Pulsweitensteuerung mit NE555

      Pulsweitensteuerung mit NE555

      Admin bastelt mit dem universellen Timer 555

      Eigentlich jeder elektronikbegeisterte Jugendliche hat mal was mit NE555 gebaut.
      War damals natürlich bei mir auch so, nicht nur einfache Blinker oder Summer.
      Ich wusste noch, daß der einen Control-Eingang hat, womit er in Grenzen steuerbar ist.
      Etwas zum Thema fand ich in einer Studienarbeit Elektrotechnik Grundstudium.

      Hintergrund, ich baue für einen Freund eine Gebläsemotorsteuerung KFZ.
      Seine ist verreckt, altes französisches Fahrzeug, Ersatzteilversorgung dürftig.
      Zudem, die Steuerung soll mit der vorhandenen Geberplatine Cockpit harmonieren.

      Zu Mess- und Modifizierzwecken baute ich die Schaltung mit Steckboard auf.
      Statt Lüftermotor nahm ich eine Soffitte 12 V 10 Watt.
      Der BUZ73 taugt nicht für hohe Ströme, reicht aber locker für den Testaufbau mit Glühlampe.
      Später mehr, wird fortgesetzt.

      Andreas
      Bilder
      • schalt555.png

        9,58 kB, 910×530, 89 mal angesehen
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Schaltungsbeschreibung

      Die Festspannung 8 Volt mit U11 muss nicht unbedingt sein.
      Hier ist sie jedoch angebracht, Bordnetz KFZ unterliegt Schwankungen und Spannungsspitzen.
      Außerdem ist sie hier notwendig, damit die Geberplatine statt Poti 1kΩ angeschlossen werden kann.

      Die Grundbeschaltung des Timers 555 als Multivibrator ist wie im Datenblatt.
      Die Kombination C1, R1 und R2 bestimmt sowohl Frequenz als auch Tastverhältnis.
      Hier gut 100 Hz und Tastverhältnis ca. 55 %, wenn man Pin 5 CV nicht ans Poti anschließt.
      C2 mit 10 nF sieht man häufig in Datenblättern, hat nur stabilisierende Funktion.

      Steuereingang CV, Pin5, Control Voltage
      Damit kann man das Tastverhältnis des Timers einstellen, in dem Fall 0 bis 100 %.
      Mit dem 555 kann man keine frequenzunabhängige Pulsweitenmodulation realisieren.
      Nähert man sich 0 Volt oder VCC, haut die Frequenz merklich ab.

      Wozu R3 parallel zu C1?
      R3 bedämpft den Schwingkreis, das mit Absicht.
      Nähert man sich GND oder VCC an Pin5, wird das Schaltungsverhalten deutlich gutmütiger.
      Man erreicht sauber 0, bzw. 100 % Tastverhältnis.
      In meinem Fall wichtig, von der Geberplatine kommen für 100 % maximal 7,5 Volt.
      Für R3 sollte man anfangs 10 x (R1 + R2) ansetzen, so etwa 5 bis 20 mal scheint sinnvoll zu sein.
      Zum ersten Test nahm ich für R3 ein Poti mit 2,2 MΩ, schaute, was passiert.

      Der Ausgang Q, Pin3, kann laut Datenblatt gut 200 mA.
      Steuert man wie hier einen Leistungs-FET an, ist der Vorwiderstand R22 nicht zwingend notwendig.
      Er ist so dimensioniert, daß der maximal zulässige Strom nicht überschritten wird.
      Nimmt man statt Leistungs-FET einen Transistor NPN, benötigt man einen Vorwiderstand.
      An Q3 ist zwar eine Endstufe Push Pull, die kommt aber nicht bis VCC hoch, etwa 1 Volt weniger.
      Mit R21 kommt man bei HI auf volle VCC am Ausgang, Pull Up.
      Bei Leistungs-FETs muss man etwas aufpassen, Ug soll Sättigungsspannung erreichen.

      Wird fortgesetzt, Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Wer hat Lust, die Schaltung zu simulieren?

      Das könnte interessant werden, wenn man sich an Pin5, Control Voltage, GND oder UCC nähert.
      Ich sah eine Simulation, da sah es jeweils in der Gegend flattrig aus.
      Die war aber ohne R3, Gegenüberstellung mit und ohne R3 sinnvoll.
      Den Testaufbau Steckboard lasse ich noch für Messungen einige Tage stehen.
      Dort werkelt ein NE555N von ST.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Hallo Andreas,

      Simulation mit 20N20 NMOSFET (BUZ73 Modell hatte ich gerade nicht greifbar)

      1. Mit R3 (680k)
      ganz sauber, kein unregelmässiges Flattern, auch nicht in der Nähe von GND oder Ucc.

      Die PWM (Schwingung) setzt bei 7,15 V ein. Schaltfrequenz noch niedrig, um ca. 30 Hz.










      2. Ohne R3 (680k) setzt die PWM (Schwingung) bereits bei 7,99 V ein, also schon unmittelbar unterhalb Ucc. Ist sauber, periodisch, wie es sein soll. Schaltfrequenz ca. 20 Hz. Aber kein unregelmässiges "Flattern".







      Gruß
      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Danke für die Simulation!

      Die Werte decken sich ganz gut mit dem, was ich gemessen habe.
      Bei mir kamen die ersten Pulse ab etwa 7,3 Volt, also 0,7 V unter VCC.
      Da könnte aber R3 noch 910 kΩ gewesen sein.
      Bei 55 % Einschaltdauer ermittelte ich 122 Hz.
      Stufe 2 (Geberplatine) 16 % 195 Hz und 81 Hz bei 70 % Einschaltdauer.

      Bei der Idee mit R3 war Kommissar Zufall behilflich.
      Wenn ich Messungen an C1 mit Tastkopf 1 MΩ machte, verschwanden die Impulse.
      Da das reproduzierbar war, musste es einen Grund geben.
      So war die Idee geboren, C1 mit einem Widerstand zu bedämpfen.

      Reinhard, hast Du das Modell für BUZ11, altbekanntes Arbeitspferd?
      Bei mir wird es ein IRFB7440 werden, Ron ca. 2 mΩ.
      Beim Lüfter rechne ich so mit 30 A, da wird man den FET schon etwas kühlen müssen.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Mit dem BUZ11 Modell ist die Simulation auch einwandfrei (bei 30 A geprüft).
      .model BUZ11 VDMOS(Rg=3 Rd=5m Rs=1m Vto=3.0 Kp=9 Cgdmax=2n Cgdmin=.15n Cgs=0.8n Cjo=1n Is=2.3p Rb=6m Vds=50 Ron=40m Qg=27n mfg=Fairchild)

      Für IRFB7440 habe ich kein spezifisches Modell. Aber für viele andere NMOSFET mit ähnlichen Daten.

      Gruß
      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      BUZ11 ist schon mal interessant!

      Auf welche Verlustleistung kommst Du?
      Ich meine jetzt nicht bei idealen Werten.
      Da müssten eingeschaltet bei 30 A um die 30 Watt herauskommen.
      Interessant dürfte es werden, wenn man mit Ugs von 5 bis 8 Volt spielt.
      Wie verhält sich der FET mit gegebener Treiberschaltung beim Ein- und Ausschalten?
      Die Gate-Kapazität dürfte in der Gegend 2 nF liegen.
      Wild dürfte das bei den paar Hertz nicht sein, ist ja kein Schaltnetzteil.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Ja, 28 W für den NMOSFET.





      Wenn der Strom durch die zu steuernde Last 30 A sein soll/darf, Ist die Verlustleistung am zu steuernden Verbraucher (Gebläsemotor) 340 W.



      Mit BUZ11





      Einschalten:





      Ausschalten:





      BUZ11 wäre für 30 A bei ca. 1 Vds sehr überfordert.



      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 16 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Interessant, gerade beim Ausschalten!

      Da werden mal kurz 100 Watt Verlustleistung erreicht.
      Das stört nicht wirklich, ist ja im Bereich 1/10 Mikrosekunden.
      Spannender dürfte es werden, wenn man auch Ugs 5, 6 und 7 Volt betrachtet.
      Da erwarte ich, daß es wesentlich ungünstiger aussieht.
      Was passiert, wenn R21 mit 820 Ω als pull up fehlt?
      Mehr als 7 Volt Ugs wird dann nicht anliegen.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Verlustleistung des Verbrauchers ist knapp über 330 W.
      Verlustleistung des NMOSFET ist bei Ug von 8 V 28 W.

      Wenn ich R21 (820 Ohm) überbrücke oder auch, wenn ich R21 unendlich mache, unterbreche, ändert sich die Gate-Spannung nicht. In beiden Fällen immer noch 8 V (Source liegt auf Masse).
      Ich kann aber den 8 V Spannungsregler durch einen 6V Regler ersetzen, dann bekomme ich Ug auf 6 V.

      Mit Ug= 6 V steigt die Verlustleistung des NMOSFET auf ca. 45 W, da Ud auf ca. 1,5 V ansteigt.
      Da die am Verbraucher anliegende Spannung dann kleiner ist (10,4 V), ist auch die Verlustleistung am Verbraucher (Gebläse) etwas geringer (300 W) und der Strom nur noch 28,6 A bei gleichem Innenwiderstand.




      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 8 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Lieber Reinhard!

      Kann es sein, daß da in der Simulation irgendwo ein Fehler ist?
      Beim BUZ73 ist Rds = 0,4 Ω realistisch.
      Beim BUZ11 0,04 Ω, eine Zehnerpotenz weniger.
      Meine Überschlagsrechnung mit 30 Watt Verlustleistung beim BUZ11 sollte passen.

      Etwas hast Du mich mit Parameter V(g)-V(d) verwirrt.
      Interessant ist lediglich die Verlustleistung FET, also Uds x Ids.
      Uds müsste im eingeschalteten Zustand beim BUZ11 so etwa 1 Volt bei 30 A sein.
      Der Lüfter ist uninteressant, 330 Watt sind das dann mit 11 Volt und 30 A.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Hallo Andreas,

      Die Simulation ist es nicht, die hat es richtig gemacht. Erstmal habe ich mich selbst verwirrt und dann Dich mit.
      Deine Überschlagswerte passen. Die Simulation ist der gleichen Meinung. :)

      Die zugehörigen richtigen Grafiken habe ich oben wieder eingefügt.

      Hatte ja anfangs korrekt die Verlustleistung des FET: Ud x I = 28 W.
      Dann kam mir irgendwie das Gebläse in den Sinn und aus irgendeinem Grund meinte ich, dafür sollte ich die Leistung angeben. Also jetzt wieder Kommando "Zurück"!

      Bei
      Ug = 8 V ist Uds ca. 0,92 V
      Ug = 6 V ist Uds ca. 1,5 V

      Im Simulationsmodell des BUZ11 ist
      Rds = 0,03 Ohm bei Ug = 8 V
      Rds = 0,05 Ohm bei Ug = 6 V

      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 4 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Prima, alle Unklarheiten beseitigt!

      Mich stört, daß Pin3 OUT 8 Volt annimmt, also Ugs = 8 Volt.
      Ohne pull up R21 sollte die Spannung etwa 1 V niedriger sein als VCC.
      Habe ich real gemessen und erklärt sich auch so bei der Innenschaltung.
      Da scheint das Modell nicht ganz sauber zu sein.

      Andreas
      Bilder
      • output555.png

        77,01 kB, 830×540, 16 mal angesehen
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Beschreibung:
      NE555, An idealized timer model.

      electro-tech-online.com/thread…vel-ltspice-model.142957/
      "The NE555 model included with LTspice is an idealized behavior model that doesn't accurately model all of the real device's characteristics, such as output voltage. Da hast Du's!
      Attached is an old Fairchild uA555 transistor level model with pinouts modified for use with the attached LTspice symbol.
      It should, in general, give more accurate simulation results..."

      Damit gibt es bei 8 V Versorgung
      ...mit 820R Widerstand: Ugs = 7,15 V
      ...bei herausgenommenem (unterbrochenen) 820R Widerstand: Ugs = 5,54 V


      Gruß
      Reinhard
      Traue nicht blind einer Simulation!

      Heutige Studenten machen das gern.
      Du siehst, da hätte es in der Praxis Probleme mit dem FET geben können.
      In der Simulation (ideales Modell) alles prima, in der Realität kocht der FET.
      Das andere Modell passt auch nicht ganz.

      Gerade habe ich gemessen, VCC auf 8,00 Volt eingestellt.
      Mit 820 Ω HI = 8,0 und LO = 0,4 Volt am Gate.
      Ohne 820 Ω HI = 7,3 und LO = 0,0 V am Gate.
      Bei den paar Hz nicht so wild, beim SNT schon.
      Da dauert es ein paar Tau, bis am Gate genug Spannung für Sättigung ist.
      Wenn Du lustig bist, mache auch mal eine ideale Simulation mit VCC = 5 Volt.
      Da dürfte die Verlustleistung des FETs drastisch ansteigen.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Hallo Andreas,

      dass die Verlustleistung am FET drastisch ansteigt, habe ich doch schon für 6 V gezeigt.
      Ich bin ja gerne bereit, Fragen mit Simulation nachzugehen. Aber ich denke, hier ist inzwischen alles beantwortet? Du hast nicht wirklich eine Frage, deren Antwort Du nicht schon wüsstest, oder?

      Du schreibst:
      "Gerade habe ich gemessen,
      VCC auf 8,00 Volt eingestellt.
      Mit 820 Ω HI = 8,0 und LO = 0,4 Volt am Gate.
      Ohne 820 Ω HI = 7,3 und LO = 0,0 V am Gate."

      OK, gerade habe ich dazu simuliert,
      BUZ11 Modell, µA555 Fairchild Modell, VCC auf 8,00 Volt eingestellt. Last ist 15 Ohm, (9,6W an 12 V, wie 10 WGlühlampe bei Dir)
      Mit 820 Ω HI = 8,0 und LO = 0,33 Volt am Gate.
      Ohne 820 Ω HI = 7,6 und LO = 0,0 V am Gate.

      Das passt doch ganz gut zu Deiner Messung!


      Du hattest doch die Randbedingungen der von Dir erbetenen Simulation vorgegeben:
      - Last, die an 12 V einen Strom von 30 A "zieht"
      - FET Typ sollte auf Deinen Wunsch dafür BUZ11 sein (obwohl er keine 30 A kann, sondern nur max. 1 A)

      Ich hatte für den BUZ11 die Safe Operating Area (aus Datenblatt) gezeigt. Du wusstest das auch - so gut, wie Du den BUZ11 ja kennst.
      Die Simulation arbeitet trotzdem. Eine Simulation kann (noch) keinen Knall und Rauch erzeugen. Der BUZ11 hätte bei 30 A Drainstrom sehr wahrscheinlich Rauch (und vielleicht auch Knall) erzeugt.

      Dein Statement kann ich deshalb hier nicht nachvollziehen:
      "In der Simulation (ideales Modell) alles prima, in der Realität kocht der FET."

      "ideales Modell" ist jetzt eine Bezeichnung von Dir. Die war aber nicht gemeint.
      "Idealisiert" heisst nicht "ideal". Ich hatte auch nicht von einem "idealen Modell" geschrieben sondern ein Zitat wiedergegeben, das von "idealisiertem Modell" sprach.
      Ein "idealisiertes Modell" in Simulationen bezeichnet eine zweckmässig vereinfachte Annäherung. Ähnlich wie eine "idealisierte Kennlinie" (z.B. einer Diode) eine dem Verlauf nur angenäherte bzw. vereinfachte Kurve ist aber nicht das genaue (=ideale) Abbild.

      "Das andere Modell passt auch nicht ganz."

      Modelle passen nie "ganz" - deshalb heissen sie "Modell für/von...". Sie sind ja nicht die Sache (=Realität) selbst, sondern nur eine vereinfachende Annäherung, die erlaubt für bestimmte Fragestellungen validierbare Vorhersagen zu treffen. Ein Modell kann nicht auf die Antwort auf alle möglichen Fragen geben sondern nur auf die, für die es entwickelt wurde.

      Viele können oder wollen Modell und Realität nicht unterscheiden. Sie nehmen ein Modell entweder als Realität, wie Du sagst, als "ideales Modell" - das es aber gar nicht gibt. Oder sie verlangen von einem Modell eine Antwort/Vorhersage zu einer Fragestellung, für die es nicht gemacht ist, die es aufgrund seiner Vereinfachung deshalb aber nicht geben kann. Gelegentlich, um damit belegen zu wollen, dass das Modell ja generell untauglich wäre. Das zeigt nur, dass sie das Modell nicht verstanden haben oder es ihnen aus anderen Gründen "nicht passt" und sie es deshalb diskreditieren möchten. Selbst unter Wissenschaftlern gab/gibt es ständig solche Dispute.

      Anderes Beispiel:

      Der photoelektrische Effekt ist nur mit dem Photonenmodell (Teilchenmodell) für Licht befriedigend zu beschreiben. Das Wellenmodell kann es nicht. Einstein bekam für diese Entdeckung den Nobelpreis. Ähnlich gilt das es bei Mehrphotonenabsorption, Photoelektronenemission u. noch weiteren Effekten.
      Interferenz und Beugung sind aber nur mit dem Wellenmodell des Lichts zu beschreiben. Das Photonenmodell versagt dafür völlig.
      Das Teilchenmodell ist deshalb nicht richtiger oder falscher als das Wellenmodell, auch wenn sie auf den ersten Blick unvereinbar erscheinen. Beide beantworten unterschiedliche Fragen und erklären unterschiedliches Verhalten derselben Sache (Licht, elektromagnetische Strahlung). Wir benutzen jeweils das "passende" Modell je nach der Fragestellung bzw. der gewünschten Vorhersage.

      Trotzdem würde man doch auch einem "Physik-Studenten" nicht ernsthaft vorhalten, dass er mit Modellen und den geeigneten Werkzeugen (Wellenphysik, teilchenphysik, Quantenphysik,...) zu zu erwartenden Beobachtungen Vorhersagen für physikalische Effekte erarbeitet.
      Warum also die Stichelei: "Schüler, Studenten, das Jungvolk, die es offenbar noch nicht so richtig begriffen haben (?),...machen so was."

      Zum NE555 gibt es, ausser den beiden von mir bisher verwendeten Modellen, noch weitere, auch diskrete. Die habe ich nicht ausprobiert. Ich wollte jetzt kein NE555 Modellexperte werden. Würde ich Schaltungen damit entwerfen müssen (wollen), wäre dafür die Motivation vorhanden. Je mehr man sich mit den Eigenschaften und der Simulation dieses Bausteins beschäftigt, um so besser lernt man zu verstehen, welches Modell für welche Vorhersage am besten zu verwenden ist. Das gilt genauso für alle anderen Bauteile. In der Praxis des Schaltungs ist dasja nicht grundsätzlich anders. Da ist ja auch erst die Kenntnis von Bauteileigenschaften anzueignen.

      Reinhard





      Dieser Beitrag wurde bereits 5 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Ja, der Sprung von 8 nach 6 Volt Ugs ist deutlich!

      Der Fairchild kommt auf 5,54 Volt am Ausgang.
      6 Volt hatten wir, nächste glatte Stufe ist dann 5 Volt.
      Da einfach nur einen 78L05 einsetzen, wenn Du das ideale Modell nimmst.
      Die Leser sehen dann, daß man bei der Gatespannung nicht schludern darf.
      Das Forum wird weltweit gelesen, auch wenn wir hier gerade 2 Leute sind.

      Gib mal spaßeshalber bei einer Suchmaschine ein: saba ne555
      Gerade bei duckduckgo gemacht, erster Treffer nach der Werbung.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Lieber Reinhard!

      Deine Ergänzungen habe ich nicht sofort gesehen.
      Gut, daß Du das näher erläutert hast.
      Bei ideal und idealisiert habe ich sprachlich was geschludert.

      Ist schon ein paar Jahre her, da betreute ich im Rahmen Amateurfunk Studenten.
      Die meisten waren angehende Elektrotechniker.
      Wir bauten echt was in der Praxis auf, z.B. HF-Verstärker.
      Die waren ziemlich auf Simulationen fixiert, ein Simulator ist ja ein prima Hilfsmittel.
      Teilweise zeigte ich denen, Ergebnis Simulation und Praxisaufbau unterschiedlich.
      Hier beim NE555, je nach Modell, konnte man das auch ganz gut sehen.
      Wäre damals ein gutes Beispiel für die Amateurfunkgruppe gewesen.

      Ich selbst orientiere mich erst mal an Datenblättern.
      Da sieht man, was herauskommen sollte und was nicht geht.
      Je nach Bedarf mache ich auch gern Simulationen.
      Damit kann man sich echt Arbeit ersparen, Bauteil(Wert) ändern und Enter drücken.
      Eine Simulator SPICE habe ich gerade nicht.
      Danke, daß Du da eingesprungen bist, ist ja nicht mal eben in ein paar Minuten gemacht.

      Gruß, Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Hallo zusammen,

      richis-lab.de/555_UE.htm

      Hier hat sich jemand mal die Mühe gemacht, verschiedenste 555-Typen zu öffnen und die Dies abzubilden. Es gibt schon bei der bipolaren Variante eine ganze Menge unterschiedlicher Versionen.

      Mehr noch, nicht jeder Hersteller hat den Schaltkreis mit identischen Funktionen versehen.
      In einem DDR-Elektronikbuch (Schlenzig, Jung, Mikroelektronik für Praktiker, VT, 1986, Seite 177) gibt es eine Übersicht, die unterschiedliches Verhalten beim Betrieb in bistabilem Betrieb auflistete.



      Eine mögliche Erklärung findet sich hier, in herstellerabhängigen Abwandlungen der Flipflop-Schaltungen.

      pegons-web.de/555grund.html

      Diese Unterschiede sind zwar bei Andreas' Thema nicht von Belang, zeigen aber, dass es schon in der realen Welt deutliche Unterschiede im Verhalten gibt.


      Viele Grüße,
      Christian
      **************************************************
      2 + 2 = 5 (für extrem große Werte von 2)
      Interessante Entwicklungen --- wobei wir ja schon bei den 92xx wissen, dass einige der digitalen Schaltkreise Unterschiede beim "on"-Widerstand zeigen, und daher genau spezifiziert sind nach Hersteller und Typ. Es sollte also vielleicht nicht überraschen, dass bei so einem "Allerweltstyp" wie dem 555 doch einige deutliche Unterschiede existieren !

      Besten Gruss,

      Michael
    • Benutzer online 2

      2 Besucher