Motoranlauf unter Last - brauche Hilfe

Hallo

Ich habe ein riesiges Problem und bin mit meinem Latein langsam am Ende, weshalb ich nun euch um Hilfe bitten möchte:
Ich habe eine Anwendung, bei der ein Motor der 550er Serie (Ri=0,9Ohm/Ub=12V) unter Last anlaufen soll, und zwar für eine Zeitspanne von ca. 75ms um einen Hebel umzulegen.
Die Motoransteuerung geschieht über eine Mosfet H-Brücke, ich habe hierfür den IRF5305 und den BUZ11 verwendet. Die Mosfets werden durch jeweils einen BC549B mit 1K Pullup geschaltet, welche selbst vom Mikrocontroller (ATMega8) angesteuert werden. Die Schaltung der H-Brücke kann man auf:
http://s-huehn.de/elektronik/fahrtre...ahrtregler.htm
einsehen (ich habe lediglich auf die Schottky-Dioden verzichtet). Außerdem werden die Transistoren bei mir nicht über PWM angesteuert, sondern einfach über einen I/O Ausgang mit dem Befehl "waitms 75". Als Spannungsregler für den MC hab ich nen normalen 7805 verwendet und als MC wie gesagt einen ATMega8.
Nun passierte beim ersten Feldversuch folgendes: Der Motor zuckte und brachte vielleicht höchstens 1/4 bis 1/3 der Kraft auf, die er gewöhnlich bringt. Der gemessene Maximalstrom (ungefähr) lag bei 6A, normalerweise zieht der Motor über 15A beim Anlaufen.
Meine Vermutung: Die Spannung bricht beim Anlaufen so weit zusammen (es wurde eine 7,2Ah Blei-Gel-Batterie verwendet), dass der MC keine Spannung mehr hat und das Programm abbricht (also der Motor effektiv gar keine 75ms angesteuert wird). Um das zu beheben hab ich Elkos nachgerüstet. Und zwar sowohl in den 5V Steuerspannungskreis als auch in den 12V-Kreis davor, jedes mal mit einer Diode davor, sodass der Elko von der Quelle geladen, aber nicht "rückwärts" wieder entladen werden kann. Ich bin bis 5000µF hochgegangen und es hat sich nichts geändert.
Dann hab ich eine H-Brücke mit 6V Relais gebaut und diese direkt mit dem MC angesteuert - hier hat es funktioniert, sogar ohne Elkos.
Dann hab ich einen weiteren Versuch gestartet, in dem ich die Mosfet H-Brücke mit einer 9V Batterie betrieben habe um damit eine Relais-H-Brücke anzusteuern, welche ihrerseits über die 12V-Batterie den Motor ansteuert. Auch hier hat es funktioniert, der Motor hat mit der vollen Kraft geschaltet. Also woran kann es liegen? Sind die Mosfets vielleicht ungeeignet für diese Schaltleistung (sind aber mit 30A angegeben)? Liegt es an den Transistoren die die Mosfets ansteuern? Oder hat es doch was mit dem Zusammenbrechen der Spannung zu tun? Aber warum passiert das nicht bei der Relais H-Brücke?
Wäre super wenn jemand Ideen dazu hat.

Gruß Paul

Ich hab noch was vergessen: Die Zuleitung zur Platine ist ca. 1,5m lang und die Zuleitung von Platine zu Motor ebenfalls 1,5m. Kann es vielleicht daran liegen?

Die Einschaltwiderstände, insbesondere die der P-Kanal-MOSFETs und die Innenwiderstände der Strippen können schon zur Strombegrenzung beitragen. Aber da es mit den Relais und vermutlich gleich langen Kabeln funktioniert, werden wohl die MOSFETs das Problem sein. Was für einen Rds_on hat Dein P-Kanal denn?

Es könnte durchaus sein, daß die Batterie-Spannung beim Lauf, besonders beim Anlauf, absinkt und damit auch die Plus-Spannung am Gate des N-FET. Ergibt sich die Frage, wieviel Volt liegen am Gate an und ist dann der Rdson noch niederohmig genug. Wenn er zu 'hochohmig' würde, sollte aber auch der Spannungsabfall am N-FET größer werden und damit die Verlustleistung; bedeutet: er müßte recht warm werden ? Allerdings bei 75 ms ?
Die Spannungen würde ich mal mit einem Scope messen, um evtl. Spannungseinbrüche zu erkennen.

Habe nun mal die Ansteuerungszeit auf 1sec eingestellt, um mit meinem billig-Multimeter einigermaßen zuverlässige Messergebnisse zu erhalten:
-Die Batteriespannung sinkt unter Last auf etwa 11,5V
-Die Spannung am Eingang der Platine liegt bei etwa 9,7V
-Die Spannung am Ausgang der H-Brücke liegt bei etwa 6,7V
-Die Spannung an den beiden Motorklemmen liegt bei etwa 5,5V
-Der Dauerstrom unter Last beträgt ca. 18A
Summasumarum: 1,8V fallen an der Zuleitung ab, 3V an der H-Brücke, 1,2V an der Zuleitung zum Motor.
Und was ich noch festgestellt habe: Der Strom fließt die volle Sekunde, es liegt also nicht am Spannungszusammenbruch der Steuerspannung.
Der nächste Versuch mit 10cm Leitungen statt 1,5m zeigte dann auch schon ein deutlich besseres Ergebnis - die Kraft hat ausgereicht.
Welchen Leiterquerschnitt würdet ihr bei einer Gesamtleitungslänge von 6m (also hin 3m und zurück 3m) wählen? (Strom=18A).
Ich habe eine 1mm² Leitung verwendet :-k

Zitat:

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Zitat von Powell

Ich hab noch was vergessen: Die Zuleitung zur Platine ist ca. 1,5m lang und die Zuleitung von Platine zu Motor ebenfalls 1,5m. Kann es vielleicht daran liegen?

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Ja also insgesamt 6m Leitung.
Das ist schon einiges.
Du hast leider nicht den Querschnitt genannt also kann ich jetzt nur herumraten.
Ich rechne mal mit 4mm² Kupfer.

Das sind dann mal eben ca. 27mOhm.

Dann hängt da noch der Ri=0.9 Ohm vom Motor drinn denn ich jetzt ganz Plump einsetze (Jaja,keine Meckereijetzt bitte)

Dazu kommen noch Widerstände wie der Ri der Spannungsquelle,Leitungswiderstände auf der Platine,Kontaktwiderstände an den Leitungsenden und natürlich auch die Mosfets.
Da ich keine Angaben darüber habe kann ich die jetzt nur ganz wild und frei schätzen.
Sagen wir mal weitere 600mOhm.
Das sind dann insgesammt 600+27+900=ca. 1.5 Ohm.

Bei 12V ergibt das einen ungefähren Anlaufstrom im Bereich von ca. 8 Ampere.

Das kommt deinen 6A schon in etwa nahe.
Wie gesagt habe ich die Sachen auf der Platine und den Ri der Spannungsquelle nur geschätzt (Bleigel ist nicht gkeich Bleigel.Da gibt es unterschiede in Modell und Altersbedingtem Zustand)

Fazit:
Wie bei allen Energieversorgungen sollten die Leitungen so kurz wie möglich sein und der querschnitt so groß wie nötig/möglich (Nein du sollst jetzt kein Stromschienen legen).

Es ist von Vorteil wenn die Treiberstufe (H-Brücke) so dicht wie möglich am Motor ist und wenn an deren Spannungseingang eine Kapazität mit niedrigem Ri vorhanden ist (Sehe ich im Angegeben Plan nicht.).
Dabei sollten besser mehrere kleine Elkos parallel genutzt werden um den Innenwiderstand zu senken.
Das Platinenlayout sollte entsprechend ausgelegt sein.


Edit:
Ja,bist schon selber drauf gekommen.
Hat sich also erledigt

Bei 3V und 18A hat die H-Brücke einen Innenwiderstand von 0.167 Ohm, der BUZ11 hat bei Vollaussteuerung 40 mOhm, blieben also für den P-FET 127 mOhm.

Klingt für mich ein bisschen danach, dass die FETs nicht voll aufgesteuert werden. Zumindest ein Punkt wo man auch nochmal nachforschen könnnte.

Ok, also gehen wir mal davon aus, dass der BUZ11 voll durchsteuert, denn er wird ja über einen 4,7K Pullup auf High gezogen während der Transistor sperrt.
Der IRF5305 wird auch über einen 4,7K Pullup auf High gezogen, und wenn er angesteuert wird über den Transistor auf Low gelegt. Der Transistor wiederum wird vom MC mit 5V und einem Vorwiderstand von 4,7K durchgeschaltet. IB beträgt also ca. 1mA.
Laut Datenblatt geht der BC549B in Sättigung bei IB=0,5mA und IC=10mA bzw. IB=5mA und IC=100mA. Mein IC dürfte durch den 4,7K Pullup und VCE=12V bei ca. 3mA liegen, der Mosfet wird ja Stromlos geschaltet.
Alles in allem sollte der Transistor also auf jeden Fall in Sättigung gehen, oder? Woran könnte es sonst noch liegen? :-k

Zitat:

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.......der Mosfet wird ja Stromlos geschaltet.

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Nein genau das ist ein Irrtum.

"Schalten" tust du eben nicht sozusagen Stromlos denn du Gatekapazität verursacht beim Schalten einen nennenswerten Strom.
Deswegen ist für schnelles Schalten ein Treiber nötig der das Gate möglichst schnell umlädt.

4k7 sind für schnelles Schalten zu wenig. Es sollten bei der Spannung höchstens 1k sein. Besser sind wahrscheinlich 560 Ohm, der Transistor macht das ja locker mit.

Der BUZ11 ist allerdings erst bei Ugs >= 8V voll durchgeschaltet. Das solltet Ihr vielleicht nochmal nachmessen. War meinerseits ja auch nur eine Vermutung.

Die Widerstände solltet Ihe aber unbedingt kleiner machen. Bei den geringen Lastwiderständen entstehen sonst ziemliche Verluste beim langsamen Einschalten - gilt im Übrigen auch für den P-FET beim Abschalten.

ah verstehe, so hab ich das noch garnicht gesehen. Man stelle sich also den Mosfet als Kondensator vor, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit mit der LAdungsmenge ändert. Gut, also werd ich mal die Basisvorwiderstände für die Transistoren auf 1K ändern, und die Pullups auf 560. Blöd ist dann nur, dass ich dann auch eine größere Verlustleistung habe... naja was solls, dann muss eben die batterie immer abgeklemmt werden.

Äh,ja ne nicht ganz.

Das Gate ist ja isoliert von der Draun/Source strecke und wirkt durch ihr Elektrisches Feld.
Daher ja die fast leistungslose Steuerung da im Endeffekt nur die unvermeidbaren Leckströme fliessen.

Aber diese Kombination wirkt eben aufgrund ihrer Bauart wie ein kleiner Kondensator (Parasitäre Kondensatoren gibt es eh überall)

Um es jetzt mal anschaulich zu gestallten mache ich mal nen Bildlichen Vergleich ohne Anspruch auf Exactheit.Nur mal so aus dem Hut gezaubert.

Stell dir die Drain/Sourcestrecke als Siliziumstäbchen vor.
Das Gate liegt ganz dicht als paralleles stäbchen daneben und es hat eine passende Größe um auch wirken zu können.

Je höher der gewünschte Strom ist den der Fet verkraften soll desto massiver wird das D/S-Stäbchen.
aber damit das Gatestäbchen noch wirken kann muß es mitwachsen.

Wie du dir jetzt sicher denken kannst wächst mit der Größe auch diese Kapazität mit so das Leistungs-Fet's eben eine größere Gatekapazität haben.

Ja und je größer die kapazität ist desto größer muß der nötige Ladestrom sein um diese Kapazität in der gewünschten Zeit zu laden.

Beispiel:(Absichtlich übertrieben)

Nimm nen 1F Kondensator und versuch ihn mit einer Spannungsquelle zu laden der nur magere 100mA liefert.
Es dauert ewig bis sich da was am Ladezustand tut.

Nehme ich aber eine Spannungsquelle die mir zb. 20A liefern kann dann geht das wesentlich flotter.
Die Ladezeit verkürzt sich und damit steigt die Schaltfrequenz (Laden/Entladen) mit der ich arbeiten kann.


Das gleich passiert bei deinem Mosfet.

Was du brauchst ist einen Treiber am Gate.
Einfach wäre das ein einfacher Transistor der das Gate ansteuert und genug Strom liefern kann.
Der Gatewiderstand sollte möglichst niedrig sein oder gleich wegfallen.

Wenn du ein Oszilloskop dein eigen nennst (oder leihen kannst) dann ist das ne gute Gelegenheit dort zu experimenteren um ein Gefühl für diesen Effekt zu bekommen.

Du kannst dich bei der Bastelei schonmal drauf einstellen das es überall unerwünschte Kapazitäten,Induktivitäten und Widerstände gibt.
Sie sind schließlich dafür verantwortlich das wir mit Realen Bauteilen arbeiten und nicht mit Idealen.



Wie gesagt,die obigen Beispiele und Modelle sind vereinfacht und teilweise umgebogen.
Es ging nur darum ein Verständnis zu erzeugen worum es geht.
Nicht das mir jetzt einer die Goldwaagen nachwirft. :wink:

Ok, habe ich verstanden... aber in was für Größenordnungen bewegen wir uns denn nun? Ich habe erwähnt, dass der Transistor nicht per PWM, sondern einfach über einen I/O Ausgang angesteuert wird? Er geht also genau ein mal in Sättigung und legt für die besagten 75ms das Gate auf Masse (bzw. sperrt für selbige Zeit). Wie groß ist denn diese parasitäre Kapazität des Mosfets in etwa?
Wenn ich mal nachrechne: Angenommen der Mosfet schaltet nach 10ms vollständig durch (angenommene Zeittoleranz), dann fließen bei einem 4k7 und 12V 0,002A*0,01sec=0,00002As -> bei 12V entspricht das einer Kapazität von 0,00002As/12V=0,0000016F=1,6µF - Kann das hinkommen? Kommt mir jedenfalls etwas hoch vor...

Nee,das wäre dann der besch....eidenste Fet den ich kenne :D
Das bewegt sich im pF-Bereich

Die Werte für deine Modelle kannst du aus den Datenblättern herauslesen.

Hier mal die beiden:
IRF5305
BUZ11


Du schriebst ja oben das du schon nen Treiber in Form des BC549B nebst !K vorgeschaltet hast.
Soweit sollte das auch funktionieren.
Ich denke mal das die Leitungswiderstände dir nen Strich durch die Rechnung machen aber wie immer sind Ferndiagnosen schwer.

BTW, die Dioden sollet Ihr Euch unbedingt gönnen, sonst kann es passieren, dass Ihr Euch die FETs frittiert.

Sind doch schon drinn

laut ursprungsposting nicht

Yo,wo de Recht hast haste Recht.
Hab ich überlesen das er die Schottkys weggelassen hat.

Aber laut Datenblatt haben die Mosfets doch schon eine Schottky-Diode integriert!? Oder taugen die nichts?

Keine Schottky-Diode, es sein denn, Du hast Fetkys oder wie die Dinger heissen (Markenname von irgendwem), da ist "absichtlich" eine Schottky-Diode eingebaut, es gibt auch welche (hauptsächlich Isotop- und andere Module) mit Fast Recovery-Dioden drin (bei höheren Spannungen ist mit normalen Schottkys nicht mehr viel zu holen, bei handelsüblichen 600V kommen dann halt nur noch FR oder SiC in Frage). Bei den MOSFETs, die man "zu Hause" im Normalfall verwendet, besteht die Diode lediglich aus der fertigungstechnisch bedingten parasitären Bulk-Drain-Diode, die von den Herstellern aber meistens auch im Datenblatt spezifiziert wird um sie ihren Fähigkeiten entsprechend einzusetzen. Mit Schottkys liegt man auf der sicheren Seite, ohne kann es sein, dass die Verluste im FET durch Benutzung der Diode im Freilauf grösser werden als die eigentlich erwarteten Schalt- und Leitungsverluste des FET selber. Abhilfe: aktiver Freilauf, in einer H-Brücke, die einen Motor steuert, also im Freilauffall die beiden oberen ODER die beiden unteren MOSFETs gleichzeitig ansteuern. Während des Totzeit des Umschaltvorganges fliesst der Motorstrom dann allerdings durch die Body-Diode des oberen MOSFETs der gepulsten Brückenhälfte. In meinem aktuellen Design werde ich trotz des aktiven Freilaufs Schottkys spendieren, da das Ding zuverlässig laufen muss.