Fahrtregler mit H-Brücke

Prototyp der 20 A-Version des Brückenfahrtreglers

Der bewährte Fahrtregler mit Umpolung (Relais) verwendet für die Umpolung ein Relais. Dieses bietet viele Vorteile, ist aber die entscheidende Größe, welche die Strombelastbarkeit des Reglers limitiert. Daher habe ich zwei Versionen eines Fahrtreglers mit einer H-Brückenschaltung entworfen (Belastbarkeit 12 A bzw. 20 A), die ohne Relais auskommen und neben der höheren Strombelastbarkeit noch ein paar weitere Features haben:

Umpolung mit MOSFET H-Brückenschaltung
Belastbarkeit: 12 A bzw. 20 A Dauerstrom in beide Richtungen, kurzzeitig auch deutlich mehr
Betrieb mit 12 V oder 24 V Akkus
wahlweise galvanische Trennung vom Empfängerstromkreis (Optokoppler) oder BEC
PWM Taktfrequenz wahlweise 2,4 kHz oder 9 kHz
wahlweise lineare oder exponentielle Steuercharakteristik
Setup zum Einstellen der Neutral- und Maximalposition
250 Geschwindigkeitsstufen pro Fahrtrichtung
Failsafe bei Empfangsstörungen
Motor-Anlaufschutz beim Anklemmen des Akkus

Die 12 A-Version unterscheidet sich von der 20 A-Version nur durch die Anzahl der Transistoren (sechs anstelle von zwölf), zusätzlich ist noch Platz für einen kleinen Kühlkörper pro MOSFET vorgesehen.

Prototyp der 12 A-Version

>Schaltplan der 20 A-Version (zum Vergrößern anklicken):

Umpolung mit einer H-Brückenschaltung

Um mit einer H-Brückenschaltung aus MOSFETs anstelle eines Relais umzupolen, benötigt man minimal vier Transistoren, und die Entwicklung einer guten H-Brücke mit wenig Verlustleistung auch bei hohen Frequenzen und Strömen bei gleichzeitig geringem Schaltungsaufwand ist nicht einfach. Zudem muss ein Shoot-Through sicher ausgeschlossen werden, d.h. high-side und low-side Treiber eines Zweigs dürfen nie gleichzeitig durchschalten. Die Ansteuerungslogik der Transistoren muss also zuverlässig und fehlerfrei funktionieren.

Der Regler verwendet den PIC Mikrocontroller vom Typ 16F684, der ein erweitertes PWM-Modul (ECCP) zur Steuerung von H-Brücken an Bord hat. Damit ist es mit geringem Aufwand möglich, die vier Transistoren der H-Brücke sauber anzusteuern. Es stehen mehrere Betriebsmodi zur Auswahl, ich habe mich dafür entschieden, nur die low-side MOSFETs mit der PWM Frequenz zu takten, während die high-side MOSFETs entweder dauernd leiten oder dauernd sperren und so ohne Umschaltverluste arbeiten können.

Für den high-side Zweig kommen die P-Kanal Typen IRF4905 zum Einsatz, für den low-side Zweig die bewährten IRL3803. Um den Aufbau und die Kühlung einfach zu halten, werden die integrierten Body-Dioden der MOSFETs als Freilaufdioden verwendet, nach meinen Messungen bringt der Einsatz eigener Schottky-Dioden keinen nennenswerten Vorteil.

Strombelastbarkeit

Der zeitlich unbegrenzte Dauerstrom beträgt bei der kleinen Fahrtregler-Variante ca. 12 A, bei der großen Variante ca. 20 A. Die Endstufe ist symmetrisch, d.h. diese Werte gelten für beide Fahrtrichtungen. Kurzzeitig darf die Endstufe auch wesentlich höher belastet werden, der theoretische Maximalstrom der kleinen Variante liegt bei 75 A, allerdings muss die anfallende Verlustwärme auch wieder abgeführt werden können.

Da die P-Kanal Typen systembedingt immer etwas schlechtere Leitwerte haben als N-Kanal Typen, habe ich die Anzahl der P-Kanal Typen verdoppelt um deren Strombelastung zu reduzieren. Auf jeden P-Kanal Transistor entfallen max. 5 A, was bei einem Rdson von 20 mΩ zu einer Verlustleistung von 0,5 W führt, die für ein TO-220 Gehäuse auch ohne Kühlkörper noch verträglich ist. Bei der 12 A-Variante habe ich kleine Kühlkörper vorgesehen, weshalb die Belastung hier auf 6 A pro Transistor gesteigert werden kann.

Induktive Lasten wie Elektromotoren erzeugen während des Ausschaltens eine Induktionsspannung, während sich das Magnetfeld abbaut. Die integrierten Body-Dioden der MOSFETs ermöglichen aber einen Stromfluss, so dass sich keine gefährlich hohen Spannungen aufbauen können. Der Strom fließt in dieser Zeit durch die Dioden des gerade nicht leitenden Satzes der P-Kanal Transistoren im anderen Brückenzweig. Daher kommt es, insbesondere bei Halbgas, auch zu einer Erwärmung dieser Bauteile. Dauert die Ausschaltphase so lange, dass sich das Magnetfeld vollständig abbauen kann, wirkt der Motor dann noch als Generator, erzeugt Strom und lädt damit den angeschlossenen Fahrakku. Durch das geringe Trägheitsmoment von Welle und Schiffsschraube kann man diesen Beitrag aber praktisch vernachlässigen (anders z.B. bei Modellautos während des Bergabfahrens).

Die Leiterbahnen der Platine, die den Motorstrom führen, sollten mit aufgelötetem Kupferdraht verstärkt werden. Es empfiehlt sich auch die Verwendung von Basismaterial mit 70 µm Kupferauflage anstelle der üblichen 35 µm.

Galvanische Trennung oder BEC

Trotz Entstörmaßnahmen am Elektromotor kann es zu Störungen am Empfänger kommen, evtl. auch erst bei größerer Entfernung zwischen Sender und Empfänger. Dies äußert sich in Servozucken und unkontrollierbaren Steuerzuständen. Aus diesem Grund ist der Empfänger vom Fahrtregler mit Hilfe eines Optokopplers galvanisch getrennt. Dies geschieht schon sehr früh, noch bevor das Empfängersignal am Mikrocontroller anliegt. Der Steuerteil des Fahrtreglers versorgt sich somit nicht aus dem Empfängerakku, sondern über einen eigenen 5 V Regler (7805) aus dem Fahrakku.

Wer den Empfängerakku unbedingt einsparen will und nur wenig Strombedarf für den Empfänger hat (nur 1-2 Servos), kann durch Setzen der beiden Jumper JP1 und JP2 auch den Empfänger und daran angeschlossene Servos aus dem Fahrakku versorgen. Dann hat man eine sog. BEC-Schaltung (Battery Eliminating Curcuit). Die max. Belastung des 7805 Spannungsreglers liegt bei ca. 1,5 A, auch sollte der Spannungsregler dann unbedingt einen Kühlkörper bekommen, da die Verlustleistung bei Betrieb mit einem 12 V Fahrakku selbst bei einem mittleren Strom von 150 mA bereits über 1 W liegt. Bei einem 24 V Fahrakku sollt man auf jeden Fall auf die BEC Funktion verzichten und einen eigenen Empfängerakku verwenden. Zu beachten ist auch, dass bei Verwendung der BEC-Funktion die galvanische Trennung natürlich wirkungslos wird.

Taktfrequenz

Die optimale Taktfrequenz der PWM (Pulse Width Modulation) zur Steuerung von Modellbau-Elektromotoren liegt bei etwa 1-2 kHz. Je höher die Taktfrequenz ist, umso mehr Verluste für die Umschaltung fallen an den Leistungstransistoren an. Die Standard-Taktfrequenz des Fahrtreglers liegt daher bei 2,3 kHz. Anker und Motorgehäuse werden durch magnetische Kräfte aber in Schwingungen versetzt, dies ist durch einen Pfeifton hörbar, besonders bei geringen Drehzahlen. Was früher™ im Zeitalter der 50 Hz Regler noch als Qualitätskriterium galt, stört heute insbesondere die Scale-Modellbauer. Durch Setzen eines Jumpers besteht daher die Möglichkeit, die Taktfreqzenz auf ca. 9 kHz zu erhöhen. Nach meinen Versuchen ist ab einer Frequenz von ca. 7 kHz kein Motorpfeifen mehr zu hören. Zu beachten ist aber, dass die Verlustleistung damit erhöht wird und sich die Transistoren stärker erwärmen.

Steuercharakteristik

Das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer des PWM Signals (Duty-Cycle) bestimmt die Motordrehzahl und kann auf jedem Knüppel-Halbweg von 0% bis 100% variiert werden. Standardmäßig wird die eingelernte Knüppelstellung linear in den Duty-Cycle umgerechnet, Motordrehzahl und Knüppelstellung sind damit direkt proportional.

Häufig will man aber gerade im unteren Drehzahlbereich feinfühliger Steuern, um besser manövrieren zu können. Falls sich am Sender eine einstellbare exponentielle Steuercharakterstik konfigurieren läßt, ist dies leicht zu erreichen. Für einfache, nicht programmierbare Sender habe ich eine zweite Steuercharakterisitk implementiert, die eine exponentielle Charakteristik näherungsweise durch zwei lineare Bereiche approximiert. Im ersten Bereich bis zur Mitte des Knüppelwegs werden max. 25% Duty-Cycle erreicht, auf dem restlichen Knüppelweg dann die anderen 75%. Die Approximationsfunktion ist stetig, aber nicht differenzierbar, man merkt das aber in der Praxis nicht. Durch Setzen des Jumpers "EXP" wird diese Charakteristik aktiviert.

grafische Darstellung der Steuercharakterisik

Abgleich und Inbetriebnahme

Das folgende Bild zeigt den Anschluss von Akku, Motor und Empfänger.

Anschlussbild Fahrtregler

Läuft der Motor in der falschen Richtung an, können die Motoranschlüsse vertauscht werden. Auf keinen Fall die Anschlüsse des Akkus vertauschen!

Auf Schraubklemmen zum Anschluss für Motor und Akku habe ich verzichtet, einerseits wird damit das Layout vereinfacht, andererseits liegt die max. Strombelastbarkeit vieler Schraubklemmen deutlich unter 20 A.

Leuchtet nach dem Einschalten die grüne LED länger als 2 s, stimmt die gespeicherte Neutralposition nicht, es muss dann ein Setup durchgeführt werden. Auch um bei Vollgas wirklich 100 % Duty Cycle zu erreichen, ist die Durchführung eines Setup auf jeden Fall zu empfehlen.

Setup

Durch ein Setup können die Werte der Neutral- und Maximalposition an die eigene Anlage angepasst werden. Dazu wird der Jumper "SET" gesteckt und die Versorgungsspannung (erst Empfänger, dann Fahrakku) eingeschaltet.

Nach dem Einschalten blinkt die rote LED ca. 5 s lang, in dieser Zeit muss der Steuerknüppel und die Trimmung in die Neutralposition gebracht bzw. dort gehalten werden. Verlischt die LED, wurde der entsprechende Wert im EEPROM des PIC dauerhaft gespeichert. Daraufhin blinkt die grüne LED, der Steuerknüppel muss während dieser Zeit in die Maximalpostion gebracht und dort gehalten werden. Verlischt die grüne LED, ist das Setup beendet. Nach Durchführen des Setup (beide LED aus) muss der Fahrtregler für ca. 30 s von der Versorgungsspannung getrennt werden (die Kondensatoren müssen sich vollständig entladen). Der Jumper wird nun entfernt und die Versorgungsspannung wieder eingeschaltet. Die grüne LED leuchtet für ca. 2 s, in dieser Zeit darf der Knüppel nicht aus der Neutralposition gebracht werden (Anlaufschutz). Verlischt die grüne LED, ist der Motorausgang aktiviert und der Regler betriebsbereit.

Das Setup kann bei Bedarf erneut durchgeführt werden.

Ein Aufleuchten der roten LED im Betriebsmodus (SET Jumper entfernt) signalisiert fehlerhafte Empfängerimpulse und deutet auf Empfangsstörungen oder einen ausgeschalteten Sender.

Der Regler erwartet länger werdende Empfängerimpulse bei Bewegung des Knüppels in Richtung Maximalposition. Notfalls muss am Sender umgesteckt werden (Servo-Reverse). Der Regler ist für positive Logik ausgelegt. Für Anlagen mit "negativer Logik" (z. B. alte Graupner Varioprop) kann ich auch eine angepasste Firmware anbieten.