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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Logic-Level Mos-Fet Ansteuerung


Autor: Martin Frese (Firma: privat) (machtin)
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Hallo zusammen,

ich oute mich mal als MOS-Fet Neuling... und somit ahnungsloser... :-)

Wenn ich einen

IRLML2502PBF (Logic-Level-FET)

direkt mit dem Ausgang eines Tiny26 (z.b.) ansteuere (µC - R 50o Ohm - 
Gate), wie berechne ich dann die auftretenden Verlust beim schalten
eines DC-Motors (15V, 0,6 A) bei einer PWM-Frequenz von 32 hz oder einer 
PWM von 30 khz.

Eine Formel und eine kurze Erklärung wäre super nett.

Danke !

Gruss Martin

: Verschoben durch Admin
Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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u(t) und i(t) für den FET malen und p(t) ausrechnen. Dasfür eine 
PWM-Periode aufsummieren (integrieren) und dann mit der PWM-Frequenz 
multiplizieren

Autor: Martin Frese (Firma: privat) (machtin)
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Erst mal danke für die schnelle Antwort...

>u(t) und i(t) für den FET malen und p(t) ausrechnen. Dasfür eine
>PWM-Periode aufsummieren (integrieren) und dann mit der PWM-Frequenz
>multiplizieren

aber kannst du es auch so erklären das es ein Realschüler der inzwischen 
schon fast 40 ist versteht...:-)

Gruss Martin

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Im Ausgeschalteten Zustand (des Fets) ist die Spannung über dem FET 15V, 
der Strom Null.

Beim Einschalten steigt der Strom linear in der Einschaltzeit tr auf 
0,6A.
Gleichzeitig sinkt die Spannung linear auf Null.
Das Prdukt aus u(t) und i(t) wird parabelförmig aussehen. Die 
"verbrauchte" Umschaltenergie ist etwa
15V mal 0,6A mal tr durch 4. Diese nenne ich mal Er.

Da die Induktivität Beim Ausschalten den Strom weiter treibt, bleibt der 
konstant bei 0,6A. Die Spannung steigt allerdings linear auf 15V an. 
Danach kommutiert der Strom (idealerweise) ruckartig auf die 
Freilaufdiode. Die Zeitspanne hier heißt tf.
Das Produkt aus u(t) und i(t) ist wieder p(t) und steigt linear an,  bis 
es beim Kommutieren schlagartig auf Null zurückgeht. Die Energie hier 
ist etwa 15V mal 0,6V mal tf durch 2. Ich nenne sie mal Ef.

Während der FET leitet verbrät dieser etwa Rdson mal (IMotor)².
Somit sei Eo = (0,6A)^2 mal 45mOhm mal ton (Datenblatt), also etwa
16mW mal ton.

Zu tr und tf: Das sind die Umschaltzeiten. Diese sind abhängig von der 
Ansteuerung des Fets und auch (in gewisser Weise) von der PWM-Frequenz.
Diese sollten kleiner 1% der PWM-Periodendauer sein.

Die Freilaufdiode, die den Strom aufkommutiert bekommt, braucht etwa 
0,7V mal 0,6A mal toff.

Ton ist die Einschaltzeit der PWM und toff die Ausschaltzeit.

Hast du eine Vollbrücke mit vier Transistoren, dann gilt das nur für 
einen.
Also mal vier.

Hinweis:
ton und toff sind zusammen die Periodendauer der PWM, falls der 
Motorstrom nicht lückt, also die Frequenz ausreichend hoch ist.
Die Rechnung ist stark vereinfacht, sollte aber ausrechend genau sein um 
die Größe der Verlustleistung abzuschätzen.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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> aber kannst du es auch so erklären das es ein Realschüler der inzwischen
> schon fast 40 ist versteht...:-)

Eine solche Erklärung gibt es nicht. In Wirklichkeit wäre eine 
analytische Berechnung noch wesentlich komplizierter als beschrieben. Da 
gehen neben dem Gatewiderstand und der Steuerspannung viele Parameter 
des FETs und der Last mit ein. Man kann nur sagen, dass die dynamischen 
Schaltverluste bei Frequenzen unter 100 Hz i.d.R. vernachlässigbar 
gering sind. Alles andere mußt Du ausprobieren und Messen.

Jörg

Autor: Martin Frese (Firma: privat) (machtin)
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Matthias Lipinsky wrote:
...
> Zu tr und tf: Das sind die Umschaltzeiten. Diese sind abhängig von der
> Ansteuerung des Fets und auch (in gewisser Weise) von der PWM-Frequenz.
> Diese sollten kleiner 1% der PWM-Periodendauer sein.
...

Wow, gut erklärt (ich muss mir das aber mal etwas länger durch den Kopf 
gehen lassen um zu überlegen od ich es wirklich verstanden hab...)

Tja und genau bei tr und tf weiß ich nicht wie ich die abschätzen 
kann...

Ich geh mit 5V und ca. 10 mA (Controllerausgang mit nachgeschaltetem 500 
Ohm R) aufs Gate und such ne Pi*Daumen-Formel und die Umladezeit zu 
berechnen.

Gruss Martin

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Was ist oben vergessen hab:

Alle diese Energien sind zu addieren. Das ist die Verlustenergie für 
einen PWM-Zyklus. WIrd diese mit der PWM-Frequenz multipliziert, 
entsteht die Verlustleistung (je Tr...)


Anbei mal ein schnelles visio-bild der ungefähren Verläufe.


>Ich geh mit 5V und ca. 10 mA (Controllerausgang mit nachgeschaltetem 500
>Ohm R) aufs Gate und such ne Pi*Daumen-Formel und die Umladezeit zu
>berechnen.

Damit kannst du ausrechnen, wielange es dauert, die Gatekapazität 
umzuladen.

Im Datenblatt
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir...
Seite 4, Figure6 siehst du das "Gate-Umlade-Diagramm".
Das durchläufst du beim Umladen immer.

Der kurze waagerechte Bereich ist der sogenannte lineare Bereich des 
FETs.
Die Dauer, die du auf dieser waagerechten Fläche zubringst, ist etwa tf 
bzw tr, je nach rRichtung.

Autor: Martin Frese (Firma: privat) (machtin)
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Moin,

erst mal recht herzlichen Dank für die schnellen Antworten und 
Erklärungen !

Noch eine letzte Frage:

Kann ich auch mit 4 N-Channel MOS FET eine H-brücke bauen ?

Bis jetzt hab ich immer nur Schaltpläne von H-Brücken mit 2 N- und 2 
P-Channel-MOS FET gefunden !

Nochmal vielen Dank im voraus !

Gruss Martin

Autor: aha (Gast)
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Sicher kann man mit N Fets eine Bruecke bauen. Das Problem sind die 
oberen FETs positiv anzusteuern. Dazu benoetigt man Spannungen groesser 
als die Versorgung. Dazu gibt es Bruecken treiber, resp 
Halbbureckentreiber.

Autor: faraday (Gast)
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>Beim Einschalten steigt der Strom linear in der Einschaltzeit tr auf
>0,6A.
>Gleichzeitig sinkt die Spannung linear auf Null.
>Das Prdukt aus u(t) und i(t) wird parabelförmig aussehen. Die
>"verbrauchte" Umschaltenergie ist etwa
>15V mal 0,6A mal tr durch 4.

Ich denke die Spannung fällt erst, wenn der Strom oben ist. Ich würde
15V x 0,6A x tr : 2  rechnen?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Ich denke die Spannung fällt erst, wenn der Strom oben ist. Ich würde
>15V x 0,6A x tr : 2  rechnen?

Hm.. Glaube ich nicht. Ist ja ne Spule. Die braucht erst Spannung, damit 
Strom (langsam) zu fließen beginnt.
Somit muss mindestens die Spannung durchgeschaltet werden, bevor was 
passiert.

Du kannst nat. trotzdem durch zwei rechnen. Da "entstehen" ja größere 
Verlustleistungen, und bist auf alle Fälle sicherer...

Autor: faraday (Gast)
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>Ist ja ne Spule

Wenn ich vom Motor ausgehe, müßte doch ,mal abgesehen vom totalen 
Einschaltbeginn (Spule), der Motorstrom durch die Freilaufdiode kreisen, 
bevor eingeschaltet wird. Dann kann ja die Uds erst fallen, wenn die 
Diode beginnt zu sperren, d.h., der Mos-Strom ist oben.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>der Motorstrom durch die Freilaufdiode kreisen,

Ja, die Freilaufdiode, die gerade leitet (bevor der T angeschaltet 
wird) ist nicht die im Transistor! Es ist immer die andere im selben 
Brückenzweig!

Somit wird der Strom von der Diode übernommen.

Autor: faraday (Gast)
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>Ja, die Freilaufdiode, die gerade leitet (bevor der T angeschaltet
>wird) ist nicht die im Transistor!

das hab ich auch nicht behauptet.
Mal anders ausgedrückt: Mos ist aus, Motorstrom kreist durch die externe 
Diode, Mos wird eingeschaltet, Mos-Strom steigt an und nimmt immer mehr 
vom Freilaufdioden-Strom weg, solange aber Freilaufdiode noch Strom hat 
wird Drain-Potential auf +Ub geklemmt.
Erst wenn der gesamte Motorstrom durch Mos fließt, sperrt Freilaufdiode 
(Irr mal ignoriert) und Drain-Potential sinkt. So sehe ich das 
jedenfalls.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>So sehe ich das jedenfalls.

Klingt plausibel.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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faraday wrote:
> Mal anders ausgedrückt: Mos ist aus, Motorstrom kreist durch die externe
> Diode, Mos wird eingeschaltet, Mos-Strom steigt an und nimmt immer mehr
> vom Freilaufdioden-Strom weg, solange aber Freilaufdiode noch Strom hat
> wird Drain-Potential auf +Ub geklemmt.
> Erst wenn der gesamte Motorstrom durch Mos fließt, sperrt Freilaufdiode
> (Irr mal ignoriert) und Drain-Potential sinkt. So sehe ich das
> jedenfalls.

Ganz so einfach ist es leider auch nicht. Bei "normalen" Dioden muß der 
Transistor noch gegen die Sperrverzugsladung arbeiten. Der daraus 
resultierende zusätzliche Strom fließt vor, während und nach der 
eigentlichen Flanke der D-S-Spannung und produziert zusätzliche 
Verlustleistung in Transistor und Diode. Bei Schottky-Dioden tritt 
dieses Problem zwar nicht auf, aber dann sind da immer noch die z.T. 
spannungsabhängigen parasitären Kapazitäten von Transistoren und Dioden, 
die ge- und entladen werden müssen. Diese tragen bei hohen 
Schaltfrequenzen zumindest im "Hard-Switching-Betrieb" ebenfalls 
erheblich zur Verlustleistung der Transistoren bei. Aus diesem Grund 
kann es sogar passieren, dass ein zu stark dimensionierter Transistor 
trotz geringeren Rdson und ähnlicher Schaltzeiten mehr Verlustwärme 
produziert als einer, der gerade so passt.
Jedenfalls halte ich es für relativ aussichtslos, alle relevanten 
Effekte in eine einfache Formel packen zu wollen

Jörg

Autor: Martin Frese (Firma: privat) (machtin)
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Moin,

langsam langsam... ihr schießt mächtig über das Ziel hinaus...

Ich wollte ja keine "Weltformel" die mir die Verlustleistung im 
Transistor aufs nW genau ausgibt!

Ich wollte doch nur abschätzen ob ich mit dem Logic-Level-MOS FET direkt 
über einen µC-Ausgang (begrenzt auf 10 mA) eine PWM von 30 Hz bzw 
eventuell auch 30 kHz schalten kann, ohne das mit der FET verglüht.
Ob der FET bei Umgebungstemperatur von 20°C nur im Betrieb 37,876°C warm 
wird oder 53,421°C ist mir eingentlich relativ schnuppe..:-)

Nicht desto trotz ein lehrreichen und interessanter Thread!

Gruss Martin

Autor: faraday (Gast)
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>>sperrt Freilaufdiode(Irr mal ignoriert)

>Bei "normalen" Dioden muß der
>Transistor noch gegen die Sperrverzugsladung arbeiten

ich sehe da keinen Widerspruch

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Martin Frese wrote:

> Ich wollte ja keine "Weltformel" die mir die Verlustleistung im
> Transistor aufs nW genau ausgibt!

Darum ging es mir auch nicht. Ich wollte nur "anmerken", dass diese 
einfache Formel in der Größenordnung daneben liegen kann, wenn man die 
erwähnten Effekte nicht berücksichtigt und von daher auch nicht 
unbedingt dazu geeignet ist, die Verlustleistung abzuschätzen.

faraday wrote:

>>Bei "normalen" Dioden muß der
>>Transistor noch gegen die Sperrverzugsladung arbeiten
>
> ich sehe da keinen Widerspruch

Widerspruch wozu ?
Zitat:
faraday wrote:
> Mal anders ausgedrückt: Mos ist aus, Motorstrom kreist durch die externe
> Diode, Mos wird eingeschaltet, Mos-Strom steigt an und nimmt immer mehr
> vom Freilaufdioden-Strom weg, solange aber Freilaufdiode noch Strom hat
> wird Drain-Potential auf +Ub geklemmt.
> Erst wenn der gesamte Motorstrom durch Mos fließt, sperrt Freilaufdiode
> (Irr mal ignoriert) und Drain-Potential sinkt. So sehe ich das
> jedenfalls.

Das stimmt nicht, jedenfalls nicht unter Berücksichtigung der 
dynamischen Eigenschaften der Diode. Der Drainstrom kann durchaus auf 
ein Mehrfaches des Spulenstromes ansteigen, bevor die Diode sperrt. 
Schau Dir mal das letzte Diagramm in folgendem Datenblatt an:
http://www.fairchildsemi.com/ds/UF/UF4007.pdf
Dort ist schön zu sehen, dass der Diodenstrom keineswegs einfach auf 
null abklingt. Was dort nicht zu sehen ist, ist der Anstieg der 
Sperrspannung, bevor die Diode richtig sperrt.

Jörg

Autor: faraday (Gast)
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Es ging darum, einem FET-Neuling einen Anhaltspunkt für die 
Verlustleistungsabschätzung zu geben.
Das hat lippy schon ganz brauchbar gemacht.
Mir ist dann eine Kleinigkeit aufgefallen und wir haben sie 
ausdiskutiert.
Die Qrr-Geschichte hatte ich extra ausgeklammert, um die Sache nicht zu 
kompliziert zu machen.
Wenn Du sagst, daß man das nicht einfach so ignorieren kann, möchte ich 
bemerken:
Wenn auch Irrm eine ansehnliche Größe erreichen kann, so gehört auch ein 
entsprechendes -dI/dt dazu.
Das hat wieder Einfluß auf trr. Wichtig wäre auch der Anteil von trr an 
der gesamten Flankenlänge.
Ich will jetzt keine Wissenschaft daraus machen, aber "rein 
gefühlsmäßig" würde ich sagen, daß bei 15V dieser Pv-Anteil doch 
ziemlich klein sein müßte.

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