MOSFET-Schalter für DC-Motoren "Powerswitch1"

Nach längerer Entwicklungspause ist mal wieder eine Elektronik-Komponente fertig geworden.
Anwendung: Sollte den Spinnerantrieb von Flatliners Albtraum befeuern. Ob die Elektronik durchhält, das wird sich zeigen....
Die erste Version von diesem Schalter habe ich "Powerswitch1" getauft.

Im Prinzip sollten vier parallelgeschaltete MOSFETs eigentlich nur als Schalter eingesetzt werden. Damit der Strom beim Einschalten und Hochlaufen des Motors nicht zu brachial für den Akku und Motor wird, erfolgt die Ansteuerung über Pulse (PWM). Die Rampe für die Geschwindigkeitssteigerungen macht dabei die Elektronik. Man muss sich also nicht selbst darum kümmern. Angesteuert wird somit über einen Schaltkanal der Fernsteuerung. Der Startpunkt des Stromeinsatzes und die Rampengeschwindigkeit können eingestellt werden.

Das Neue an dem Projekt ist, dass über ein PC-Programm die Parameter für den Hochlauf und (in engerem Sinn) der Strombegrenzung vor-eingestellt werden können. Dabei wird für den Empfängerkanal unterschieden, ob es sich um den Schaltbefehl der Pulse zwischen 1.0 und 1.5ms oder zwischen 1.5 und 2.0ms handelt. Im Prinzip habe ich also zwei Schaltkanäle zur Verfügung. Gedacht ist es so, dass ein Kanal die Parameter enthält, die für einen geladenen Akku optimal sind. Also flotter Anlauf usw. Wenn der Akku am Ende des Kampfes erschöpft sein sollte, dann kann über den zweiten Kanal der Motor etwas sanfter nach oben gefahren werden.

Hier der Link zur genaueren Beschreibung.

Bisherige Erfahrungen im Trocken-Test:
- Bei einer Belastung von 30A bleiben die MOSFETs kalt wie eine Hundeschnauze
- Die Leiterbahnen auf der Unterseite bzw. die Verzinnungen (dürftem einem 2.5qmm-Draht entsprechen) werden warm
- Die Strombegrenzung setzt zwar bei ca. 30A ein, hakelt aber stellenweise bei den unteren Strömen auch schon ein. Vermutlich ist die Versorgungsspannung für die Operationsverstärker nicht stabil genug und ich verstelle mir beim Anlauf des Motors durch den Spannungseinbruch meine Sollwert-Vorgabe. Da muss ich noch etwas tüfteln
- Die Einstellung mit dem PC-Programm klappt super. Selbstverständlich kann man das Programm so manipulieren bzw. einstellen, dass Käse zum Controller übergeben wird. Aber was hat man davon... ?
- Derzeit wird die Datenübergabe über die RS232-Schnittstelle gemacht. Es ist ein kleiner Converter nötig, der die RS232 auf die TTL-Schnittstelle des Controllers umsetzt. In Zukunft soll die Datenübergabe über USB erfolgen. Habe da von Normen und Giz ja einen Tipp bekommen, wie das mit dem FT232-Controller machbar ist. Platine ist fertig, muss aber noch bestückt und dann am PC in Betrieb genommen werden.

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Original von bat_boy
Ich melde schon mal interesse für meinen Feather an. Antriebsmotor für den Waffenantrieb soll ein speed 700 bzw. 900, Mini Ev sein. Die Motoren haben natürlich einen sehr hohen Blockadestrom, aber bei Nennlast bleiben sie unter 30 Ampere.

Jo, ist gebongt. Danke der Nachfrage. Freut mich ja immer, wenn die Entwicklungen genutzt werden.
Ich muss sowieso noch eine Platine nachbestellen, dann lass ich gleich mal eine mehr anfertigen.
Das mit dem Stromverhalten klingt gut. Da würde ich empfehlen, dass die "Nachlaufzeit" nach Wegfall des Überstroms relativ groß gemacht wird. Beim normalen Anlauf macht das nichts aus. Und wenn dann mal tatsächlich blockiert wird, dann dauert das länger, bis wieder Strom auf den Motor gegeben wird. Damit sinkt das "Ansteuern" bzw. die Anzahl der Pulse bei einer eventuellen weiteren Blockade (die dann dem Motor zusetzen würden).

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Original von leo-rcc
Was ist das gewicht von dieser schalter?

Wiegen kann ich ihn nicht mehr, weil er schon zu Flatliner unterwegs ist. Vermutlich so um die 70 - 75gr.

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Original von Gizmo
IBF, wie immer ein nettes Stück Hardware. Dein Problem hast du erkannt und die Lösung kennst du ebenfalls schon, auch wenn sie dir nicht gefallen wird: Die Referenzspannung so an die Eingangsspannung zu legen dass sie Gefahr läuft einzubrechen und dann zu hoffen dass alles weiterhin prima tutet wenn diese tatsächlich bei hoher Last einbricht, ist fast schon dreist...

Wie bei jedem Regelkreis sollte sichergestellt sein dass zumindest die Referenz und Vcc vom Regler stabil bleiben, was nichts anderes bedeutet dass du da ein Cosel Teil oder ähnliches einbauen solltest. Problem dabei wird sein dass so ein Cosel Modul etwas kostenintensiver sein dürfte...

Danke für die technische Rückmeldung. Freut mich ja immer, wenn ich auch mal Kritik und/oder Verbesserungsvorschläge kriege.
Ja, das Poti direkt an 12V zu legen, das ist schon fast wie die Arbeitsweise von einem Investment-Banker....
Das Cosel war schon in der Planung enthalten, hab's aber dann aus Platzgründen wieder verworfen. Denn ursprünglich war der Cosel-Spannungskonstanter nur für die Fahrtregler gedacht, um die High-Side-Treiber der MOSFETs stabil zu versorgen, damit die Biester nicht immer in den "Unterspannungs-Sicherheitsmodus" gehen. Hier gibt es keine High-Side-Treiber, die MOSFETs werden über einen Low-Side-Treiber angesteuert, und der hatte bei den Fahrtreglern ohne murren und knurren funktioniert.

Wie gesagt, hier habe ich die Cosel weggelassen, nachdem die Strombegrenzungs-Schaltung bei den früheren Fahrtreglern (damals noch ohne Cosel) ganz akzeptabel funktioniert hat.

Bezüglich dem Spannungseinbruch bei der Strombegrenzungsschaltung wird das besser werden, wenn die Einheit statt an 12V an 24V betrieben wird. Denn dann ist ja für die OP-Amps ein Spannungskonstanter dazwischengeschaltet. (Die LM358 vertragen maximal 18V Betriebsspannung, bei 24V Versorgungsspannung steigen die Verstärker in den Halbleiterhimmel auf). Damit werden sie grundsätzlich immer bei 12V betrieben.

Gizmo: Was hälst Du davon, wenn ich als Interimsaktion die Spannung am Referenzpoti mit einer Zener-Diode stabilisiere? Ich denke, dass mit einer ZD7.2 parallel zum Poti (...also die + und Minus-Versorgung, nicht den Schleifer... ) auch bei Spannungseinbrüchen bis zu 8V runter etwas helfen müßte. Die OpAmps krachen mit der Versorgungsspannung zwar auch nach unten, aber in der Theorie ist die Ausgangsspannung des Nutzsignals nur abhängig vom Eingangssignal und vom eingestellten Verstärkungsfaktor über die Widerstände. Ob jetzt 11V oder 8V als Versorgungsspannung anliegen, dürfte nicht viel ausmachen (hoffentlich).

Bei der Schaltungsanalyse ist mir aufgefallen, dass ich die 12V für die Operationsverstärker zwar über eine Diode entkoppel (damit ich die Spannung über separate Elkos puffern kann und mir die Motoren nicht die Elkos leersaugen), aber irgendwie ist der zusätzliche Stütz-Elko bei dem Operationsverstärker unter den Tisch gefallen. Da kommen auf alle Fälle noch 220uF dran. Beim Anfahren des Motors müßten die ausreichen, um die 1KHz-/4KHz-Störpulse des Motors ausgleichen.

Weiteres Feedback jederzeit willkommen!

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Ne Z-Diode rauscht immer wie ne Gießkanne. Versuch ich immer zu vermeiden so ein Teil, auch wenns bei dem Fall hier nix ausmachen dürfte...

Dürfte in dem Fall nichts ausmachen. Die Hysterese von dem Komparator auf Operationsverstärkerbasis ist so groß, da macht das Rauschen nichts aus.

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Ich hab ne blöde Frage dazu: Warum versorgst du die OPs nicht gleich mit den geregelten 5V aus dem 7805er SMD? Wär das vielleicht zu einfach...?

Geht leider nicht. Ich möchte gerne meinen Lagerbestand an unterschiedlichen IC-Typen möglichst gering halten und nicht bei jedem Problem eine Sonderlocke einführen. Der LM358 ist halt ein Allround-Arbeitspferd mit dem kleinen Nachteil, dass die maximale Ausgangsspannung immer 2V geringer ist als die Versorgungsspannung. Bei 5V-Versorgungsspannung kann ich also maximal 3V herauskitzeln. Das ist zu wenig, um eine brauchbare Einstellung (Sollvorgabe) hinzukriegen.
Die Alternative wäre (so wie von Dir auch beschrieben) OPAmps mit Rail-To-Rail-Ausgängen zu verwenden, dann hätte ich wieder 5V-Ausgänge. Aber... siehe oben... ich möchte nicht schon wieder neue Typen einführen. Irgendwas wehrt sich da in mir....

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Wenn du Open-Drain oder Open-Collector OPs nimmst, brauchst du zwar 2 Widerstände mehr, kannst dir dafür aber den Schmitttrigger als Pegelwandler zwischen Komperator und CPU sparen...

Die beiden Widerstände wären möglich, soviel Platz kann ich schaffen.
Die erste OpAmp-Stufe macht die Verstärkung, um die Millivolts an den Meßwiderständen auf einen Pegel von 2 bis 3V zu kriegen. Die zweite Stufe ist der Komparator, der ein Schaltverhalten wie ein Schmitt-Trigger hat. Trennen kann ich Komparator/Schmitt-Trigger nicht bzw. ich wollte das beim damaligen Design der Strombegrenzungsstufe auch gar nicht.

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beyond-the-rails Fähigkeit an den Eingängen.

Kenne ich noch gar nicht. Muss mal recherchieren, was das sein soll.

Danke für die Tipps, werde dann mal "in mich gehen"....

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So, heute hatte ich mal Zeit Alptraum zu reparieren und den Powerswitch zu montieren. Mal schaun wie sich die Kombi am Wochenende in Holland schlägt.

Suuuuper !
Das Sägeblatt zieht ganz schön ab! Wird wohl für viele "geknickte" Antennen und Gesichter sorgen.
Nachdem dies der erste praktische Turniereinsatz von dem Power-Schalter ist, hoffe ich, dass ich Deinem schönen Bot keine Schande bereite...
Auf alle Fälle eine gelungene Konstruktion von Deiner Maschine. Hut ab. Und was mich eben besonders freut: Das Stückchen Elektronik von mir darf den Bot antreiben .
Ein voller Kurzschluss am Waffenmotor etc müßte vielleicht derzeit noch vermieden werden. Diese Endstufe hat, im Vergleich zu den Fahrtreglern, keine Sicherung im Leistungszweig.

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2 Robbe Power 700/13 nutzen (Ø-Stromaufnahme: 13 A)

Ich bin mir nicht sicher, aber ich glaube, das sind auch die Motoren, die mir Flatliner in den Motorenprüfstand eingebaut hat. Bei der Entwicklung des Powerschalters habe ich diese beiden Motoren parallel geschaltet, um ein bißchen Strom ziehen zu können. War aber immer noch nicht genug, darum mußte noch ein Arsenal an Halogenlampen parallel mit dazu. Der Schalter hat das ausgehalten. (s.o.: die verzinnten Leiterbahnen wurden ein bißchen warm, aber sonst nichts.). In dieser Hinsicht würde ich also mal sagen, dass die Schaltung Deine beiden Motoren bedienen kann. Wie standfest alles wird, das muss sich halt im praktischen Betrieb zeigen.
Wie weit bist Du denn mit Deinem Projekt ?

Ach ja, bitte nicht vergessen: Bei obiger Demo ist am Empfängeranschluss noch der mittlere Pin mit dem Pluspol belegt. D.h., die 5V vom Powerswitch versorgen den Empfänger. Wenn der Empfänger vom Fahrtregler versorgt wird, dann muss diese Verbindung vom Powerswitch gekappt werden. Sonst fließen ein paar "ungewollte" Ströme....

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habe ich ganz übersehen

Kann passieren, kein Problem. Es ist daher immer gut, wenn man seine Bots und Versuchsaufbauten per Foto hier im Forum präsentiert, dann fallen solche Kleinigkeiten auf. *ZwinkerAnAlle..WinkMitZaunpfahl*

Zitat

Zum Glück haben es Powerswitch und Regler überlebt !

Ich weis nicht, wie sich das auf Dauer ausgewirkt hätte. Jedenfalls versuchen sich zwei 5V-Konstanter gegenseitig die Ausgangsspannung einzuregeln... Im Zweifelsfall gewinnt der 78S05 auf dem Fahrtregler, weil der für 2A ausgelegt ist, während der kleine Eumel auf dem Powerswitch nur 500mA kann.
=> Ich bin halt vorsichtig, was Ausgleichsströme angeht. Muss ja nicht sein... Wobei ich denke, dass der geringe Spannungsunterschied in den Zuleitungen zum Empfänger hängenbleiben könnte.