Versorgungsspannung für Raspi von der Leistungsteil entkoppeln

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Autor
Versorgungsspannung für Raspi von der Leistungsteil entkoppeln

    







BID = 1075126

I-need

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Beiträge: 415
 

  


Guten Tag miteinander, ich bin wieder mal ein bisschen am Basteln

Und zwar verwende ich bei dem neusten Projekt einen Raspi, der einen gröberen DC Motor steuert. (Wischermotor, aber mit 5V betrieben)

Das Netzteil soll für den Motor und der Raspi dasselbe sein, aber weil ich vom Motor auf der Versorgung unerwünschtes Gemüse erwarte, möchte ich den Pi etwas davon entkoppeln.
Ich habe sowas ähnliches schon oft bei analogen Verstärkerschaltungen gesehen, dass man den Leistungsteil direkt an der Speisung betreibt, aber die restliche Versorgung erst über einen seriellen Widerstand und dann die Spannung mit einem reichlichen C abpuffert. Beschreibt im Prinzip ein Tiefpassfilter.

Zur Frage: Ist es sinnvoll sowas bei meinem Raspberry auch umzusetzen?
Frage 2: Wie dimensioniere ich so etwas?

_________________

BID = 1075130

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219

 

  

Ich würde eher einen Pi-Filter nutzen: https://www.itwissen.info/Pi-Filter-pi-filter.html
(Evtl. einen kleinen vor den RasPi und einen größeren vor die Motoransteuerung?)
Dimensionierung? Berechnen (Grenzfrequenz?) oder ausprobieren mit Kram den man rumliegen hat.

P.S.
Vergiss Schutzwiderstände o.ä. zwischen RasPi und Motorsteuerung nicht.

BID = 1075136

nabruxas

Monitorspezialist



Beiträge: 9094
Wohnort: Alpenrepublik


Zitat :
Beschreibt im Prinzip ein Tiefpassfilter


Siebkette wäre ein passender Suchbegriff.

_________________
0815 - Mit der Lizenz zum Löten!

BID = 1075153

I-need

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Beiträge: 415


Zitat :
Vergiss Schutzwiderstände o.ä. zwischen RasPi und Motorsteuerung nicht.
Ich verwende ein TTL Gatter als Level-shifter, welches von den 5V des Raspis betrieben wird. Die Ausgänge treiben dann die Mosfet H_Brücke.
Brauche ich immer noch Schutzwiderstände?


Zitat :
Siebkette wäre ein passender Suchbegriff.
Guter Begriff.

Meine initiale Frage ist aber, ob ich überhaupt sowas benötige. Der Raspi hat keine atomar kritische Aufgabe zu tun, aber trotzdem sollte er seinen Job verrichten...

_________________

BID = 1075189

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219


Zitat :
Ich verwende ein TTL Gatter als Level-shifter, welches von den 5V des Raspis betrieben wird. Die Ausgänge treiben dann die Mosfet H_Brücke.
Brauche ich immer noch Schutzwiderstände?
Schaltplan? Ist das eine fertige H-Brücke oder was diskretes? (Frage mich gerade was bei 5V schon ordentlich funktioniert.)
Ein Widerstand begrenzt einen Strom im Fehlerfall. Ein Gatter wird eine Überspannung wahrscheinlich über die "ESD"-Diode an den RasPi weitergeben. Reicht das als Antwort?

Bei einer diskreten H-Brücke könnte ich noch was zu RG, RGS, CGS und CGD erzählen.



Zitat :
Meine initiale Frage ist aber, ob ich überhaupt sowas benötige. Der Raspi hat keine atomar kritische Aufgabe zu tun, aber trotzdem sollte er seinen Job verrichten...
Kurze Antwort: Ausprobieren.
Lange Antwort: Ohne genauere Details kann man da nur raten. Es fängt da bei der Flankensteilheit der Endstufenansteuerung an und hört bei Layoutthemen auf. Schaden tut ein Pi-Filter eher nicht.

BID = 1075190

I-need

Stammposter



Beiträge: 415

Vielleicht sollte ich noch erwähnen, der Motor wird nicht PWM gesteuert, denn dieser 12V Motor ist bei 5V schon genügend gedrosselt.

Zitat :
Schaltplan? Ist das eine fertige H-Brücke oder was diskretes? (Frage mich gerade was bei 5V schon ordentlich funktioniert.)
Ein Widerstand begrenzt einen Strom im Fehlerfall. Ein Gatter wird eine Überspannung wahrscheinlich über die "ESD"-Diode an den RasPi weitergeben. Reicht das als Antwort?
Also ich würde einen Schaltplan zeigen, wenn ich dann einen hätte. Ich habe mich da etwas schlampig an die Arbeit gemacht. Aber es funktioniert so weit, allerdings muss ich die P-Mosfet noch mit LL Typen Tauschen, die ich aber noch bestellen muss.(Diskrete H-Brücke)

D TTL Gatter wird von den "gefilterten" 5V des Raspis versorgt, lediglich die Ausgänge kommen mit den Gates auf der Leistungseite in Berührung. Über diese Gates sollte normalerweise nicht viel eingekoppelt werden.


Zitat :
Bei einer diskreten H-Brücke könnte ich noch was zu RG, RGS, CGS und CGD erzählen.
Immer gerne. Ich lerne gerne was Neues dazu


Zitat :
Schaden tut ein Pi-Filter eher nicht.
Ich habe jetzt ein Pi Filter hingebaut, aber ich habe ja keine Ahnung auf welche Werte Dimensionieren. So habe ich jetzt das genommen, was ich zur Hand hatte und habe dabei geschaut, dass die Grenzfrequenz möglichst Tief ist. (2x 4.7uH und 6.8uF --> fg ca 40kHz)

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BID = 1075211

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219


Zitat : I-need hat am 15 Dez 2020 23:56 geschrieben :
Vielleicht sollte ich noch erwähnen, der Motor wird nicht PWM gesteuert, denn dieser 12V Motor ist bei 5V schon genügend gedrosselt.
Das macht die Sache einfacher. Dann könnte man aber auch Relais nehmen. Da wäre eine einfache "cross conduction protection" schon eingebaut. Hier muss es HW/SW regeln.


Zitat :
D TTL Gatter wird von den "gefilterten" 5V des Raspis versorgt, lediglich die Ausgänge kommen mit den Gates auf der Leistungseite in Berührung. Über diese Gates sollte normalerweise nicht viel eingekoppelt werden.
Und wenn ein FET "durchlegiert", z.B. weil durch einen Softwarefehler zwei FETs durchschalten. Oder halten das die FETs aus bzw. ist das Netzteil dafür nicht stark genug?


Zitat :
Immer gerne. Ich lerne gerne was Neues dazu
Eigentlich ist es gute Praxis RG = 10-1000 Ohm und RGS=10k-100k einzubauen. Einmal damit die Flanken nicht zu steil sind und der Gate-Treiber nicht überlastet werden kann. RG sorgt mit den FET-Kapazitäten wie ein Tiefpass
RGS sorgt für definierte Potentiale, sollte die Gate-Leitung mal hochohmig sein.


Das Schaltverhalten vom FET kann man auch recht "einfach" mit Bauteilen einstellen. Dabei beeinflusst CGS die Steilheit der Stromänderung und mit CGD kann man die Steilheit der Spannungsänderung einstellen. Nur sollte CGD << CGS gelten. Sonst droht ein "Parasitic switch-on": Parasitic Turn-on of Power MOSFET - Infineon Technologies

Siehe jede beliebige MOS-FET-Turn-On-Application-Note:
Zum Beispiel Fig 7: Power MOSFET Basics: Understanding the Turn-On Process
Nach den Zeiten T1 bis T2 (bestimmt durch QGS -> Strom) und T2-T3 (nach QGD -> Spannung) schauen.

P.S.
Obiges gilt für n-Kanal-FETs. Bei p-Kanal-FETs muss man vermutlich Drain und Source austauschen.

BID = 1075212

I-need

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Beiträge: 415


Zitat :
Und wenn ein FET "durchlegiert", z.B. weil durch einen Softwarefehler zwei FETs durchschalten. Oder halten das die FETs aus bzw. ist das Netzteil dafür nicht stark genug?
hmm ich meine das halten die Fets aus, zumindest für kurze Zeit, irgendwann mal werden sie wohl thermisch überlastet, aber da müsste ich schon noch ein zwei Blicke ins Datenblatt werfen. Auch ist das Netzteil noch nicht definitiv gesetzt. Aber guter Hinweis, danke!


Zitat :
Eigentlich ist es gute Praxis RG = 10-1000 Ohm und RGS=10k-100k einzubauen. Einmal damit die Flanken nicht zu steil sind und der Gate-Treiber nicht überlastet werden kann. RG sorgt mit den FET-Kapazitäten wie ein Tiefpass
RGS sorgt für definierte Potentiale, sollte die Gate-Leitung mal hochohmig sein.
Alles Bekannt. Aber nicht oder noch nicht so implementiert....auch habe ich eher daran gedacht, schnelle einschaltzeiten zu erreichen, damit ich nicht grosse Umschaltverluste in den Fets kriege, denn ich will die eigentlich auf die Platine löten, ohne noch gross mich über Kühlkörper zu ärgern. Im statischen Betrieb benötigen sie auf jeden fall keinen, da das RDSon genügend klein ist, aber für den Umschaltvorgang habe ich mich noch nicht so viel gekümmert. Aber du hast recht, wir reden hier über Schaltvorgänge, dies selbst mit Tiefpass noch relativ schnell sind.


Zitat :
Nur sollte CGD << CGS gelten. Sonst droht ein "Parasitic switch-on": Parasitic Turn-on of Power MOSFET - Infineon Technologies
Ich muss sagen von dem höre ich zum ersten Mal. Definitiv wert das mal genau Anzusehen, Danke!

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BID = 1075217

Offroad GTI

Urgestein



Beiträge: 12656
Wohnort: Cottbus


Zitat :
aber für den Umschaltvorgang habe ich mich noch nicht so viel gekümmert.
Brauchst du nicht weiter zu beachten, wenn die Umschaltzeit nicht mehrere Sekunden beträgt
Schaltverluste werden erst ab einigen kHz interessant.

_________________
Theoretisch gibt es zwischen Theorie und Praxis keinen Unterschied. Praktisch gibt es ihn aber.

BID = 1075226

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219


Zitat :
I-need hat am 16 Dez 2020 17:11 geschrieben :
habe ich eher daran gedacht, schnelle einschaltzeiten zu erreichen, damit ich nicht grosse Umschaltverluste in den Fets kriege, [...]
Richtig, aber selbst bei moderaten Schaltzeiten von ein paar 1 µs fällt das nicht groß ins Gewicht, insbesondere wenn man es einmalig macht.
Schneller ist halt schlecht bezüglich EMV. Mag Daheim egal sein, außer dem RasPi wird es zu wild.

Beim Treiben von Induktivitäten (Motor) sollte man aber auch die Verluste im Freilauf über die Body-Dioden nicht vergessen. Da kommt wegen UF ca. -1 V allein während ein paar µs "Tot-Zeit" schnell was zusammen. Im statischen Betrieb ohne PWM habe ich hier keine Bedenken.

BID = 1075260

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Ist es sinnvoll sowas bei meinem Raspberry auch umzusetzen?
Ja, die Filterkondensatoren werden oft schon vorhanden sein, aber nicht die Entkopplungswiderstände.
Noch wichtiger aber ist eine sternförmige Masseführung.
Sinnvoller Weise wählt man als Sternpunkt die Verbindung von Stromversorgung und Masse der Leistungselektronik, weil sonst durch ohmsche und induktive Spannungsabfälle auf der Signalmasse Störspannungen bis hin zur Beschädigung von Bauteilen auftreten können.

BID = 1075271

I-need

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Beiträge: 415


Zitat :
Noch wichtiger aber ist eine sternförmige Masseführung.

Okei ja, so Masseführungen habe ich bis jetzt bei meinen Designs nicht speziel betrachtet. Da fehlt mir die nötige Theorie. Aber irgendwann in den nächsten 5 Semestern in der Fachhochschule wird das ja dann sicher irgendwo behandelt.


Zitat :
Sinnvollerweise wählt man als Sternpunkt die Verbindung von Stromversorgung und Masse der Leistungselektronik, weil sonst durch ohmsche und induktive Spannungsabfälle auf der Signalmasse Störspannungen bis hin zur Beschädigung von Bauteilen auftreten können.

Wenn ich das richtig verstehe, dann habe ich bereits einige Fehler gemacht. So Habe ich über den Steckverbinder des Raspis nicht nur die Signale gezogen, sondern auch die 5V und das GND, welches ich für den TTL Baustein benötige. Sollte ich das also ändern?

_________________

BID = 1075274

I-need

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Beiträge: 415


Zitat :
Noch wichtiger aber ist eine sternförmige Masseführung.

Okei ja, so Masseführungen habe ich bis jetzt bei meinen Designs nicht speziel betrachtet. Da fehlt mir die nötige Theorie. Aber irgendwann in den nächsten 5 Semestern in der Fachhochschule wird das ja dann sicher irgendwo behandelt.


Zitat :
Sinnvollerweise wählt man als Sternpunkt die Verbindung von Stromversorgung und Masse der Leistungselektronik, weil sonst durch ohmsche und induktive Spannungsabfälle auf der Signalmasse Störspannungen bis hin zur Beschädigung von Bauteilen auftreten können.

Wenn ich das richtig verstehe, dann habe ich bereits einige Fehler gemacht. So Habe ich über den Steckverbinder des Raspis nicht nur die Signale gezogen, sondern auch die 5V und das GND, welches ich für den TTL Baustein benötige. Sollte ich das also ändern?

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BID = 1075290

BlackLight

Inventar

Beiträge: 5219


Zitat :
So Habe ich über den Steckverbinder des Raspis nicht nur die Signale gezogen, sondern auch die 5V und das GND, welches ich für den TTL Baustein benötige. Sollte ich das also ändern?
Wenn wirklich nur der TTL-Treiber dran hängt sehe ich kein Problem. Hier geht es darum Logik und Leistungsteil zu trennen bzw. keine Masseschleifen zu haben, so dass plötzlich mehrere Ampere über die Logik-Teil-Masse fließen. Denn "Der Strom nimmt den Weg des geringsten Widerstandes" ist falsch. Der Strom teilt sich auf.

Aber hier kommt es drauf an, gibt es von TTL-Baustein zu den Source-Anschlüsse der n-FETs eine Verbindung?Denn wenn ja, s.o. Oder wenn mal die Masseverbindung zur H-Brücke etwas lose ist, könnte praktisch der gesamte Strom über den RasPi fließen.
Habe mir die Masseverbindung der RasPis nicht angeschaut, sauber ist aber was anderes.

Würde mit perls Anregung folgende Topologie vorschlagen:


Der Pi-Filter ist optional.
@perl: Passt das so oder Ergänzungen? Bin auf dem Gebiet noch am Lernen.

BID = 1075299

I-need

Stammposter



Beiträge: 415

Sehr sehr interessant! Ich habe den Filter (T) vor dem Raspi aufgebaut und nicht vor der H-Brücke. Ich dachte ich filtere den Motor separat, auch wenn ich noch nicht genau weiss wie. Der Wischermotor hat ja GND auf dem Gehäuse, da kann ich also keine Kondensatoren hinbasteln, wie das sonnst üblich ist bei DC-Motoren. Bin aber auf den Vorschlag gestossen eine Stromkompensierte Drossel zu verwenden. Hier stellt sich dann aber dieselbe frage wie ich die Drossel dimensionieren soll. Aufgrund fehlender Fachkenntnisse und Messmittel werde ich wohl einfach etwas hinbasteln und dann genügend daran glauben.

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