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
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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
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
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.
> 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
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
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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/irlml2502pbf.pdf 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.
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
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.
>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?
>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...
>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.
>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.
>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.
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
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
>>sperrt Freilaufdiode(Irr mal ignoriert) >Bei "normalen" Dioden muß der >Transistor noch gegen die Sperrverzugsladung arbeiten ich sehe da keinen Widerspruch
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
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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