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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fragen zu FETs die noch nicht im Wiki sind


Autor: Thomas Burkhart (escamoteur)
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Hi,

hab mich schon im Wiki und im Forum umgeschaut, aber dennoch ist mir 
einiges Unklar. Die Fragen sind ziemlich umfangreich, ich würde mich 
aber gerne bereiterklären die Ergebnisse ins Wiki zu übertragen.

1. Gibt es einen entscheidenden Grund wieso man überhaupt biolare 
Transistoren noch verwenden sollte. Für mich war schon immer die 
Vorstellung über Strom und nicht übre Spannung zu Schalten ziemlich 
obscur.

2. Soweit ich verstanden habe kann man MOSFETs nur bei geringen 
PWM-Frequenzen  direkt an einen µC hängen. Wie sieht das bei Logic-Level 
FETs aus? Ab welcher gibt's da auch welche die bei 3,3V durchschalten?

2.1. An verschiedenen Stellen las ich das MOSFETs zum Teil erst bei 10V 
durchschalten. Wie kann man sie dann überhaupt an einem µC betreiben.

3. In einem Beitrag stand, dass man das PWM Signal erst hinter dem FET 
glätten soll und nicht vorher, da sonst unnötig Strom verbraucht wird. 
Ich denke der FET verbraucht keinen Strom wenn er geschaltet wird, oder 
verstehe ich PWM nicht ganz.

4. Kann mimr jemand einfach mal ein paar vernünftige Standard FETs N- 
und P-Kanal für verschiedene Anwendungsarten/Leistungen nennen.

5. Treiber: An veschiedenen Stellen wurde beschrieben, dass man zwischen 
µC und FET einen Bipolartransistor bzw. einen Treiber setzen soll wenn 
die Frequenz zu hoch wird. Was ist denn der Unterschied. Was wären denn 
typische Treiberbausteine?

6. Nicht ganz das Thema, aber wieso brauche ich externe PWM-Baustine, 
wenn der AVR doch eigene PWM-Ausgänge hat.

So, das reicht denke ich erst mal. Eine Liste mit ein paar sinvollen 
konkreten Bauteilen wäre vor allem für Anfänger wie mich sehr hilfreich.

Gruß

Thomas

Autor: JensG (Gast)
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>1. Gibt es einen entscheidenden Grund wieso man überhaupt biolare
>Transistoren noch verwenden sollte. Für mich war schon immer die
>Vorstellung über Strom und nicht übre Spannung zu Schalten ziemlich
>obscur.

-> klar, mehrere.
 - Gatestrom steigt mit steigender Frequenz, deswegen sehr hohe 
Frequenzen nur mit Spezial-Mosis möglich, deren anderen guten 
eigenschaften dann aber wieder abhanden kommen durch die frequenzmäßige 
Optimierung (STichwort VHF Mosis)
 - rel. hohe Steuerspannung nötig (bipolar braucht nur knapp 1V)
 - Hochvolt-Mosis haben wohl immer noch relativ hohen Rdson, daher rel. 
hohe "Sättigungsspannung" (möglicherweise hat sich dies aber schon etwas 
relativiert)
 - ....

>2. Soweit ich verstanden habe kann man MOSFETs nur bei geringen
>PWM-Frequenzen  direkt an einen µC hängen. Wie sieht das bei Logic-Level
>FETs aus? Ab welcher gibt's da auch welche die bei 3,3V durchschalten?

-> soweit ich weiß, gibt's auch schon welche, die ab 1,xV anfangen 
durchzuschalten (aber eben nur anfangen )

>2.1. An verschiedenen Stellen las ich das MOSFETs zum Teil erst bei 10V
>durchschalten. Wie kann man sie dann überhaupt an einem µC betreiben.

-> direkt nicht, aber mit Levelshifter bzw. Treiberstufe (10V erscheint 
mir aber irgendwie etwas hoch - müssen wohl keine guten Mosis gewesen 
sein ;-)

>3. In einem Beitrag stand, dass man das PWM Signal erst hinter dem FET
>glätten soll und nicht vorher, da sonst unnötig Strom verbraucht wird.
>Ich denke der FET verbraucht keinen Strom wenn er geschaltet wird, oder
>verstehe ich PWM nicht ganz.

-> wenn Du die PMW schon vorher glättest, dann bekommt der Mosi zwar 
eine schöne glatte Gatespannung geliefert, aber er arbeitet dann wie 
eine ganz normale Analogverstärkerstufe, mit dem Nachteil, daß er 
ordentlich heizt (rein digital gesteuert arbeitet er als Schalter - 
wenig Verlustleistung)
Es kommt halt drauf an, was Du machen willst

>4. Kann mimr jemand einfach mal ein paar vernünftige Standard FETs N-
>und P-Kanal für verschiedene Anwendungsarten/Leistungen nennen.
-> der gute alte BUZ11 (n-K. wohl 100V/36A oder so), IRF95xx als übliche 
p-K. - Je nach genauem Typ bis 20A oder so

>5. Treiber: An veschiedenen Stellen wurde beschrieben, dass man zwischen
>µC und FET einen Bipolartransistor bzw. einen Treiber setzen soll wenn
>die Frequenz zu hoch wird. Was ist denn der Unterschied. Was wären denn
>typische Treiberbausteine?

-> der Treiber soll einerseits den mit der Frequenz wachsenden Gatestrom 
liefern (den der µC nicht liefern kann), und andererseit auch 
Pegelanpassung betreiben (Levelshifter)

>6. Nicht ganz das Thema, aber wieso brauche ich externe PWM-Baustine,
>wenn der AVR doch eigene PWM-Ausgänge hat.

-> wieso brauchen? Kommt doch ganz auf deine Anforderungen an, die 
darüber entscheiden, ob die internen PWM's ausreichen oder nicht.

Autor: Thomas Burkhart (escamoteur)
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@JensG:

Wenn wir mal von den hohen Frequenzen absehen, eher FETs oder bipolar? 
Ich finde FETs halt irgendwie logischer im Schaltplan.

Autor: JensG (Gast)
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ich tendiere auch grundsätzlich zu Mosfets. Bis ein paar 100kHz sind die 
bei mir immer dabei (solange die Treiberstufe die Gatelast tragen kann 
bei guter Flankensteilheit)

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>-> der gute alte BUZ11 (n-K. wohl 100V/36A oder so)

grrr.... gerade der BUZ11 ist ein schlechtes Beispiel um in direkt an 
einen µC zu hängegn. Ein IRLZ34N leistet das gleiche und schaltet bei 5V 
auch wirklich voll durch.

Autor: Alexander (Gast)
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Bei Bipolartransistoren hat man eine Sättigungsspannung, die auch bei 
hohen Strömen nicht wesentlich ansteigt. Die Verlustleistung ist dann Ic 
* Usat und damit bei hohen Strömen oft wesentlich geringer als bei einem 
MOSFET mit Rdson * Id^2. Deshalb gibt es auch IGBTs für hohe Ströme - 
zum Ansteuern nen MOS und zum Schalten einen Bipolartransistor.
Das Problem bei Bipolartransistoren ist die Sättigung, aus der die erst 
nach einiger Zeit rauskommen und deshalb nicht für hohe Frequenzen (um 
die 100kHz) genommen werden. Beim MOSFET ist die einzige Limitierung der 
Gatestrom.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>BUZ11

Hier noch mal der direkte Vergleich weil der Fehler immer wieder gemacht 
wird.

Der IRLZ34N geht bei 5V in etwa bei 70A in die Sättigung.
der BUZ11 schafft bei 5V gerade mal 6-7A bei entsprechen hohen RDSon

Autor: Thomas Burkhart (escamoteur)
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Und was mache ich wenn meine Batterie nur 3V hergibt?

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Thomas Burkhart wrote:
> Und was mache ich wenn meine Batterie nur 3V hergibt?

Dann willst du vermutlich keine 170 Ampere schalten, und suchst einen 
anderen (kleineren) MosFet aus, der bei 3V Gatespannung schon gut 
leitet.

Die üblichen Hersteller (IRF z.B.) bieten dafür Parametrische Suche auf 
ihren Homepages an... Einfach die gewünschten Eigenschaften 
eingeben=>und schon werden die passenden FETs ausgespuckt.

Autor: JensG (Gast)
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@ Kupfer Michi (Gast)
> grrr.... gerade der BUZ11 ist ein schlechtes Beispiel um in direkt an

war auch nicht so richtig auf die 5V-Ansteuerung bezogen - sollten halt 
nur Beispiele sein ...

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Nicht zu vergessen haben Bipolartransistoren eine hoehere Steilheit als 
FETs bei gleichen Strom. Daher kann ein Biploartransistor eine hoehere 
Spannungsverstaerkung pro Stufe erreichen als ein FET.

Die maximale Steilheit beim FET:  S = (2*Ids)/|Up|
Up = Pitch off Spannung

Die Steilheit beim Bipolartransistor:  S = Ic/Ut
Ut = Temperaturspannung  (25mV)

Gruss Helmi

Autor: Thomas Burkhart (escamoteur)
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> Dann willst du vermutlich keine 170 Ampere schalten, und suchst einen
> anderen (kleineren) MosFet aus, der bei 3V Gatespannung schon gut
> leitet.

Ok, wie definiert man bei FETs dann den Term durchgeschaltet? Bzw. wird 
der Rest dann einfach in Wärme umgewandelt?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Thomas Burkhart wrote:

> Ok, wie definiert man bei FETs dann den Term durchgeschaltet?

Du bewegst dich auf dem ohmschen (linearen) Teil der Durchlasskurve.
Das ist R[DS[on]].  In den Diagrammen oben gut zu sehen.

Autor: JensG (Gast)
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Thomas Burkhart (escamoteur)

>Ok, wie definiert man bei FETs dann den Term durchgeschaltet? Bzw. wird
>der Rest dann einfach in Wärme umgewandelt?

je nachdem, wie sehr er durchgeschaltet ist (Gatespannung), gibt's einen 
mehr oder weniger hohen Rdson, damit mehr oder weniger großen 
Spannungsabfall über Drain-Source - zusammen mit dem durchfließenden 
Strom ergibt sich die Verlustleistung. Es ist also immer ratsam, dem 
Mosfet nicht zu wenig Gatespannung zu geben, wenn man nicht zu viele 
Verluste riskieren will.
Als durchgeschaltet kann man ihn immer dann betrachten, wenn er sich 
noch vor der fast waagerechten Linie im obigen Diagramm befindet (also 
im ansteigenden Teil).

Autor: Winfried (Gast)
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Der Preis spielt auch eine Rolle, gerade bei Serienfertigung. Und da 
sind Bipolartransistoren oft wesentlich billiger (z.B. BC547, BC337 
kosten nur 2-3 Cent, kleiner Mosfet kostet 20-50 Cent).


Mosfets haben auch recht große Restströme bei höherer 
Umgebungstemperatur. Und es gibt auch keinen Mosfet, der bei 0.7V schon 
anfängt zu leiten. Und durch die Gatekapazitäten fließt eben doch 
beträchtlicher Strom beim schalten.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Bipolartranistoren haben weniger Spannungsrauschen als Mosfets. Wichtig 
für die Eingangsstufen von OPVs.

MFG
Falk

Autor: Thomas Burkhart (escamoteur)
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Sorry, aber kann mir einer ganz kurz die Diagramme erklären? Verstehe 
nicht wieso es mehr als eine Kurve gibt.

Gruß

Thomas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Thomas Burkhart (escamoteur)

>Sorry, aber kann mir einer ganz kurz die Diagramme erklären? Verstehe
>nicht wieso es mehr als eine Kurve gibt.

Weil die Gate-Source-Spannung variabel ist (VGS).

MFG
Falk

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Das Diagram beantwortet z.B. die Fragen

- Wenn ich x Volt an GS anlege und haben möchte dass y Ampere ID 
fliessen sollen wieviel Volt DS muss ich dann anlegen?
Oder andersherum: Wenn bei x Volt GS y Ampere ID fliessen, wieviel Valt 
fallen dann an DS ab und welche Verlustleistung ergibt sich daraus.

- wie ist der Verlauf von RDSon bei einer gegebenen GS Spannung in 
abhängigkeit von einer bestimmten ID / VDS kombination? (einfach VDS/ID 
ausrechnen)

- die Steigung der Gerade vom Nullpunkt aus gibt also den bestmöglichen 
RDSon Wert an

Autor: Thomas Burkhart (escamoteur)
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Ach so, Gate-Source Spannung ist ja nicht gleich Gate-Masse Spannung 
oder hab ich das jetzt falsch verstanden?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Kupfer Michi (Gast)

>- Wenn ich x Volt an GS anlege und haben möchte dass y Ampere ID
>fliessen sollen wieviel Volt DS muss ich dann anlegen?

Siehe Diagramm. Das ist aber Linearbetrieb, nicht Schaltbetrieb. Ohne 
Gegenkopplung bekommt man das aber kaum stabil und reproduzierbar hin, 
wei die Schwellenspannung recht grosse Herstellungstoleranzen hat.

>- wie ist der Verlauf von RDSon bei einer gegebenen GS Spannung in
>abhängigkeit von einer bestimmten ID / VDS kombination? (einfach VDS/ID
>ausrechnen)

Ja. Bei kleinen Spannungen bis etwa 1V linear, dann gehts langsam in die 
Sättigung.

>- die Steigung der Gerade vom Nullpunkt aus gibt also den bestmöglichen
>RDSon Wert an

Ja.

@ Thomas Burkhart (escamoteur)

>Ach so, Gate-Source Spannung ist ja nicht gleich Gate-Masse Spannung
>oder hab ich das jetzt falsch verstanden?

Doch VGS = Gatespannung gegen Masse, da hier von einer Sourceschaltung 
ausgegangen wird und Source somit auf Masse liegt.

MFg
Falk

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>Gate-Source Spannung ist ja nicht gleich Gate-Masse Spannung

????

"Masse" ist der Name eines Potentials das der Designer "willkürlich" 
(wenn auch meist nach gewissen Konvetionen) irgendwo an einen Punkt 
seiner Schaltung hingeschrieben hat.

Der Transistor weiss davon nichts und braucht er auch garnicht.
Alles was ihn zu interessieren hat sind die Pontential und Ströme direkt 
an/zwischen seinen 3 Beinchen. Und auch nur die können daher im DB 
miteinander in Beziehung gesetzt werden.

Bei der klassichen N-FET Schalter Variante bei der die Last an V+ hängt 
ist dann üblicherweise VS=GND. Aber auch nur solange kein Sense 
Widerstand an Source hängt oder der N-FET als High Side Switch (z.B. in 
einer H-Brücke) benutzt wird.

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