Vrijloopdiode of R/C-netwerk?

1:1 of 10:1 maakt geen merkbaar verschil.

Het gaat eigenlijk meer om hoe snel hij ìn geleiding raakt.

Ja, dat is zo. Ik kan daar weinig over terugvinden in de (NXP) datasheet, maar we kunnen er toch van uitgaan dat die weinig zal verschillen van de t_rr?

Wel voor de scoop!
Ingangen zijn kwetsbaar voor snelle hoge pulsen.

Op 2 januari 2012 19:40:12 schreef Frederick E. Terman:
Ha, zo zie je maar weer. Gelukkig klopt de zaak nu weer.

Maar moeten we hier wel naar de reverse recovery time kijken?
Het gaat eigenlijk meer om hoe snel hij ìn geleiding raakt.

Klopt, de forward recovery time van de diode. Zoals Pros al zei vind je daar nagenoeg niets (meer) van in datasheets. Het is een hele korte tijd om van de sper-status naar geleiding te gaan. Eigenlijk wordt de sperlaag afgebroken en alles op orde gezet om naar geleiding te gaan.

Er zijn 2 zaken in je schakeling die nog de resterende piek geven: de schakelsnelheid (slewrate van je stroomafschakelen) en de strooi indukties van de aansluitdraden van MOSFET, het draadgewonden ding enz. Die gateweerstand is al een eerste zet, en je kan met een wat hogere waarde experimenteren (geeft ook iets meer opwarming), de strooiindukties: draden kort houden.

Over het "beter" presteren van een snubber (ik bedoel RC) of een vrijloopdiode. Mmmmm, elk heeft voor en nadelen. Het is wel zo dat een snubber direct reageert, er is domweg geen forward recovery time.
Hij dempt direct maar geeft meestal dan weer een oscillerend karakter waardoor de boel "uitrinkelt" zoals F.E.T. dat zo mooi kan zeggen. Schottkeys zijn dan weer bijzonder snel maar hebben grotere lekstromen en alleen te krijgen voor relatief lage sperspanningen.

Ik ga nog even een link meegeven, van IRF, waarin ook wat text staat van strooi inducties e.d.: link.

- - big bang - -

die vrijloopdiode heb je in ieder geval nodig als je een overwegend inductieve belasting aansluit, zoals een motor, aangezien de snubber maar heel kort energie kan absorberen, veel minder dan er magnetisch in de motor is opgeslagen.

Een DC motor met zo'n regelaar gedraagd zich als een buck converter in continuous conduction mode, mits de frequentie hoog genoeg is.

Overigens vind ik de weerstand in je snubber erg groot, maar de stroom is ook maar klein. Een paar ohm is vrij gebruikelijk bij grote stromen. De capaciteit bepaald de totale energie die je op kunt nemen, de weerstand bepaald hoe snel dat gebeurd. Kies je de weerstand te klein, dan komt de spanning over de condensator te snel op, waardoor je een overschoot krijgt net voordat de diode in geleiding komt. Met een te grote weerstand krijg je (zoals je hebt gezien) een grote stap in de spanning, omdat die over de weerstand valt terwijl de condensator opgeladen wordt. De dissipatie wordt bepaald door de grootte van de condensator, de waarde van de weerstand heeft daar geen invloed op.

Ik heb even een spoeltje van 200µH in serie met de belastings-weerstand geplaatst, en de PWM-frequentie opgevoerd naar 100kHz. De voedingsspanning is nog steeds 5V. Dat geeft de volgende resultaten:

Met enkel een vrijloopdiode: 60V
Met diode + R/C-netwerk: 10V

Als ik een R van 22Ω parallel plaats aan de bestaande 68Ω-weerstand (samen 16.6Ω, dus), blijft de piek 10V maar de golfvorm veranderd enigzins.

Mag ik besluiten, dat een snubber-netwerk een nuttige verbetering is, maar de noodzaak van een vrijloopdiode geenszins uitsluit?
Nuttig om deze reden: FET's die over een lage R_DS-ON beschikken, zijn meestal niet geschikt voor hoge spanningen. Als je nou de piek kan beperken, krijg je wat meer ademruimte bij het kiezen.
Of zie ik wat over het hoofd?

Hier staan wat formule's voor de berekening van snubbers.
http://www.national.com/en/power/snubber_circuit_design.html

@pros: helemaal mee eens

Pros,

Jij zet je "snubber" in de ingang van de mosfet, toch? Dan ga je langzamer schakelen.

Mijn nattevinger berekening is dan altijd: de tijd dat het kost om de fet helemaal open of dicht te krijgen * de volle stroom * volle spanning = energie die maximaal in de fet gaat zitten per schakeling.

Dan rond ik met "volle stroom" en "volle spanning" waarschijnlijk behoorlijk naar boven af, maar door de RC tijd voor de "tijd" te nemen rond ik iets naar beneden af.

63 Ohm * 100 nF * 0.5A * 5V = 0.017 mJ.

Dat klinkt als "weinig". Maar doe je dit 200k maal per seconde dan is het 3.4W. (100k aan, 100k uit....)

Dat komt bovenop de ohmse verliezen van (max) 0.04W in dit geval.........

Mijn ervaring met wat "heftigere"(*) mosfets is dat ze gaan zeneren (nou ja "avalanche breakdown" moet ik dat noemen, heb ik van FE geleerd), En dat dus op een spanning die maar nauwelijks boven de werkspanning ligt.

Dus jou meting van 200+ volt verbaast me.

Waar meet je? Op de poot van de FET of op de weerstand? (zit met een draadje aanmekaar, ik weet het.....)

Anyway, ik dacht dat een snubber op de drain van de fet gezet werd. Bijvoorbeeld omdat de max stroom 10A is, wordt de weerstand dan 0.5ohm. De condensator vast kleiner dan 100nF. De verliezen die daarin optreden moet je dan ook gaan meerekenen. Even met 1nF rekenen:
0.5 * 10^-9F * 5V^2 = 12.5 nJ per schakeling. Dat is stukken beter dan die 170 microJoule van daarnet. Als je een 0.5 Ohm weerstand (of iets indie buurt) kunt vinden zou ik het geinig vinden om de resultaten van die meting te weten te komen.....

Ik heb zelf de 0.1 ohm (en de waarden daaromheen) weerstanden op m'n farnell-wishlist staan om hieraan te kunnen meten....

(*) Lagere werkspanning, lagere rdson.

Ik neem toch aan dat die snubber tussen de drain en gate source van de MOSFET zit.

Je kunt beter de spanning * stroom * 0.5 nemen voor het vermogen, dat ligt heel dicht bij de waarheid, geloof ik. Voor de tij moet je dan kijken naar het Miller plateau, de rest is nauwelijks interessant. In die tijd loopt de gate-source spanning nauwelijks op, dus een beetje extra capaciteit daar doet niet zoveel.

Edit: schrijf ik nog niet wat ik bedoelde...

Jij zet je "snubber" in de ingang van de mosfet, toch?

Nee, zeg! Die staat tussen drain en GND - zoals bij een triac, dus.

Dus jou meting van 200+ volt verbaast me

Neem van me aan, dat het mij ook verbaast. Voeg daarbij dat ik al die capriolen met één en dezelfde FET heb uitgehaald, en dat hij nog steeds in leven is.

Meten doe ik op het koelvlak van de FET; daar is ook de belasting mee verbonden.

Op 3 januari 2012 13:07:49 schreef pros:
Mag ik besluiten, dat een snubber-netwerk een nuttige verbetering is, maar de noodzaak van een vrijloopdiode geenszins uitsluit?

Op basis van wat fabrikanten vaak doen in schakelende voedingen en andere flybacksystemen (denk ook aan TV), zou ik inderdaad zeggen dat je ze gezamenlijk kan gebruiken. Daar zitten talloze verschillende varianten van R/C/D-netwerkjes in met vergelijkbare functies.

Op 3 januari 2012 17:18:06 schreef pros:
Neem van me aan, dat het mij ook verbaast. Voeg daarbij dat ik al die capriolen met één en dezelfde FET heb uitgehaald, en dat hij nog steeds in leven is.

Absoluut, een sterk ding! Nu, ik heb hogerop al wel gelezen dat die 200V piek het gevolg was van een vrijloopdiode die stond over drain en source, dus niet over de belasting. Na verbetering van de fout was het richting 30V.

Ik bedenk me juist wat, de strooiinductie tussen de belasting en de vrijloopdiode (dus bvb de diodeaansluitdraden) vormen ook een kleine inductie welke in eerste instantie weigerend staat om de bedrijfsstroom van de inductieve last op te nemen. De spanning zal iets oplopen totdat het dumpen begint.

Overigens, andere vormen van vrijloop kunnen ook van pas komen. Naast een diode of snubber kan je ook VDR's, weerstanden, transils of combinaties zoals diode-weerstand, diode-zenerdiode enz toepassen.

Neem nu bvb. een diode-zenerdiode combinatie: je kan je clampspanning kiezen (hoe hoger de gekozen spanning, hoe sneller de piek uitgestorven is), en doordat er op een constant spanningsniveau geclampt wordt wordt de stroom lineair afgebouwd. Vdr idem dito. Snubbers worden ook makkelijker toegepast bij wisselspanningscircuits (zoals je al zei triacschakelingen), omdat daar de vlieger van vrijloopdiodes niet opgaat.
Het is fun om verschillende vrijlooptechnieken eens in de praktijk aan de tand te voelen.

- - big bang - -

In sommige gevallen kan het interessant zijn om een weerstand of zener in serie met de diode op te nemen, om de spanning over de spoel, en daarmee de dI/dt groter te maken, zodat de lading sneller afgevoerd wordt. Dat doe je dus als je de spoel zo snel mogelijk stroomloos wilt maken.

In het geval van een motor wil je dat juist niet; alle lading die je niet afvoert, hoef je de volgende PWM cyclus niet opnieuw toe te voeren, dat is alleen maar verspilling. Daarbij neemt de stroomrimpel, en daarmee de RMS stroom en dus de koperverliezen in de motor alleen maar toe, terwijl de gemiddelde stroom en daarmee het koppel constant blijft.

Op 3 januari 2012 22:35:22 schreef big bang:
..de strooiinductie tussen de belasting en de vrijloopdiode (dus bvb de diodeaansluitdraden) vormen ook een kleine inductie welke in eerste instantie weigerend staat om de bedrijfsstroom van de inductieve last op te nemen. De spanning zal iets oplopen totdat het dumpen begint.

Die parasitaire zelfinductie is er wel, maar bedraagt maar een paar nH. De zelfinductie van de weerstand is ongeveer 20uH.
De spanning over de zelfinductie van de draden is dus maar in de orde van een duizendste van de totale spanning. Ik denk daarom dat het onvoldoende is als verklaring, maar het is wel goed er even bij stil te staan.

Ik ben er nog niet helemaal uit. Ik heb de R v/d snubber verkleind naar 1Ω. Dat levert dit plaatje op:

De uitschakelpiek wordt flink gedempt, maar daarnaast wordt hij flink uitgerekt in de tijd. Het duurt zowat 1000nS, voor de spanning gestegen is van 10V tot de top.
Nu zou ik verwachten dat D1 hierdoor ruimschoots tijd krijgt om in geleiding te gaan, zodat de piek beperkt blijft tot ±11V. Om één of andere reden heeft hij daar geen zin in.
Voor alle duidelijkheid: zonder D1 stijgt de puls naar 50V. D1 doet dus wel degelijk iets, maar hij neemt er wel zijn tijd voor...

R1 begrenst de stroom, dus het kost tijd voordat L1 'ontladen' is.

Wordt je voedingsspanning omhooggedrukt?

Ter vergelijking: het gedrag zonder snubber:

Hier verlopen maar 90nS tussen het ogenblik dat de spanning op de drain opgelopen is tot 10V, en de top van de piek.

Wordt je voedingsspanning omhooggedrukt?

Dat zou ik heel raar vinden. Zodra D1 geleidt, onstaat er immers een gesloten kring: L1/R1/D1.

Ter afsluiting nog wat plaatjes van een motorregeling, met een 24V ruitenwassermotortje als belasting:

Bij het eerste plaatje komt de piek in de buurt van 60V bij een voedingsspanning van 26V.
Bij het tweede plaatje haalt de piek geen 35V meer.

Snubber is hier 100nF + 2Ω

100nF en 2 ohm klinkt heel redelijk voor zo'n snubber. Bij 26V is de lading in de condensator 0.5 * 100*10^-9 * 26^2 ~= 33.8 microjoule per periode, dus met een PWM frequentie van 20kHz zou dat ongeveer 0.7W zijn. In de praktijk is het natuurlijk nog wat hoger, omdat de weerstand ook een deel van de piek die je probeert te onderdrukken, maar boven de 26V komt absorbeert.

Die plaatjes tonen heel mooi aan waarom een snubber nodig kan zijn om de halfgeleiders heel te houden, en om emissie (EMC) sterk te verminderen.

het hangt er, zoals sparkyGSX , vanaf hoeveel energie per seconde er moet opgevreten worden... en hoveel di/dt er is.
een getunede snubber resoneert eigenlijk op die di/dt en vreet de energie dus beter op dan een diode die eerst in gang moet schieten.

de impedantie van je bron speelt ook een rol. een spoel van een relais gedraagt zich anders dan een motor !

als je een relais uitschakelt dan moet je enkel het magneetveld afbouwen.
bij een motor die draait heb je nog een ander effect : het roteren wekt zelf ook energie op ( iets wat bij dat relais niet het geval is ) . die motor genereert energie door het feit dat zijn as nog in beweging is. speelt geen rol of het om motor met permanente magneet of een veldwikkeling gaat. jouw snubber systeem zorgt dat de stroom blijft lopen dus de rotor blijft een magneet. van buitenaf wordt er energie toegevoegd door de asrotatie. bij een relais is dat er niet.

de energie wordt hoe dan ook omgezet in warmte... power is U x I , bij een diode is er maximaal 0.6 volt drop...

stel dat je recirculatiestroom op het moment van commutatie 2 ampere is.. die diode vreet op dat moment 0.6 x 2 ampere = 1.2 watt...

vervang je die door een 10 ohm weerstand dan krijg je 20 volt over de weerstand ( 10 ohm x 2 ampere )
20 volt x 2 ampere = 40 watt die opgesoupeerd wordt... met andere woorden : die energie wordt veel sneller opgevreten.

de weerstandswaarde speelt geen rol. de regel is dat de stroom in een spoel wil blijven lopen. de tegenemk zal zo groot worden totdat die stroom geforceerd wordt.

Dus als je met RC een snubber wilt maken dan tune je de condensator zo dat Zc op de di/dt een kortsluiting is. de volledige power landt dan in de weerstand.

let op : bij rc snubbers speelt nog een ander probleem. de stroom waar we het over hebben is DC. met andere woorden die condensator gaat opladen ... eenmaal geladen is het game over..
dus je moet zien dat de condensator de energie kan opslorpen.
bijkomend probleem : een deel van de energie zit nu als spanning in de condensator... met tegengestelde polariteit ! en die gaat teruglopen. je gaat ringing krijgen ( wisselwerking laden / ontladen condesator tot alle energie opgefikt is in de weerstand.

dit kan een negatieve spanningspiek geven... het is mogelijk zo transistoren om zeep te helpen als die energie groot genoeg is.
voor grote snubbers die spoelen sturen doen ze dan dit :

   
   vcc
    |
    +-------
    |       |
 inductor   R
    |       |
    |       C
    |       |
    +-------+
  |/       _|_
  |\       /_\
    |       |
   gnd     GND

die diode vreet dan de reverse energie op die UIT de condensator komt .. dit dempt de ringing 'onder' de grond.

probeer voor de lol in je originieel systeem eens een weerstand / diode combinatie uit ?

Bijvoorbeeld 1 ohm in serie met je diode. kwestie van wat meer power op te branden.

[Bericht gewijzigd door free_electron op zaterdag 14 januari 2012 21:00:03 (17%)]

Als je dit nu eventjes laat draaien, word dat rc netwerkje dan ook echt warm? Er loopt wel gedurende korte tijd een grote stroom, maar is het voldoende om warm te worden?

Ojeke

Eeej dit is interessant. Wat gebeurt er eigenlijk met ontsteekspoelen?

een getunede snubber resoneert eigenlijk op die di/dt en vreet de energie dus beter op dan een diode die eerst in gang moet schieten.

Dat geloof ik graag. Maar tunen op een ding, dat karnaval-spullen moet regelen, lijkt IMHO op paarlen -> zwijnen.
Als het maar robuust is, en niet ter ziele gaat als een motor geblokkeerd wordt, ben ik al tevreden...

Wat de rest van je betoog betreft: dat ga ik morgen nog enkele malen doorlezen en testen...

@ojeke: zie mijn berichtje; de weerstand zal, bij 20kHz, ongeveer 0.7W verstoken, simpelweg omdat je de condensator steeds via de weerstand tot 26V oplaadt, en weer ontlaadt. Dat zou al gebeuren als er niets te snubberen viel, en je dus een perfecte blokgolf van 26V aanbiedt. Hierbij doe ik trouwens ook de aanname dat de tijdconstante van de snubber veel kleiner is dan de periode van de blokgolf, maar dat lijkt me nogal logisch bij een snubber.

Als er wel echt iets te snubberen valt, zal de dissipatie nog wat hoger uitvallen. Hoeveel precies is niet eenvoudig te bepalen, denk ik.

aha, nu snap ik jou berekening, dacht dat dat in totaal was met vrijloop diode en alles, maar dan is 0,7 W belachelijk weinig.

Sorry, zit momenteel met een examen hoofdje (en tis nogwel wiskunde wat ik al een week aant blokken ben )