequenz ist empfehlenswert? Ich hätte jetzt aus dem Bauch raus mal 1kHz geraten. Wie hoch kann ich gehen ohne dass das negative Auswirkungen auf den Motor hat?

Vielen Dank schonmal, Gruß, Johannes

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Johannes Bauer
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Johannes Bauerschrieb: "

Also meine Rechnung sagt 1/3 Pulsbreite ist ok. Der begrenzende Faktor bei Gleichstrom ist ja die Wärmeentwicklung (die dem System Grenzen setzt)und die ist linear (Drahtwiderstand) und nicht quadratisch.

Kommt auf die Anwendung an. Manchmal nimmt man gern tiefere Frequenzen, um einen besseren Anlauf zu haben, oder weil der Motor zum Soundgenerator wird. Mechanisch wurde er dafür ja nicht gebaut. Bei höheren Frequenzen macht sich dann auch der Blindwiderstand immer mehr bemerkbar, so dass mann die Impulse wieder breiter machen muss, um überhaupt etwas Strom fließen zu lassen. Deshalb gewinnt bei höheren Frequnzen auch die Stromsteuerung immer mehr an Bedeutung. Man müßte aber etwas mehr über den Motor wissen, wie Induktivität usw., dann könnte man vielleicht mehr sagen.

Dirk

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Dirk Ruth

"Dirk Ruth" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@4ax.com...

Johannes hat aber rechter.

Geht. Je hoeher die Frequenz, je hoeher die Schaltverluste. Bei 1 Khz und nicht gerade einem 2N3055 ist 1kHz aber sicher kein Problem, und in den Sendefrequenzbereich kommst du nicht.

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Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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MaWin

Klingt gut, f=FCr Dauerbetrieb. Im Kurzbetrieb (z.B. 3s Betrieb, 30s Pause) kann man Motoren =FCblicherweise auch durchaus mit 200% Leistung betreiben.)

=DCblich sind Frequenzen >20kHz, damit man's nicht h=F6rt. Hier dann bess= er nochmal mit einem True-RMS

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Multimeter oder mit Oszilloskop und Shunt nachmessen, was tats=E4chlich an Strom durch den Motor flie=DFt (Stichwort Induktivit=E4t)

Wenn das akkustische Problem keines ist halte ich alles ab 10Hz f=FCr unkritisch.

- Philip

--=20 Der Pfuscher schafft, der Hebel w=E4chst, es steigt die Kraft, die Schraube =E4chzt - zu sp=E4t merkt seine Grosshirnrinde: die Schraube trug ein Linksgewinde. (Helmut Wicht)

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Philip Herzog

Ich dachte an jeweils ein Paar BUZ11/IRF9540 pro Motorkontakt (also insgesamt 4 FETs), damit ich ihn auch rückwärts fahren lassen kann.

Wenn ich mit der Frequenz doch höher gehe und nicht die PTB imitieren will, muss ich dann den Motor so "snubbern", wie man's bei einer Triac-Ansteuerung machen würde?

Viele Grüße, Johannes

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Johannes Bauer

Danke, wird bestimmt nützlich werden, das kann ich gebrauchen - will aber den Motor trotzdem nicht ruinieren.

Wenn ich das nachmesse, ist dann P = U * (\int I dt)? Wobei I dann eigentlich U_Shunt wäre.

Cool, danke :-)

Viele Grüße, Johannes

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Johannes Bauer

Hier =FCberstehen Schrittmotoren die kurzfristigen 200% im

500h-Klimakammertest bei 60=B0C. Auch langfristig bei Kunden gibt's keine=

nennenswerten Ausf=E4lle.

Je nach Motor, Stromst=E4rke und Randparametern kannst Du U auch nicht al= s konstant annehmen - R_DS(on) des FETs, evtl. Shunts zur Strommessung/-regelung, =DCbergangs- und Leitungswiderst=E4nde k=F6nnen d= a durchaus signifikante Gr=F6=DFen annehmen. Besser U_Motor auch messen.

- Philip

--=20 Der Pfuscher schafft, der Hebel w=E4chst, es steigt die Kraft, die Schraube =E4chzt - zu sp=E4t merkt seine Grosshirnrinde: die Schraube trug ein Linksgewinde. (Helmut Wicht)

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Philip Herzog

Hallo Philip!

Wo ist hier, und was heißt bei dir kurzfristig? Ich muß da demnächst auch eine Anwendung mit kurzfristig hohen Momenten bedienen. Da freue ich mich natürlich über jedes Prozent, das ich einen kleineren und billigeren Motor überlasten kann...

Gruß Thorsten - neugierig.

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Thorsten Ostermann

F&E einer internationalen Me=DFtechnikfirma.

s.o., ca. 3s

Nochmal die Einschr=E4nkung, das bezieht sich auf Schrittmotoren. Da's hier aber um ein thermisches Problem geht denke ich nicht da=DF Gleichstrom-Motoren sich da anders verhalten.

- Philip

--=20 Der Pfuscher schafft, der Hebel w=E4chst, es steigt die Kraft, die Schraube =E4chzt - zu sp=E4t merkt seine Grosshirnrinde: die Schraube trug ein Linksgewinde. (Helmut Wicht)

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Philip Herzog

Hallo Philip!

Das ist schon klar...

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Gruß Thorsten

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Thorsten Ostermann

"Johannes Bauer" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@joehost.joedomain...

Warum P-Kanal ? Bei den Frequenzen baruchst du eh MOSFET Treiber, damit du die Gates mit mehr als 1A umladen kannst. Und 2 IR2011 (keine Ahnung wie der Chip heisst der davon 2 drin hat) steuern dann 4 NMOSFETs an.

Auf jeden Fall schnelle Dioden parallel zu den Transis, deren Body-Dioden sind dann nicht schnell genug.

--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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MaWin

Naja, ich hab mir das so gedacht (bitte nicht steinigen wenn's kompletter Mist ist):

+12V | | | ---+ D BUZ11 G| +- R_Gate ----| --+ S | | GND

Die Schaltung zweimal, eines geht an die eine Motorwicklung, die andere an die andere.

Dann kann ich damit folgende Zustände erzeugen:

uC1 uC2 Motor1 Motor2

0 0 GND GND 0 1 GND +12V 1 0 +12V GND 1 1 +12V +12V

Indem ich dann einen von beiden Steuereingängen pulsbreitenmoduliere kann ich die Geschwindigkeit regeln. Und der Motor kann sich vorwärts und rückwärts drehen.

Ist die Überlegung falsch?

Ich verstehe leider nicht, was die MOSFET-Treiber machen. Hab mir das Datenblatt des IR2011 durchgelesen: der nimmt als Input zwei CMOS-kompatible Steuersignale, HIN und LIN (High in und Low in) und schaltet dann zwei Signale raus: [V_B oder V_S] und [Vcc oder COM].

Könntest du vielleicht nocheinmal skizzieren, wie du die Schaltung mit 4 N-Kanal FETs aufbauen würdest? Ich versteh's im Moment nicht so recht.

Ist die 1N914 (4pF bei 1MHz) geeignet?

Vielen Dank schonmal, Gruß, Johannes

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Johannes Bauer

"Johannes Bauer" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@joehost.joedomain...

VERGISS es. Nicht mal mit 50Hz, selbst wenn der uC-Ausgang 20mA liefert (was viele nicht schaffen). Abgesehen von vertauschten N-Kanal und P-Kanal reichen dem unteren MOSFET keine 5V zum Durchschalten und der obere sieht 7V und 12V (nagative) Gatespannung, ist also immer an.

Nein, die Bruecke funktioniert schon mit 4 Zustaenden (vorwaerts, Bremsen, Rueckwaerts, Freilauf).

Ja, muss so sein, denn ENABLE und HI/LO-Select erlaubt nicht alle Zustaende.

Uff. Nur vereinfacht.

___ ___ | +12V | |--| |-----NMOSFET NMOSFET---+ |--|___|--+ +--Motor--+ | uC | ___ +--NMOSFET NMOSFET-+ | |--| |--------(---------(---+ | ___|--|___|--------(---------(-----+ IR2011 | Masse |

Dein Motor wird mehr als 100mA brauchen oder ? Selbst dann sind golddotierte Dioden nicht so zuverlaessig. 1N4001 geht aber auch nicht, ist eine 50Hz-Diode, zu langsam. Entweder Schottky (SB130 o.ae.) oder Fast Recovery (MUR105 o.ae.).

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Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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MaWin

Okay, das mit dem N/P-Vertauschen war peinlich... im Schaltplan war's schon richtig. Das mit den 7V stimmt natürlich, ich hab total "verkehrtherum" gedacht! Das wär echt voll in die Hose gegangen.

Die Idee mit nur N-Fets ist natürlich besser, ich dachte wirklich, es geht nicht anders.

Das ganze wirft aber auch einige Fragen auf - ich hab jetzt eine Menge gelesen und ich hoff sie nerven dich nicht allzusehr.

Und zwar frage ich mir zuallererst, wieso der BUZ11 bei 5V nicht "an" gehen würde. Hier im Datenblatt steht, dass er eine maximale "Gate Threshold Voltage" von 4V hat - ich interpretiere das so, dass er ab 4V "an" schaltet. Und im Datenblatt ist eine Kurvenschar: Scharvariable ist V_GS, geplotet wird I_D (X-Achse) gegen R_DSon. Eine Kurve zeigt den BUZ11 bei V_GS=5V, da müsste er bis ca. 5A Drain Current noch einen R_DSon von 0.05 Ohm haben. Was übersehe ich da?

Zusätzilch habe ich noch eine Frage zu den benötigten Strom: du schreibst den kann der uC nicht liefern, weil er >=20mA wäre. Aber warum fließt auf der Leitung ans Gate überhaupt Strom? Sollte da nicht nur eine Steuer_spannung_ anliegen und der Strom vernachlässigbar sein? Ich rate mal, die "Gate to Source Leakage Current" (BUZ11: max. 100nA) gilt nur für einen statischen Zustand. Braucht ein FET im Umschaltmoment wohl deutlich mehr?

Das ist mir eben auch aufgefallen, als ich mir die Datenblätter zu diversen "Gate Drivers" angesehen habe: das Anwendungsbeispiel vom IR2011 fand ich ziemlich verwirrend, da hab ich ein bischen gesucht. Die Skizze im FAN7380 fand ich viel übersichtlicher - die Funktion des IC scheint absolut identisch zu sein (sogar das Pinout stimmt, wenn ich mich nicht verschaut habe). Der FAN7380 liefert laut Datenblatt 90/180mA Quell/Senkstrom. Ein Haufen (wenn alles ins Gate fließt) finde ich.

Beide Datenblätter haben eine sogenannten "Bootstrap" Schaltung mit drinnen. Den Begriff kannte ich vorher nur von Audio-OpAmps. Ich hab's aber ehrlichgesagt noch nie wirklich begriffen. Deshalb habe ich mir von IRF die Designtips "Using monolithic high voltage gate drivers" ausgedruckt und durchgelesen. Jetzt verstehe ich so halbwegs (!), wie ich den Bootstrapkondensator CBS und den Bootstrapwiderstand RBS dimensionieren muss. Aber was die Schaltung eigentlich _macht_, entzieht sich völlig meiner Kenntnis.

Okay, ich hab's mal versucht:

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Was mir dabei noch aufgefallen ist: wieso muss man eigentlich Gatevorwiderstände verwenden? Das Gate hat doch schon einen enorm hohen Eigenwiderstand. Ist der auch nur für's Umschaltmoment?

Okay vielen Dank für die Tipps, ich hab sie in o.g. Schaltung auch gleich verbaut.

Mannomann, dass da so viel mit dahinter steckt, hätte ich echt nicht gedacht. MOSFETs sind wirklich viel komplizierter als Bipolartransistoren. Ich hatte echt vorher noch nie von so Gate Driver ICs gehört - und beim "Lernen" die letzten Paar Stunden u.a. festgestellt, dass ich einen in der Bastelkiste hab: Datenblatt heruntergeladen, aber nicht verstanden, wofür er gut ist. Schrott Sammeln lohnt sich also doch ;-)

Viele Grüße, Johannes

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Johannes Bauer

Mist, hab aus Schusseligkeit eine Verbindung vergessen. Hier ist's korrekt:

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Gruß, Johannes

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Johannes Bauer

Johannes Bauer schrieb:

Richtig lesen, Vgs(th) ist die Spannung, bei der 1mA Drainstrom fließen kann.

Naja, 50mR sind das sicher nicht, aber viel wichtiger ist die Tatsache, dass du mit nur 5V das Gate einfach zu langsam lädst, dadurch entstehen unnötig hohe Verluste.

Man Ciss, die Gate-Source-Strecke ist ein Kondensator.

Fließt aber nur für *sehr* kurze Zeit.

So wie die BUZ11? Es gibt längst bessere und preiswertere MOSFETs als diesen Vertreter der ersten Generation.

Gruß Dieter

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Dieter Wiedmann

Ja, du hast natürlich Recht. Mensch, das hatte ich völlig übersehen.

Ich habe noch ein bischen weiter gelesen ("MOSFET Switched Mode Amplifiers",

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und mich über die Kapazitäten in einem MOSFET und über U_GSsat schlau gemacht.

Und ich hab auch ein bischen mit den Formeln gespielt. Der BUZ11 beispielsweise hat eine typische Rise Time von 70ns und eine Gatekapazität von maximal 2nF. Wenn ich davon ausgehe, dass das Gate nach 5 tau aufgeladen ist:

5 tau = 70ns => tau = 14ns = RC R = tau/C = 14ns/2nF = 7 Ohm

Stimmt das so, muss ich so meinen Gatevorwiderstand dimensioneren, damit ich möglichst schnell die "Ladephase" des Gatekondensators zuende bringe?

Weiter gerechnet habe ich, weil ich überall (von MaWin, dir und noch von dem PDF im Internet) gelesen habe, dass eben diese Umladungsphasen den Wirkungsgrad sehr negativ beeinflussen:

Energie im Kondensator (Wenn man den Gatekondensator auf beispielsweise

5V auflädt):

W = 1/2*C*U^2 = 0.5 * 2nF * 5V * 5V = 25 nJ Bei f=10kHz wären das also P = W*f = 25 nJ * 10kHz = 0.25mW f=1MHz: P = W*f = 25nJ * 1 MHz = 25 mW

Das ist ja aber wohl offensichtlich falsch, weil erstens die Verlustleistung im Quadrat mit der Spannung zunehmen würde (sie nimmt ja _ab_, wenn die Spannung am Gate zunimmt!) und andererseits, weil die Dimensionen viel zu klein (vernachlässigbar) sind. Wo ist der Fehler? Was verursacht den schlechten Wirkungsgrad in der Ladephase? Auch in dem Internet-PDF heißt es

---Schnipp--- The above equation indicates that the higher the gate current, provided by the driver stage, the faster Ciss will charge, and the higher the efficiency of the PA. For class D/E/F, the point of the square wave drive is to get through the linear region as soon as possible. This means Ciss should be charged as quickly as possible.

---Schnapp---

Also genau das, was ihr schon gesagt habt: aber wieso entsteht eine so hohe Verlustleistung?

Hehe, provokant ;-)

Kannst du mir vielleicht einen Tipp geben, welchen?

Viele Grüße, Johannes (der jetzt gleich ganz sicher von MOSFETs träumen wird)

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Johannes Bauer

richtig ...

keineswegs! das ist richtig (aber nicht das Problem)

während du nun in 70ns die Gatekapazität auflädst ändert sich dein Rds von viel Ohm bis zu deinen 50 mOhm ... dazwischen wird die Verlustleistung jeodch viel größer d.h. dein Mosfet wird sich x ns in der Leistungsanpassung befinden und heizen (keine Ahnung wie lang) diese Energie pro Umschaltvorgang ist relevant

Ziel ist es daher, die Übergangsphase ('linear region') zu verkürzen - das geht durch einen hohen Strom ins Gate

bye, Michael

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Michael Schöberl

Ah, jetzt verstehe ich das. Vielen Dank für die Erklärung!

Gruß, Johannes

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Johannes Bauer

"Johannes Bauer" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@joehost.joedomain...

Typische Werte vs. garantierte Werte bei jeder Temperatur.

Kondensatorumlagung der Gatekapazitaet.

Ist also im Vergleich zu den 30A des IXDD430 von Ixys eher schwachbruestig.

Wie die Villard-Schaltung beim Trafo (Wechselstrom) erzuegt sie eine noch hoehere Spannung als du schon hat, eine Spannung die ~10V ueber +Ub liegt, damit dein oberer NMOSFET durchgesteuert werden kann, und das alles 'von selbst' durch Ausnutzung der 'Wechselspannung' des Ansteuersignals des MOSFETs.

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Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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MaWin

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