MOSFET Vollbrücke ansteuern

  • Hallo,


    ich bin neu hier im Forum und seit etwa zwei Monaten Pi-Besitzer ;-)


    Ich habe eine Vollbrücke mit MOSFETs aufgebaut die ich gerne über den Pi ansteuern möchte, um einen DC Motor steuern zu können.

    Der L293D fällt für mich durch die max. 600 mA aus. Falls jemand hier eine leistungsstärkere Alternative kennt bin ich natürlich auch interessiert, aber dennoch möchte ich gerne meine Schaltung ans Laufen bekommen.


    Hier das Ersatzschaltbild (zur besseren Übersichtlichkeit ist alles zur Ansteuerung zugehörige in grün)


    Die Brückenschaltung an sich funktioniert, allerdings nicht über die GPIO Pins. Soll heißen, wenn ich für die Steuerspannung auch die DC Quelle verwende (9V Block) dreht sich der Motor in der gewünschten Drehrichtung. Mit den 3,3V der GPIOs klappt das leider nicht.

    Als MOSFETs verwende ich die Logic-Level-MOSFETs IRLZ24N. Wenn ich nur einen MOSFET als Schalter nehme kann ich diesen auch über einen GPIO Pin ansteuern.


    Vielleicht kennt sich ja hier im Forum jemand gut mit Ansteuerung aus und sieht meinen Fehler :-)

    Edited once, last by Subsonic ().

  • hyle

    Danke und erledigt :)


    dreamshader

    Das ist im Schaltbild etwas schwammig dargestellt, das Rechtecksignal-Zeichen stellt quasi den Pi dar und davon geht dann jeweils ein Kabel von einem GPIO Pin ab und eins von einem Ground Pin.

  • Hi Subsonic,



    Ich habe mal ein paar Bezeichnungen eingefügt damit wir uns leichter verständigen können.


    Wenn ich die Schaltung richtig verstehe, läuft der Motor wenn entweder T1 UND T4 oder T2 UND T3 durchgeschaltet sind. Einmal läuft er links herum, einmal rechts herum. Oder umgekehrt, ist ja erst mal egal.


    Ich kann mir vorstellen dass GPIO a und GPIO b, wenn sie auf High-Level sind, den T4 (GPIO a) bzw. T3 (GPIO b) durchschalten können. Aber die Spannung reicht niemals um T1 oder T2 zu schalten! Da die Spannung am Gate höher sein muss als an Source, muss nach meinem Verständnis an Punkt A eine Spannung von nahezu 9V anliegen damit T1 in den leitenden Zustand kommt. (Dito für Punkt B und T2). Denn stellen wir uns mal vor, T1 und T4 seien in offenem Zustand, so dass der Motor läuft. Dann sollte sich an Punkt C (Source von T1) eine Spannung von 9V minus Spannungsabfall an der Drain-Source-Strecke von T1 einstellen. Das sind vielleicht 7 bis 7,5V. Da muss die Gate-Spannung noch einmal mindestens 1V drüber liegen damit T1 im leitenden Zustand bleibt! Das ist mit den 3,3V der GPIOs nicht zu machen. Ich würde versuchen, das mit einer Vorstufe zu lösen, die mit einem weiteren Mosfet und zwei Widerständen einen Spannungsteiler schafft, der mit dem Gate von T1 verbunden ist. Dito fürT2.


    Grüße, hadi




  • Der L293D fällt für mich durch die max. 600 mA aus. Falls jemand hier eine leistungsstärkere Alternative kennt bin ich natürlich auch interessiert, aber dennoch möchte ich gerne meine Schaltung ans Laufen bekommen.

    Hier gibt es Alternativen: https://www.mikrocontroller.ne…%C3%BCcken_%C3%9Cbersicht


    Schon der L298 hat 1 A (1000 mA) und dann lassen sich noch 2 H Brücken parallel verschalten.


    Dein MosFET kenne ich nicht. Möglicherweise musst Du die Eingangsspannung an Deiner H Brücke erhöhen und/oder durch eine Treiberstufe für genügend "Zündstrom" sorgen. Der Pi darf bei max.3,3 V nur mit 3 - 5 mA pro Pin belastet werden. Die notwendige Spannung und Stromstärke ergibt sich aus dem Datenblatt des verwendeten MosFETs.


    Servus !

    RTFM = Read The Factory Manual, oder so

  • Hallo,


    bei T1 und 2 könnte man P-Kanaltypen oder (wenn man keine schnellen Richtungswechsel braucht) ein Relaismodul mit einem Wechslerkontakt verwenden.

    Das Relais wäre sehr viel einfacher an zu steuern.


    Quote

    Der Pi darf bei max.3,3 V nur mit 3 - 5 mA pro Pin belastet werden. Die notwendige Spannung und Stromstärke ergibt sich aus dem Datenblatt des verwendeten MosFETs.

    Mosfets haben keine Stromverstärkung sondern eine sogenannte Steilheit, d. h. der Strom in das Gate ist immer ziemlich gleich niedrig (einige Microampere) das schafft der Raspi locker. Das geht sogar so weit, wenn der Pulldown fehlt bleibt der Mosfet noch einige Zeit (auch mehrere Sekunden) offen bis die Ladung in der Mosfet-internen Kapazität abgebaut ist. Also hängt die Last des Pin vom Pulldown (100kOhm) und Vorwiederstand (10kOhm) ab.


    Viele Grüße

    Thotaa

  • Moin,

    Quote

    Mosfets haben keine Stromverstärkung sondern eine sogenannte Steilheit, d. h. der Strom in das Gate ist immer ziemlich gleich niedrig (einige Microampere) das schafft der Raspi locker.Dagegen steht:

    dagegen steht:

    Quote

    Man darf nämlich nicht
    vergessen, dass die Gate-Source- und die Gate-Drain-Kapazität, gerade
    bei Hochstrom-MOSFETs viele nF betragen können. Dies führt u.U. zu hohen
    Umschalt-Stromimpulsen an OUT, die der Ausgangsschaltung schaden können.

    Quelle: https://www.elektronik-kompend…ublic/schaerer/powsw3.htm

    unter "Mit MOSFETs höhere Ströme schalten"


    oder

    Quote

    Auch wenn MOSFETs stromlos den durchgeschalteten Zustand halten können, braucht man während des Umschaltvorganges einen Strom, der das Gate umlädt (ähnlich wie ein Kondensator). Je höher dieser Strom, um so schneller ist der Umschaltvorgang und um so geringer die Verlustleistung während dieser Phase. Leistungs-MOSFETs können bei höheren Frequenzen (>1KHz) oft nur mit höheren Gateströmen von 0,1A-2A sinnvoll geschaltet werden.Quelle:

    https://www.mikrocontroller.ne…les/MOSFET-%C3%9Cbersicht

    Edited 2 times, last by ait ().

  • Meine Kenntnis einer H Brücke beschränkt sich auf die Verwendung von 2 N und 2 P Halbleiter.

    Wie man sowas mit 4 N Typen zum Laufen bringt, weiss ich nicht. Es könnte aber der Schaltplan funktionieren, solange nicht beide Schalteingänge versehentlich high geschaltet sind. (voller Kurzschluss)


    Der Schaltplan muss doch irgendeinen Ursprung (Link ?) haben.


    Und die Gate-Source Spannung (min, max) entnimmt man aus dem Datenblatt, dann erübrigen sich irgendwelche eigenen (unrichtigen) Überlegungen.


    Die Berechnung der anliegenden Gatespannung ist relariv unspektakulär, da ja 3,3 V Pin-Spannung an einem Spannungsteiler anliegen. Wenn man mit URI auf Kriegsfuss steht, muss man halt einen Onlinerechner verwenden. (z.B. http://www.peacesoftware.de/einigewerte/spannungsteiler.html ).


    Beim gezeigten Schaltplan ist aber zu berücksichtigen, dass hier zwei 100 kOhm Widerstände jeweils parallel verschaltet sind


    Servus !

    RTFM = Read The Factory Manual, oder so

  • hadi

    Quote

    Dann sollte sich an Punkt C (Source von T1) eine Spannung von 9V minus Spannungsabfall an der Drain-Source-Strecke von T1 einstellen. Das sind vielleicht 7 bis 7,5V. Da muss die Gate-Spannung noch einmal mindestens 1V drüber liegen damit T1 im leitenden Zustand bleibt! Das ist mit den 3,3V der GPIOs nicht zu machen.

    sehe ich auch so.


    Wikipedia meint dazu:

    Quote

    Um die oberen Transistoren (T1 und T3) durchzuschalten, muss an deren Eingang eine über der Versorgungsspannung UB liegende Spannung anstehen. Bei Treibern im Kleinspannungsbereich geschieht dies meist mittels Bootstrapping.https://de.wikipedia.org/wiki/Vierquadrantensteller

    https://de.wikipedia.org/wiki/Vierquadrantensteller

  • Danke für eure Antworten und entschuldigt meine späte Antwort! Irgendwie hatte ich viel zu tun um den Jahreswechsel.


    hadi

    So ist der Schaltplan übersichtlicher, danke dafür. Und ja T1 und T4 sowie T2 und T3 werden zusammen geschaltet für Links- oder Rechtslauf. Das mit der Vorstufe hört sich gut an. Ich hatte auch schon vermutet dass das Problem bei T1 und T2 liegt, mal sehen ob man es damit in den Griff bekommt.


    Meine Kenntnis einer H Brücke beschränkt sich auf die Verwendung von 2 N und 2 P Halbleiter.

    Wie man sowas mit 4 N Typen zum Laufen bringt, weiss ich nicht. Es könnte aber der Schaltplan funktionieren, solange nicht beide Schalteingänge versehentlich high geschaltet sind. (voller Kurzschluss)


    Der Schaltplan muss doch irgendeinen Ursprung (Link ?) haben.

    Wo soll der Vorteil bei der Verwendung von 2 N und 2 P MOSFETs liegen, Thotaa hat das ja auch erwähnt. Um einen Kurzschluss zu vermeiden hätte ich jetzt wenige µs Totzeit implementiert (alle MOSFETS sperren dann), die bei einem Richtungswechsel des Motors wirksam ist.

    Da ich den Schaltplan selbst gezeichnet/überlegt habe, gibt es leider keine Quelle dazu. Ich hatte zuvor nur einen MOSFET ohne Brückenschaltung angesteuert und mich da über die benötigten Widerstände informiert und dann versucht dies auf eine Vollbrückenschaltung zu übertragen.


    ait

    Das Thema Bootstrapping ist sicherlich auch interessant und wäre vermutlich die elegantere und energetisch sinnvollere Lösung im Vergleich zum Spannungsteiler. Da frage ich mich nur ob das mit nur einem Pi überhaupt umsetzbar ist, da für die Ansteuerung von T1 und T2 ein anderes Bezugspotential benötigt wird, als für T3 und T4.

  • Da frage ich mich nur ob das mit nur einem Pi überhaupt umsetzbar ist, da für die Ansteuerung von T1 und T2 ein anderes Bezugspotential benötigt wird, als für T3 und T4.

    du musst die fehlenden Bezugspoteziale und Spannungen halt nachrüsten, das erreicht man mit Transistoren o.ä. -> OPV


    https://rn-wissen.de/wiki/inde…triebemotoren_Ansteuerung

    https://rn-wissen.de/wiki/images/c/c2/Hbrueckemosfet.gif hier mit P-FET und N-FET oder wenn schon N-FET dann


    wenn ausschliesslich mit N-FET dann brauchst du passende Pegeltreiber

    https://www.mikrocontroller.net/topic/172682

    lasst die PIs am Leben !
    Energiesparen:
    Das Gehirn kann in Standby gehen. Abschalten spart aber noch mehr Energie, was immer mehr nutzen. Dieter Nuhr

  • Wo soll der Vorteil bei der Verwendung von 2 N und 2 P MOSFETs liegen,

    Das macht die Ansteuerung um vieles einfacher, bei verwendung von 4 N-Typen muss man noch 2 unabhängige Versorgungen zur Ansteuerung der am Plus hängenden Mosfets machen, das Gate muss ja höher sein als der Source.


    Gib mal bei Google die Suche "mosfet motorbrücke" ein und schau dir die Bilderseite an. Da gibt Beispiele genug.

    Mit 4 gleichen Typen hab ich keins gesehen, die Ansteuerung ist viel zu aufwendig.


    Das Beispiel mit dem Relais und 2 Kontakten von obigem Link ist die einfachste und sicherste, da gibts keinen Kurzschluss.


    Viele Grüße

    Thotaa

  • Da ich den Schaltplan selbst gezeichnet/überlegt habe, gibt es leider keine Quelle dazu.

    Ein NPN Halbleiter schaltet nur dann (dauerhaft) durch, wenn ein Strom von B nach E (Transistor), oder G nach S (MOSFET) fliesst.


    Deine oberen beiden MOSFETS haben keine direkte Masseverbindung an S und die Motorwicklung hat nicht nur einen Widerstand (der die Gate -> Source Spannung vermindert), sondern würde auch bei jeder Motorumdrehung mehrfach die Masseverbindung unterbrechen. Wie soll da ein dauerhafter G-S Schaltstrom entstehen, der die S-D Strecke dauerhaft durchschaltet ? Der Verbraucher (Last) wird auch zwischen D - Vcc üblicherweise verschaltet, bei einem NPN Halbleiter.


    Von einem möglichen Kurzschluss Deiner Schaltung beim Booten des Pi, bis Dein Programm einen definierten Zustand der Pins einstellt, rede ich da noch gar nicht.


    Servus !

    RTFM = Read The Factory Manual, oder so

  • Hallo,


    ich glaube hier müssen wir gaaaanz vorne anfangen.


    "Die Bestandteile eines einfachen geschlossenen Stromkreises sind, Stromquelle, Hinleitung, Verbraucher, Rückleitung."


    Was will ich sagen, wenn man nicht die nötigen Kenntnisse hat baut man einfach was funktionierendes nach oder man lernt intensiv bevor man anfängt was zu konstruieren.


    Viele (letzte in diesem Thread) Grüße

    Thotaa

  • jar

    Danke für die Links, das sieht schonmal vielversprechend aus!


    RTFM

    Du meinst dass durch den Einfluss der Kommutierung die Ansteuerung fehlschlägt :denker:

    Ich würde jetzt vermuten dass das keine wirklichen Auswirkungen hat, da die MOSFETS sehr schnell schalten sobald der Stromkreis geschlossen ist.


    Thotaa

    Danke für deinen ersten Beitrag, habe das mal gegoogelt aber dort auch beide Varianten, also auch mit 4 n-Kanal Mosfets gefunden. Soll jetzt nicht heißen dass ich mich weigere die p-Kanal zu nehmen, das hört sich insgesamt schon sinnvoll an :D

    Warum jetzt noch der zweite Beitrag kam kann ich nicht ganz nachvollziehen. Habe bisher wenig praktische Erfahrung, aber die grundlegende Theorie ist vorhanden. Da denke ich ist es der richtige Weg Schaltungen auch mal auszutesten. Muss aber nicht jeder so sehen (;


    Danke für alle Antworten und viele Grüße

    Subsonic