DC Motoransteuerung mit Polaritätsumschaltung

[K-H J. (k-h)]

Hallo zusammen,

ich möchte ein kleines Problem diskutieren. Ich habe einen DC Motor der 
im Normalbetrieb ca. 3 A aufnimmt. Dieser wird mit 2 Leistungsrelais
(je 1 Wechsler) angesteuert. Jeweils die Öffner auf Masse, Schliesser 
auf + 24 V, die Schleifer der Relais je an einem Motoranschluss.

Ca. 15 mal am Tag läuft der Motor mal in eine, mal in die andere 
Richtung bis zum Endpunkt. Endschalter sind nicht erwünscht.

Der Motor ist mit einem Getriebe verbunden, welches dann gegen einen 
Anschlag läuft. Der Motorstrom steigt dann natürlich an und ich habe 
diesen mittels eines Stromsensors begrenzt. Werden ca. 15 A erreicht 
schaltet das durchgeschaltete Relais ab. Funktioniert auch soweit.
Da jedoch das Abschalten der Relais bei diesem hohen Strom getätigt 
wird, ist der Lichtbogen der Kontakte natürlich nicht unerheblich.

Die Relais sind aus dem KFZ Bereich und können die Last schalten. 
Kontaktwerkstoff ist AG-NiO.15.

Ich habe natürlich vorher Tests gemacht wie lange die Kontakte aushalten 
und bin bei weitem nicht auf die Schaltspiele im Datenblatt gekommen.

Frage an euch: 1. Wie könnte ich am besten die Relaiskontakte schützen.

               2. oder sollte ich es mit Mosfet versuchen.

Wenn ihr Schaltungsvorschläge habt wäre das sehr nett.

Gruss

K-H

[Helge A. (besupreme)]

Ja nu das übliche halt. Einen kräftigen 30V-Varistor zum Beispiel direkt 
zwischen die Mittelkontakte, an den Leitungen zum Motor.

Wobei Endschalter die wesentlich elegantere Lösung wären.

[Carsten R. (kaffeetante)]

Hast Du an die Freilaufdioden gedacht? Die könnten schon das Problem auf 
erträgliche Maße senken. Ich meine nicht den Freilauf der Relaisspulen, 
sondern den Freilauf über den Schaltkontakten. Beide Motorpole werden 
über die Dioden ihre positive Überspannung an die positive 
Spannungsversorgung los, bzw. ihre negative Überspannung wird nach Masse 
abgeleitet

Wenn Du deine Relais-H-Brücke nicht komplett durch Halbleiter einsetzen 
willst, aber ein Umbau in Frage kommt, kommt es auf den Aufwand an den 
Du betreiben willst. Dazu müßte man Schaltplan ud Layout kennen. Was 
nimmst Du als Stromsensor? Einen Shunt?

Je nach Aufbau:

Ergänzend kann man den Shunt durch einen "nicht so guten" Fet ersetzen. 
Damit meine ich einen Fet mit einem RDSon, welcher noch ohne 
Verstärkerschaltung einen noch sinnvoll meßbaren Spannungsabfall 
erzeugt. Man mißt dann über dem Fet anstelle über einem Shunt und 
beobachtet den relativen Stromanstieg beim Anschlag. Man hat dann zwar 
erhöhte Verluste im Fet, aber die hat man im Shunt auch.

Wenn man nun noch die Relais nur zur Richtungsumkehr einsetzt, den Fet 
zum Schalten und dies mit einer Pause in der richtigen Reihenfolge macht 
(Relais ein, Fet ein, Anschlag, Fet aus, kurze Pause, Relais aus), dann 
können die Dioden über den Leistungspfaden der Relais entfallen und eine 
Diode, die vom Fet zur Versorgung ableitet, würde austreichen.

Zusätzlich wäre es nun im Bedarfsfall einfach möglich eine PWM 
nachzurüsten.

[K-H J. (k-h)]

Hallo Carsten,

ich werde es mit deiner Lösung versuchen, leuchtet mir ein und ich denke 
kann ich auch umsetzen, da ich vom Controller sicher noch einen Ausgang 
frei habe um den FET anzusteuern. PWM wird im Moment nicht benötigt.
Habe mal eine Skizze angehangen. So korrekt oder? Wo sollte die Diode 
noch am FET platziert werden und muss es eine besondere sein, z.B 
Suppressor?

Da ich mit diesen Bauteilen (FET) noch nicht gearbeitet habe noch die 
Frage:
Gibt es einen Typen den du empfehlen könntest ?

Ach ja: Der Stromsensor ist ein LEM Baustein.

Danke im voraus

K-H

[Carsten R. (kaffeetante)]

zu empfehlen:

https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM

Dann:

Kombiniere deine Relais-H-Brücke mit dem 1-Quadrantensteller.

Im Prinzip hast Du das auch getan. Üblicherweise nimmt man aber einen 
N-Fet der zwischen Last (hier H-Bücke mit Motor) und Masse liegt. Das 
hat verschiedene Gründe: Ansteuerung, RDSon von N-Fet vs P-Fet...

Dein "Treiber" ist etwas hochohmig und daher leistungsschwach. Für PWM 
ist der nicht zu gebrauchen, für reinen Ein-Aus-Betrieb mag der gehen. 
Für einen N-Fet benötigst Du aber einen anderen Treiber.Weil 24 Volt 
schon sehr hoch sind, wäre ein Logic-Level-Fet interessant. Der kann mit 
5 Volt aus der µC Versorgung angesteuert werden.

Die Freilaufdiode platzierst Du gemäß Artikel oben wie beim 
1-Quadrantensteller und betrachtest dabei deine Relais-H-Brücke mit 
Motor als eine Einheit wie den Motor im Artikel. Du verbindest also 
Drain vom N-Fet mittels Diode in Flußrichtung mit der 
Versorgungsspannung.

Achtung: Bei deiner Skizze mit dem Fet in der Highside müßtest Du 
stattdessen von GND über die Diode in Flußrichtung zum P-Fet gehen!

Man nimmt dafür keine Suppressordioden! Die bauen die Überspannung 
entgegen der Sperrichtung bei Überschreiten der Sperrspannung mit hoher 
Wärmentwicklung über die Diode ab. Freilaufdioden betreibt man in 
Flußrichtung!



Alternativ

Carsten R. schrieb:
> Beide Motorpole werden
> über die Dioden ihre positive Überspannung an die positive
> Spannungsversorgung los, bzw. ihre negative Überspannung wird nach Masse
> abgeleitet

siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Vierquadrantensteller

nur daß du Relais anstatt der Fets hast. Wichtig ist, daß die Dioden die 
Motoranschlüsse wie im Bild mit Masse und Versorgungsspannung 
verbinden um die Induktionsspitzen abzuleiten. Ob Du das dann Mit Relais 
oder Fets schaltest ist egal. Damit sollte es schon besser gehen als 
bisher, vielleicht schon ausreichend gut und es wären keine weiteren 
Änderungen notwendig.

Die Dioden müssen schnell sein. Stichwort Trr (Reverse Recovery Time). 
Mit Schottky Dioden bist Du auf der sicheren Seite. Da es aber nicht um 
PWM geht ist das nicht so dramatisch, da nur selten geschaltet und erst 
verzögert wieder eingeschaltet wird. Trotzdem sollte man das für später 
im Kopf behalten oder sich gleich angewöhnen für Freilaufdioden nur 
schnelle Typen zu nehmen.

Sowohl Fets als auch Dioden sollten bezüglich Spannung und 
Strombelastbarkeit genügend Reserven haben. Das ist aber kaum ein 
Problem. Bei dieser Auslegung ist die Auswahl preiswerter Teile riesig. 
Beispielsweise würde für mein Beispiel ein antiker BUZ11 schon völlig 
ausreichen.

Wie schon zuvor gesagt, ist ein schlechter RDSon nicht unbedingt von 
Nachteil, weil man so ein deutlicheres Stromsignal über dem Fet als 
Shuntersatz abgreifen kann. Solange man es mit dem RDSon nicht 
übertreibt, ist der Leistungsverlust durch diesen "Shunt" bei der 
Motorleistung kaum spürbar und es sollte in deinem Falle ohne PWM dann 
sogar ohne Kühlkörper gehen. Einige 10 Milliohm sind also ok, nahe 0,1 
Ohm oder mehr wäre doch ein kleiner Kühlkörper zu empfehlen. Doch solche 
hochohmigen Fets in der Kleinspannungsklasse muß man suchen. Also ist 
das eher unwahrsheinlich.

Nachtrag:

Ach ja, der LEM. Ich bin von einem Shunt ausgegangen. Der ist in dieser 
Leistungsklasse eine preiswerte Alternative, besonders wenn man nur den 
relativen Stromanstieg bewerten muß und so den RDSon eines eventuell 
ohnehin vorhandenen Fets also Shunt nehmen kann.