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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisfrage zu MOSFETs


Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Bin gerade mit einem MOSFET am herum experimentieren.

Ich habe das FET an einem AVR PWM ausgang und habe dann mal 
los-gemessen.

Alle Messungen sind mit 5µS per division (die divisionen kann man nicht 
sehen, mein oszi hat 10 horizontal und 8 vertikal) und 1 Volt pro 
division (schaltung und MOSFET werden mit 3,3 Volt betrieben, es handelt 
sich hier um das Si4430BDY der hat bei dieser Spannung schon einen 
relativ kleinen Rds(on)).

Erstmal eine Messung am Gate, sind die Schaltflanken hier in ordnung 
oder sind die zum Ansteuern von MOSFETs zu schlecht? Ich hänge direkt am 
AVR Port, also keine Treiberstufe.

http://lupin.shizzle.it/gatelohi.jpg
http://lupin.shizzle.it/gatehilo.jpg

Sooo und nun wollte ich mal am drain messen (ohne irgendwas da dran zu 
haben). Ich dachte das sieht jetzt in etwa so aus wie das eingangssignal 
(nur invertiert). Zum messen habe ich einen 10kOhm pullup von +3V3 zum 
Drain geschaltet und dann ganz normal die Schirmung des oszi an GND 
meiner Schaltung und die Ader an den Drain (selbstbaukabel, sollte bei 
der Freq aber keine Rolle spielen oder?)

Aber irgendwas stimmt da wohl nicht:

http://lupin.shizzle.it/drain_pullup.jpg

Und das ganze nochmal ohne pullup (da habe ich einfach die Ader an +5V 
(eingangsspannung vor U-regler) und die Schirmung an den Drain):

http://lupin.shizzle.it/drain.jpg

Mir ist irgendwie klar, dass die zweite Anschlussmethode nix gutes 
bringen kann, aber was da genau passiert ist mir bei beiden 
Schirmbildern nicht klar.

Vielleicht hat hier jemand eine Ahnung was ich da falsch mache.

Vieles Dankeschön!!!!111 ;-)

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Weil's mir gerade soviel spass macht (diesmal mit 10µS/div):

http://lupin.shizzle.it/drain_mitlast.jpg

Da sieht man ganz gut, dass der verlauf an sich ausschaut wie bei 
http://lupin.shizzle.it/drain_pullup.jpg aber oben drauf noch 
schwingungen sind (bei der Last handelt es sich um eine Induktivität, 
genauer gesagt die primär-Spule eines Trafos)

An sich funktioniert die schaltung auch (kann damit Spannungen 
transformieren), aber das verhalten des FETs ohne last würde ich gerne 
erklärt bekommen, vielleicht hab ich ja was falsch gemacht und ich kann 
da noch was optimieren :)

Autor: Michael (Gast)
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Hallo

Hast du einen DC/DC Konverter damit gebaut? Drain Kurve: Sieht aus, als 
ob dein Konverter im Lückbetrieb arbeitet. Die Schwingung kommt zustande 
weil der Strom durch die Spule 0 wird.

Grüße

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Ja es soll ein DC/DC Konverter werden, ein Sperrwandler mit primär und 
sekundär spule. Die Messungen sind an der Primärspule.

Ich verstehe nicht so ganz was du mit lückbetrieb meinst, nachdem mein 
transistor geschaltet hat fangen die Schwingungen ja bereits an. Das ist 
doch normal oder? Irgendwie blicke ich noch nicht so 100% durch das 
ganze Thema :-)

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Ah ja ich hab auch eigentlich eine strom regelung drin... ich passe das 
tastverhältnis immer so an, dass genau 1 mA fließt. dazu habe ich einen 
1kOhm Shunt eingesetzt über dem 1 Volt abfallen sollen (weil der attiny 
eben eine 1 volt referenz hat). 1kOhm ist zwar ziemlich viel für einen 
shunt fallen bei den 100erten kOhm die mein verbraucher hat nicht 
wirklich ins Gewicht.

Autor: Dirk (Gast)
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Soll das heissen dass deine Drain-Source Spannung um dieses 1V reduziert 
wird?
Mit 2.3V einen MOSFET schalten zu wollen ist wohl schon sehr wenig...

Autor: Dirk (Gast)
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Ich meinte natürlich die Gate-Source Spannung.

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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nein nein... natürlich nicht. Hab mal den Schaltplan angehangen

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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hat keiner eine Ahnung warum die spannung nach dem weg schalten des 
MOSFETs so langsam hoch geht: http://lupin.shizzle.it/drain_pullup.jpg ?

Das würde mich schon sehr interessieren :-)

Autor: Gast (Gast)
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Versuch 1:
Trafo abklemmen und mal anstelle einen Leistungswiderstand mit dem 
MOSFET schalten. So dass ein vernuenftiger Strom fliesst der vom MOSFET 
auch problemlos geschaltet werden kann. Nimm 100 Ohm oder sowas. Dann 
die Spannung am Widerstand messen. Ist die nun perfekt rechteckfoermig 
dann sieht es schon mal gut aus. Sind die Flanken abgerundet oder sehen 
sonstwie aus, dann ist was faul. FET pruefen, Gatespannung 
pruefen,etc...

Versuch 2: Falls Versuch 1 ein gutes Ergebnis bringt, dann klemme den 
Trafo mit dem Widerstand in Serie an den MOSFET an. Schwingt der Kram 
dann auch so? (natuerlich nur zum Messen!)

Frage: Was ist an der Sekundaerseite angeklemmt? Etwa nichts?

Versuch 3 : Trafo wie geplant an dem MOSFET anschliessen und testen. Die 
Sekundaerseite aber mal mit der Nennlast belasten (ohmsche Last). Wenn 
auch das geht, dann mal auf der Sekundaerseite die Gleichrichterdiode 
und den Siebelko zuschalten. Mit dem Siebelko nicht uebertreiben!

Idee: nimm mal einen Treiber fuer das Gate. Im billigsten Fall eine 
Komplementaerstufe aus zwei bipolaren Transistoren. Oder ein fertiges 
Treiber IC. Was passiert dann?

Tip: MOSFET-Schaltungen nie im Leerlauf messen. Da sieht man am 
wenigsten wo es klemmt!




Autor: Matthias (Gast)
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Bilder:
http://lupin.shizzle.it/gatelohi.jpg
http://lupin.shizzle.it/gatehilo.jpg        sind passabel.


http://lupin.shizzle.it/drain_pullup.jpg     ist ok.
Da du nur einen 10k Widerstand als Pullup hast, dauerst es relativ 
lange, die Leistungskapazität aufzuladen, nachdem du den FET sperrst. 
versuchts mal Größenordnung 100 Ohm.

Und ohne Pullup:
http://lupin.shizzle.it/drain.jpg
wenn die Linie auf etwa Massepot. ist, dann ist das ok.
Das selbe Problem wie mit dem Pullup, der hier nur unendlich groß ist. 
Wie soll die Betriebsspannung an die Leitung kommen?? Der FET schaltet 
nach Masse oder lässt die Leitung, also das Drain "in der Luft" hängen.

Am Bild drain_mit_last
http://lupin.shizzle.it/drain_mitlast.jpg
ist folgendes zu erkennen:
Das durchsteuern des FET funktioniert (flache Bereich zw. den 
Schwingungen)
Beim Abschalten entstehen hochfrequenze Schwingungen. Mögliche Ursachen 
sind:
-geringe magnetische Kopplung zwischen Primär/Sekundärwicklung
 (gerade bei Sperrwandler SEHR wichtig)
-evtl. Aufbau des Schaltnetzteils auf Lochraster oder Freiverdrahtung?
 (durch sowas funktionieren SNTs einfach wegen nicht geeignetem Aufbau 
oft
  nicht (richtig) )
Erklärung:
Prinzip Sperrwandler:
-"Aufladen" der Speicherdrossel bei eingeschaltenem FET. (lineares 
Ansteigen des Stromes)
-Weiterfließen dieses Stromes in der Sekundärwicklung (deshalb 
GEGENSINNIGER wickelsinn) zur Versorgung der Last. => sehr gute Kopplung
nötig.

Problem Schnellschaltende Stromkreise:
Ist der FET an, fließt von C4 über die Prim.spule und dem FET ein Strom 
zurück zu C4. Betrachtest du diesen Stromkreis als KREIS, hat dieser 
Strom eine Fläche, um die er fließt. Umso größer diese Fläche ist, umso 
mehr Probleme und Störungen entstehen. Deshalb ist oft eine ordentliche 
Platine zur korrekten Funktion eines SNTs notwendig..

Soweit erstmal ausreichend.. Weiteres gern..

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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super! Danke für eure Antworten, das war schon sehr aufschlussreich. Ich 
werde heute abend nochmal mehr ausprobieren.

Was heisst "GEGENSINNIGER wickelsinn"? Je nachdem wie ich die beiden 
spulen anschließe ist der wickelsinn ja einmal gegensinnig und einmal 
halt nicht oder?

Beim Trafo handelt es sich um einen Tonnenferit (09P Körper, die mit 2 
Beinchen). Darauf habe ich jetzt erst die Primärspule mit ~10-30 
Windungen und dann eine Sekundärspule mit ~200 Windungen - auf den 
"Wickelsinn" habe ich dabei nicht geachtet.

Ist alles auf Lochraster aufgebaut.

Danke nochmal!

Autor: Mandrake (Gast)
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Hallo Marius!
So wie deine Drainspannung aussieht, entlädt beim Abschalten des MOSFETS 
die Gate-Source-Kapazität (die für das Schalten verantwortlich ist) 
nicht schnell genug. Wodurch du eine Art Kondensator entlade Kurve in 
der Drain-Source-Spannung bekommst. Versuch mal einen 10k oder 100k 
Widerstand Parallel zu Gate-Source zu schalten und messe dann nochmal 
mit Ohmscher Last.
Sollte dann schon besser aussehen. Ansonsten brauchst du eine 
entsprechende Analogschaltung, die die Gate-Source-Kapa. beim Abschalten 
praktisch leer saugt.
Solche Schaltungen findet man oft in Schaltnetzteilen die mit höherer 
Frequenz zerhacken, da dort dieser Umladevorgang immer schwerer wiegt.
Würde einfach mal bei Linear-Technologie vorbeischauen und den LTSpice 
Simulator runterladen. Dem liegen jede Menge Schaltnetzteil-Beispiele 
bei, wo du dir evtl noch was abschauen kannst. Zudem kannst du die 
Schaltungen auch noch in Aktion sehen.

Autor: Matthias (Gast)
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@Marius:
...eim Trafo handelt es sich um einen Tonnenferit (09P Körper, die mit 2
Beinchen). Darauf habe ich jetzt erst die Primärspule mit ~10-30
Windungen und dann eine Sekundärspule mit ~200 Windungen - auf den
"Wickelsinn" habe ich dabei nicht geachtet....

Ich habe so bischen die Vermutung, du weißt garnicht so richtig, wie ein 
Sperrwandler funktioniert? (siehe mein erster Beitrag)
Ich rate dir, dich mit den Schaltungen vertraut zu machen
(Sowas soll nützlich sein, wenn man sie selbst aufbauen will)
Somit musst du dir auch im klaren sein, was Wickelsinn am Trafo 
bedeutet..
Und (ich kann mich täsuchen) aber die Angaben zu deiner Spule klingen 
etwas nach, als ob die Windungszahlen eher willkürlich gewählt wurden..

Kann das sein, dass beide Wicklungen den gleichen WIckelsinn haben???
(Das erkennt man daran, WÄHREND DER LEITEND-PHASE des FETs AUCH!!! in 
der SEKUNDÄRWICKLUNG STROM fließt.)
Wenn das so ist, hast du einen Flußwandler aus dem Sperrwandler 
gemacht!!!
Dieser (jetzt entstandene) Flußwandler hat allerdings folgendes Problem:
Nach dem Abschalten des FET ist im Kern magn.Energie gespeichert. Diese 
soll eigentlich NUN auf die Sekündärseite "entladen" werden =>Prinzip 
SPerrwandler
Da jetzt allerdings ein Entladen der magn.Energie nicht möglich ist, 
entsteht mit parasitären Kapazitäten ein Schwingkreis und die langsame 
Umwandlung diser Energie in Wärme....
Um sowas zu verhindern, besitzen FLUSSWANDLER eine 
Entmagnetisierungswicklung, o.ähnlich wirkende Maßnahmen..

Also prüfe bitte:
-Kerngröße, ob der ausreicht für deine zu übertragende Energie
-WIndungszahlen
-Wickelsinn!! ganz wichtig

Ich verbleibe...
Matthias

Autor: Mandrake (Gast)
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@Marius: Das mit dem Wickelsinn ist nicht so tragisch. Man muss nur 
daran denken WENN dieser falsch ist, die Secondär-Anschlüsse DANN zu 
vertauschen, oder die im Secondärkreis befindliche Diode andersherum 
einzusetzen.
Nur man MUSS daran denken.

Zum Verständnis:
Die Diode sollte, bei einem Speerwandler, während der Speicherphase 
(magnetischer Fluss in der Prim-Spule wird aufgebaut) den Stromfluss in 
der Sec.-Spule unterbinden (anderen Falls würde bereits Energie aus dem 
Magnetfeld entnommen). Sperrt dann der FET fällt das Magnetfeld im 
Eisenkern zusammen. Die magnetische Flussänderung ist negativ und die 
Spannung über der Sec.-Spule  wechselt die Polung. Damit wird die Diode 
dann in leitender Richtung betrieben und es kann ein Strom fließen. Die 
gespeicherte Energie wird dann abgerufen.

Theorie: Induktionsgesetz von Michael Farraday
-----------------------------------------------

Die Spannung über einer magnetisch durchfluteten Spule ist proportional 
zur negativ zeitlichen Flussänderung.

ul = - d(phi)/dt

d(phi) : Flussänderung
dt     : Zeitänderung

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Vielen Dank nochmal. So ganz verstehen tue ich das noch nicht weil mir 
die theoretischen Grundlagen dazu fehlen.

Wisst ihr vielleicht wo ich fertige Spulen für Sperrwandler her bekomme? 
Ich habe schon bei RS welche gefunden (glaube ich), aber da ist immer 
Eingangs- und Ausgangsspannung (wie beim Trafo) angegeben. Das hat mich 
ein wenig gewundert, weil die Ausgangsspannung ist doch auch abhängig 
vom Tastverhältnis. Die waren wohl auch alle für 230V Eingangsspannung 
ausgelegt, ich suche ja eher sowas wie einen Photoblitz-Trafo. Selber 
wickeln geht zwar auch aber naja...

Ich hab mir gesterm beim rum probieren leider irgendwie meine Schaltung 
zerschossen (hab wohl die HV irgendwie auf den attiny gelegt :P)

Also einen 100 Ohm Widerstand habe ich mal als Last ans MOSFET 
geschaltet und die Kurve sah danach schön steil aus. Ich werd das ganze 
jetzt nochmal neu aufbauen und zwei transistoren vor den FET setzen.

Kann ich die ausgangsspannung (so um die 130-160 volt) auch zum gate 
rückführen um damit den gate besser durchschalten zu können (mit 10 volt 
zener-diode)?

Autor: Matthias (Gast)
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guckst du hier:
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/smps.html


Hier kannst du alle deine Daten eingeben und auch gleich passende Kerne 
finden..
Für weitere Tip stehe ich zur Verfügung.
Hab schon vieles gewickelt...

Autor: Lupin (Gast)
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kann es sein, dass mir einfach der luftspalt fehlt? Ich habe die Spule 
ohne Luftspalt gewickelt...

"Während der Sperrphase, die zum Zeitpunkt des maximalen Stromflusses 
einsetzt, befindet sich ja noch immer die gesamte während der Flußphase 
gespeicherte Energie im Luftspalt des Trafos. Würde man den Strom 
einfach unterbrechen, würde diese Energie in Form einer sehr hohen 
Induktionsspannung frei werden und den Schalttransistor zerstören."

von http://www.trifolium.de/netzteil/kap7.html

Also ich denke mal dieses schwingen was ich da auf meinem drain hab ist 
die dort besagte induktionsspannung ausgelößt durch den fehlenden 
Luftspalt. Kann das sein?

Kann ich als "Luft"-spalt auch irgend ein anderes nicht-metallisches 
(klebeband) Material zwischen primär und sek. wicklung machen?

Autor: Matthias (Gast)
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Kann ich als "Luft"-spalt auch irgend ein anderes nicht-metallisches
(klebeband) Material zwischen primär und sek. wicklung machen?...

JA, Aber die Größe des Luftspaltes ist entscheidend. EIn Luftspalt ist 
wichtig für die funktion eines Sperrwandlers (hatte ich das nicht schon 
geschrieben)
Der Link weiter oben berechnet dir die größe des Luftspaltes, Steht in 
der Tabelle mit drin, lesen.....

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