Leistungsstufe mit Schwierigkeiten

[rrobert]

Hallo Forumsmitglieder,

ich bin derzeit dabei eine Leistungsstufe für einen Lüfter zu entwerfen.

Die Kerndaten des Lüfters sind U=0…27V bei In = 2,05A / Pn = 49W.

Da ich schon 2 kleinere Lüfter steuere habe ich schaltungstechnisch schon einiges vorgegeben.

Ich arbeite mit einem ATmega168, welcher mittels SPI an einen AD5624R gekoppelt ist. Dieser wiederum ist gefolgt von einem LM258. Ein OpAmp ist so beschaltet, dass er aus den 0-5V des DAC 0…30 V generiert ( und 0…15 V ).

Am 0…15V Ausgang des OpAmp folgt ein Emitterfolger bestehend aus einem BD139, welcher auch problemlos funktioniert.

Nun benötige ich jedoch etwas stärkeres für den 0…30V Lüfter (Gleichstrommotor). Gedacht habe ich da an eine Darlingtonschaltung aus einem BD235 (http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/4189.pdf) und 2N3772 (http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/boca/2N3771.pdf) mit Basis-Emitter-Widerstand am BD235 von 1kOhm (5mA Basisstrom) und einem 150Ohm Widerstand (180mA) zwischen Basis-Emitter des 2N3772 Für die Kühlung stehen 2 Lüfter parat: 14K/W für den BD235 und ein 2,6K/W für den 2N3772.

Erwähnt werden sollte vllt noch, dass der Lüfter bei schnellen Spannungsänderungen bis zu 5A "zieht".

Irgendwie fühle ich mich noch nicht sicher mit meinen Überlegungen, so dass ich mich freuen würde, wenn ihr mir einwenig konstruktive Kritik zukommen lassen könntet.

Kind regards,
Robert

p.s. die Leistungsverstärkung des 0…15V Ausgangs mittels BD177 (http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/50/127874_DS.pdf) funktioniert zwar, lässt den Lüfter nicht mit wirklich viel Leistung drehen. Woran liegt das? Ebenso habe ich noch eine 3. Leistungsstufe für einen kleineren Lüfter, welcher im Bereich von 0…4,7V läuft, aber beim Messen der Spannung nur einen Wert von rund 2,5V ergibt (auch hier habe ich sowohl BD139 (http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/5238.pdf) als auch BD177 ausprobiert).

[021aet04]

Was ist das für ein Lüfter? Ist das ein normaler DC-Motor oder ein BLDC? Ich würde, wenn es funktioniert, die normale PWM des Atmegas (der hat 6 PWM Pins) nehmen und mit diesen dann über einen Mosfet (Logic Level Fet) den Lüfter ansteuerst. Wenn du einen Motor mit Analogtechnik ansteuerst hast du sehr große Verluste, da die Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung im Transistor in Wärme umgesetzt wird.
Ein Beispiel Eingangsspannung ist 30V, Ausgangsspannung ist 15V, Der Strom beträgt 2A: Verlustleistung = (Eingangsspannung - Ausgangsspannung) x Strom = (30V - 15V) x 2A = 30W
Die 30W werden im Transistor in Wärme umgesetzt. Dadurch wird der extrem heiß und du brauchst einen sehr großen Kühlkörper und normalerweise einen Lüfter.
Besser ist die Ansteuerung über ein PWM Signal, da der Transistor/Fet entweder voll Ein- oder Ausgeschaltet wird. Dadurch hast du bei einem Fet mit z.B. Rdson von 10mOhm, wenn er voll durchgeschalten wird, eine Verlustleistung von (bei 2A): Verlustleistung = Rdson x Strom x Strom = 0,01Ohm x 2A x 2A = 0,04W
Es kommen nur noch die Umschaltverluste hinzu, die sind aber abhängig vom Ladestrom des Gates (das Gate wirkt wie ein Kondensator) und der Schaltfrequenz.

PWM hat aber immer einen geringeren Verlust. Es gibt aber Motoren (Lüftermotoren mit BLDC) die damit Probleme haben. Bei DC Motoren sollte man die Frequenz aber relativ niedrig halten (ca. 1kHz-20kHz), je nach Größe des Motors.

MfG Hannes

[rrobert]

Eine Umsetzung mit PWM ist beim derzeitigen Projektstand leider nicht mehr denkbar (bei dem Lüfter handelt es sich um ein BLDC Radialgebläse). Die Verlustleistung muss ich da leider in Kauf nehmen. Testläufe haben gezeigt, dass der Lüfter bei 4V gerade einmal 200mA benötigt. Der Kühler (http://de.farnell.com/abl-heatsinks/515ab0500mb-t03/kuhlkorper-to-3-2-5k-w/dp/253698) sollte ausreichend dimensioniert sein, falls jedoch nicht, ist eine aktive Lüftung auch keine Hürde.

Eine Umsetzung via PWM ist jedoch vllt in einer kommenden Revision denkbar.

[Thegon]

Also ich habe ein Netzteil gebastelt, das eigentlich genau mit so einer Darlingtonschaltung gearbeitet hat. Ich habe zwar andere Transistoren Benutzt, aber es hat eigentlich wunderbar funktioniert. Das einzige was zu beachten ist, wäre, dass die Ausgangsspannung am Emitter immer um 0,7 V kleiner ist als an der Basis, das heißt, wenn man 0,1 V ausgangsspannung braucht, dann muss man schon 1,5V hineingeben, damit man bei so einer Darlingtonschaltung mit zwei Transistoren eben 0,1V ausgangsspannung erhält.

Ich habe sogar drei Transistoren verwendet, dann habe ich eben immer ca. 2V mehr hineingeben müssen, aber so etwas lässt sich ja mit einem uC recht einfach ausgleichen.
Ich weiß zwar nicht genau, wie das dann bei dir aussieht, aber im groben dürfte es wohl funktionieren ;-)

Aber unbedingt eine Sicherung einbauen, denn mein Netzteil hat solange gelebt, bis ein motor blockiert hat, dann zuviel Strom gezogen hat und damit einen Transistor verheizt hat ;-)

Mfg Thegon

[rrobert]

Mit den Verlusten ist mir auch schon aufgefallen und wie du selber schon beschreibst ist das via Programmierung zu kompensieren. Da ich ja eine Versorgungsspannung von 30V habe und den Lüfter nur mit 27V betreiben möchte, sollte der Puffer also auch genügen. Bei den 15V bzw 4,7V Lüftern sowieso.

Der grundsätzliche Aufbau mit dem beiden Widerständen zwischen Basis und Emitter ist also der richtige Weg, ja?


Aber unbedingt eine Sicherung einbauen, denn mein Netzteil hat solange gelebt, bis ein motor blockiert hat, dann zuviel Strom gezogen hat und damit einen Transistor verheizt hat
Eine Sicherung ist schon drauf ( 6,3A ). Safety first :)

[Thegon]

Diese Beiden Widerstände zwischen Basis und Emitter der Transistoren, wozu? Um die Beiden Basen etwas zu Fixieren, im Potential? Also bei mir waren die nicht nötig, mein Netzteil habe ich nach dieser Seite gebaut :
http://linuxfocus.org/English/June2005/article379.shtml
Da sind auch keine Widerstände eingezeichnet. Die Interessante Schaltung ist etwa in der Mitte des Artikels.
Nun, ich verstehe jedenfalls nicht wozu sie nötig sind, lasse mich aber gerne eines Besseren belehren. ;-)

Mfg Thegon

[rrobert]

Ich habe es mir von diversen Darlingtontransistoren abgeschaut ( vgl. 2N6055, BD645 ). Ich hätte gedacht, die Idee dahinter ist, den Basisstrom zu limitieren. In meinem Fall wären das dann 5mA an T1 und 180mA an T2, somit komme ich bei T1 auf eine Verstärkung von ca. 35 und bei T2 im Falle von 5A auf eine Verstärkung von ca. 28. Beides sollte so problemlos von den Bauteilen bereitgestellt werden (so zumindest meine Idee).

[Thegon]

Jaja, das könnte sicherlich funktionieren, klingt für mich zumindest logisch. Ich habe aber keine erfahrung damit, auch wird dir der Widerstand dann ein bisschen warm werden, bei 280mA, aber wenn du HL wiederstände hast, wird das wahrscheinlich kein Problem sein.
Hast du den Lüfter und die Bauteile? Dann könntest du das ja einfach einmal ausprobieren und schauen, in wie fern es so funktioniert und eventuell ergeben sich im Individuellen Fall dann auch andere Probleme, ich weiß sonst nicht, was ich sagen soll.

Darlingtonschaltung hat bei mir so funktioniert, ich nehme an, es wird so wohl auch bei dir gehen. Wie das mit den Widerständen ist, weiß ich nicht, du kannst es ja mal mit probiern, und einfach mal schauen. Villeicht kennt jemand im Forum ja auch noch andere Lösungswege, aber mir fällt außer PWM sonst auch nichts mehr ein.

Mfg Thegon

[rrobert]

Über den 2. Widerstand habe ich mir auch schon Gedanken gemacht. Allerdings müsste doch dort das Potential zwischen T1out und T2out anliegen. Somit bekommt der doch nur eine minimale Spannung ab, welche durch die Schaltverzögerung zwischen T1 und T2 zustande kommt, oder? Somit sollte da auch kein Hochleistungswiderstand nötig werden.

vgl. EK (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0411221.htm)

Somit sollte der Widerstand nur einwenig zur Schaltschnelligkeit beitragen und ist somit optional (?).

Ich werde das Ganze morgen auf jeden Fall im Lab mal ausprobieren.

[Besserwessi]

Der Widerstand von Basis nach Emitter des 2.ten Transisistors ist optional. Der hilft für eine höhere Geschwindigkeit beim Abschalten und einen kleineren Leckstrom - beides ist hier aber nicht kritisch. Hier geht es also auch ohne.

Der LM258 kommt am Ausgang nur bis etwa 28 V, das wird also schon etwas knapp mit der Spannung. Den Basiswiderstand kann man weglassen, denn der Strom des OPs ist schon auf rund 20 mA begrenzt - mehr kann der gar nicht liefern. Sonst verliert man völlig unnötig noch etwas Spannung an dem Widerstand. Eine Begrenzung des Basisstromes braucht man beim Emitterfolger in der Regel gar nicht.