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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie Ugs (p-FET) sinnvoll begrenzen?


Autor: Fabian B. (fabs)
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Hallo Leute,
 ich habe eine Betriebsspannung von 35-45V, die ich Highside auf eine 
Last schalten möchte. Dafür soll ein IRL9Z34N herhalten.
So weit, so gut.
Jetzt ist aber i.A. die maximale Ugs bei Fets so bei 20V und wenn ich 
jetzt das Gate hart auf Masse ziehe wird's vermutlich knallen.

Bisher hab ich folgende Schaltung

                     +35-45V
                        |
     ,------,-----------|
     |      |           |
    ,-,    ---,  ,-,|---*---. IRL9Z34N
 10k| |  12V^    | ||->-'   ^
    '-'     |    | ||---*---'
     |      |    |      |
     `--*---´----´      |
        |               |
       ,-,              |
    10k| |             ,-,
       '-'             | | R_l
        |              '-'
---,|---*---. BS170     |
   ||-<-,   v          ---
   ||---*---'
        |
       ---

Da ich so aber zum einen Ständig einen Strom fließen habe (und es gibt 
40 solche Kanäle!) und zum anderen die Schaltzeit suboptimal ist, suche 
ich nach einer besseren Lösung.
Ich Schaltzeit des IRL ist nicht wirklich wichtig, aber sie sollte schon 
deutlich <100us liegen, da kurz ein sehr grosser Strom fließt und ich 
nicht unnötig Energie verheizen will.

Hat jemand einen Vorschlag, wie man das verbessern könnte?
Wichtig wäre eigentlich nur, daß kein allzu hoher Bauteilaufwand 
betrieben werden muß, weil's halt 40 solcher Kanäle gibt.

Danke und Gruß
Fabian

Autor: Fabian B. (fabs)
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Keiner eine Idee? oder ist der Ansatz mit dem P-Fet so schon ungünstig?

Gruß
Fabian

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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P-Fet ist immer etwas ungünstig...

Einfachste Lösung:
N-Fets nehmen und Masse schalten (wenn die Lasten das erlauben)

Einfache Lösung mit P-Fets:
Logik-Teil mit 7905 versorgen, dadurch eine "virtuelle Logik-Masse" bei 
etwa 30-40 V erzeugen. Gates direkt an die Logik-Ausgänge anschliessen

Teuere Lösung:
N-Kanal-Fets mit Highside-Treibern.

Diskrete Lösung:
zweite Versorgungsspannung für Gates mit 7912 erzeugen, Mosfet-Treiber 
(NPN/PNP) vor die P-Kanal-Fets, mit Level-Shifter ansteueren.


usw.

Autor: Fabian B. (fabs)
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Hallo Ernst,
 danke Dir erstmal.

Masse schalten möchte ich nicht -> an der Last möchte ich nicht 
"ständig" VCC anliegen haben.

Meinst du mit deiner "Einfache Lösung mit P-Fets" die ganze Logik 
einfach zwischen VCC und VCC-5V aufzuhängen?
Eigentlich keine schlechte Idee... muss mal schauen, ob sich das 
Realisieren lässt.
Die ganze Schaltung wird nachher aus 3-4 in Serie geschalteten Pb-Akkus 
versorgt, dann könnte ich die Logik auf die "oberste" Batterie hängen 
und die Power-Masse auf die "untereste"...

Eigentlich wären mir N-Fets auf der Highside auch am liebsten, aber ich 
hab nix gefunden an Treibern, die dafür gut geeignet wären...hab ich 
auch noch nie zuvor gebraucht.
Hat da jemand nen guten Vorschlag?

Der Preis ist nicht so wirklich ausschlaggebend, wird eh ein 
Einzelstück, aber wenn die Treiber jetzt mehr kosten als die ganze 
Kalkulation bis jetzt wäre's natürlich unschön.

Gruß
Fabian

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Autor: Fabian B. (fabs)
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Hallo Matthias,
 danke für's Schaltbild.
Irgendwie steig ich da aber grad nicht so ganz durch...kannst du dazu 
vielleicht noch ein paar erklärende Worte finden?
Wenn am Eingang 0V anliegen zieht der NPN das Gate auf +36V, aber wenn 
5V am Eingang anliegen und der PNP aufmacht seh ich nicht wie die 
Spannung am Gate begrenzt wird...und auf welches Potential?

Gruß
Fabian

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>enn am Eingang 0V anliegen zieht der NPN das Gate auf +36V, aber wenn
>5V am Eingang anliegen und der PNP aufmacht seh ich nicht wie die
>Spannung am Gate begrenzt wird...und auf welches Potential?

>nd der PNP aufmacht seh ich nicht
Das ist der Fehler! Diese Schaltung arbeitet KOMPLETT analog. Es wird 
keiner der drei Transistoren JEMALS in die Sättigung getrieben! Sonit 
ist diese Schaltung sehr schnell. (100kHz locker, und demzufolge für PWM 
geeignet)

Ganz einfach:

R2/Q2 bildet eine Konstantstromquelle.
Der Strom, der durch R1 getrieben wird (im Bild 13mA angegeben), lässt 
sich nach folgender Formel berechnen:
     u_in - 0,6V
i = -------------
         R2

mit 0/5V und 330Ohm ergeben sich somit etwa 0/13mA.
Dieser Strom lässt über R1 eine Spannung von u_r1 = i*R1 abfallen.
In diesem Beispiel also 0/13V. Da diese Spannung ja aber von der 
Betriebsspannung abgezogen werden muss, liegt am Knoten C_Q2&R1 eine 
Spannung von 36/23V.
Also, egal wie hoch die Betriebsspannung ist, dieser Knoten hat IMMER 
Betriebsspannung oder 13V weniger!
Die Schaltung Q1&Q3 ist eine sogenannte Push-Pull-Stufe. Diese wirkt als 
Stromverstärker. Es findet keine Spannungsverstärkung statt. Die 
Ausgangsspannung ist somit immernoch 36/23V, nur kann diese jetzt durch 
eine Last belastet werden.
=> Gatespannung (gegen SOURCE) 0/-13V, unabhängig von Betriebsspannung.


(PS: Erklärung gilt nur, wenn keine Grenzen (MAX-Werte) überschritten 
werden)

Autor: Fabian B. (fabs)
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Na klasse! Wenn man's gesagt bekommt isses sonnenklar!
Ich hab mich von der Push-Pull-Stufe irritieren lassen, mein Kopf war 
irgendwie festgefahren bei PNP oben, NPN unten, also ein 
Spannungs-Strom-Verstärker.

Ich danke dir vielmals!!!

Wenn mir jetzt noch jemand ein Paar (PNP und NPN) Transistoren im SOT23 
o.ä. Gehäuse nennen kann, die Vce >= 60V haben, wäre ich 
überglücklich...in einem Package oder getrennt is erstmal egal.

Gruß
Fabian

Autor: 3359 (Gast)
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Fabian,
die urspruengliche Schaltung war nicht schlecht, kann verbessert werden. 
Zum einen ist der 10k Pullup zu gross, dauert zu lange, mach da einen 2k 
hin. Zum anderen kann man den unteren Schalter als Stromquelle 
ausfuehren. Dies, indem man dem BS170 einen Sourcewiderstand spendiert.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>SOT23 o.ä. Gehäuse nennen kann, die Vce >= 60V haben,

Ja, gucke in meine Schaltung

;-)

Autor: Fabian B. (fabs)
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@3359: Du meinst einfach so z.B.:

                     +35-45V
                        |
     ,------------------|
     |                  |
    ,-,          ,-,|---*---. IRL9Z34N
 1k | |          | ||->-'   ^
    '-'          | ||---*---'
     |           |      |
     `--*--------´      |
        |               |
        |               |
        |              ,-,
        |              | | R_l
        |              '-'
---,|---*---. BS170     |
   ||-<-,   v          ---
   ||---*---'
        |
       ,-,
  330R | |
       '-'
        |
       ---

Dann müsste ich ca 15mA fließen haben und eine Ugs von -15V.

@Matthias: Der bc847c ist im Datenblatt von ST aber nur mit Vce(max) 50V 
angegeben...das ist bei 4 vollen Pb-Akkus als Versorgung schon zu wenig 
(4 x 13,4V = 54V).

Gruß
Fabian

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Das kannst als Transistoren BCP53 /56 verwenden.
Die haben eine Kollektor - Emitterspannung von 80V.


http://www.fairchildsemi.com/ds/BC/BCP56.pdf

Gruss Helmi

Autor: Fabian B. (fabs)
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@Helmut: das SOT-223 ist leider schon wieder recht gross...doppelt so 
gross wie das SOT-23.

@Matthias: dann biste in der Zeile verrutscht! der BC847/857 hält nur 
45-50V aus... der BC846/856 macht aber 65V. der sollte also gehn.

was haltet ihr von der von 3359 vorgeschlagenen Schaltung (siehe 3 Posts 
weiter oben)? würde halt 2 Transistoren pro Kanal sparen.

Gruß
Fabian

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>was haltet ihr von der von 3359 vorgeschlagenen Schaltung

Wenn du selten und langsam schaltest, dann kannst du das so machen.
Wenn du aber PWM machst, würde ich zu der raten. soooo groß und teuer 
sind die beiden TRansistoren ja nun auch nicht...

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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@Fabian

Neben der Spannung der Transistoren solltest du auch mal die 
Verlustleistung in der Schaltung von Matthias Lipinsky betrachten.
Da könnte SOT23 schon etwas knapp werden.

Gruss Helmi

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Verlustleistung in der Schaltung von

Willst jetzt meine sSchaltung madig machen..?
;-))

100% duty cycle:
Q2:
( 36V - (330Ohm+1k)*13mA ) * 13mA = 250mW

Q1:
=> die in FET (G-S Kapazität) gespeicherte Ladung pro Umschaltvorgang 
vernichten.
Q3:
=> NULL

Autor: Fabian B. (fabs)
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Ich hab nur quasistationäre Zustände: Jeder Kanal wird für 10-100ms 
eingeschaltet und das praktisch nur einmal. Also der rechnerische 
Duty-Cycle geht gegen 0.

An der einfacheren Variante gefällt mir vor allem der geringere 
Lötaufwand: es ist schon ein Unterschied ob ich pro Kanal 2 Transistoren 
(=80 Transistoren) oder 4 (=160 Transistoren) habe ;-)

Ich danke euch allen aber herzlich! Das hat mir echt weiter geholfen!

Gibts eigentlich nen SOT-23 Äquivalent vom BS170? Sonst nehm ich da 
einfach den BC846...

Gruß
Fabian

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Willst jetzt meine sSchaltung madig machen..? ;-))

Nein würde ich doch nie tun.

>100% duty cycle:
>Q2:
>( 36V - (330Ohm+1k)*13mA ) * 13mA = 250mW

ist schon korrekt.

aber bei 54V wie oben beschrieben

( 54V - (330Ohm+1k)*13mA ) * 13mA = 477mW

BC847  max. 250mW

Gruss Helmi

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Vielleicht wäre das was für dich


http://www.infineon.com/dgdl/BTS4880R_20040127.pdf...

Autor: Fabian B. (fabs)
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Ja die hatte ich mir auch schonmal angesehn, aber leider is die Max-Spng 
wieder etwas knapp (48V) und vor allem der Laststrom ist deutlich zu 
klein (1,5A).
Meine Last kann u.U. schonmal 10A für bis zu 10ms ziehen und dann 
schalten diese "intelligenten" Switches die Last einfach wegen 
Over-Current ab.
Mit dem IRL9Z34N hab ich nen PFet mit 100mR On-Widerstand und der kann 
locker genug Strom.

Gruß
Fabian

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Du kannst die Schaltung ja auch umdimensionieren, sodass nur 1,3mA 
fließen und  dann den Widerstand um den Faktor 10 erhöhen, damit wieder 
die gleiche Spannung abfällt, könnte vielliecht ein klein wenig auf die 
Schaltzeit gehen, sollte aber funktionieren.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Du kannst die Schaltung ja auch umdimensionieren, sodass nur 1,3mA
>fließen und  dann den Widerstand um den Faktor 10 erhöhen, damit wieder
>die gleiche Spannung abfällt, könnte vielliecht ein klein wenig auf die
>Schaltzeit gehen, sollte aber funktionieren.

Das geht natürlich auch. Die Schaltzeiten solltest du halt einfach mal 
mit nem Oszi nachkontrollieren...

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