Fragen zum Erfassen von Impulsstrom und Ansteuern eines Logik-MOSFET in einer Schaltung

Diese Frage bezieht sich auf ein persönliches Projekt und bezieht sich auf meine vorherige Frage , konzentriert sich jedoch auf andere Themen oder Fragen. Durch die Erhöhung des Shunt-Widerstands von 1 mOhm auf 330 mOhm wollte ich vermeiden, einen speziellen Verstärker wie in meiner vorherigen Frage zu verwenden.

Der PWM-Ausgang eines uC steuert einen Strom von 2 A bis 6 A durch einen Heizdraht, und da sich der Widerstand ändern kann, wird der Stromwert ungefähr an den ADC des uC zur Regulierung usw. zurückgeführt. Die Schaltung wird auf ein Perfboard gelötet.

Aus Gründen des Minimalismus habe ich mich für einen Operationsverstärker mit Einzelversorgung und Low-Side-Erkennung entschieden, um Probleme im Zusammenhang mit Gleichtaktspannungen zu vermeiden.

Der Übersichtlichkeit halber schreibe ich die Fragen einzeln im Detail auf:

1-) Dieser Artikel untersucht die Verwendung von Operationsverstärkern, Differenzverstärkern und Instrumentenverstärkern für diesen Zweck. Was ich zuerst verstehe, ist, wenn ich einen Differenzverstärker oder einen Instrumentenverstärker verwende, muss ich eine Split-Versorgung verwenden (oder vielleicht einige Referenzspannungstechniken, die den Bereich verringern, den ich eigentlich nicht kenne). Da die einzige Option, die mir bleibt, eine Op-Amp-Option ist, erwähnt der Artikel das folgende Problem für diesen Fall:

Die Nachteile der Low-Side-Erkennung sind Störungen des Erdpotentials der Systemlast und die Unfähigkeit, Lastkurzschlüsse zu erkennen. Abbildung 2 zeigt ein typisches Low-Side-Erfassungsszenario.

Und unter Rp oder Vp wird dies veranschaulicht:

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Meine Frage ist, ob das in meiner Bewerbung auch ein Thema wäre? Ich meine, ich kann mit 100mA Fehler leben. Ich konnte keine Topologie finden, in der ich einen Einzeldifferenzverstärker mit einer Einzelversorgung verwenden kann. Ist das möglich? Oder wie kann ich den durch den Boden eingeführten Fehler minimieren?

2-) Ich habe LM358 als aktives Filter mit Einheitsverstärkung verwendet und es folgt ein weiterer LM358 als Verstärker mit einer Verstärkung von zwei (um den Bereich von 0 bis 5 V an den ADC anzupassen).

Grün ist die gewobbelte PWM-Spannung über Rsense; Blau ist der Ausgang des aktiven Filters mit LM358 und Rot ist der endgültige Ausgang. Ist LM358 für diese Anwendung geeignet? Und ist ein Shunt-Widerstand von 0,33 Ohm hoch genug?

3-) Grundsätzlich ist die Frage, brauche ich einen Gate-Treiber für diesen MOSFET (aus Gründen der Verlustleistung)? Laut Datenblatt ist dies ein Logik-MOSFET. Aber einige in meiner vorherigen Frage sagten mir, dass ich immer noch einen Treiber brauche, da der MOSFET eine Kapazität hat, die einen übermäßigen Strom treibt.

Aber einer der Kommentatoren sagte mir, dass ich einen speziellen Treiber wie diesen brauche . Aber der Rest fand es nicht als Problem. Ich bin also verwirrt, wie man diesen MOSFET richtig ansteuert. Hier ist, was LTspice die Leistung des MOSFET bei %95 PWM zeigt:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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Das Einholen von Meinungen ist kein Thema. Dies ist aq und eine Website. Versuchen Sie, Ihre Fragen konkret und klar zu formulieren.
Omg, ich habe eine Stunde damit verbracht, klar zu sein, wenn Sie immer noch denken, dass meine Frage unklar ist, denke ich, dass das meine Kapazität ist. Es tut mir Leid.
Ich bin ganz nach unten gesprungen und habe Ihre Anfrage gelesen, also lohnt es sich, die Meinungen und Vorschläge zu löschen. Den Rest lese ich!
Okay, ich habe diesen Teil vielleicht jetzt besser formatiert.
1) Startpunktmasse direkt am 330-mOhm-Shunt-Anschluss, 2) Lm358 enthält GND als Gleichtakt und läuft auf +12, 3) Was ist Ihre PWM-Frequenz, wenn es ein paar kHz sind, wäre ich nicht allzu besorgt
Vergessen Sie auch nicht I ^ 2R, (6) ^ 2 * 0,33 = 10,8 Watt ...
@sstobbe Meinst du, dass der GND von Rsense sehr nahe an der Masse der Stromversorgung liegen sollte? Ist das alles, worum ich mich kümmern sollte?
@doncarlos Wenn Sie die Schaltung bauen, verbinden Sie alle Ihre analogen / digitalen Erdungen direkt mit der Rsense-Leitung (nicht mit dem Minuspol der Stromversorgung). Auf diese Weise sehen alle Ihre Steuerschaltungen den Rp nicht, wie Sie in Ihrem einen Schaltplan gezeigt haben.
Sternpunktboden imgur.com/a/NLGiV
@sstobbe Meinst du das? i.stack.imgur.com/lg3MY.png Ich habe die Zeichnung sicherheitshalber gemacht
Ja, Ihre Zeichnung ist korrekt, es ist, wie es physisch verbunden ist, dass die blaue Leitung mit dem Widerstandskabel verbunden ist, nicht mit dem Stromversorgungsanschluss
@sstobbe Danke, aber ich habe noch eine Sache, die mich beunruhigt. Ich werde einen genauen 5-Watt-50-mOhm-Shunt-Widerstand wie diesen kaufen: eu.mouser.com/images/bourns/lrg/PWR44122S.jpg Aber wenn ich einen der Anschlüsse dieses Widerstands an den nicht invertierenden Eingang des Opamp löte (wie in der Schaltung) . Glauben Sie, dass die Wärme des Widerstands den Operationsverstärker durch Leitung beeinflusst / erreicht?
Ihre Intuition ist richtig, dass Wärme Auswirkungen haben kann und aufgrund des Temperaturgradienten eine thermische EMF im Bereich von 10 bis 100 uV auftritt, die jedoch einige Größenordnungen unter Ihrer vollen Ausgangsleistung liegt. Opamp muss nicht physisch in der Nähe sein. Der Schlüssel ist, Kelvin-Verbindungen zum Shunt herzustellen.
@sstobbe Mit Kelvin-Verbindung meinst du so etwas?: i.stack.imgur.com/O3xCR.png Ich zeichne dies, um es klarer zu machen. Würde dies die Wärmeleitung verhindern?

Antworten (2)

1) Wäre das in meiner Bewerbung auch ein Thema?

Vielleicht ja vielleicht nein. Wenn Sie eine hohe Genauigkeit wünschen, können Sie diesen Ansatz verwenden, aber Sie müssen beim Routing Ihrer Signale sehr vorsichtig sein. Wenn Sie Ihren Stromanschluss direkt neben dem Rücklaufende Ihrer Last herstellen und auch den Masseanschluss Ihres Messwiderstands sehr nahe an diesem Punkt platzieren, sollten Sie in Ordnung sein. 6 Ampere sind (nach Hobbystandards) ein ziemlich kräftiger Strom, aber es ist nicht unverschämt.

2a) Ist LM358 für diese Anwendung geeignet?

Ja, und es ist eine gute Wahl, solange Sie billige, leicht verfügbare Operationsverstärker verwenden. Die Eingangskonfiguration ermöglicht Eingänge bis zur Masse, und das ist in dieser Schaltung wichtig. Es gibt einfach nicht viele Operationsverstärker dieser Generation, die diese Aufgabe erfüllen.

2b) Und ist ein Shunt-Widerstand von 0,33 Ohm hoch genug?

Eigentlich ist .33 wahrscheinlich etwas zu groß. Wie ich in Ihrer vorherigen Frage erwähnt habe, erzeugen 6 Ampere bei 1 MOhm 6 mV, was den MOSFET nicht nennenswert beeinflusst. Bei 0,33 Ohm beträgt der volle Einschaltstrom etwa 2 Volt, wie Sie erkennen. Angenommen, Sie verwenden eine 3,3-Volt-MCU, um Ihre PWM bereitzustellen, bedeutet die Annahme von 3 Volt für den Ausgang zum Gate des FET, dass die Gate-Source-Spannung im eingeschalteten Zustand nur 1 Volt beträgt. Dies ist die nominelle Einschaltspannung für Ihren FET (Vgs(th) oder Gate-Source-Einschaltspannungsschwelle – schauen Sie in Ihrem Datenblatt nach), und die Schwelle wird normalerweise auf einen sehr niedrigen Strom eingestellt, z 250 µA oder 1 mA. Sie benötigen also mehr Spannung, um den FET mit 6 Ampere zu betreiben. Wenn Sie den Messwiderstand fallen lassen, haben Sie weniger Messspannung, was Ihnen mehr Gate-Spannungsspielraum gibt, aber Sie '

Dies führt zu

3) Benötige ich einen Gate-Treiber für diesen MOSFET (aus Gründen der Verlustleistung)?

Nun, wenn Sie dem Gate genügend Spannung geben, würde ich vermuten, dass Sie in Bezug auf die Verlustleistung in Ordnung sind. Aber ein Treiber ist eine sehr gute Idee, besonders wenn Sie den Messwiderstand bei 0,33 Ohm halten. Wie, eine sehr, sehr gute Idee. Wenn Sie eine 5-Volt-MCU verwenden, benötigen Sie vermutlich keinen Treiber.

+1 für den Effekt, dass ein zu hoher Source-Widerstand beginnt, den Mosfet bei hohen Strömen auszuschalten.
Danke, ich habe die Schaltung aktualisiert. Bitte sehen Sie sich meine Bearbeitung an. PWM-Frequenz wird 500Hz und 0/5V Impulse nicht 3,3V sein. Aber für eine bessere Vgs höre ich mir Ihren Vorschlag an und reduziere Rsense auf 50 mOhm, was bei 6 A 2 Watt bei 100% PWM verbraucht. Es macht also Sinn, Resense zu reduzieren. Ich wollte den LM358 durch einen Operationsverstärker mit viel besserer Eingangsoffsetspannung ersetzen, aber das beste Ergebnis für den aktiven Filter ist aus irgendeinem Grund der LM358, also bleibe ich dabei. Ich habe auch R_nichrome auf 1,9 Ohm erhöht, um die Stromamplitude auf 6 A einzustellen. Soweit ich weiß, brauche ich bei dieser Frequenz (500 Hz) und dieser VGS-Einstellung keinen Treiber, oder?
Ich denke, wir vermissen hier einen Punkt über die Frequenz. Freq. des uC kann niedrig wie 500 Hz sein, aber wenn ich das Tastverhältnis sehr niedrig wie %1 oder sehr hoch einstelle, denke ich, dass dies ein Problem sein wird. Das Auslösen eines MOSFET bei 500 Hz mit einer Einschaltdauer von % 50 ist nicht dasselbe wie das Auslösen von 500 Hz mit einer Einschaltdauer von % 1. Aber vielleicht noch harmlose 25mA. Wollte nur darauf hinweisen
@doncarlos - Ich verstehe Ihre Bedenken nicht, aber lesen Sie meine ursprüngliche Antwort noch einmal. Die Art und Weise, wie Sie das MOSFET-Gate ansteuern, führt zu Ungenauigkeiten bei niedrigem Arbeitszyklus. Die einfache Lösung ist ein MOSFET-Treiber-IC.
@WhatRoughBeast Ich möchte es wirklich einfach halten, also wenn ich es nicht brauche, möchte ich keinen zusätzlichen IC verwenden. Ich meinte, meine Anwendung wird PMW nicht bei Aufgaben unter 30 % verwenden, also denke ich nicht, dass es ein Problem wäre. Übrigens möchte ich LM358-Operationsverstärker durch LMC6482 ersetzen. Der LMC6482 hat eine geringere Eingangsoffsetspannung und ist Rail-to-Rail.
@doncarlos - Ich sehe kein Problem darin, 2 Transistoren und 3 Widerstände durch einen 8-Bin-IC zu ersetzen.
@WhatRoughBeast Ich denke, du hast Recht, ich werde mich trotzdem für einen dedizierten Treiber entscheiden (damit ich mit höherer Frequenz und weniger Welligkeit auf der Seite des aktiven Filters fahren kann). Ich werde 50mOhm für den Shunt verwenden. Aber ich hoffe, dass ich mit der realen Simulation ähnliche Ergebnisse für den Stromerfassungsteil erzielen kann. Ich werde LMC6482 verwenden. Beim aktiven Filter für 1uC-Kappen sollte ich keine Elektrolytkappen verwenden, oder? Ich dachte an x7r Keramikkappen.

1) Versuchen Sie, den Operationsverstärker, der den Widerstand erkennt, in der Nähe dieses Widerstands zu halten. Schlagen Sie alle Schaltungen 0 Volt von der Unterseite dieses Widerstands ab, dh verwenden Sie Sternzeigetechniken, wo Sie können.

2) Sie können natürlich einen niedrigeren Widerstand mit mehr Verstärkung in der zweiten Operationsverstärkerstufe verwenden. Höher als 3,3 Ohm kann bedeuten, dass es anfängt zu brennen oder zu heiß wird. Gehen Sie nicht zu niedrig, sonst werden die Eingangs-Offset-Spannungsfehler des LM358 signifikant.

3) Wenn Sie nur mit maximal wenigen kHz arbeiten, ist es unwahrscheinlich, dass Sie einen bestimmten Treiber für den Mosfet benötigen, aber überprüfen Sie das Datenblatt und sehen Sie sich das Diagramm für Drain-Strom gegenüber DS-Spannung für verschiedene Gate-Pegel an. Dies zeigt Ihnen, ob Ihr Gate-Treiberpegel hoch genug ist. Bestimmte Gate-Treiber sind in der Regel in Hunderten von kHz erforderlich, um die Gate-Kapazität schnell genug zu laden und zu entladen.

Ich habe die Schaltung geändert, siehe meine Bearbeitung. Ich habe den Rsense auf 50 mOhm gesenkt (Ist das ein guter Wert für das Offset-Fehlerproblem?) und die Verstärkung der zweiten Stufe erhöht. Für den aktiven Filter ergab jeder andere Operationsverstärker als LM358 in der Simulation ein schlechteres Ergebnis. Sogar solche mit sehr niedriger Eingangsoffsetspannung. Aber in Bezug auf Ihre erste Antwort; Meinst du, dass die Masse des Rsense sehr nahe am GND der 12-V-Stromversorgung liegen sollte? Wenn ja, in der Praxis wie lange max? Vielleicht grabe ich es zu sehr, habe aber noch nie eine solche Schaltung ausprobiert und kann keine praktischen Informationen mehr quantitativ finden.
Das 12-Volt-Netzteil kann einige Meter entfernt sein, aber sobald Sie sich entschieden haben, wo 0 Volt liegen, bleiben Sie dabei und machen Sie dies zu Ihrem Sternpunkt. Der logische Platz liegt am Niederspannungsende des Messwiderstands.
Was meinst du mit Sternpunkt? Könnten Sie eine einfache Illustration zeichnen, was Sie sagen, wenn möglich, es würde sehr helfen. Ich bin sehr neugierig, ob ich es richtig mache?
Bilder findest du wenn du googlest. Grundsätzlich bedeutet dies, dass jede Verbindung zu 0 Volt unabhängig mit dem einzelnen eindeutigen Sternpunkt verbunden wird (soweit natürlich praktikabel). Es ist klar, dass diese 0-Volt-Verbindungen, die Mikroverstärker tragen, ein Glied mit anderen Schwachstromverbindungen teilen können. Der springende Punkt ist, dass Sie definieren, wo sich Ihre 0-Volt-Referenz befindet, und dass die Verbindungen empfindlich sind und keinen Draht oder Pfad mit den 6-Ampere- oder PWM-Signalen teilen.
Okay, hoffentlich habe ich es verstanden, nur um sicherzugehen, dass ich es jetzt zeichne. Es ist ein bisschen hochstromig, deshalb möchte ich sicherer sein, bevor ich löte
Das hast du gemeint richtig? i.stack.imgur.com/lg3MY.png
Nicht gut genug, weil Ihr PWM-Treiber das gleiche Erdungskabel wie Ihr Messverstärker verwendet. Alles auf der Fet-Seite muss sich idealerweise auf einem separaten Ast des Sternpunkts befinden.
Okay so meinst du: i.stack.imgur.com/YMYHV.png Entschuldigung für Missverständnisse..
Oder meinst du, jeder einzelne GND sollte an einem bestimmten Punkt wie folgt separat verbunden werden: eevblog.com/forum/beginners/… ?
Das ist ein gutes Bild des Sternzeigens. Zuerst folgen Sie dieser allgemeinen Regel, wie Sie es jetzt tun sollten, dann, wenn Sie lernen, beginnen Sie, Abkürzungen und Wege zu erkennen, Inseln von 0 Volt durch eine Verbindung mit dem Sternpunkt zu verbinden, aber im Moment sollten Sie diesem Bild folgen .
Siehe C4 und C5, die mit dem zugehörigen Treiber eine Insel bilden. Das ist ein Beispiel dafür, wo Sie eine Abkürzung nehmen können. Sehen Sie, wie der Fahrer und der fet Etiketten haben, auf denen steht, dass Sie kurz bleiben. Das könnte natürlich eine weitere Insel bilden, aber bis Sie es intuitiv verstehen, können Sie auch einfach der Grundregel folgen und später Abkürzungen ausprobieren.
Ich habe diese Idee in meiner Frage an meine Schaltung angepasst. Hier zeichne ich von Hand auf Papier: i.imgur.com/z3XDnfB.jpg . Ich konnte nur 1 Insel finden. Ich denke, das muss das sein, was du meinst, danke für die Hilfe. Die Praxis ist sooo schwer zu finden
Es fehlen Dinge in der Schaltung, daher kann ich das nicht realistisch sagen. Tut mir leid, aber das Betrachten von Sternzeigetechniken ist eine Alles-oder-Nichts-Analyse.
@doncarlos Bist du mit einer geposteten Antwort zufrieden? Wenn ja, dann akzeptieren Sie einen von ihnen formell oder geben Sie bitte einen Kommentar ab.
Fragen zum Erfassen von Impulsstrom und Ansteuern eines Logik-MOSFET in einer Schaltung
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