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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Schaltplanentwurf & Verständnisproblem zum HighSide n-Kanal Fets


Autor: Matthias S. (smatti)
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Hallo,

ich lese nun schon seit einiger Zeit hier fleißig mit. Habe diverse 
Ideen und nun ein erstes Projekt angefangen. Dazu auch mein Schaltplan. 
Allerdings komm ich an einer Stelle nicht zurecht.

Es geht um den einen n-Kanal FET Schalter allerdings als Highside. Dazu 
benötigt man einen Fet Treiber. Und dieses Bauteil kapier ich nicht.

Wie wird der denn nun angeschlossen damit der seine Aufgabe erfüllt. Im 
moment ist im Schaltplan noch der IRL3803 als Q4 vorhanden. Der ist da 
ja so falsch angeschlossen. Als Treiber möchte ich den IR2125 verwenden, 
weil der als DIL8 schön klein ist und ich ja nur die HighSide brauche. 
Und als n-Kanal FET den IRL3803.

Wenn mir vielleicht jemand noch mal so nen FET Treiber erkären könnte 
wäre ich auch sehr dankbar.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Um einen N-Kanal-Mosfet anzusteuern brauchst du eine Gate-Spannung, die 
um mindestens die Schwellenspannung höher ist als die Source. Wenn du 
jetzt also z.B. 100V auf die Source durchschalten willst, müssen am Gate 
ca. 110V anliegen. Jetzt hast du aber nirgends diese Spannung, sondern 
z.B. nur 10V und 5V im Logikteil, und 100V im Leistungsteil. Deshalb 
wird der Bootstrap-Kondensator (IR2125: Vb) im ausgeschalteten Zustand 
(über die Last) auf 10V geladen. Wird der Mosfet eingeschaltet, dann 
hebt sich die Source auf 100V und gleichzeitig das Gate (über den 
Bottstrap-Kondensator) auf 110V. Das Unschöne ist jetzt, dass sich 
dieser Bootstrap-Kondensator im Laufe der Zeit entlädt, und der Mosfet 
deshalb immer wieder ausgeschaltet werden muss, damit der Kondensator 
über die Last wieder auf 10V geladen werden kann. Ein "Dauer-Ein" gibt 
es mit diesen Bausteinen deshalb nicht.

Weil das Thema recht komplex ist (für einen Anfänger) möchte ich dir 
gerne die Frage stellen: Was willst du überhaupt ansteuern? Brauchst du 
die 140A vom IRL3803 wirklich (das ist ordentlich Holz)? Wäre es nicht 
einfacher, einen P-Kanal-Mosfet als High-Side-Schalter einzusetzen?


Nur so am Rande:
Wozu brauchst du einen Kondensator C1 mit 2,2pF?
Mit 'AltGr' und 'm' erhält man das in der Elektronik übliche mü-Zeichen 
(µ).
Ein großes M bedeutet Mega.
Man zieht keine Leitungen unter Bauteilen hindurch.
Für Spannungsversorgungen gibt es entsprechende Symbole (Eagle Lib: 
supply).

Autor: Andre S. (dg2mmt)
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Der Schaltplan wirft auch sonst noch einige Fragen auf:
Alle P-FET sind "verkehrt herum" angeschlossen. Es wird immer ein Strom 
über die FET (und die Z-Dioden) fließen, sobald an X2-1 die Spannung 
angelegt wird. (Man beachte die parasitäre Diode die in Flussrichtung 
liegt.)
D2, D3 und D4 dienen scheinbar einer Pegelbegrenzung. Jedoch ist der 
Zustand an den Prozessorpins nicht sauber definiert, wenn keine Spannung 
an den Z-Dioden anliegt, da würde ich noch einen hochohmigen Widerstand 
parallel zur Z-Diode schalten, um einen definierten Low-Pegel zu 
erhalten.
Zudem kann es passieren, dass je nach der Schaltung, die an den 
Kontakten X2-3, X2-4 und X3-1 hängt, eine Rückspeisung erfolgt. Die Pins 
können u.U. also deutlich länger High sehen, als die FETs 
durchgeschaltet sind.

Autor: Matthias S. (smatti)
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Erstmal danke für die konstruktive Kritik und die Tips.

Das man kein "sauberes" ein/aus mit dem n-Kanal FET erzeugen kann, 
verwirft diese Bauart damit.

Ich möchte mit der Schaltung meine Fahrzeugbeleuchtung einschalten. Das 
heißt wenn die ZV auf geht, bekomme ich das Signal an X2-3 und es soll 
Q4 aktiviert werden. Da ich von max 20A für die Hauptscheinwerfer 
ausgehe wollte ich einen n-Kanal FET nehmen da ich bei dem nur auf 2.4W 
Verlustleistung komme die ja abgeführt werden müssen RDS=0.006. Der 
p-Kanal FET Q5 soll die Umfeldbeleuchtung, also Standlicht vorn und 
hinten einschalten. Das sind so ca. 4 Ampere und für den FET komme ich 
auf nicht mal 1 Watt Verlustleistung.

Als zweite Funktion möchte ich die ZV sowohl mit einem Schalter im 
Amaturenbrett auf und zu machen können (an X3-1) und zum anderen soll 
diese sich ab einer Geschwindigkeit x verriegeln. Geschwindigkeit soll 
am X3-2 ankommen, daher auch der Optokoppler.
Die beiden FETs Q2 und Q3 sind zum Steuern der ZV. Da fließt zwar auch 
ein höher Strom von ca. 10A aber der nur sehr kurz, für gerade mal 1 
Sekunde.

Der C1 wurde mir von meinem Opa als Filter für hochfrequente 
Spannungsspitzen ans Herz gelegt.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Nimm ein KFZ-Relais, das funktioniert zuverlässig.
Das gibts bei Pollins Max für kleines Moos und ist absolut kampferprobt:
KFZ-Relais FRL-274H012   oder   Hochlast-Relais POTTER&BRUMFIELD 
T9AS1D12-5
Damit hast du dann auch eine sichere Trennung zwischen Last und uC.

Und nein, der Einsatz eines solchen Relais ist nicht peinlich. Nicht 
alles muß mit Halbleitern erledigt werden. Manches ist mit 
Elektromechanik eleganter zu lösen.

> ... die Hauptscheinwerfer ...
Du solltest aber nochmal genau schauen, ob du das darfst und willst. Ich 
kann mir vorstellen, dass es ziemlich interessant werden könnte, wenn 
das Licht durch einen Hard- oder Softwarefehler (sowas gibt es) bei 140 
auf der Landstraße ausgeht... :-O

Autor: Matthias S. (smatti)
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Ich denke für die ZV Ansteuerung ist ein Relais sicher die bessere Wahl. 
Gerade wegen der getrennten Signal und Ansteuerbelegung.

Für das Licht hab ich jetzt noch mal den FET IRF4905 gefunden und diesen 
an die PWM Ausgänge gehängt. Da ich ja eine Halogen Glühlampe einschalte 
wäre es sicher nicht verkehrt diese für ca. 250ms als steigendes PWM 
Signal anzuschalten, da die kalte Lampe einen sehr hohen Einschaltstrom 
aufnimmt. Würde doch auch die Lebensdauer erhöhen.
Mein Frage wäre mit welcher Frequenz betreibt man so eine PWM und 
benötige ich dann noch sowas wie eine Ladepumpe oder Treiber damit dort 
genug Strom zu Verfügung steht zum Laden und Entladen des FETs? Würde da 
nicht schon eine Transitorstufe ausreichen?
Würde es ausserdem was ausmachen an die Gateleitung für die Fets noch 
eine Pullup-Widerstand zu hängen oder macht das der PIC immer von allein 
wenn er auf HighPegel steht. Zumal ich daran denke über den MCLR das 
Modul auch abschaltbar zu machen.

Was deine Bedenken angeht, war ich schon mal beim TÜV wegen genau dieser 
Fragen und zum anderen geht das Licht ja nur an wenn das Fahrzeug noch 
steht. Der orginale Schalter ist ja auch weiterhin noch in betrieb.

Und noch eine Frage. Sowas kommt sicher erst mit der Erfahrung, aber was 
sind denn vertretbare Verlustleistungen. Also ich mein sind 2Watt 
kritisch ohne aufwendige Kühlung oder erst ab 6Watt. Wo liegen da so die 
Erfahrungswerte. Für die Hauptscheinwerfer komme ich mit dem IRF4905 bei 
13,8V Boardnetz und 2x55Watt Lampenleistung auf ca. 1.3 Watt 
Verlustleistung. Klingt nicht viel, aber wissen ob es unkritisch ist 
kann ich nicht sagen?

Danke

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Also ich mein sind 2Watt kritisch
> ohne aufwendige Kühlung oder erst ab 6Watt.
Das kommt auf die Fläche an, auf der diese Leistung entsteht. Wenn du 
eine schöne große Kupferfläche zur Verfügung hast, ist das weniger 
kritisch. Aber wenn du den angesprochenen Mosfet ohne KK betreibst, dann 
mußt du mit Rthja = 62°C/W (Datenblatt) rechnen. Das bedeutet dann, dass 
bei 2 Watt Verlustleistung der Silizium-Chip innen drinnen um ca 124°C 
wärmer ist als die Umgebung  :-O

Und im Auto kannst du schon mal recht hohe Umgebungs-Temperaturen 
erreichen. Damit kann es durchaus sein, dass der Silizium-Chip in 
Eigenleitung übergeht...

Natürlich wird der Wert in der Praxis etwas kleiner sein, denn die 
Beinchen kühlen über die Platine ja auch noch, aber die Größenordnung 
dürfte klar sein: Es geht nicht ohne Kühlung.

Dazu kommt, dass bei PWM-Ansteuerung noch die Schaltverluste dazukommen, 
denn du darfst deine PWM-Flanken nicht zu steil machen, um nicht als 
Piratensender festgehalten zu werden. Immerhin wirst du vermutlich ein 
paar Meter frei auf der Lampenzuleitung (= Antenne) herumpulsen.
Wenn aber die Flanke eher flach sind, steigen die Schaltverluste, und da 
kommst du durchaus nochmal in den Bereich der statischen Verluste.

Autor: Andre S. (dg2mmt)
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Temperaturbereich für Automotive: -40°C..-85°C im Motorraum auch bis 
125°C.
Deine Kühlung muss entsprechend ausgelegt sein. Im Dashboard können 
Temperaturen bis 70°C im Sommer locker erreicht werden.

Noch ein Hinweis: Für den Betrieb an Bordspannung solltest du einiges an 
Filterung investieren.
Ich weiß ja nicht um was für ein Auto es da geht und wie der Rest der 
Schaltung aussieht, aber unter Umständen handelst du dir Störungen 
auf/aus dem Bordnetz oder dem CAN-Bus ein. Evtl. hörst du auch Sachen im 
Radio, die vorher nicht da waren. :)
Und noch etwas zu Fahrzeug-Bordspannung. Zitat:
"But before you connect, be advised: you are plugging into the supply 
from hell."
Soll heißen: normaler Betriebspannungsbereich zwischen 9..16 V. Spitzen 
bis zu +/- 100 V. Unterspannung im Winter bis 3V möglich (beim 
Starten)...
siehe u.a. auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Startspannungsimpuls

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