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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik P/N-Kanal MOSFET an µC - Vorwiderstand nötig?


Autor: Ralf (Gast)
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Hallo,

ich möchte FETs an meinen µC anschließen. Die FETs werden per PWM 
angesteuert. Normalerweise braucht man ja keinen Gate-Vorwiderstand. Da 
aber wie gesagt PWM zum Einsatz kommt, frag ich mich, ob mir die 
Gs/gd-Kapazitäten evtl. in den Weg kommen. In der Artikelsammlung 
(http://www.mikrocontroller.net/articles/Snippets#W...) 
steht, dass man bei Frequenzen ab 10kHz einen Vorwiderstand zum Umladen 
verwendet, ein typischer Wert sei 50-100 Ohm, aber leider steht nicht 
drin, wie man den berechnet. Auf den maximal zulässigen Portpin-Strom? 
Oder eher so, dass das Gate schnell entladen werden kann und der Portpin 
den Stoßstrom (hoffentlich) mitmacht? Wie "kritisch" muss man das 
betrachten?

Der µC hat eine Betriebsspannung von 3.3V, die Last (LED) hängt an 5V, 
daher schalte ich den Pin open-drain (falls das wichtig ist).
Ich verwende P- und N-Kanal FETs. Da die Ports nach dem Einschalten 
hochohmig sind, verpasse ich den N/P-FETs jeweils Pull-Ups bzw. 
Pull-Downs am Gate, damit sie nicht unkontrolliert durchschalten.

Ralf

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn der µC nur mit 3.3 V betreiben wird, reicht der Spannungshub für 
die meisten MOSFETs nicht aus. Der Widerstand vor dem Gate ist im 
Wesentliche dazu da die Geschwindigkeit zu begrenzen für weniger 
Funkstörungen und damit man sich beim Layout keine großen Gedanken um 
Leitungsinduktivitäten, Wellenwiderstände und Induktive Kopplungen 
machen muß für Frequenzn im 100 MHz Bereich. Bei Treibern mit bipolaren 
Transistoren dient der Widerstand auch zu Strombegrenzung.
Auch wenn man das in vielen Hobbyschaltungen so findet sollte man auf 
den Gate Widerstand nicht verzichten, vor allem dann nicht, wenn man 
nicht genau weiss wozu der da ist.

Die LED nach 5 V zu schalten kann gerade noch gut gehen, wenn die 
Duchlaßspannung über etwa 1.8 V ist, also keine IR oder dunkelrote LED. 
Der Spannungshub am Ausgang vergrößert sich aber dadurch nicht.

Autor: Josef Mayr (e-technik-mann)
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Hi,

ein kleiner Tip. Schau ins Datenblatt der MOSFETs und schau was der 
Hersteller bei Conditions für den Gate-Vorwiderstand angibt. Mach deinen 
eigenen Widerstand auf keinen Fall kleiner. Hier ein guter Artikel:

http://imperia.mi-verlag.de/imperia/md/upload/arti...

Ich hätte aber auch ne Frage an dich. Was genau heist es wenn ein µC 
einen PWM-Kanal hat, was kann ich damit machen und wie greife ich 
softwaremäßig auf diesen Kanal zu?? Ich hab das noch nicht ganz kapiert 
und tappe da noch im dunkeln.

Danke für eine Antwort.

Jo

Autor: Ralf (Gast)
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@Ulrich:

Danke für deine Antwort, ich geh die Datenblätter der FETs nochmal 
durch.

> Die LED nach 5 V zu schalten kann gerade noch gut gehen, wenn die
> Duchlaßspannung über etwa 1.8 V ist, also keine IR oder dunkelrote LED.
> Der Spannungshub am Ausgang vergrößert sich aber dadurch nicht.
Es sind RGB-LEDs, deren Durchlassspannungen mit typ. 2.1V für rot, bzw. 
3.2V für grün/blau angegeben sind. Das Minimum beim 20mA wird mit 
1.9V/2.9V/2.9V angegeben, d.h. ich komm da evtl. schon in den Bereich 
rein mit der roten LED.
Woher kommen die von dir erwähnten 1.8V?
Ich hab die LEDs nach 5V geschaltet, weil als Maximum bei 20mA 
2.5V/3.7V/3.7V angegeben wird.

@Josef:
Danke für den Link, werd ich mir durchlesen.

> Ich hätte aber auch ne Frage an dich. Was genau heist es wenn ein µC
> einen PWM-Kanal hat, was kann ich damit machen und wie greife ich
> softwaremäßig auf diesen Kanal zu?? Ich hab das noch nicht ganz kapiert
> und tappe da noch im dunkeln.
Eine PWM ist ein (Rechteck)-Signal mit fester Frequenz, aber das 
Tastverhältnis ist variierbar, d.h. die Dauer von High/Low kann 
unterschiedlich sein.
Mit PWMs kannst du z.B. LEDs dimmen, oder bei Motoren die Drehzahl 
regeln.
Wie du auf den PWM-Kanal zugreifst, ist in erster Linie von deinem µC 
abhängig. Entweder er stellt eine Hardware-PWM zur Verfügung, oder du 
machst es mit einem Timer.

In der Artikelsammlung findest du einige Artikel:

http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_PWM
http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_PWM
http://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation
http://www.mikrocontroller.net/articles/PWM_foxlight
http://www.mikrocontroller.net/articles/Soft-PWM

Bei LEDs kannst du wie gesagt dimmen. Wenn du die PWM dann noch mit 
entsprechenden Optik-Algorithmen ansteuerst, kannst du z.B. lineare 
Farbverfläufe etc. realisieren. Hier im Forum gibts seeehr viele 
PWM/LED-Beiträge, einfach mal die SuFu draufhetzen.

Ralf

Autor: Ulrich (Gast)
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Das minimum mit der LED Spannung ergibt sich dadurch, das bei 3.3 V Vcc 
die Spannung am Port nicht höher als 3.6, vielleicht 3.7 V sein darf. 
Damit hat man dann noch 1.3 bis 1.4 V and der LED wenn sie aus sein 
soll. für den "Aus" zustand muß man wenigsten etwa 200..300 mV unter 
normalen Flußspannung sein (-> Reststrom im µA Bereich). Bei Rot könnte 
es knapp werden. Als Abhilfe ggf. eine normale Si Diode in Reihe, dann 
sollte es sicher reichen.

Autor: Ralf (Gast)
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> Das minimum mit der LED Spannung ergibt sich dadurch, das bei 3.3 V Vcc
> die Spannung am Port nicht höher als 3.6, vielleicht 3.7 V sein darf.
> Damit hat man dann noch 1.3 bis 1.4 V and der LED wenn sie aus sein
> soll. für den "Aus" zustand muß man wenigsten etwa 200..300 mV unter
> normalen Flußspannung sein (-> Reststrom im µA Bereich). Bei Rot könnte
> es knapp werden. Als Abhilfe ggf. eine normale Si Diode in Reihe, dann
> sollte es sicher reichen.
Die Portpins sind 5V tolerant. Würde das o.g. überhaupt eine Rolle 
spielen, da ich ja den Portpin zum Ausschalten nicht auf High lege, 
sondern hochohmig schalte?

Ralf

Autor: Martin Laabs (mla)
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Hallo,

der Gate-Vorwiderstand ist sowas, worum sich viele Gerüchte ranken. 
Prinzipiell macht er das Ein- und Ausschalten immer langsamer weswegen 
man ihn eigentlich überhaupt nicht mag (es sei denn aus EMV-Gründen) 
weil dadurch mehr Verluste entstehen. (MosFet bleibt während des 
Umschaltens länger im linearen Bereich.) Zum Schutz der Portpins ist er 
auch nicht wirklich nötig weil die CMOS Treiber ihren Strom schon selber 
begrenzen und bei der kleinen Gate-Source Kapazität an ihnen auch keine 
gefährlichen (thermischen) Verluste abfallen. Wenn man sehr hohe 
Leistungen schaltet kann es eine Rückwirkung durch die Drain-Gate 
Kapazität geben die u.U. dem Portpin schaden könnten. Bei solchen 
Leistungen verwendet man aber idR. sowieso einen dedizierten 
Gatetreiber.

Der einzig wirkliche Grund liegt darin, dass es unter bestimmten 
Bedingungen bei bestimmten MosFets durch die Gate-Drain Kapazität am 
Gate zu einer (Eingangs-) Impedanz mit negativem Realanteil kommen kann. 
Die parasitären Elemente (Zuleitungsinduktivität, GS-Kapazität usw.) 
bilden einen Schwingkreis (bzw. mehrere verkoppelte) der dann zum 
Aufschwingen angeregt wird. Das will man vornehmlich aus EMV-Gründen 
(aber auch wegen der Rückwirkung und evt. Fehlfunktionen des MosFets) 
vermeiden. Daher fügt man einen kleinen Widerstand ein der den negativen 
Realanteil kompensiert und somit die Schwingungen der parasitären 
Impedanzen abklingt (denn durch die Schaltflanken werden sie immer 
angeregt) und nicht immer größer wird.

Da das aber offensichtlich viele nicht wissen und viele die es wissen zu 
faul sind auszurechnen ob dieser Fall eintritt oder nicht, hat es sich 
eingebürgert immer einen Vorwiderstand zu verwenden. (Ja - manchmal 
fehlen einem auch die korrekten Daten um es auszurechnen)
Weil man aber eben nicht rechnen will oder kann muss man sich auf 
Erfahrungwerte stützen. Und so kommen oft Werte um die 10 Ohm heraus.

Viele Grüße,
 Martin L.

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