PWM mit MOSFET und Microcontroller

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Autor
PWM mit MOSFET und Microcontroller
Suche nach: pwm (2921) mosfet (2603)

    









BID = 423632

ffeichtinger

Schriftsteller



Beiträge: 959
Wohnort: Traunkirchen im Salzkammergut
 

  


Hallo

Mein Ziel ist es ein kleines Netzteil zu bauen, dass eine möglichst konstante und glatte Ausgangsspannung liefert und dabei möglichst wenig Leistung verbrät. (Gut, wer möchte das nicht)

Allerdings möchte ich es vermeiden mit der Netzspannung herum zu fummeln. (Also nicht Schaltnetzteil oder so was) Zurzeit habe ich einen alten Trafo im Einsatz (der natürlich eine Gerätesicherung bekommen hat), der in einem Blechgehäuse sitzt (das natürlich an den Schutzleiter angeschlossen ist). Der liefert eine Spannung von ca. 15VAC, natürlich nicht stabil. Dann folgen Gleichrichter, Kondensator, ein 7812 und noch ein Kondensator. Das geht, aber der 7812 nimmt bereits bei kleiner Belastung den Kühlkörper dankend an, den ich ihm geschenkt habe, er muss ja immerhin gut 21Nem vom Gleichrichter auf 12VDC 'herunterbraten'.

So dachte ich: Nehm' ich statt dem 7812 zv. einen MOSFET, der irgendwie über einen kleinen Mikrocontroller ansteuere, und der mir dann die Gleichspannung vom ersten Kondensator auf einige kHz zerhackt, der zweite Kondensator glättet sie dann wieder.

Alles gut und schön. Ein kleines PWM Programm auf den Controller zu schreiben ist das kleinere Problem. Nur der Controller liefert an dem Ausgangspin halt nur 5V. (bezogen auf GND) Der MOSFET braucht aber ca. 8V um richtig durchzuschalten, und die bezogen auf seinen Source Pin, der ja dann an +12V hängt!!! Das wären dann also ca. 20V bezogen auf GND. Ich könnte natürlich die 21V vom Gleichrichter nehmen und sie über einen Optokoppler auf das Gate schalten (und einen PULLDOWN dazu).

Doch das geht nur wenn die Eingangsspannung um ca. 8V höher ist als die Ausgangsspannung, was ja nicht immer der Fall sein muss.

Ist mein Gedankengang soweit einigermaßen richtig, oder erzählen ich völligen Schwachsinn?

In Fachbüchern sieht man immer wieder die hübsche Schaltung mit einer Regelung und einem "elektronischen Schaltelement"

Wie sieht so ein "elektronisches Schaltelement" in Wirklichkeit aus?



Danke für eure Antworten!



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BID = 423634

LeoLöwe reloaded

Schreibmaschine



Beiträge: 1407
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Jaja, die Fachbücher...

Wie wäre es mit einem Logik-Level Fet? Aus dem Kopf wüsste ich da nur den IRL3803 bzw. BUZ11 (funzt aber nicht immer)

Und nochwas: Woher kommen denn die 5V für den µC?


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BID = 423638

ffeichtinger

Schriftsteller



Beiträge: 959
Wohnort: Traunkirchen im Salzkammergut

Hallo, danke für die rasche Antwort.

Meinst du mit Logiklevel FET einen der auch bei 5V schon voll durchsschaltet? Das wär dann schon besser, aber noch nicht perfekt, dann ist trotzdem bei ca. 15V Schluss (wenn am Eingang 21V anliegen). Ich hätte gern eine PWM, die von 0 bis 100% funktioniert.

Woher die 5V kommen weiß ich noch nicht so genau, aber da gibt es verschiedene Möglichkeiten: zb einfach einen 7805 an die Spannung nach dem Gleichrichter, oder auch nach dem Zerhacker (dass bedarf aber einer Überlegung, damit das ganze überhaupt wegfahren kann). Der Trafo hat auch noch zwei weiter Stufen mit 8VAC und 28VAC.

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BID = 423642

LeoLöwe reloaded

Schreibmaschine



Beiträge: 1407
Wohnort: Meine
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Ja, diese Fets schalten schon bei 5V sicher. Mit dem BUZ 11 + NE555 habe ich sogar schon eine PWM bei 3,5 V zum laufen gebracht. Pfeift nur ein bisschen...

Irgendwie verstehe ich nur die Logik nicht wieso die PWM nur bis 15V arbeiten soll.

Dem FET ist das doch relativ egal was er da schaltet. Ich müsste nachsehen, aber ich denke mal für den BUZ11 o.ä. sollten 21V kein Problem sein.

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BID = 423656

photonic

Schreibmaschine



Beiträge: 1301
Wohnort: Zürich, Schweiz


Zitat :
und die bezogen auf seinen Source Pin, der ja dann an +12V hängt!!!


Falls du die Schaltung nicht umdesignen kannst so dass der high-side-switch unnötig ist, empfiehlt sich ein passender Gatetreiberbaustein für n-Kanal-MOSFETs, wie z.b einen IR2110. Der sorgt per Bootstrapschaltung dafür dass du dein Gate auf 12-20V über Source laden kannst, egal wo sich dessen Potential gerade befindet. Zudem enthält er einen Levelshifter so dass du mit 5V ansteuern kannst. Was auch noch praktisch ist ist der hohe Strom den du damit ins Gate bekommst. Mit einem LL-FET direkt ab einem Microcontroller getrieben baust du eigentlich immer eine Elektroheizung da die Schaltgeschwindigkeiten zum Einschlafen sind. Sowas mache ich nur wenn der FET hoffnungslos überdimensioniert ist und die Schaltgeschwindigkeit irrelevant ist. Die "Leistungslose" Ansteuerung eines Leistungs-MOSFETs ist ein Trugschluss, du musst hunderte mA bis einige A liefern (für Submikrosekunden) um ihn wirklich schnell zu schalten.

Für deine Anwendung wäre allerdings ein fertiger Schaltreglerbaustein + Induktivität besser geeignet, anstelle das mit einem MC zu versuchen. Den Zwischenkreiselko solltest du nicht viel grösser als nötig machen, so bleibt der Trafo durch einen grösseren Stromflusswinkel kühler. Wenn du so wie von dir vorgeschlagen auf eine Induktivität verzichtest und einfach per MOSFET von einem Kondensator in den anderen umlädtst bringt das ganze gar nichts, die Verlustleistung ist dieselbe wie bei einem 7812. Zusätzlich hast du noch eine hübsche Störquelle durch die hohen Spitzenströme.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: photonic am 20 Apr 2007 22:57 ]

BID = 423663

ffeichtinger

Schriftsteller



Beiträge: 959
Wohnort: Traunkirchen im Salzkammergut

@leo:

Ein FET schaltet dann, wenn die Spannung am Gate gegenüber Source einen bestimmten Wert überschreitet. Nur hängt Source (so wie ich mir das gedacht hab) nicht an GND, also ist eine Spannung gegen über GND für den FET 'nichts wert.'

Ich hab das mal aufgezeichnet.


@photonic:

Was meinst du mit umdesingnen? Eigentlich hab ich ja nur 2 Möglichkeiten: Den hinlaufenden Strom schalten oder den zurücklaufenden Strom schalten, was allerdings dazu führt, dass GND nicht mehr gleich GND ist, aber es wär ne Möglichkeit.

Was den FET betrifft; Hab mir gerade eine Galerie IRF610 bestellt (für einen anderen Zweck), die haben glaube ich 3.3 A. Außerdem hab ich einige aus alten Schaltnetzteilen ausgelötet, die sind auch überdimensioniert.

Das mit der Induktivität habe ich nocht nicht so ganz verstanden. Was soll die bewirken? Wie müsste ich die Induktivität den reinschalten und wie groß müsste sie sein?

So richtig schnell schalten will ich den MOSFET ja auch nicht, nur je schneller desto glatter die Ausgangsspannung, denk ich mir mal.



Abmahnungen vom Hamburger Gericht können jeden treffen


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[ Diese Nachricht wurde geändert von: ffeichtinger am 20 Apr 2007 23:08 ]

BID = 423668

photonic

Schreibmaschine



Beiträge: 1301
Wohnort: Zürich, Schweiz

Genau, nur wenn du auf der Masseseite schaltest kannst du einfach so einen FET hinpacken und diesen mit fester Spannung ansteuern. So wie du es gezeichnet hast ist esch schwieriger. Eine beliebte Lösung für reduzierte Anforderungen ist in diesem Fall ein p-FET mit Pullup an Gate und Treibertransistor gegen GND.


Zitat :

Ein FET schaltet dann, wenn die Spannung am Gate gegenüber Source einen bestimmten Wert überschreitet.


Das ist so, allerdings nicht als binärer Prozess wie man das gerne hätte, sondern er wird mit der anliegenden Spannung stetig immer besser leitfähig. Das Gate verhält sich kapazitiv, muss also geladen werden. Je mehr Strom du dafür hast desto schneller geht das. Die Kapazitäten finden sich im Datenblatt.

Das Problem deiner Schaltung wird schnell klar wenn du dir mal überlegst wieviel Strom vom einen zum anderen Kondensator fliesst, und wodurch der begrenzt ist. (ist rein resistiv abgesehen von parasitären Induktivitäten, im langsam schaltenden Transistor, in den Leitungen und in der ESR der Kondensatoren, dabei entsteht verteilt genau soviel Wärme wie ein 7812 erzeugen würde) Die erreichte Qualität der Ausgangsspannung is bei dem Konstrukt jedoch schlechter.

Eine Induktivität kann den Strom jedoch (theoretisch) verlustfrei begrenzen. Dabei ist es natürlich wichtig alle parasitären ohmschen Anteile zu minimieren. Die Dimensionierung der Induktivität ist nicht trivial, dazu musst du dich mit dem Bau von Schaltnetzteilen auseinandersetzen. Oder etwas fertiges nehmen und mit Herstelleremfehlungen aus Appnotes oder Datenblättern etwas bauen.


Zitat :
So richtig schnell schalten will ich den MOSFET ja auch nicht, nur je schneller desto glatter die Ausgangsspannung, denk ich mir mal.


Schnell heisst in dem Fall nicht mit hoher Repetitionsrate, sondern mit grosser Flankensteilheit, so im Bereich von 100 ns voll umgeschaltet. Beim Umschaltvorgang wird im Transistor Energie abgeheizt, je schneller du schaltest desto weniger heiss.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: photonic am 20 Apr 2007 23:28 ]

BID = 423694

wulf

Schreibmaschine



Beiträge: 2124
Wohnort: Bozen
Zur Homepage von wulf

hallo,
also ich würde einfach einen etwas besseren p-kanal mosfet nehmen und dessen gate einfach mit einem transistor fast gegen masse ziehen wenn er eingeschaltet werden soll (fast, weil -21V doch etwas viel für das gate sein könnten).
was noch besser wäre: eine halbbrücke mit 2 mosfet, aber wenn der wirkungsgrad nicht wirklich super sein muss, würde ich das eher bleiben lassen. denn da wird die ansteuerung der mosfets schwierig.

für besseres verständnis der step down schaltregler lies dir mal den teil über schaltwandler von sprut durch. recht einfach und unkompliziert erklärt.

mfg wulf

_________________
Simon
IW3BWH

BID = 423697

Ltof

Inventar



Beiträge: 7505
Wohnort: Hommingberg

Die Seite ist auch gut:
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/smps.html
Da kann man sich sogar die Spulendaten berechnen lassen.

Gruß,
Ltof

_________________
„Schreibe nichts der Böswilligkeit zu, was durch Dummheit hinreichend erklärbar ist.“
(Hanlon’s Razor)

BID = 424154

ffeichtinger

Schriftsteller



Beiträge: 959
Wohnort: Traunkirchen im Salzkammergut

Danke für die Link's! Besonders das von Ltof war sehr hilfreich. Leider habe ich in letzter Zeit nicht viel Zeit zum schreiben und löten. Mit diesem Berechnungsprogramm habe ich einige wichtige Dinge ausprobieren können:

* Die benötigte Spule ist umso größer, je kleiner die Schaltfrequenz ist.

* Die Spulengröße ist vom Schaltverhältnis 'relativ' unabhängig.

* Die Größe der Elko's wird in der Berechnung gar nicht aufgeführt, daher nehme ich an, dass deren Größe nur für die Glättung der Ausgangsspannung bestimmend ist, aber nicht für das Schaltelement selbst, also je großer desto besser, gehe ich richtig in dieser Annahme?

wenn nicht, wie dimensioniert man sie?

_________________

BID = 424285

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Ziel ist es ein kleines Netzteil zu bauen, dass eine möglichst konstante und glatte Ausgangsspannung liefert
Dann solltest du kein Schaltnetzteil verwenden, denn es ist ziemlich schwer, die Reste der Schaltfrequenz vollkommen aus der Ausgangsspannung herauszubekommen.


_________________
Haftungsausschluß:



Bei obigem Beitrag handelt es sich um meine private Meinung.



Rechtsansprüche dürfen aus deren Anwendung nicht abgeleitet werden.



Besonders VDE0100; VDE0550/0551; VDE0700; VDE0711; VDE0860 beachten !

BID = 425039

ffeichtinger

Schriftsteller



Beiträge: 959
Wohnort: Traunkirchen im Salzkammergut


Zitat :
Dann solltest du kein Schaltnetzteil verwenden,...


sondern?

Sooo tragisch ist dass mit Qualtität der Ausgangsspannung auch wieder nicht, Hauptsache besser als Trafo und Gleichrichter, und einigermaßen stabil (+/- 1V)

Viel wichtiger wäre:


Zitat :
....dabei möglichst wenig Leistung verbrät.


_________________

BID = 430326

ffeichtinger

Schriftsteller



Beiträge: 959
Wohnort: Traunkirchen im Salzkammergut

Hallo

Ich hab jetzt endlich Zeit gefunden etwas auf zu bauen. Und zwar: Ein MOSFET schaltet die negative Seite der Last gegen null, die positive Seite der Last ist direkt mit ca. 20V verbunden. Zwischen MOSFET und Last hängt noch eine Spule, zwischen Spule und MOSFET hängt noch eine Freilaufdiode gegen +20V.

Die +20V werden wie folgt bereit gestellt: ein Trafo mit 15VAC --> Gleichrichter --> Elko's mit 4300µF

Der MOSFET wird wie folgt geschaltet: ein Widerstand mit 2k2 zieht das Gate auf +20V. Soll ab geschaltet werden so zieht ein ULN2803 das Gate auf 0V.

Der ULN2803 wird von einem ATmega16 gesteuert. Ich hab noch ein 20k POTI zwischen 5V und 0V geschlossen und den Schleifer an den ADC gehängt.

Dann hab ich noch ein kleines Progrämmchen geschrieben, dass den ADC abfragt, den erhaltenen Wert in das Schaltverhältnis umrechnet und den Ausgang schaltet. Zurzeit bin ich etwa bei 1.2kHz.

Das Ganze funktioniert gar nicht schlecht. Ströme bis 300mA verträgt der MOSFET noch gut ohne Kühlkörper. Die selben 300mA sind es die einen 24Ohm Leistungswiderstand mit 7.15V bereits gut auf Trab halten.

Das Problem ist nur: Die Spule ist offenbar viel zu klein, deshalb ist von einer Spannungsglättung fast überhaupt nichts zu merken. Deshalb meine Fragen:

1. Was kann ich tun um die Spannungsglättung zu verbessern? Die Frequenz hochdrehen, aber das schadet vermutlich dem Wirkungsgrad oder? größere Spule? evtl Kondensatoren an Ein- und/oder Ausgang, oder ist das eher schlecht für den Wirkungsgrad?

2. Was kann ich tun um den Wirkungsgrad zu verbessern? evtl die Ansteuerung des Transistors nochmal überdenken? Höhere Frequenz, niedrigere Frequenz?

_________________

BID = 430504

Dombrowski

Stammposter



Beiträge: 450

Moin.

Ist dein Grundvorhaben eigentlich immer noch, einen 7812 durch einen Regler mit niedrigerer Verlustleistung zu ersetzen? Dann sieh dir mal die Simple Switcher Serie LM257x von National an. Damit kommst du um das Grübeln über Schaltungsdetails herum, weil die Schaltung im wesentlichen vorgegeben ist - und die Schaltung ist noch relativ einfach. Dafür gibt es auch eine Design-Software. Die eigentliche Arbeit besteht nur noch in der Beschaffung der geeigneten Komponenten und dem Anfertigen eines guten PCB-Layouts. Das ist aber schon anspruchsvoll genug. Wenn die Oszillogramme von deinem Aufbau schließlich genauso aussehen wie die in den Datenblättern, hast du schon gut was geschafft.

Bis deinem bisherigen Ansatz willst du PWM, um die Spannung zu verringern und zu regeln, aber an der Last selbst soll nur noch geglättete Gleichspannung ankommen, oder? Dann brauchst du eine erweiterte Schaltung mit mehr Komponenten, nämlich zum Sieben. Dazu solltest du von der Grundschaltung eines Step-down Wandlers ausgehen. Damit sind wir quasi wieder am Anfang dieses Threads angekommen...: deshalb LM257x als der praktikable Ausweg.

D.

BID = 430508

Dombrowski

Stammposter



Beiträge: 450

Moin.

Dies mal als Beispiel, was die Software liefert. D1 ist z.B. 1N5821. Dateiname der Software ist sms33.exe, noch reines MSDOS.

D.
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