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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spielt die Gatekapazität eines MOSFETs bei Frequenzen < 1Hz eine Rolle?


Autor: Spice (Gast)
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Hi Leute,

wollte mal nachfragen, ob die Gatekapazität beim "ab und zu mal 
schalten" von "großen" (4-5A) Lasten eine Rolle spielt. Was muss ich 
beim Kauf eines MOSFETs genau beachten, in meinem Anwendungsfall 
(klein(ste) Frequenz, Ein und Ausschalten, kein PWM, aber das schalten 
übernimmt ein µC mit 5V)
Ist es nötig für den Fall ein Mosfet Treiber einzusetzen, oder reicht 
hier ein LogicLevelTyp mit einem Gatewiderstand aus??? Wie ich nachlesen 
konnte teilen sich hier die Meinungen im Forum. Brauche ich eine 
Komplementär-Endstufe zwischen µC und MOSFET oder reicht da ein 
Widerstand eventuell ein npn-Transistor, mit 1K am Collektor und dann 
zum MOSFET? Wie gesagt ich konnte hier einiges zu dem Thema 
durchforsten, aber einige Sachen sind noch unklar, da sich leider die 
Meinungen trennen :-/
Würde mich über jede Hilfe sehr freuen,
besten Dank im voraus
Gruss Spice

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Wenn du so selten schalten willst, dann kannst du ruhig langsam 
schalten. Die Schaltverluste sind bezogen auf die Einschaltdauer gering. 
Also wird es reichen, den uC-Pin über einen kleinen Widerstand 47 Ohm 
direkt an den Logik-Level-Fet anzuschliessen.

Durch das langsame Schalten bleibt auch die Störausstrahlung gering.
4-5A sind noch keine "große" Last ;-)

EDIT:
Nur beim Reset des uC solltest du aufpassen, und für den Fall (alle Pins 
= Eingang = hochohmig) einen 10k Pulldown vom Gate zur Source legen, 
damit der Fet dann auch sicher abgeschaltet ist.

Autor: Marcel (Gast)
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hi

würde dir nen smart high/low side switch empfehlen (gibts bei infenion). 
kosten quasi nur minimal mehr als nen fet sind aber eigensicher, d.h. 
kurzschlussfest etc.

mfg

Autor: HildeK (Gast)
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In unseren Stromversorgungen wurden die Teilspannungen mit 
Logiclevel-Mosfets (im SO8-Gehäuse) geschaltet. Ströme von 5A und mehr 
(zugegeben, die Einschaltströme waren wohl kleiner). Direkt von der 
Logik über einen Vorwiderstand (100 Ohm - 1k) an das Gate.
Das reicht immer noch locker für <1ms Slope.

Autor: A. K. (prx)
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Letztlich spielen 2 Aspekte dabei eine Rolle:

1) Die während des Schaltvorgangs auftretenden Werte von Strom+Spannung 
müssen im zulässigen Bereich bleiben. Während des Schaltvorgangs wird 
der Transistor deutlich belastet. So muss beispielsweise bei induktiver 
Last im Schaltvorgang der Transistor kurzzeitig den vollen Laststrom bei 
voller Lastspannung verdauen.

In den Datasheets von Leistungstransistoren (bipolar und MOSFETs) findet 
man stets ein Diagramm, in dem deren gleichzeitig zulässige Werte in 
Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind. Nenn sich "safe operation 
area" (SOA).

Die Schaltzeit wiederum ist von der Treiberschaltung und der effektiven 
Gatekapazität abhängig. Ein AVR ist ein recht niederohmiger Treiber und 
schaltet den MOSFET viel schneller als ein CD4002 (als Extrembeispiel).

2) Verlustleistung = Wärme. Je öfter man schaltet, desto häufiger tritt 
diese Maximallast auf und desto wärmer wird er. Bei 1Hz ist das 
klarerweise noch kein Problem.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> smart high/low side switch empfehlen
> ... infenion ...
Ich kenne da die BTS711L1, BTS724G und TLE6220 von Infineon.
Ja, das sind schon schnuckelige Dinger, aber bei induktiven Lasten ist 
trotz dem All-Inclusive u.U. eine Freilaufdiode angesagt.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Bei induktiver Last tritt im Schaltvorgang kurzzeitig der volle Laststrom
> und die volle Lastspannung am Transistor auf
Bei induktiver Last steigt der Strom gemächlich an   ;-)
Und die volle Lastspannung liegt an, wenn der Transistor aus ist.

Autor: A. K. (prx)
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Korrekt, wenn er einschaltet.

Was aber passiert wenn er ausschaltet?
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0208031.htm

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Was aber passiert wenn er ausschaltet?
Dann sollte man dem Strom einen Pfad geben, in dem er weiterfließen 
kann. Beliebt z.B. in Form einer Freilaufdiode   :-)

Autor: Spice (Gast)
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Besten Dank an alle,
habt mir wirklich weitergeholfen...
Eigentlich möchte ich ja "nur" eine Versorgungsspannung an eine Last 
"klemmen", ohne wirklich die Last einzuschalten. Das Einschalten des 
"geschlossenen" Verbrauchers geschieht später definiert und automatisch, 
bei maximalen Peaks von ca 3-4A, Dauerstrom ca 1.5A
Gruss Spice

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Eigentlich möchte ich ja "nur" eine Versorgungsspannung an eine Last
> "klemmen", ohne wirklich die Last einzuschalten.
Das hört sich aber irgendwie danach an, als ob du die 
Versorgungsspannung schalten willst (High-Side). Oder was macht die 
angeschlossene Schaltung, wenn du ihr die Masse wegnimmst?

Autor: Spice (Gast)
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könnte ja eventuell auch ein p-channel nehmen und last an drain=gnd? 
Umgehe ich das Problem dann?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Spice wrote:
> könnte ja eventuell auch ein p-channel nehmen und last an drain=gnd?
> Umgehe ich das Problem dann?
Was ist die Eingangsspannung (Source)? Wenn du dort (genauso wie der uC) 
auf der 5V-Schiene bist, dann dürfte das gehen (Ugs=-5V).

Autor: A. K. (prx)
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Lothar Miller wrote:

> Dann sollte man dem Strom einen Pfad geben, in dem er weiterfließen
> kann. Beliebt z.B. in Form einer Freilaufdiode   :-)

In dieser Zeit liegt Drain/Kollektor auf Ub+0,7V (low side switch). Der 
Transistor leitet aber noch ziemlich gut. Ergo: hohe Spannung und hoher 
Strom. Wie das genau aussieht dürfte von sowohl Schaltzeit als auch 
Induktivität abhängen.

Autor: Spice (Gast)
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Eingangsspannung? Am Source liegen etwa (ich korrigiere) 4V an, auch am 
µC, also nicht ganz 5V..

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Spice,

ist Dir eventuell mit einem Relais am besten geholfen?


Gruß,
  Michael

Autor: Spice (Gast)
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sehr ungern relais...

Autor: aha (Gast)
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>Spielt die Gatekapazität eines MOSFETs bei Frequenzen < 1Hz eine Rolle?

Kommt auf den Strom an den man zur verfuegung hat. Ein Gate hat etwa 
eine Kapazitaet von 1nF, dh mit 1nA macht das gate grad mal 1V pro 
sekunde. Zum schalten braucht man man 2..5V, dh es recht gerade mal noch 
knapp fuer einen schaltzyklus alle 10s.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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A. K. wrote:
> In dieser Zeit liegt Drain/Kollektor auf Ub+0,7V (low side switch).
> Der Transistor leitet aber noch ziemlich gut.
Solange der noch leitet wird die Spannung immer kleiner sein als Ub.
Erst wenn der Transistor sperrt kann die Spannung Ub+0,7V erreichen.

@  aha (Gast)
> Ein Gate hat etwa eine Kapazitaet von 1nF, dh mit 1nA macht das
> gate grad mal 1V pro sekunde. Zum schalten braucht man man 2..5V,
> dh es recht gerade mal noch knapp fuer einen schaltzyklus alle 10s.
Das sind keine Worst-Case, sondern Wurst-Käse-Berechnungen. Selbst der 
miserabelste uC-Ausgang schafft locker 1mA, das sind 6 Zehnerpotenzen 
mehr als in deinem Rechenbeispiel. Also ist die Umschaltzeit eine 
Million mal schneller und mithin 10us. Das ist schnell genung.
Und sogar, wenn du aus Versehen "nur" den integrierten Pullup 
verwendest, hast du immer noch 100uA und damit 100us Umschaltzeit.

Leute, macht die Sache doch nicht unnötig kompliziert ;-)

@  Spice (Gast)
> Eingangsspannung? Am Source liegen etwa (ich korrigiere) 4V an,
> auch am µC, also nicht ganz 5V..
Also so etwa?
 4V o---o---___-------o 
        |     |
        uC----'         Verbraucher
        |      
 0V o---o-------------o

Autor: A. K. (prx)
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Lothar Miller wrote:

> Solange der noch leitet wird die Spannung immer kleiner sein als Ub.
> Erst wenn der Transistor sperrt kann die Spannung Ub+0,7V erreichen.

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-990.pdf Seite 6/7.
Bezieht sich dort auf IGBT, aber dem Spannungs/Stromverlauf ist egal, ob 
da ein IGBT, ein MOSFET oder ein Bipolartransistor schaltet. Der Kram 
mit dem 2nd breakdown betrifft MOSFETs natürlich nicht.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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A. K. wrote:
> In dieser Zeit liegt Drain/Kollektor auf Ub+0,7V (low side switch).
> Der Transistor leitet aber noch ziemlich gut.
Ok, es gibt beim Abschalten einer Induktivität also einen Zeitpunkt, an 
dem der volle Strom durch den Transistor fließt und die 
Versorgungsspannung anliegt. Das ist (u.U.) ausserhalb der SOA.
Dabei wird aber nicht die maximale Spannung und genausowenig der 
maximale Strom überschritten. Es wäre "nur" die Leistung, die im 
statischen Betrieb das Bauteil zerstören würde. Aber tatsächlich tritt 
dieser Betriebszustand ja nur auf, bis die Diode den Strom übernommen 
hat.
Der Übergang durch die SOA ist nichts neues und wird üblicherweise als 
"Schaltverluste" bezeichnet. Oder liege ich falsch?

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Lothar Miller wrote:

> ...
> Der Übergang durch die SOA ist nichts neues und wird üblicherweise als
> "Schaltverluste" bezeichnet. Oder liege ich falsch?

Nein, das ist IMHO korrekt.

Autor: A. K. (prx)
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Yep, jetzt sind wir uns einig.

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