Mini-Beetle-FR

Ich hole mal kurz aus und gebe meine Erfahrungen weiter. (Kann u.U. unvollständig sein, aber zumindest ein bißchen was davon in den Ring geworfen... )

Wenn Du eine H-Brücke aufbaust, gibt es zwei Möglichkeiten:
- Nur mit N-FETs
- Mit N-FETs im Low-Zweig (da wo GND/Masse durchgeschaltet wird) und mit P-FETs (da wo "+" / VDD durchgeschaltet wird).

Die Eigenschaft von den FETs ist, dass das Gate beim Ansteuern wie ein Kondensator erst einmal geladen werden will. Zieht also sehr viel Strom, der dann relativ schnell nach unten geht. Dieser "kurzzeitige Stromhunger" macht das Problem, direkt vom Mikrocontroller aus das Gate zu füttern. Denn die meisten Ausgänge vom Mikrocontroller können maximal 20mA.
Wenn man es dennocht direkt macht, dann muss vor das Gate ein Vorwiderstand hin, um den Strom zu begrenzen. Hat aber jetzt den Nachteil, dass durch den geringeren Strom länger dauert, bis das Gate aufgeladen ist. Kurzzeitig ist der MOSFET also in einem Zustand, der weder "offen" noch "geschlossen" ist. Und somit fällt hier Spannung an ihm ab. Zusammen mit dem durchgeschaltetem Strom wird das in Verlustleistung umgesetzt. Somit besteht immer das Ziel, möglichst "schnell" die Zustände zwischen "offen" und "durchgeschaltet" zu wechseln. Und das geht nur mit einem hohen Strom beim Aufladen des Gate.

Jetzt kommen die Treiber in's Spiel. Die Treiber für die N-FETs (=Durchschalten von GND) sind nur dazu da, bei Ansteuerung durch den Mikrocontroller einen dicken Strom zu liefern. Die LOW-Side-Treiber, die ich verwende, können hier maximal 2 Ampere. Das reicht, um das Gate sauber durchzusteuern. Ich verwende daher zwischen Treiberausgang und Gate nur einen kleinen Schutzwiderstand von 10 Ohm.

Jetzt kommt's: Willst Du auf der High-Side N-FETs oder P-FETs einsetzen?

P-FETs haben die Eigenschaft, dass zum Durchschalten am Gate nicht eine "positive Spannung", sondern "GND" benötigt wird. Heißt, dass Du am Mikrocontroller-Ausgang mit "Low" den P-FET durchschaltest. Auch hier gilt wieder, dass der Strom begrenzt werden muss. Bei kleineren Anwendungen tut's also ein SOT323-Transistor, der meistens 500mA kann. Aber: Der Transistor muss in Emitterschaltung betrieben werden, also brauchst Du auch hier einen Vorwiderstand an der Basis. Darum gebe ich Dir den Tipp des Tages : Schau mal bei den Typbezeichnungen "BCR148". Das sind Transistoren, die haben den Vorwiderstand für eine 5V-Ansteuerung durch den Mikrocontroller schon integriert ! => Feine Sache, spart Platz am Layout.

Das heißt, Du brauchst am Ausgang des Transistors nur einen Widerstand, der so groß ist, dass der Strom beim Durchschalten zum Gate des MOSFET den Transistor nicht killt. Bei ca. 500mA und 12V wären das somit 24 Ohm. Ich nehme höhere Werte, warum ich mir das leisten kann, erkläre ich später.

Die Schaltung von Deinen Mini-Ant-Fahrtreglern ist übrigens so aufgebaut, dass P-FETS im High-Zweig sind. Du verwendest P-FETs mit einem UGS von maximal 12V. Somit darf die Betriebsspannung nie höher als 12V sein, sonst würde beim Durchschalten des P-FETs das Gate eine zu hohe Spannung bekommen.

Angenommen, Du willst die N-FETs auch bei der High-Side verwenden, dann wird's aufwändiger. Denn der Treiber dazu muss jetzt nicht nur die hohen Strom liefern, sondern er muss auch eine Spannung für das Gate liefern, die höher ist als die Betriebsspannung. Dazu haben diese High-Side-Treiber also eine Ladepumpe integriert, die aus den 12V-Versorgungsspannung die 18V erzeugen, die ein N-FET im High-Zweig braucht.
Die ersten Fahrtregler von mir (Fahrtregler2 und Fahrtregler3_1) hatten so einen High-Side-Treiber mit Ladepumpe. Das Problem war, dass die Ladepumpe nur zuverlässig funktioniert, wenn die Betriebsspannung > 8V ist. Beim Anfahren der Bots konnte die Spannung aber zusammenbrechen, Die Ladepumpe brauchte dann ein paar Millisekunden, um wieder die MOSFET anzusteuern. Das führe im Endeffekt dazu, dass der Bot beim Anfahren ruckelte.
Abhile schaffte ein DC/DC-Wandler, der die Betriebsspannung grundsätzlich auf 12V anhob/absenke. Ich musste also extra für 20 Euro einen DC/DC-Wandler integrieren, nur damit die Treiber eine brauchbare Spannung bekamen. => Sehr aufwändig, kostet platz und war im Endeffekt wohl immer zu teuer für die Roboteers-Gemeinde.

N-FETs verwende ich im High-Zweig nur, wenn ich höhere Leistungen schalten muss. Denn die N-FETs können mehr als die P-FETs und haben in der Regel auch einen geringeren Innenwiderstand im durchgeschaltetem Zustand.

Mein System daher: Ich verwende bei den Standard-Fahrtreglern zwar P-FETs im High-Zweig, aber die werden nicht ständig durchgeschaltet. Der High-Zweig bleibt durchgeschaltet und die PWM wird immer im Low-Zweig aufgeschaltet, denn die N-FETs im Low-Zweig sind "schnell" wegen einem Low-Side-Treiber.
Deshalb bin ich zu dem Transistor, der mir das Gate des P-FET durchsteuert, auch sehr sozial und verwende im Gate-Zweig einen hohen Widerstand. Die P-FETs schalte ich grundsätzlich nur, wenn auch beide N-FETs nicht durchgeschaltet haben. Somit fließt kein Strom durch den P-FET und es kann keine Verlustleistung entstehen. Man muss halt beim Umschalten ein bißchen warten. Aber nachdem eh nur bei Richtungswechsel des Bots umgeschaltet wird, kann man ruhig ein paar Mikrosekunden warten.

Das ist die Endstufe vom derzeitgen Beetle-Fahrtregler. Zu erkennen sind die beiden Widerstände am Kollektor des P-FET-Treibertransistors. Diese dienen dazu, beim Durchschalten des bipolaren Transistors die Spannung am Gate abzusenken. (Spannungsteiler). Ebenso dient der Widerstand zur VDD dazu, nach dem "öffnen" des Treibertransistors das Gate des P-FET wieder auf VDD zu entladen. Sonst bleibt der P-FET durchgeschaltet und beim nächsten Ansteuern des gegenüberliegenden N-FET gibt das einen satten Kurzschluss.

Nicht eingezeichnet ist ein Puffer-Elko an dem Low-Side-Treiber. Wenn der Treiber-IC schon 2A liefern soll (...ok, durch den 10Ohm-Widerstand ist's hier weniger...) dann soll man ihm auch die Möglichkeit geben, diese Ampere von der Stromversorgung herausziehen zu können.

Zitat von Replikator

Zu aller erst mal eine elementare Frage:
Wenn ich einen MOSFET-Treiber wie den Genannten habe, um welche P-und N-FETs handelt es sich, die ich mit einem Treiber ansteuern kann?! Die Frage ist glaube ich ziemlich doof, aber ist der Treiber für die diagonalen, oder in Reihe liegenden FETs? Oder anders ausgedrückt, für einen Motorzweig (z.B. der Vorwärts-Zweig) oder der z.B. linken Brückenseite?
Man kann sich denken, das wäre doch egal, habe ich doch zwei unabhängige Ein- und Ausgänge, aber ich habe gelesen, diese Treiber haben eine integrierte Totzeit, die dafür sorgt das der (ich glaube) P-FET verzögert angesteuert wird??

So wie ich das Datenblatt verstanden habe, ist der Treiber ein Halbbrückentreiber für N-FETs. (Halbbrücke: nur die "linke" oder "rechte" Seite mit den übereinander liegenden MOSFETs. Also zum "Load"-Ausgang entweder das GND oder VDD durchschalten). Entweder haben die sich im Datenblatt verzeichnet, oder dieser Treiber hat tatsächlich für den High-Zweig eine Ladepumpe integriert, um einen N-FET im High-Zweig ansteuern zu können.

Nach meiner Interpretation müssten die beiden Klemmen "To Load" somit miteinander verbunden werden und bilden einen Anschluss für einen Motor.

Das Gleiche brauchst Du somit noch einmal für den "rechten" Zweig, um dort dann ebenfalls bedarfsweise GND oder VDD durchzuschalten. Das "Timing", wann Du welchen Brückenzweig schaltest, ist dann aber wieder Deine Sache.

Zitat von Replikator

Woher beziehst du deine Treiber wenn ich fragen darf? RS?

Wenn's geht , vermeide ich RS-Components. Die sind auf "Einzelstückzahlen-Lieferung" ausgelegt. Also ca. doppelter bis vierfacher Preis wie vom "normalen" Distributor. Und eine aufwändige Verpackung. Nach dem Auspacken von einer Lieferung hat man eine Handvoll Bauteile und den ganzen Mülleimer voller Plastikmüll.

Meine bevorzugte Lieferquelle ist Reichelt. Wenn's ein bißchen spezieller wird, dann ist Bürklin da. (z.B. extrem gute und pulsfeste Low-ESR-Elkos beziehe ich von Bürklin.)

Zitat von Replikator

Ich glaube wenn ich es einfach haben will, sollte ich vlt deine Endstufenschaltung übernehmen, sofern das ok ist! Die hat Hand und Fuß und funktioniert ja!

Das muss sich erst noch zeigen. Es kann sein, dass irgendwo in der Software noch ein Bug steckt, der dann im Dauerbetrieb einen MOSFET killt. Keine Ahnung.... Prinzipiell kannst Du diese Schaltung ja gerne übernehmen, ist ja nur die typische Grundschaltung einer H-Brücke mit dem kleinen Gag der UGS-Anpassung an höhere Betriebsspannungen.

Zitat von Replikator

Nur FETs werde ich mir was schwächeres und somit kleineres suchen. Ein MOSFET ist ja schon halb so groß, wie die ganze Platine!

Das war auch mein Problem. So wie bei unseren Ant-Fahrtreglern sind die kleinen MOSFETs im SOT323-Gehäuse immer nur bis maximal 2A/3A brauchbar. Das ist für einen Beetle zu wenig. Die typische Größe der MOSFETs im TO220-Gehäuse natürlich total überzogen. Darum der Kompromiss mit dem DAK-Gehäuse.

Es gibt übrigens fertige MOSFET-Halbbrücken. Also z.B. mit 6 Beinchen und da ist dann schon jeweils ein P- und N-FET drin. Aber nur maximal 1.6A und ein UGS von 8V. Also maximal 2S . Somit für größere Ants und vor allem Beetles nicht mehr einsetzbar.

Bitte bedenke, dass auch bei den Strömen der Beetle-Motoren eine Verlustleistung entstehen kann. Nicht dass Dir die MOSFETs vorzeitig im Turnierkampf kündigen.

ich habe mir mal die Datenblätter angesehen.

vom P-FET:

Die typischen Marketingbeschreibungen ("hohe Effizienz bei geringen Kosten mit bestmöglichen Einsatzmöglichkeiten, egal ob Hobby, Beruf oder Freizeit.... blablabla) helfen nicht weiter. Aber die Kennwerte, auf die ich immer schaue, müssten soweit in Ordnung sein. Vorsicht bei der Produktbeschreibung von RS-Components! Die nehmen manchmal die Maximaldaten aus den Datenblättern her und tun in ihrer Beschreibung so, also das der "typischer Dauerbetrieb" ist.

Die Betriebsspannungen und das UGS sind in Ordnung. Beim N-FET kommen ja ohnehin nur 5V vom Mikrocontroller auf das Gate, da reichen die 10V, die das N-Gate verträgt.

Problematisch ist bei den SOIC8-Gehäusen halt immer die Wärmeabfuhr. Duhast nur über die Beinchen einen Kontakt zur Leiterplatte, die Dir dieVerlustleistung abnehmen kann. Darum bin ich bei dem Beetle-Fahrtreglerauf das DPAK-Gehäuse gegangen.

Ansonsten denke ich, dass Du damit ruhig mal einen Versuch machen kannst. Meine Vorlage von der "Entladeschaltung" bei P-Gate hast Du ja. Wenn Du die Software von Deinen Ant-Fahrtregler verwendest, kann es u.U. ein Problem geben. Denn die kräftigeren FETs haben auch eine höhere Gate-Kapazität. Es dauert also länger, bis das Gate freigeräumt ist. Heißt: Beim Richtungswechsel der Fahrtrichtung musst Du unbedingt zwischen Abschalten des einen FETs und Anschalten des anderen FETs länger warten als mit den SOT323-FETs. Sonst sind kurzzeitig beide gegenüberliegenden FETs durchgeschaltet, was im Prinzip einen Kurzschluss auf der Baugruppe bedeuted. Das merkst Du aber recht schnell, wenn entweder das angeschlossene Labornetzteil immer Stromspitzen anzeigt, oder einer der beiden FETs in den Halbleiterhimmel geschickt wird.

Zitat von Replikator

Vielen Dank für die Rückmeldung!

Sag mal, meine MOSFETs haben beide eine Freilaufdiode eingebaut. Könnten somit bei mir die beiden Dioden (P6SMB 18A) die du von den Motorkontakten zu GND verbaut hast wegfallen?

Ich habe mal von einem Kollegen, der sich mit dem Herstellungsprozess von MOSFETs auskennt, gelernt, dass diese Freilaufdiode nicht separat eingebaut wird, sondern dass das eigentlich ein Nebenprodukt von dem MOSFET-Herstellungsprozess ist. (Kann mich jetzt irren!)

Das Problem ist, dass die Schwellenspannung von dieser "integrierten Freilaufdiode" identisch ist zu der maximalen zulässigen Versorgungsspannung (UDS). Heißt somit: Wenn vom Motor eine Spannungsspitze kommt, dann wird die erbarmungslos auf diese MOSFET-Wannen durchgeleitet. Darum habe ich mich entschieden, die MOSFETs vorab schon etwas zu schonen und die Spannungsspitzen durch andere Bauteile in Wärme umwandeln zu lassen. Auch bei mir ist es ein Kompromiss, denn normalerweise müssten diese Supressordioden auch gegen VDD gelegt werden. Aber 8 Supressordioden auf dem kleinen Layout, das ging beim besten Willen nicht. Also eine bidirektionale Supressordiode verwendet.

Bis jetzt ist mir bei den anderen Fahrtreglern nichts bekannt, dass ein MOSFET durch Motor-Spannungsspitzen gestorben ist. Ebenfalls habe noch keine Reklamationen bekommen, dass einer dieser Supressordioden ebenfalls einen Spannungs- oder Hitzetod gestorben wäre. (Es gab anfangs Schwierigkeiten mit dem Ant1-Fahrtregler, bei dem die MOSFET-Halbbrücken manchmal gestorben sind. Aber egal mit oder ohne Supressordioden, die Fairchild MOSFET-Halbbrücken sind stellenweise immer mal weggestorben und deshalb in meinen Augen einfach Mist. => Die Ant1-Fahrtregler gebe ich deshalb auch nicht mehr ab, weil ich nicht will, dass während des Turniers ein Ant-Bot wegen meiner Elektronik stehenbleibt.

Ich kenne Dein Dilemma: Du möchtest Platz auf der Baugruppe sparen ... Jetzt musst Du abwägen, ob Du zusätzliche Sicherheit in die Baugruppe integrierst, oder die Gewichtung auf "möglichst klein gebaut" legst.

Mal nachgefragt: Der Eigenbau-Fahrtregler wurde doch bei Deinem Beetle "Wall-E" eingesetzt. Neben ein paar kleinen Anlaufschwierigkeiten hat der beim letzten Turnier in Gent aber jetzt gehalten, oder?
(Gibt's Fotos und ein bißchen Doku? )