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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Braucht man ein R_gate ?


Autor: N. K. (bennjo)
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Hallo,
kurz gefasst:
Ich steuere einen IRLU24N N-Kanal Logik-MOSFet

http://www.mikrocontroller.net/attachment/16122/irlu024N.pdf

mit nem ATMega8 mit 16KHz PWM (5V) an ...

... hab derzeit das Gate direkt am OC2 Pin liegen - geht eigentlich 
ziemlich gut...

wozu sollte man also noch absichtlich einen Widerstand zwischen Pin und 
Gate hängen? Und wenn ja, wie groß sollte man den wählen? Finde 
praktisch keine fundierten Informationen zu diesem Thema im Netz.

Gruß,
Nikias

Autor: Matthias (Gast)
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Lass das so, der Widerstand verlangsamt nur den Umschaltvorgang.

Autor: Hannes Lux (hannes)
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Ohne Widerstand wird die parasitäre Gate-Source-Kapazität Deines FETs 
sehr schnell umgeladen, was zu hohen Strömen am Controllerport führt 
(wie lange macht er das mit?) und aufgrund des schnellen Durchschalten 
des FETs auch zu hoher Störabstrahlung durch den Laststromkreis.

Ein zu großer Widerstand vor dem Gate sorgt dafür, dass der FET zu 
langsam durchschaltet, also (bei jedem Schaltvorgang) zu lange 
halbleitend ist und sich aufgrund der Verlustleistung erwärmt.

Du musst nun den für Deine Anwendung optimalen Kompromiss finden. Der 
Wert wird dann vermutlich im zweistelligen Ohmbereich liegen.

...

Autor: Matthias (Gast)
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Null Ohm ist OK. Die Atmels haben für ein paar Takte beim Umschalten 
erhöhten Stromwert am Ausgang. Ausserdem ein Ausgang liefert nur eine 
bestimmte Menge an Strom, somit sind kapaz. Lasten dieser Größe kein 
Problem. Die Störabstrahlung ist ja nur besonders kritisch, wenn man 
beim Layouten noch nie was von EMV gehört hat...

Autor: N. K. (bennjo)
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Vielen Dank schonmal für die Wortmeldungen...
allerdings hatte ich mir das meiste davon schon selbst gedacht :-)

Wenn ich das richtig sehe, gibt es also 2 Ziele die erreicht werden 
sollen:
1) Strombegrenzung um den µC nicht zu überfordern
2) di/dt Begrenzung um Störungen zu verkleinern

sehe ich das richtig !?

Ich hätte auch noch eine 2. Frage:
Derzeit verwende ich eine MBRS140 Schottky-Diode als Freilaufdiode ... 
da beim Umkommutieren ja der gesamte Motorstrom vom MOSFet in die Diode 
muss, und der MOSFet ja theoretisch 17A ab kann, ist meine 1A Diode da 
etwas überfordert ... allerdings werden die Dioden mit größeren Strömen 
im vergleich zum MOSFet gleich übelst groß, woher kommt das?

Gruß,
Nikias

Autor: Matthias (Gast)
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r MOSFet ja theoretisch 17A ab kann...
Das macht nix. Entscheiden ist der Strom, der im Abschaltmoment 
tatsächlich fließt, also der Motorstrom. Bei den Dioden ist für solche 
Anwendungen (höhere Frequenzen) besonders auch eine kleine 
reverse-recovery-time, bzw charge zu achten.
Sinnvoll ist es meist, denselben Mostfet nochmal als Freilaufdiode zu 
nehmen, mit Gate und Source verbunden...

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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>> mit Gate und Source verbunden
macht es nicht Sinn - wenn man schon ein Gate zur Verfügung hat - dieses 
auch im richtigen Moment anzusteuern statt es mit Source zu verbinden, 
um so den Spannungsabfall der internen Diode auf ein Minimum zu senken?
(Nur wann steuert man das GENAU an ;-)) )
Immer wenn die Spannung am Drain größer VCC ist...?

Hat eine Schottkydiode nicht einen wesentlich kleineren Spannungsabfall, 
als die Bodydiode im Mosfet?

Gruß
AxelR.

Autor: N. K. (bennjo)
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Was hat die Freilaufdiode mit der Body-Diode zu tun?

Der Aufbau sieht folgendermaßen aus:

--+-----+
  |     |
 SD    Motor
  |     |
  +-----+
  |
 FET
  |
--+

Oben ist 12V
unten ist GND

Die Schottkydiode ist IMHO bei niedrigen Spannungen immer die bessere 
Wahl:
+ keine Speicherladung
+ niedrige Durchlassverluse
+ schnelles Durchschalten
- Spannungsgrenze

Gruß,
Nikias

Autor: Matthias (Gast)
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Nun, mit den Schottkydioden magst du recht haben, aber ich habe immer 
nie eine passende in der Größe,Preis, Verfügbarkeit gefunden.... deshalb 
die Idee mit dem zweiten FET...

Ja, wenn den "Dioden"fet ansteuern.. Also die Spannung über selbigen 
kann NICHT genommen werden, weil er sonst nicht mehr ausgeht...
Man könnte ein Invertiertes Signal des anderen FETs nehmen, allerdings 
müssen dann bei beiden Totzeiten eingefügt werden, sonst gibts nur 
Querströme...

Autor: N. K. (bennjo)
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Also, da es wohl wirklich keine Fundierten Informationen zu diesem Thema 
gibt, hier mal meine Überlegungen:

Der MOSFet hat eine Gatekapazität von 480pF ... bei 16KHz Schaltfrequenz 
will ich erreichen, dass diese in 1/1000 der Schaltfrequenz umgeladen 
wird...grob mit t = R*C ... also R = t/C mit t = 1/(16KHz  1000  
480pF) = 130 OHM

Die hab ich also mal drangehängt
-> Temperaturentwicklung am MOSFet bleibt gleich ...
-> ABER beim Vergleich der 5V Versogung des µC hat sich ordentlich was 
getan! Vorher hatte ich trotz Puffer-C's immer nen extrem kurzen 0,6V 
Spannungsabfall beim Schalten ... der ist jetzt auf 0,2 V geschrumpft!

Werde den R also erstmal im Layout drinn lassen.

Gruß,
Nikias

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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>>Also die Spannung über selbigen kann NICHT genommen werden,
>>weil er sonst nicht mehr ausgeht

geht alles ;-))

General Description
The NIS6111 is a hybrid diode containing a power
MOSFET, polarity comparator and internal bias circuit. It is
designed to operate as an ideal diode by sensing the voltage
polarity across the FET and driving the gate accordingly
such that the FET operates in the third quadrant, the same as
with other synchronous rectifiers.

@Nikias
100 Ohm hätt' ich auch genommen, wahrscheinlich eher 47. Aber nur so 
ausm Bauch heraus.. Hast Du mal 220 Ohm probiert?

Gruß
AxelR.

Autor: Micha D. (fuchks)
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Nochmal zu den Bedenken der 1A-Diode, das ist der Dauerstrom, den solch 
eine Diode abkann. Kurze Stromimpulse können wesentlich größer sein, 
siehe auch das Datenblatt, da steht das drin. Die genaue Berechnung des 
maximal zulässigen Stromes ist nicht trivial. Es ist entscheidend wie 
lange der Strom fließt, wie lange kein Strom fließt 
(Puls/Pausenverhältnis) und wie groß die Umgebungstemperatur ist. Denn 
die Belastbarkeit richtet sich immer nach der Junction-Temperatur, die 
eine kritische Marke nicht überschreiten sollte (meist 175°C). An der 
Grenze sollte man Bauteile im Dauerbetrieb auch nicht betreiben, da es 
dabei schnell altert und womöglich nach relativ kurzer Zeit ausfällt.

Autor: N. K. (bennjo)
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So,
ich hab das Schaltverhalten jetzt mal ganz genau unter die Lupe genommen 
... anbei eine Übersicht.

Das ist jetzt mit einem 220 R_gate!

Vielleicht sollte ich einen kleinen Artikel daraus machen und es hier 
ins wiki stellen !?

Gruß,
Nikias

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Der ist aber dafür auch ca.4% seiner Schaltzeit damit beschäftigt, den 
linearen Betrieb zu durchfahren 2.475µs/62.5µs x 100 =3.96.
ist schon ziemlich schleichend aber sicher ausreichend. Die Dinger 
können ja einiges ab ;-))
Da kann man mal sehen, wie wichtig die niederohmigen Abblock-Cs direkt 
AM und ÜBER einem evtl. vorhandenen MOSFET Treiber sind!
Sehr interessant, das ganze!!

Viele Grüße, haste gut gemacht

XlR.

Autor: Winfried (Gast)
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>Die Atmels haben für ein paar Takte beim Umschalten
>erhöhten Stromwert am Ausgang.

Das ist mir neu, wie kommst du darauf? Steht das im Datenblatt oder hast 
du das experimentell ermittelt? Könnte mir auch nicht vorstellen, wie 
dieser Effekt technisch realisiert wird.

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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Winfried wrote:
>>Die Atmels haben für ein paar Takte beim Umschalten
>>erhöhten Stromwert am Ausgang.
>
> Das ist mir neu, wie kommst du darauf? Steht das im Datenblatt oder hast
> du das experimentell ermittelt? Könnte mir auch nicht vorstellen, wie
> dieser Effekt technisch realisiert wird.

Für den Umschaltzeitpunkt ist das MOSFet-Gate erstmal als Kurzschluß zu 
betrachten. Und zwar solange, bis die Gate-Kapazität umgeladen ist. Dazu 
kommt, daß ein AVR keine echte Strombegrenzung an den Ausgängen hat. 
Entsprechend ist dann der Müll auf Vcc.

Autor: Klaus (Gast)
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Der Widerstand vorm Gate dient auch dem Zweck Schwingungen, die durch 
Leitungsinduktivität und Gate-Kapazität entstehen können zu dämpfen. Das 
kommt vor allem bei sehr steilflankiger Ansteuerung des Gates zum 
Tragen.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Meine Rechnung oben stimmt soo nicht ganz (war schon spät).
Es sind nur 62,5µs/2 ~30µs mikrosekunden. Wenn Du von diesen 
30µs(PWM50%)nun schon 2.5µs mit dem Umschalten beschäftigt bist, kommst 
Du kleinen (oder großen) OCR-Werten nicht mehr dazu, den MOSFET 
durchzusteuern, weil er mehr Zeit braucht, hinundher zu schalten, 
als-wie-als Du H-Pegel am Pin hast.

Bei kleinen PWM-Werten mag das tolerabel sein, da kaum Strom fliesst. 
Aber bei 80-90% muss der MOSFET kurz aus- und danach gleich wieder 
eingeschaltet werden. In dieser kurzen Zeit "schwimmt" er nur hinunher. 
Jetzt fliesst auch "richtig" Strom.

Aber wenn Du sagts, das der FET nicht merklich warm wird, kannst Du es 
ja so lassen.





                        Keramik
                          ||       VCC
                      .---||-----o------
                      |   ||     |
                      |        |/
                      |   .----|  NPN
                     ===  |    |>
                     GND  |      |
                          |      |  10R
                    uC    |      |  _ GATE
                    ------o      o-|___|--
                          |      |
                          |      |
                          |      |
                          |      '
                          |    |<
                          '----|  PNP
                               |\
                                 |
                                 '------
                                 GND
(created by AACircuit v1.28.5 beta 02/06/05 www.tech-chat.de)

Autor: N. K. (bennjo)
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Hallo,
also das mit den Schaltverlusten wird jetzt doch zum Problem!
Hab das ganze bisher bis maximal 1A betrieben ... jetzt bei 8A (50%PWM) 
wird der MOSFet richtig heiß...hab den Versuch dann abgebrochen.

Gruß,
Nikias

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Deshalb hatte ich Dir schonmal die Schaltung hingemalt ;-)))
Damit gehts dann wiederum seehr gut. Bekommst Du das noch unter?

Autor: Reinhard Pölzleithner (carnival)
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Bei 8A Motorstrom würd eine etwas veränderte H-Brücke Sinn machen.

Man ersetzt zwei der FET's durch schnelle Schottkys. Dann wird die 
Gegeninduktion nicht über die Freilaufdiode verbraten sondern dem 
Speisekreis wieder zugeführt. Ein dementsprechender Stützkondensator 
sollte natürlich dann eingeplant werden.

So aus Erfahrung: 2x 100n Kerko und 1x 100µ.
Zusätzlich wäre eine Transildiode kein Fehler um eventuelle 
Spannungsspitzen wegzubügeln. (sollt in der Regel aber nicht vorkommen.)

Zum ansteuern der Mosfet's wär ein High und Lowside Treiber am besten 
geeignet. (Steuerspannung der Fet's sollt bei ca 10-15V liegen).
z.B.: IRL2110 o.Ä.


Die Brücke sollt folgendermaßen aussehen:

----+-------+-----------------+------+ +UB
    |       |                 |      |
    |       |                 |      |
  Kerko    FET              DIODE   Kerko
  Elko      |                 |      |
    |       +-----MOTOR-------+      |
    |       |                 |      |
    |     DIODE              FET     |
    |       |                 |      |
----+-------+-----------------+------+ GND


Wenn du die Dioden durch FET's ersetzt dann hast
eine Vollbrücke mit Richtungsumkehr und Möglichkeit
zu Bremsen.

Autor: Reinhard Pölzleithner (carnival)
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Ich vergaß:

Der ELKO sollte ein LOW ESR sein.

Autor: ernst (Gast)
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niki:
1. der r muss rein! 100 ohm sind ok.
2. der fet braucht satten kühlkörper: bei 1 a verlust ca 0,1w , aber bei 
8a rund 7w !!! da brauchste ordentlich kühlung!
3. schaltverlust kommt noch dazu, aber: da induktive last, is 
einschalten so ok, nur abschalten könnte man mit nem pnp transistor 
(übliche schaltung) schneller machen. (abschalt-verlust ca 5% der 
motorleistung)

wenn du ohne kühlk. auskommen willst, muss rds-on kleiner sein, anderen 
fet oder : zb 3 stk parallel, gibt 2,3w verlust, also jeder fet rund 
0,7w, das geht mit kleiner kühlfläche, uu kupfer der platine.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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habe auch mal schnell ins Datenblatt gesehen:
0.1 Ohm RDS_on lt. Datenblatt@2% Tastgrad 300µs
In der Praxis dürfte der RDS_on weit darüber liegen!(0.2 Ohm?)
macht bei 8Ampere tatsächlich 8x8x0.2= 12.8 Watt nur dann schon, wenn Du 
das Gate DAUERHAFT an 5Volt legst. Nach deinen Aufzeichnungen dürfte die 
Verlustleistung deutlich höher liegen, da die Umschaltverluste durch die 
doch sehr langen Umladezeiten nicht einfach so vernachlässigt werden 
können. Zumal das Gehäuse ziemlich klein ist.
Ich nehm immer einen IRL(U)2905.
Rds_on 0.03 Ohm bei bei 25A (im Vergleich IRU024N 0.08 bei 10A). Die 25A 
sind schon weiter weg von den 8, die Du schalten möchtest.
Allerdings ist hier die "total Gatecharge" mit 48nC 3x höher, als beim 
IRLU024. Aber ich habe meinen MOSFET auch nicht direkt am Portpin, 
sondern diesen bestenfalls mit den beiden, oben gezeichneten 
Transistoren, als Pufferstufe versehen.

Wenn es ein SMD ist: auf die (auf der?) Platine großflächig (auf)löten 
(zügig).
Wenn nicht: Anschlussbeine NICHT kürzen.

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