PWM Dimmer MOSFET gibt Rauchzeichen

[demmy]

Hallo zusammen,

ich wollte mir einen kleinen PWM-Dimmer für Niedervolt Halogenlampem basteln. Dazu verwende ich einen Atmega 8 an dessen PWM ausgang ein Irfpc40 Mosfet hängt.
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Nach meiner Rechnung müsste ich doch ca. 80 W ohne Probleme Dimmen können oder? Ich hatte jetzt mal zum Testen einen 35W halogenstrahler angeschlossen. Es hat auch einige Zeit problemlos funktioniert, bis der Mosfet plötzlich das Rauchen angefangen hat. Ich hab ihn doch nicht überlastet oder?

Könnt ihr mir helfen wo das Problem in meiner Schaltung ist?

Gruß

[Che Guevara]

Hi,

ich kenne ja die Betriebsspannung deiner Schaltung nicht, aber um Mosfets schnell umzuschalten, ist ein großer Strom von Vorteil! Angenommen dein µC läuft mit 5V, dann wird das Gate des Mosfet gerade mal mit I = 5V / 330Ohm = 15mA bestromt. Dadurch dauert das Umschalten natürlich länger, deswegen nimmt man normalerweise eine Treiberstufe, um die Mosfets schnell & verlustarm umzuschalten. Im einfachsten Fall diskret aufgebaut mit npaar Transistoren und Hühnerfutter, es gibt aber auch ICs dafür.

Gruß
Chris

[PICture]

Hallo!

@ demmy

Ich möchte nur die richtige obige Bemerkungen etwas ergänzen.

Der MOSFET kann mit naturlicher Kühlung (also ohne Lüfter) max. um 50 W elektrischer Leistung "verbraten". Die gesamte Verluste setzen sich als Lastverluste und Schaltverluste zusammen und müssen nicht als DC, sondern als RMS betrachtet werden. Laut Datenblatt (DB) hat der MOSFET 1,3 nF Gate- Kapazität, was mit Gate-Widerstand 330 Ohm max. PWM um 37 kHz ergibt, wurde aber von dir bisher nicht genannt. Ich vermute, dass deine PWM Frequenz zu hoch und die Kühlung des MOSFETs zu schwach ist. ;)

[RoboHolIC]

Das kommt mir bekannt vor. Den selben Versuch hatte ich vor Jahren auch schon gemacht - mit dem reproduzierbar selben Ergebnis.

Das Problem kommt m.E. einerseits daher, dass der FET bei "kalter" Glühwendel Takt für Takt gegen einen seeehr kleinen Widerstand arbeitet, d.h. den extrem hohen Einschaltstrom abkriegt. Ich würde daher das Prinzip des Tiefsetzstellers (vulgo: Schaltregler) anwenden, also eine den Stromanstieg begrenzende Induktivität und die zugehörige Freilaufdiode dazufügen.

Belegen kann ich das nicht, weil ich damals

- weder Induktivität noch weitere FETs zur Hand
- die Schaltung nicht wirklich nötig
- zu wenig Ahnung von der Materie und zuletzt auch
- "die Schnauze voll"
hatte.

Zum zweiten kann der Controller gar nicht den hohen Gatestrom liefern, der für einen schnellen Schaltvorgang nötig wäre. Das multipliziert sich mit den hohen Lastströmen und ist vermutlich sogar der gravierendere Effekt bei der Verlustleistung. Und: er ist über den gesamten Aussteuerbereich der PWM (außer 0% und 100%) wirksam sowie unabhängig von der genannten Schaltreglererweiterung.

Als erste Maßnahme kannst du die Schaltverluste softwareseitig reduzieren, indem du die PWM-Frequenz drastisch reduzierst, z.B. auf etwa 20 Hz. Das kann für eine Halogenlampe ein erster Kompromiss sein.
Das zweite wäre m.E. die Ergänzung um einen Gatetreiber, damit das Gate schnell umlädt und so der FET die minimalen Schaltverluste abkriegt.
Das dritte ist, dass der eingesetzte FET nicht gerade durch geringen Rds-on glänzt (1,2 Ohm bei 10V Gatespannung). Das macht im Idealfall von Voll-Dauer-EIN schon etwa 10W Verlustleistung. Da gibt es wahrlich besseres im ein-oder zweistelligen Milliohm-Bereich.
Und viertens: der verwendete FET ist mit 2..4 V Gate-Schwellspannung kein ausgesprochener Logiklevel-Typ. Der wird am Controller-Port auch stationär nie richtig gut durchgesteuert. sein.
Und fünftens eben die schon angesprochene Erweiterung zur Schaltreglergrundschaltung.

[demmy]

Hi zusammen,

also das hört sich schon mal alles sehr Plausibel an. Betriebsspannung des µC sind 5V der Lastteil 12V. Es ist so, der Atmega hat eine Frequenz von 8MHZ , ich habe eine Teilung von 1 und eine 8 Bit Timer gewählt, daraus errechne ich eine PWM Frequenz von ca. 16KHz was dann eindeutig zu hoch ist. Ich werde das als ersten Schritt mal drastisch heruntersetzen.
Laut Datenblatt liegt die "Gate-Source Threshold Voltage" bei 2-4 V, daher dachte ich die 5V des µC würden ausreichen um den MOSFET sauber durchzusteueren? Ich war da wohl an der falschen Stelle im Datenblatt unterwegs.

Ich werde die Schaltung jetzt auf jeden Fall um folgende Treiberstufe erweitern.
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Was haltet ihr davon? Ich bin mir nur nicht sicher wegen dem Vorwiderstand des MOSFET, Ich habe jetzt mal Knapp 20mA Gatestrom gerechnet. bei 10V die Über GS abfallen. So stehts im Datenblatt.
Aber das Datenblatt, das ich habe, verwirrt mich eh ein wenig ;)
Wo finde ich denn genau die Angaben was der brauch um sauber durchzuschalten. bzw. welche GS Spannung abfällt. Das sind dann doch die 10V oder?

[BMS]

Hallo,
unter einer Treiberstufe verstehe ich etwas anderes. Der Optokoppler hat zwar den Vorteil der galvanischen Trennung (ist hier wahrscheinlich unnötig), kann aber idR. weniger Kollektorstrom als ein I/O-Port des Mikrocontrollers liefern. Zudem geschieht das Ausschalten hier nur über die 10kOhm, da wäre die vorherige Variante mit den 330Ohm + Sinkbetrieb des Mikrocontrollers sogar schneller.
Die Treiberstufe sollte eher in diese Richtung gehen (Abb. 2a, 2b): http://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber#Beispiele_zu_Low-Side_Treibern
Die Gate-Source Threshold Voltage gibt an, ab welcher Spannung UGS durch Drain-Source Strom fließen kann (meist bezogen auf 250µA ).
Für einen größeren Strom braucht man dann eine höhere Gate-Source-Spannung. Die Größenordnung 10V ist üblich.
Grüße, Bernhard

[demmy]

Ok, das habe ich nun soweit verstanden.
Wenn ich aber jetzt nun den Treiber folgendermaßen aufbaue (nach Schaltung 2b)

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Würde es dann keinen Sinn machen den Transistor T7 gegen einen Optokoppler zu ersetzen um den Lastteil von meinem Steuerungsteil zu trennen? Gerade weil man EMV-Probleme beim Pulsen von Lasten bekommen kann? Weiter würde ich gerne den Widerstand R32 mit T7 vertauschen, denn momentan ist ja der Mosfet immer Durchgesteuert wenn T7 nicht angesteuert wird?

Bis zu welchem Strom kann ich dann den MOSFET belasten? Versorgungsspannung für den Lastteil / die Last wären ja 12V DC und leider werden auch keine Angaben gemacht bis zu welcher Frequenz der Treiber geeignet ist?
Ich hoffe Ihr könnt mir noch ein paar Erfahrungswerte zukommen lassen?

Und kann man um die Leistung zu erhöhen auch zwei Mosfet parallel an einen Treiber anschließen?

Grüße demmy

[demmy]

Guten Morgen,

aus Platzgründen habe ich mich nun entschlossen einen Treiber IC zu verwenden.
Könnt Ihr euch die Schaltung bitte mal anschauen, ist das so korrekt? Mir fehlt leider noch die Erfahrung was solche Treiber angeht.

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Grüße

[PsiQ]

Entschuldige wenn ich jetzt blöd reinfrage, aber warum nimmst du nicht einfach einen BC338 + BC328 .
Beide mit 1k o.ä. vor der Basis an deinen µC und diese vor den Mosfet als Treiber.
Von den Transistoren mit 10Ohm an das Mosfet Gate.

Und warum hast du da so viele Kondensatoren und Widerstände und Kram zwischen µC und dem Mosfet ??

Ich habe als N-FET bisher meist Buz11 oder IRL3803 verwendet. Als P-Fet hatte ich mal den IRF4905 besorgt.
Die haben kaum RDSon, aber auch dementsprechend hohe Gate-Kapazitäten die man umladen muss.

Ich hab aber auch nie mit Schaltraten über 1khz gearbeitet weil das für Licht oder Optik völlig unnötig ist, da sind schon 200Hz flackern nicht mehr sichtbar.

Ich schau mal irgendwo hatte ich hier im Forum schon mal ne verbockte Treiberstufe (Denkfehler) gepostet..

- - - Aktualisiert - - -

So, hier isses:

http://postimg.org/image/1ot7vqh50/

(von da mal gewesen: https://www.roboternetz.de/community/threads/52716-Verst%C3%A4ndnisfrage-oder-Problem-P-FET-Rechtecksignal-an-Gate-dahinter-verschwunden?p=508115&viewfull=1#post508115)

Auf dein Teil übertragen wären es oben 15V statt 14V

SL1 - Pin 2 ist der Ausgang von deinem µC

SL2 - Pin 3 ginge an dein Mosfet Gate

R4 und R3 ergeben da nen 50 Ohm Widerstand und begrenzen den Strom somit auf max ca 140 bis 150mA (14V .. 15V)

R5 schaltet den Mosfet ab wenn nix anliegt.

Die Transistoren haben dann ne Verstärkung von um 150 oder mehr...
Ob das für deine hohe Frequenz hinhaut kann dir PICture bestimmt sagen,
der weiß nämlich die ganzen Formeln zum Berechnen von Ladestrom mit Spannung, Gatekapazität und Frequenz immer direkt :-) .

Wenn du dir den Aufwand sparen willst geht mit deiner PWM Frequenz irgendwie auf 100Hz runter,
nimm nen 470Ohm oder 1k Widerstand an deinen µC und geh damit aufs Mosfet Gate.
Das Gate dann noch mit 100k nach gnd zum definieren wenn das Gate sonst in der Luft hängt.


(Und das von mir macht *poff* wegen Querstrom durch die BC's http://postimg.org/image/24vrrbko4/ )

[PICture]

Hallo!

@ PsiQ

Der von dir geposteten MOSFET Treiber ( http://postimg.org/image/1ot7vqh50/ ) ist für mich sicher am einfachsten und deshalb am besten.

Danke für die Blumen! :D

Über HF spreche ich erst ab ca. 30 MHz und da kommt man mit einem MOSFET mit um 1 nF Gatekapazität nicht so einfach dazu, weil dann muss man MOSFET Treiber als extra HF Treiber haben usw. Ich weiss schon ziemlich lange, dass die meisten "Entwickler" alles nur komplizieren können ...

[demmy]

Hallo zusammen,

vielen Dank schon mal, das hört sich sehr interessant an!
Also das mit der hohen PWM frequenz von mir war ein versehen, sie soll auf jeden Fall so zwischen 100 und 200 Hz liegen.
Ich möchte auf jeden Fall die Schaltung so simpel wie möglich aufbauen und ich möchte den Lastteil vom Steuerungsteil galvanisch getrennt haben.

Ich habe mal folgende Schaltung aufgrund eurer Anregungen umgesetzt. Was haltet ihr davon? Wo gibt es Verbesserungen?

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Eine Frage hätte ich aber noch, momentan is es ja so, dass bei ausgeschaltetem Optokoppler der Mosfet durchgesteuert wird. Wäre es möglich die Transistoren Q2 und Q4 zu tauschen um die Funktion umzudrehen?

Viele Grüße

[demmy]

Also was ich meinte, ich würde den Treiber so aufbauen:

25212

Ist das so richtig was is sage?

Viele Grüße

[Kabelkasper]

m.E. ist die Schaltung vom 23.04. die richtige. Die Treibertransistoren müssen mit ihren Emmittern und mit ihren Basen verbunden sein. Ob dann invertierend oder nichtinvertierende Funktion ergibt, wird mit der Lage des Fototransistors im 'oberen' oder 'unteren Zweig (von den Basen aus gesehen) festgelegt und der Wahl N-FET oder P-FET.
Die vorher geposteten Schaltungen können in gewissen Grenzen funktionieren, warscheinlicher ist aber Überlastung durch die Querströme.

KK

[demmy]

23.04, das ist doch heute! :)

ich habe ja im Prinzip nur die beiden Transistoren getauscht. Was meinst du genau mit Querströmen?

[Kabelkasper]

23.04, das ist doch heute! :)
... das kommt davon, wenn man beim Tippen nicht auf die Tastatur schaut ...


ich habe ja im Prinzip nur die beiden Transistoren getauscht. Was meinst du genau mit Querströmen?
das Wechseln der Transistoren hat eben aus einer schlechten eine gute Schaltung gemacht '
Wären die Basen/Emitter der Treiber-Transistoren nicht verbunden könnte sowohl durch den PNP-Basiszweig als auch durch den NPN-Basiszweig Strom fließen und in der Folge auch gleichzeitig in beiden Kollektorzweigen. Das ist dann so etwas wie ein Kurzschluss...

KK

[PsiQ]

- Das Rumdrehen/invertieren der BC338 / BC328 funktioniert.


Die Querströme bei der vorherigen Schaltung http://postimg.org/image/1ot7vqh50/
laufen glaub folgendermaßen:
+14V => durch Q2 => durch R1 => durch R2 => durch Q1 => nach GND.
Wenn man R1 + R2 vergrößert (auf 1k, auf 4k7...) reduziert sich das entsprechend.

---
Bei deiner Schaltung von vom 23.04 (Der Ausschnitt)
kannst du noch den R8 100k (besser) zwischen 50Ohm Widerstand und Mosfet Gate nach Masse schalten. Damit das Gate entladen wird. Weiß grade nicht sicher ob das sonst evtl 0,3V oder sowas vom Transistor aus über gnd in der Luft bleibt. (?)

Bei deiner Schaltung kommst du vermutlich auch mit 1k oder 4k7 Steuerwiderständen vor BC338/BC338 gut hin.


*Kram* *Such*
Ich mess gleich nach obs wirklich 6khz sind, aber die Schaltung tut so mitm Elektromotor:
Der Ne555 kann glaub was um 150mA oder 200mA Strom an Treiberpin 3 ab.
wird nix warm.
http://s10.postimg.org/ox45r7f2t/ne555_buz11.jpg (http://postimg.org/image/ox45r7f2t/)

Jepp, 6,11khz bei 100%pwm, 6,01khz bei 39%.
Flankensteilheit am Gate habe ich nicht mitm Oszi gemessen, aber der FET wird bei Motorlast von paar A nicht warm, also zumindest "gut genug" durchgeschaltet.
(War für ein 18V bleigel akkupack, bei nem 24V pack wird beim Laden die Spannung immernoch zu hoch für den NE555!! Für 24V kann man 2x 6V Z-Diode nehmen als Senker)

[RoboHolIC]

Die Querströme bei der vorherigen Schaltung http://postimg.org/image/1ot7vqh50/
laufen glaub folgendermaßen:
+14V => durch Q2 => durch R1 => durch R2 => durch Q1 => nach GND.
Wenn man R1 + R2 vergrößert (auf 1k, auf 4k7...) reduziert sich das entsprechend.

Nur zum Verständnis:
Das stimmt zwar, ist aber nichtmal die halbe Wahrheit, sondern eher der (1/hFE)-te Teil davon.
Der benannte Querstrom steuert ja auch die Transistoren Q2 und Q2 durch und bewirkt so einen ordentlichen Kurzschluss zwischen +14V und GND.