H-Brücke nach RN-Wissen

[BASTIUniversal]

Hallo!
Ich bastelle gerade an ner Schaltung für ne Schrittmotorsteuerung. Das ganze soll später irgendwann in nen Roboter eingebaut werden.
Die Standard Methode ist ja L297 mit L298, aber der L298 ist mit Bipolaren Transistoren aufgebaut und hat damit relativ hohe Verluste. Dann gibt's noch den L6203 mit FET's, da braucht man aber 2 Stück pro Motor (bei Reichelt kosten die immerhin 5,25€ / Stück).

Im RN-Wissen hab ich dann ne Schaltung gefunden (https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Getriebemotoren_Ansteuerung).
Nun wollte ich wissen ob ich die Schaltung so übernehmen kann...mir kamen da die Pull-Up Widerstände komisch vor...wenn kein Signal anliegt schalten die FET's dann durch? Sollte da nicht eher ein Pull-Down Widerstand eingebaut sein?
Ich würde zur Ansteuerung der H-Brücke auf den L297 zurückgreifen und dessen Ausgänge auf je einen FET legen bzw. einen 40106 (Schmitt Trigger) dazwischen schalten. Würde der reichen um zu verhindern das zwei FET's (also im gleichen "Zweig") gleichzeitig eingeschaltet sind und nen Kurzschluss produzieren?
Die Typ. "Transition Time" liegt bei 50nS bei 10V.
Was ich gerade noch gesehen hab...kann ich vllt. sogar nen L293 zur Ansteuerung der FET's verwenden? Da brauch ich dann keine Treiber und auch keine Verzögerung (das hat der ja alles schon drin).

Danke!

[shaun]

Kannst Du mal aufmalen, was Du da vor hast? Deine Vorschläge weichen alle irgenwie notorisch von dem ab, was andere schon ausgetüftelt haben. Der L293 ist kein MOSFET-Treiber und die implementieren Deadtimes sind für ihn selbst vielleicht ok, aber er kann ja nicht wissen, was Du danach noch so anbastelst. Von welchen Spannungen und Strömen sprechen wir hier überhaupt? Zum 40106: der Ausgangsstrom reicht für hinreichend schnelles Schalten niemals, es sei denn, die Verlustleistung ist aufgrund besonderer EMV-Bedingungen eingeplant. Dass er irgendwas unter irgendwelchen Bedingungen um minimal, typisch oder maximal (diese Angabe fehlt irgendwie) um 50ns verzögert ist nicht wirklich ein Kriterium :(

[BASTIUniversal]

Hi!
Bischen blöd geschrieben das ganze...ich weiß...!
Also, ich will nen Schrittmotor steuern. Dazu gibt's den L298, welcher mir aber zu viel Verlustleistung produziert. Nun will ich selbst ne H-Brücke konstruieren die nur wenig Verluste hat.
Im Moment dreht sich das ganze um zwei Pollin Schrittmotoren (Best.Nr. 310 247). Bei 5V nehmen die ca. 850mA auf.
Bei der Ansteuerung der Brücke brauch ich jetzt noch Hilfe, ich will nicht dass zwei FET's in einem Zweig gleichzeitig schalten können, und somit nen Kurzschluss produzieren.

Ich hab jetzt mal mit ein paar Gattern einen Entwurf gezeichnet...ist im Anhang!
Die FET's werden wahrscheinlich Logic-Level FET's, und die Zeichnung steht nur für eine Hälfte.
Die Signale kommen auf der linken Seite rein.

[PeterPan]

Hallo,

also Deine Verriegelung wird wohl funktionieren. Aber Du hast ein anderes Problem. Der BUZ10 ist ein N-Kanal FET, das heißt er benötigt eine Spannung von mindestens +3V gegenüber dem Sourceanschluß (Datenblatt). Der Gatterausgang liefert eine Spannung von ca. +4,8V gegen Masse.
Der Reststrom der FET's sorgt dafür das zwischen den Transistoren eine Spannung von +2,5V gegen Masse liegt (Ub/2). Für Ugs bleiben da noch
Ugs=4,8V-2,5V=2,3V
über. Das reicht aber nicht um den FET einzuschalten.

Eine Erhöhung der IC-VErsorgungsspannung auf 8V bis 15V ist problematisch da dann die beiden stromführenden FET's unterschiedlich stark angesteuert werden. Da Du ja wohl nur Impulse übertragen willst müsste auch ein Zündübertrager aus der Thyristortechnik weiterhelfen. Bei Stromrichtern mit antiparallelgeschalteten Thyristoren hat man ähnliche Probleme.
Oder Du verwendest einfach einen P-Kanal-FET für die oberen Transistoren. Der benötigt eine Spannung von -3V gegenüber Source. Das wird in den meisten Brücken ja auch so gemacht.
Aber ich vermute mal das Du jede Menge BUZ10 hast und die verbauen willst.

Bis bald,
Peter Pan

[BASTIUniversal]

Hi!
Also BUZ10 FET's hab ich keinen einzigen, dafür aber ne Stange IRLU024 Logic-Level FET's (80mOhm bei 5V Vgs).
Bei den P-Kanal FET's liegt die Source ja an der Versorgungsspannung, und die -3V sind nicht auf GND sondern auf Vcc bezogen, oder?

[shaun]

Vgs sind, wie die Indizes vermuten lassen, auf Source bezogen, und wie Du ja schon ganz richtig geschrieben hast, liegt beim P-Kanal Source auf Vcc in der geplanten Anwendung. Bei 1A mag ein P-Kanal die Sache noch hilfreich vereinfachen, bei ein paar Ampere würde ich nur N-Kanal-MOSFETs benutzen und der Einfachheit und Reproduzierbarkeit halber einen integrierten Treiber einsetzen. Bei 5V ist da die Auswahl aber etwas dünn, allerdings würde ich in diesem Fall um das Bootstrapping zu umgehen sowieso eine höhere Spannung für die Gatetreiber bereitstellen (12V, wenn nicht sowieso vorhanden aus einem kleinen Step-Up-Wandler)
Aber kurz nochmal an PeterPan: bei den meisten Brücken wird das ganz sicher nicht so gemacht, weil die P-Kanal-MOSFETs bei gleicher Technologie und Chipfläche einen erheblich höheren Rds_on haben als N-Kanäler (aber das brauche ich Dir denke ich gar nicht zu sagen). Sogut wie alle integrierten Brücken haben ausschliesslich N-Kanal-MOSFETs, und MOSFET-Treiber für diese Anwendung sind idR auch für die Ansteuerung eines N-Kanal-MOSFETs auf der high side ausgelegt.

[BASTIUniversal]

Hi!
Im Prinzip hab ich 10-12,6V (je nach Akkuladung) zur Verfügung, welche per Step-Down Regler auf 5V gebracht werden.
Könnte ich einen Half-Bridge Treiber auch dazu verwenden ne ganze Brücke zu Versorgen (hab da an den IR2183 gedacht)? Vermute das wird schwierig, da dann der High-Side Ausgang nen Low-Side FET Treiben müsste (und umgekehrt)...!
Da ich ja 2 Brücken pro Motor brauche und 2 Motoren habe, bräuchte ich ja 8 IC's!
Bei den FET's hab ich an den IRF7403 gedacht, kostet 42ct, ist im SO8 Gehäuse und hat bei 10V nen Rds von 22mOhm.

MfG

PS: Kann ich den ICL7667 dazu verwenden Low bzw. High-Side FET's zu Treiben oder ist der für die High-Side nicht geeignet?

[shaun]

Du hättest das Problem, dass mit dem der untere MOSFET 10V, der obere aber nur 10V-Uaus, also bei 5V Brückenbetriebsspannung 5V, für Ugs zur Verfügung hätte. Ich habe hier HIP4081 verwendet, früher auch schon IR2110, 2183 u.a., aber nur in Hochspannungsanwendungen, wofür die ja auch optimiert sind.

[BASTIUniversal]

Ja, der HIP4081 hört sich gut an...kostet aber 6,50€ das Stück (bei Segor)! Naja, ich glaub ich werd das ganze ohne Treiber aufbauen, der max. Strom sollte die 1A nicht übersteigen...da dürfte das ganze ja noch nicht so kritisch sein!

[shaun]

Ganz ohne Treiber wird es wohl kaum gehen?! Willst Du N- und P-Kanal-MOSFETs einsetzen und die direkt mit den Controllerausgängen ansteuern? Wenn Du eine PWM realisieren willst, wird das vermutlich etwas zu verlustträchtig, bei entsprechend hoher Schrittfrequenz des Motors ebenso. Für <=1A würde ich vermutlich was vollständig integriertes nehmen (L6203 oder wie der heisst oder seiner Abwandlungen, PBL3000irgendwas o.ä.), ein dicker Treiber wie der HIP ist da natürlich eine Kanone zur Spatzenabwehr. Was mich mal interessieren würde: achtet ihr, die ihr bei einem 6-Euro-IC aufschreit, eigentlich auch sonst so auf die Kosten, von der Planung über das Verheizen beim Expermentieren bis zum Drumherum, sprich Platine, Montagematerial, Mechanik? Ich lese hier ständig, dass einige am Layouten sind ohne eine Idee der fertigen Schaltung, das heisst ja mindestens einmal Platine wegwerfen und neu machen, um die Schaltung weiter zu entwickeln. Ist es hier gar nicht verbreitet, Prototypen erstmal auch wie Prototypen aufzubauen und dann eine Platine zu machen/machen zu lassen? Klar, TQFP usw auf Adapter setzen ist blöd, aber eine Leistungsstufe, Spannungswandler usw kann man doch erstmal auf Experimentierplatinen setzen und wenn der wilde Aufbau auf Holzplatte mit Schrauben, Winkeln, Flatterverdrahtung und Mengen von Strapsen und Heisskleber :) dann läuft - dann würde ich mir Gedanken ums Layout machen.

[BASTIUniversal]

Hi!
Ich hab da jetzt ne ganz einfache Schaltung in meinem SWCad simuliert. Die zwei "Voltages" sollen einen ICL7667 darstellen, der mit 10V arbeitet. Je eine Quelle treibt einen High-Side und einen Low-Side FET.
Laut der Simulation funktioniert das wunderbar...der High-Side FET muss beim schalten halt kurzfristig mehr Abwärme loswerden.
Die FET's entsprechen von den Spezifikationen ungefähr einem IRF7103.

Im Anhang ist noch mein aktueller Versuchsaufbau mit einem L293 und GP2D12...ich mach das auch erst auf nem Breadboard o.ä...nur muss man erstmal wissen was man aufbauen will bzw. ob's funktionieren kann (und da fließt bei mir halt auch der Preis mit rein)!

[shaun]

Die erhöhte Verlustleistung aufgrund der niedrigeren Gatespannung war ja zu erwarten, aber wenn die sich im Rahmen hält - warum nicht. Es ist ja auch nicht so, dass während des Einschaltvorgangs nur 5V Ugs zur Verfügung stehen, im ersten Moment ist der Ausgang ja noch auf 0V. Bei den Leistungen aber wohl ziemlich egal. Klar muss man erstmal wissen, ob das, was man da vor hat so überhaupt gehen kann, und wenn Du dabei auf die Kohle achtest, ist das nur verständlich. Darum verstehe ich ja erst recht nicht, dass einige hier für eine Fusselschaltung die nicht mal verstanden wurde (Du bist hier natürlich nicht gemeint) erstmal ein Layout malen, unter Missachtung sämtlicher grundlegenden Kriterien natürlich (dünne, lange wirr laufende Massebahnen zB). Dass Du mit Deinem Brütbrett auch mal die eine oder andere Störung einbaust (lange Leitungswege, schlechte Kontakte) ist Dir sicher bewusst, oder? Ich hab natürlich auch so ein Ding, insbesondere um bei Reparaturen mal schnell eine Testschaltung für ein Bauteil zusammen zu stecken absolut genial.

[BASTIUniversal]

Die Schaltungen die ich in der Regel darauf Aufbaue sind recht einfach...und einem L293 sind die Leitungswege wahrscheinlich relativ egal ;-)
Ich werd einfach mal nen Schaltplan entwerfen...!

Edit: Macht es dem FET was aus wenn die Gate-Source Spannung höher als die Drain-Source Spannung ist?

[BASTIUniversal]

Hallo nochmal!
Ich hab jetzt nen kleinen Schaltplan für mein vorhaben erstellt, wäre nett wenn da nochmal jemand drüber schaut bevor ich mit dem Layout anfange.

Da der ICL7667 ja ein Inverter ist, hab ich da jedem Eingang noch nen Inverter vorgesetzt. Die Eingänge hab ich mit Pull-Down Widerständen (10kOhm...zu groß?) versehen damit da kein FET auf falsche Gedanken kommt wenn kein Signal anliegt. Die Spannung der Logik Bausteine kommt von der selben Quelle wie die Spannung für die Motoren, deshalb hab ich da ne 10µH Spule Eingebaut.
Die 5V Versorgung hat noch nen 2.200µF Kondensator zur Stabilisierung bekommen.

MfG

P.S.: Der theoretische Ruhestrom liegt bei der Schaltung bei max. 16mA. Die L298/297 Combo liegt da bei knapp 190mA (für's nix tun...!).

[shaun]

Wie wär's mit einem lesbaren Format? Die Ugs ist zwabgsläufig höher als Uds in einer Schaltanwendung ;) Du meinst, ob es ihm was ausmacht, dass Ugs bei Dir 10V sind, während die Brücke selbst mit 5V läuft? Nö, kein Problem, nur Ugs darf halt den Maximalwert lt Datenblatt (20V nehme ich mal an) nicht überschreiten.

[PeterPan]

Hallo,

@shaun
Was Du sagst ist richtig. Ich war davon ausgegangen das Basti eine Brücke für kleine Leistungen diskret aufbauen wollte. Und da wäre der P-Kanal eine gute Lösung gewesen.
Ansonsten ist die Lösung mit den Treibern und gleichen FET's die beste Idee. Bei höheren Strömen werden dann auch IGBT's interessant.

Bis bald,
Peter Pan

[shaun]

Richtig, sehe ich auch so. 1A ist nun eher im Bereich kleiner Leistungen zu suchen (zumindest bei 5V), so dass der P-Kanal durchaus eine Alternative ist. Praktischer Weise gibt's von IRF ja auch N+P im SO8, evtl sogar im Reichelt-Programm. Sollte man sich überlegen, aber eine Verriegelung wäre vielleicht ganz angebracht. Und auch wenn es so schön logisch erscheint: die Gates zusammenlegen und sagen, bei low leitet nur der Obere, bei high der Untere ist nicht - während des Umladens leiten beide, wenn auch nur ein bisschen. Am schlimmsten sind solche Schaltungen, wenn sie zunächst funktionieren, dann aber am Einsatzort unter vielleicht leicht erhöhten Temperaturen abbrennen.

[BASTIUniversal]

Hi!
Ne Verriegelung hab ich schon mit eingeplant, sieht so aus wie oben in nem Bild von mir.
Ich hab mir auch schon über legt, ne Verzögerung mit einzubauen, nur weiß ich nicht genau wie die aussehen sollte...reicht da ein R-C Glied? Kommt damit ein CMOS AND-Baustein zurecht (4081B in meinem Fall)?

[shaun]

Prinzipiell schon, nur bringt eine reine Verzögerung keinen Sicherheittsvorteil, im Gegenteil: wenn die Schaltschwelle leicht unsymmetrisch zur "Versorgungsmitte" ist, wird einer der Zeiten länger - nach Murphy die, die eigentlich die Verriegelung bewirken sollte ;) Wenn ich mir den Aufwand ansehe, kannst Du auch bald ein integriertes 1A-Treiber-IC nehmen, meinste nicht?

[BASTIUniversal]

Naja, stimmt im Prinzip schon...aber gibt's denn Integrierte H-Brücken? Ausser dem L293, L298 und L6203 (wobei ich davon dann 2 pro Motor brauche) kenn ich keine, die Verfügbar sind!

Um einen Sicherheitsvorteil zu gewinnen müsste ich zuerst Ausschalten und nach einer Gewissen Zeit erst den anderen FET Einschalten...mit was könnte ich das erreichen?

[shaun]

Da es die ganzen ICs, die mir so einfallen, anscheinend nicht mehr gibt (TCA3727, PBL377x usw) bleiben nur noch Trinamic und Nanotec, aber da hätte ich wenn ich keinen guten Grund hätte, die Dinger einzusetzen, schon wieder ein schlechtes Gefühl: bei so viel System in einem Chip wird das Ersetzen bei Defekt & Abgekündigt eine Zumutung. Allegro hat(te) auch massenhaft SM-Treiber, aber auch alles recht speziell. Hmm, vielleicht doch lieber selbst bauen. Was die Verzögerung angeht: Mit geschickten Verzögerungen und Logik gegenseitig sperren oder die Verzögerung nur in eine Richtung wirken lassen - über R1 den C aufladen, über R2+Diode (R2<<R1) entladen, schon geht das Entladen schneller als das Aufladen. Oder doch noch mal nach MOSFET-Treibern suchen...

[BASTIUniversal]

Naja, ich glaub mit ist der Aufwand doch zu groß...die Platine soll ja auch nicht riesig werden!
Der PBL3717A von Reichelt gefällt mir recht gut, kostet knapp 2€. Pro Schrittmotor sind 2 Stück nötig.
Im Datenblatt von Reichelt ist zwar ein Layout, aber kaum leserlich...gibt's da ne Möglichkeit das Bild in ne Eagle-Datei zu bekommen?