Hallo! Ich habe eine Frage zum Bootstrap einer aus 2 Halbbrücken (IR 2183) kombinierten H-Brücke, zur Motorsteuerung. Welche n-ch Mosfets verwendet werden, ist erstmal zweitrangig. Angesteuert wird über einen AT Mega. Für die Drehrichtung wird jeweils ein Low-Side Fet leitend geschaltet und das gegenüberliegende High-Side Fet mit PWM angesteuert. Die restlichen Fets sperren. Jetzt die eigentliche Frage: Funktioniert die Bootstrap Schaltung, wenn nur das High-Side Fet an und aus geschaltet wird und das Low-Side Fet der selben Halbbrücke permanent sperrend ist? Vielen Dank für eure Antworten!
Tom H. schrieb: > Funktioniert die Bootstrap Schaltung, wenn nur das High-Side Fet an und > aus geschaltet wird und das Low-Side Fet der selben Halbbrücke permanent > sperrend ist? Mit einem Motor sollte das gehen, mit nichtinduktiven Lasten aber nicht. Die Motorinduktivität schaltet zum Entmagnetisieren in der Ausschaltphase des PWM-Signals die Rückwärtsdiode des zum geschalteten High-Side-FET gehörenden Low-Side-FET ein, die Spannung an dem Knoten geht auf -0,7V. Dadurch kann der Bootstrap-Kondensator aufgeladen werden.
@Tom H. (randomuser) >Funktioniert die Bootstrap Schaltung, wenn nur das High-Side Fet an und >aus geschaltet wird und das Low-Side Fet der selben Halbbrücke permanent >sperrend ist? Nein. Bootstrap-Schaltungen brauchen einen dauerhaften Takt mit minimaler Pulsbreite, um die Leckstromverluste zu kompensieren. Für 100% Einschaltdauer braucht man zusätzlich eine Ladungspumpe.
Es ist so wie ArnoR schreibt. Bei einem Betrieb von einem Motor wird das funktionieren. Voraussetzung ist natürlich, wie Falk schon sagt, dass du keine 100% PWM fahren kannst. In der Realität sollte sich deine PWM im Bereich zwischen 10% und 90% bewegen. Aber sauber ist das auch nicht. Das ist eine Frickellösung. Am besten im einen Zweig den Low Side Fet einschalten und im anderen Zweig zwischen beiden Transistoren hin und her schalten. Je nach PWM. Dazu kannst du bei diesem Treiber die beiden Eingänge auf den gleichen Pin legen. Dann schalten die Ausgänge automatisch. Also wenn der High Side aus geht geht der Low Side an. Genau das was du willst. (Cross Conduction Prevention hat der ja auch schon drin. Da musst du also auch nichts machen). Gruß, Jens
Hallo, danke für die Antworten! @Jens, ist in dem Moment, in dem beide Low-Side Fets leiten, der Motor nicht im Kurzschluss? Das ergäbe doch massives Bürstenfeuer, wenn die generierte Spannung kurzgeschlossen wird und der Motor somit bremst. Oder übersehe ich da was? Gruß, Tom
(Edit nur 60min, also so): Oder habe ich die von mir angesprochenen Probleme erst, wenn der Anker komplett entmagnetisiert ist und nur noch durch die Rotation im Permanentmagnetfeld Spannung erzeugt?
Wenn bei low side fets leiten, fließt Strom über die Massefläche zwischen den Transistoren und über den Motor. Rdson der FETs ist niedrig, also wenig Verlustleistung. Daher auch langsame Demagnetisierung der Motorinduktivität, der Motor dreht lange nach. Sperrst du alle FETs, fließt Strom von Masse nach Vcc über die Body-Dioden der FETs. Die FETs werden warm(ggf. zu warm), der Motor bleibt aber auch schneller stehen. Ein E-Motor ist eine Induktivität, es ist unmöglich den Strom plötzlich abzuschalten. Der sucht sich sonst seinen Weg und dann geht üblicherweise was kaputt.
"Daher auch langsame Demagnetisierung der Motorinduktivität, der Motor dreht lange nach." Praktisch sehe ich folgendes: Wenn ich den Motor hochdrehen lasse und dann die Anschlüsse zusammenhalte (Widerstand zwischen Quelle und Motor, kein unterbrochener Stromfluss), also etwa das, was beide Low-Side Fets im leitenden Zustand machen, bleibt der Motor deutlich schneller stehen, als wenn die Anschlüsse ohne Quelle offen bleiben. Wie passt das zusammen?
Dann verheizt sich das in den Motorwicklungen. Da ein FET nicht ganz so niederohmig ist wie eine direkte Drahtverbindungung, geht dann ein beträchtlicher Teil dieser Wärme in die FETs. Immer an den Energieerhaltungssatz denken, irgendwo geht die Rotationsenergie hin.
Ich habe das nochmal nachgelesen und praktisch getestet. Halbbrücke steuert Motor im Leerlauf an 12V gegen Masse. PWM 1kHz. Fall 1: Oberer Fet PWM, unterer Fet durchgehend sperrend mit Freilaufdiode. 10% Duty Cycle: 2,69V 30% Duty Cycle: 7,65V (0,69A) Fall 2: Oberer Fet PWM, unterer Fet PWM. 10% Duty Cycle: 1,11V 30% Duty Cycle: 3,81V (1,47A) (weniger Spannung, mehr Strom, ausserdem stärkere Erwärmung des Motors) Und nochmal hierzu: "Sperrst du alle FETs, fließt Strom von Masse nach Vcc über die Body-Dioden der FETs. Die FETs werden warm(ggf. zu warm), der Motor bleibt aber auch schneller stehen." Das gilt aber nur, solange das Magnetfeld durch die Versorgungsspannung noch nicht abgebaut ist. Wenn der Motoranker entmagnetisiert ist, ist die im Motor durch die Drehbewegung generierte Spannung niedriger, als die Versorgungsspannung und die Body-Dioden sperren auch. Dann dreht der Motor stromlos aus. Wenn beide unteren Fets leiten, wird der Motor hingegen kurzgeschlossen und bleibt fast sofort stehen. Um den Motor effizient anzusteuern, sollte also die H-Brücke nur diagonal betrieben werden und nicht permanent zwischen "Motorbeschleunigen" und "Motorbremsen" hin und her schalten. Schnelle Freilaufdioden mit niedriger Durchlassspannung sollten dabei nicht fehlen. Dies gilt jedenfalls für meinen Fall hier.
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Ich kann Dir einen Tip geben: Messe den Motorstrom mit einem Oszi (mit einem Shunt oder einer Current-Probe). Die Zeit, die die Induktivität zum Laden/Entladen braucht, liegt in einer ganz anderen Dimension als die Zeit, die der Anker zum Ändern der Drehzahl braucht. Das Modell eines Motors ist eine Spannungsquelle (U proportional zur Drehzahl, I proportional Drehmoment) und einer dazu seriellen Spule. Wenn Du also einen leerlaufenden Motor kurzschließt, steigt der (negative) Strom zunächst linear an und die Spule lädt sich auf. Öffnest Du den Kurzschluss, versucht die L, den Strom aufrechtzuerhalten, das geht nur, indem sie ihre Spannung umpolt, d.h. Generatorspannung und Spulenspannung addieren sich, bis die Versorgungsspannung leicht überschritten wird und die Bodydioden leitend werden. Das geht so lange, bis die Summe kleiner als Vcc wird und der Strom Null. Das ist ein ganz normaler generatorischer Betrieb mit Rückspeisung. Anders sieht es aus, wenn Du Energie in den Motor hineinschickst: Der Strom steigt linear an (fast rise), Drehmoment wird erzeugt und die Spule wird aufgeladen. Wenn Du jetzt den oberen FET ausschaltest, versucht die Spule den Strom aufrechtzuerhalten. Das schafft sie nur, indem sie ihre Spannung umpolt, d.h. Motorspannung und Spulenspannung subtrahieren sich, die Klemmenspannung wird negativ, die untere Bodydiode wird leitend. Jetzt kommt die Überraschung: in diesem Zeitpunkt ist es fast egal, ob der untere FET eingeschaltet wird(*). Er schließt nur die Body-Diode kurz (er wird rückwärts leitend) und reduziert deren Verlustleistung. Dann sinkt der immer noch positive Strom linear. Erst wenn der Strom auf Null gesunken ist (wenn überhaupt), macht es einen Unterschied, ob der FET eingeschaltet ist: - wenn ja, wird (erst jetzt!) der Strom negativ und bremst den Motor. - wenn nein, hört die Body-Diode auf zu leiten und der Motor wird nicht gebremst. (*) Genaugenommen macht es einen Unterschied, weil der Dioden-Drop die Zeit verändert, bis der Strom Null wird. Zusammenfassung: Es gibt drei aktive Zustände (betrifft die Spule): - fast rise (Strom (und damit das Drehmoment) steigt) - slow decay (Strom fällt langsam) - fast decay (Strom fällt schnell) und für den Motor: - Drehmoment erzeugen (wirkt als Motor, Strom positiv) - kein Drehmoment erzeugen (neutral, Strom null) - Drehmoment verbrauchen (wirkt als Generator, Strom negativ) Diese beiden Dreiergruppen haben so gut wie NICHTS miteinander zu tun! Z.B. kann bei fast decay der Strom immer noch positiv sein, d.h. er wirkt als Motor. > Um den Motor effizient anzusteuern, sollte also die H-Brücke > nur diagonal betrieben werden und nicht permanent zwischen > "Motorbeschleunigen" und "Motorbremsen" hin und her schalten. Wie beschrieben, das Schalten einer Halbbrücke bewirkt nicht die untere Dreiergruppe (das Beschleunigen und Abbremsen eines Motors), sondern die obere Dreiergruppe. Aufpassen: starker Stromripple kann eine übermäßige Erwärmung bedeuten, vor allem bei Motoren mit Feldwicklung, weil diese bei DC-Motoren normalerweise nicht geblecht / laminiert ist und so große Wirbelströme entstehen. Ein starker Stromripple entsteht vor allem beim Diagonalschalten der Brücken, also ständiges fast rise / fast decay.
Ich weiß nicht, welche Induktivität der Motor hat, ich schätze aber eher eine geringe. Dazu ist der PWM Takt mit 1kHz nicht sonderlich hoch. Aus der Tatsache, dass die Spannung am Motor mit High-Fet und Freilaufdiode am selben PWM Signal höher ist, als mit High-Fet und Low-Fet schließe ich, dass der Motorstrom im PWM-Low Bereich auch negativ wird. Der Strom wurde an der Versorgungsspannung gemessen und sollte ja theoretisch für beide Fälle gleich sein. Ich denke, ich schaue mir den Motorstrom mal mit nem Oszi und nem Shunt an, dann weiß ich mehr. Auf jedenfall danke für die ausführliche Antwort!
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