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Thema: PWM Dimmer MOSFET gibt Rauchzeichen

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    PWM Dimmer MOSFET gibt Rauchzeichen

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    Hallo zusammen,

    ich wollte mir einen kleinen PWM-Dimmer für Niedervolt Halogenlampem basteln. Dazu verwende ich einen Atmega 8 an dessen PWM ausgang ein Irfpc40 Mosfet hängt.
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Name:	pwm dimmer.PNG
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    Nach meiner Rechnung müsste ich doch ca. 80 W ohne Probleme Dimmen können oder? Ich hatte jetzt mal zum Testen einen 35W halogenstrahler angeschlossen. Es hat auch einige Zeit problemlos funktioniert, bis der Mosfet plötzlich das Rauchen angefangen hat. Ich hab ihn doch nicht überlastet oder?

    Könnt ihr mir helfen wo das Problem in meiner Schaltung ist?

    Gruß

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Hi,

    ich kenne ja die Betriebsspannung deiner Schaltung nicht, aber um Mosfets schnell umzuschalten, ist ein großer Strom von Vorteil! Angenommen dein µC läuft mit 5V, dann wird das Gate des Mosfet gerade mal mit I = 5V / 330Ohm = 15mA bestromt. Dadurch dauert das Umschalten natürlich länger, deswegen nimmt man normalerweise eine Treiberstufe, um die Mosfets schnell & verlustarm umzuschalten. Im einfachsten Fall diskret aufgebaut mit npaar Transistoren und Hühnerfutter, es gibt aber auch ICs dafür.

    Gruß
    Chris

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo!

    @ demmy

    Ich möchte nur die richtige obige Bemerkungen etwas ergänzen.

    Der MOSFET kann mit naturlicher Kühlung (also ohne Lüfter) max. um 50 W elektrischer Leistung "verbraten". Die gesamte Verluste setzen sich als Lastverluste und Schaltverluste zusammen und müssen nicht als DC, sondern als RMS betrachtet werden. Laut Datenblatt (DB) hat der MOSFET 1,3 nF Gate- Kapazität, was mit Gate-Widerstand 330 Ohm max. PWM um 37 kHz ergibt, wurde aber von dir bisher nicht genannt. Ich vermute, dass deine PWM Frequenz zu hoch und die Kühlung des MOSFETs zu schwach ist.
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Das kommt mir bekannt vor. Den selben Versuch hatte ich vor Jahren auch schon gemacht - mit dem reproduzierbar selben Ergebnis.

    Das Problem kommt m.E. einerseits daher, dass der FET bei "kalter" Glühwendel Takt für Takt gegen einen seeehr kleinen Widerstand arbeitet, d.h. den extrem hohen Einschaltstrom abkriegt. Ich würde daher das Prinzip des Tiefsetzstellers (vulgo: Schaltregler) anwenden, also eine den Stromanstieg begrenzende Induktivität und die zugehörige Freilaufdiode dazufügen.

    Belegen kann ich das nicht, weil ich damals

    - weder Induktivität noch weitere FETs zur Hand
    - die Schaltung nicht wirklich nötig
    - zu wenig Ahnung von der Materie und zuletzt auch
    - "die Schnauze voll"
    hatte.

    Zum zweiten kann der Controller gar nicht den hohen Gatestrom liefern, der für einen schnellen Schaltvorgang nötig wäre. Das multipliziert sich mit den hohen Lastströmen und ist vermutlich sogar der gravierendere Effekt bei der Verlustleistung. Und: er ist über den gesamten Aussteuerbereich der PWM (außer 0% und 100%) wirksam sowie unabhängig von der genannten Schaltreglererweiterung.

    Als erste Maßnahme kannst du die Schaltverluste softwareseitig reduzieren, indem du die PWM-Frequenz drastisch reduzierst, z.B. auf etwa 20 Hz. Das kann für eine Halogenlampe ein erster Kompromiss sein.
    Das zweite wäre m.E. die Ergänzung um einen Gatetreiber, damit das Gate schnell umlädt und so der FET die minimalen Schaltverluste abkriegt.
    Das dritte ist, dass der eingesetzte FET nicht gerade durch geringen Rds-on glänzt (1,2 Ohm bei 10V Gatespannung). Das macht im Idealfall von Voll-Dauer-EIN schon etwa 10W Verlustleistung. Da gibt es wahrlich besseres im ein-oder zweistelligen Milliohm-Bereich.
    Und viertens: der verwendete FET ist mit 2..4 V Gate-Schwellspannung kein ausgesprochener Logiklevel-Typ. Der wird am Controller-Port auch stationär nie richtig gut durchgesteuert. sein.
    Und fünftens eben die schon angesprochene Erweiterung zur Schaltreglergrundschaltung.
    Geändert von RoboHolIC (15.04.2013 um 01:32 Uhr)

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Hi zusammen,

    also das hört sich schon mal alles sehr Plausibel an. Betriebsspannung des µC sind 5V der Lastteil 12V. Es ist so, der Atmega hat eine Frequenz von 8MHZ , ich habe eine Teilung von 1 und eine 8 Bit Timer gewählt, daraus errechne ich eine PWM Frequenz von ca. 16KHz was dann eindeutig zu hoch ist. Ich werde das als ersten Schritt mal drastisch heruntersetzen.
    Laut Datenblatt liegt die "Gate-Source Threshold Voltage" bei 2-4 V, daher dachte ich die 5V des µC würden ausreichen um den MOSFET sauber durchzusteueren? Ich war da wohl an der falschen Stelle im Datenblatt unterwegs.

    Ich werde die Schaltung jetzt auf jeden Fall um folgende Treiberstufe erweitern.
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Name:	MA.jpg
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    Was haltet ihr davon? Ich bin mir nur nicht sicher wegen dem Vorwiderstand des MOSFET, Ich habe jetzt mal Knapp 20mA Gatestrom gerechnet. bei 10V die Über GS abfallen. So stehts im Datenblatt.
    Aber das Datenblatt, das ich habe, verwirrt mich eh ein wenig
    Wo finde ich denn genau die Angaben was der brauch um sauber durchzuschalten. bzw. welche GS Spannung abfällt. Das sind dann doch die 10V oder?

  6. #6
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    Hallo,
    unter einer Treiberstufe verstehe ich etwas anderes. Der Optokoppler hat zwar den Vorteil der galvanischen Trennung (ist hier wahrscheinlich unnötig), kann aber idR. weniger Kollektorstrom als ein I/O-Port des Mikrocontrollers liefern. Zudem geschieht das Ausschalten hier nur über die 10kOhm, da wäre die vorherige Variante mit den 330Ohm + Sinkbetrieb des Mikrocontrollers sogar schneller.
    Die Treiberstufe sollte eher in diese Richtung gehen (Abb. 2a, 2b): http://www.mikrocontroller.net/artic...-Side_Treibern
    Die Gate-Source Threshold Voltage gibt an, ab welcher Spannung UGS durch Drain-Source Strom fließen kann (meist bezogen auf 250µA ).
    Für einen größeren Strom braucht man dann eine höhere Gate-Source-Spannung. Die Größenordnung 10V ist üblich.
    Grüße, Bernhard

  7. #7
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    Ok, das habe ich nun soweit verstanden.
    Wenn ich aber jetzt nun den Treiber folgendermaßen aufbaue (nach Schaltung 2b)

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    Würde es dann keinen Sinn machen den Transistor T7 gegen einen Optokoppler zu ersetzen um den Lastteil von meinem Steuerungsteil zu trennen? Gerade weil man EMV-Probleme beim Pulsen von Lasten bekommen kann? Weiter würde ich gerne den Widerstand R32 mit T7 vertauschen, denn momentan ist ja der Mosfet immer Durchgesteuert wenn T7 nicht angesteuert wird?

    Bis zu welchem Strom kann ich dann den MOSFET belasten? Versorgungsspannung für den Lastteil / die Last wären ja 12V DC und leider werden auch keine Angaben gemacht bis zu welcher Frequenz der Treiber geeignet ist?
    Ich hoffe Ihr könnt mir noch ein paar Erfahrungswerte zukommen lassen?

    Und kann man um die Leistung zu erhöhen auch zwei Mosfet parallel an einen Treiber anschließen?

    Grüße demmy
    Geändert von demmy (15.04.2013 um 19:41 Uhr)

  8. #8
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    Guten Morgen,

    aus Platzgründen habe ich mich nun entschlossen einen Treiber IC zu verwenden.
    Könnt Ihr euch die Schaltung bitte mal anschauen, ist das so korrekt? Mir fehlt leider noch die Erfahrung was solche Treiber angeht.

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    Grüße

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Entschuldige wenn ich jetzt blöd reinfrage, aber warum nimmst du nicht einfach einen BC338 + BC328 .
    Beide mit 1k o.ä. vor der Basis an deinen µC und diese vor den Mosfet als Treiber.
    Von den Transistoren mit 10Ohm an das Mosfet Gate.

    Und warum hast du da so viele Kondensatoren und Widerstände und Kram zwischen µC und dem Mosfet ??

    Ich habe als N-FET bisher meist Buz11 oder IRL3803 verwendet. Als P-Fet hatte ich mal den IRF4905 besorgt.
    Die haben kaum RDSon, aber auch dementsprechend hohe Gate-Kapazitäten die man umladen muss.

    Ich hab aber auch nie mit Schaltraten über 1khz gearbeitet weil das für Licht oder Optik völlig unnötig ist, da sind schon 200Hz flackern nicht mehr sichtbar.

    Ich schau mal irgendwo hatte ich hier im Forum schon mal ne verbockte Treiberstufe (Denkfehler) gepostet..

    - - - Aktualisiert - - -

    So, hier isses:

    http://postimg.org/image/1ot7vqh50/

    (von da mal gewesen: http://www.roboternetz.de/community/...l=1#post508115)

    Auf dein Teil übertragen wären es oben 15V statt 14V

    SL1 - Pin 2 ist der Ausgang von deinem µC

    SL2 - Pin 3 ginge an dein Mosfet Gate

    R4 und R3 ergeben da nen 50 Ohm Widerstand und begrenzen den Strom somit auf max ca 140 bis 150mA (14V .. 15V)

    R5 schaltet den Mosfet ab wenn nix anliegt.

    Die Transistoren haben dann ne Verstärkung von um 150 oder mehr...
    Ob das für deine hohe Frequenz hinhaut kann dir PICture bestimmt sagen,
    der weiß nämlich die ganzen Formeln zum Berechnen von Ladestrom mit Spannung, Gatekapazität und Frequenz immer direkt .

    Wenn du dir den Aufwand sparen willst geht mit deiner PWM Frequenz irgendwie auf 100Hz runter,
    nimm nen 470Ohm oder 1k Widerstand an deinen µC und geh damit aufs Mosfet Gate.
    Das Gate dann noch mit 100k nach gnd zum definieren wenn das Gate sonst in der Luft hängt.


    (Und das von mir macht *poff* wegen Querstrom durch die BC's http://postimg.org/image/24vrrbko4/ )
    Geändert von PsiQ (22.04.2013 um 01:28 Uhr)
    GrußundTschüß \/
    ~Jürgen

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo!

    @ PsiQ

    Der von dir geposteten MOSFET Treiber ( http://postimg.org/image/1ot7vqh50/ ) ist für mich sicher am einfachsten und deshalb am besten.

    Danke für die Blumen!

    Über HF spreche ich erst ab ca. 30 MHz und da kommt man mit einem MOSFET mit um 1 nF Gatekapazität nicht so einfach dazu, weil dann muss man MOSFET Treiber als extra HF Treiber haben usw. Ich weiss schon ziemlich lange, dass die meisten "Entwickler" alles nur komplizieren können ...
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

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