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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik BJT oder MosFET für Stepdown und welcher?


Autor: Leo B. (luigi)
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Hi leute,

ich vergoogle an folgender Frage.

Mein Plan ist einen Stepdown-Wandler zu bauen. Ausgelegt für bis zu 60V 
und 20A. Nur finde ich weder eine Antwort auf die Frage ob ich dazu 
besser einen Bipolartransistor oder eher einen MosFET nehmen sollte, 
noch finde ich einen FET oder einen BJT, der die oben angegebenen 
Bedingungen mitmacht.
Daher die 2 Fragen:

- BJT oder MosFET?
- Kennt jemand Bezeichnungen für solche BJTs oder MosFETs?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Hans Wurst (luigi)

>Mein Plan ist einen Stepdown-Wandler zu bauen. Ausgelegt für bis zu 60V
>und 20A.

>- BJT oder MosFET?

MOSFET.

>- Kennt jemand Bezeichnungen für solche BJTs oder MosFETs?

Und du bist sicher, dass dieses Projekt in deiner Liga spielt?

MFG
Falk

Autor: Leo B. (luigi)
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> Und du bist sicher, dass dieses Projekt in deiner Liga spielt?

Nö, aber wer nicht waagt, der nicht gewinnt!
Ich bastel mich da scho rein. Im roßen und ganzen weiß ich ja scho 
alles, nur die Dimension mit den vielen Amps macht mir ein wenig zu 
schaffen...

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Mein Plan ist einen Stepdown-Wandler zu bauen. Ausgelegt für bis zu 60V
> und 20A.
Das ist schon ne ganze Menge.

> Nur finde ich weder eine Antwort auf die Frage ob ich dazu
> besser einen Bipolartransistor oder eher einen MosFET nehmen sollte,
Leistungs-MOSFET mit geringem DS-Widerstand und Kühlkörper. Bei 20A und 
vielleicht 6mOhm kommst du auf eine Verlustspannung von 120mV im 
leitenden Zustand. Ein Bipolartransistor hat typischerweise 0,3V, ein 
IGBT etwa 2V.

Den MOSFET solltest Du mit einem schnellen MOSFET-Treiber ansteuern (z. 
B. MAX5055) oder einem Spezialbaustein für Stepdown-Wandler (Maxim und 
Analog Devices haben einige).
Der MOSFET-Treiber braucht einen hohen Ausgangsstrom, damit der MOSFET 
schnell schaltet. Das vermindert die Umschaltverluste. Beim Umschalten 
hat der MOSFET eine mittlere Spannung und einen mittlerer Strom, das 
heißt eine große Verlustleistung.

> - BJT oder MosFET?
> - Kennt jemand Bezeichnungen für solche BJTs oder MosFETs?
Für MOSFETs kannst Du mal bei IRF, NXP (ehemals Philips), evtl. Infineon 
schauen. Ich kenne keinen Standard-FET für Deine Anwendung.
Die beste Auswahl hast Du, wenn Du nicht nur nach Logik-Level-FETs 
schaust, sondern auch nach anderen, die typischerweise 12V UGS brauchen. 
MAX5055 als Treiber geht glaube ich bis 15V, ist also dafür geeignet.


Gruß,
 Michael

Autor: Leo B. (luigi)
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OK Danke. Dann also einen MosFET (von denen ich wohl weniger verstehe 
als ich dachte.), leuchtet irgendwie ein.
Jetz stellen sich aber dann doch noch einn paar kleine Fragen bzgl. 
MosFETs:

1. Häufig wird der MosFET durch einen Treiber angesteurt, welcher 2 
Aufgaben hat: a) evtl. Pegelwandeln und b) natürlich die Kapazitäten im 
MosFET möglichst schnell (also mit viel Strom) umladen.
Aber was ist der Vortiel einer integrierten Treiberstufe gegenüber 2 bis 
3 Transistoren?

2. Oft sehe ich, dass vor dem Gate noch ein kleiner Widerstand sitzt, 
der hochfrequente Schwingungen ( entstehend durch die Induktivität der 
Leitung und die Kapazität des FET) zu verhindern/schwächen. Aber diese 
Widerstände verringern ja auch wieder die "Ladeströme" des MosFET.
Also Wiederstand ja, nein? und wie groß? 10-30 Ohm habe ich gelesen, 
aber das ist ja bei 1A "Ladestrom" ein riesiger Widerstand.

Autor: Leo B. (luigi)
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ach ja:

3. gibt es auch  Treiber für P-Kanal MosFETs? ich finde die nämlich 
bisher nur für N-Kanal!? oder undefiniert. Eignen die sich?

Autor: Lupin (Gast)
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Oha! 1,2kW sind nicht ganz so einfach zu beherrschen. Vielleicht 
solltest du dich eher an 60V 2A wagen, das ist schon kompliziert genug.

Was hast du überhaupt als Eingangsspannung?

Ich würde mir weniger sorgen über die Transistoren machen als über die 
Induktiven Bauteile die du benötigen wirst. Finde erst mal eine Spule 
die deine 60A mit macht und eine ausreichende Induktivität hat.

Autor: oszi40 (Gast)
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Die Spule wird er irgendwie noch BErechnen können. Ob er dann die Wärme 
abführen kann, wäre die nächste interessante Frage ...

Wozu braucht man 60V 20A ? Für Reparatur des CERN TB :-) ?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> 1. Häufig wird der MosFET durch einen Treiber angesteurt, welcher 2
> Aufgaben hat: a) evtl. Pegelwandeln und b) natürlich die Kapazitäten im
> MosFET möglichst schnell (also mit viel Strom) umladen.
> Aber was ist der Vortiel einer integrierten Treiberstufe gegenüber 2 bis
> 3 Transistoren?
Ein MOSFET-Treiber hat im wesentlichen zwei Vorteile:
a) er kann mit (schwachbrüstigen) Digitalsignalen gesteuert werden
b) er führt eine Pegelwandlung durch.
Je nach Modell ist zur Pegelwandlung eine Ladungspumpe o. ä. eingebaut, 
um auch höhere Spannungen als die eigene Versorgungsspannung zu treiben. 
Bei einem Motortreiber hast Du ja beispielsweise Transistoren gegen VCC 
und Masse; da mußt Du die hohen Spannungen auch treiben können.

Im Prinzip kannst Du solche Treiber auch diskret aufbauen. In aller 
Regel bietet die restliche Schaltung schon genügend Möglichkeiten, 
Fehler einzubauen. Da ist es dann gut zu wissen, daß wenigstens die 
integrierten Bauteile funktionieren.

> 2. Oft sehe ich, dass vor dem Gate noch ein kleiner Widerstand sitzt,
> der hochfrequente Schwingungen ( entstehend durch die Induktivität der
> Leitung und die Kapazität des FET) zu verhindern/schwächen. Aber diese
> Widerstände verringern ja auch wieder die "Ladeströme" des MosFET.
Dabei geht es um die Begrenzung der Ladeströme des MOSFET:

Das Gate kannst Du Dir vereinfacht als einen Kondensator vorstellen. 
Wenn Du apprupt eine Spannungsquelle zuschaltest, so wirkt der 
Kondensator im allerersten Moment wie ein Kurzschluß. Das erzeugt fiese 
Spikes auf der Spannungsversorgung, was besonders störend für analoge 
Bauteile ist. Die Widerstände mildern die Spikes, indem sie den Strom 
begrenzen.
Bei einem integrierten MOSFET-Treiber kannst Du die Gates aber denke ich 
direkt anschließen.

Ich würde erstmal mit einem Abwärtsregler für 40V, 100mA anfangen und 
danach erst mit 60V, 20A. Dann lernst Du das Verhalten der MOSFETS denke 
ich gut kennen.


Gruß,
  Michael

Autor: Leo B. (luigi)
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> Finde erst mal eine Spule
> die deine 60A mit macht und eine ausreichende Induktivität hat.
60A? 20A oder hab ich grad was falsch verstanden?
und da nehm ich 2x10A parallel.
genauergesagt diese wär grad in der engsten Auswahl:
http://www.farnell.com/datasheets/123726.pdf
zwar ist 1mH wirklich ordentlich was, aber das halbiert sich ja mit dem 
parallelschalten. Trotzdem scheint mir das ganz gut zu gebrauchen zu 
sein für mein Vorhaben.
Im großen und ganzen kann ich ja auch auflösen, dass ich mit 20A 
oversized rechne. Mein Trafo liefert laut aufdruck 10A. N bissl 
überlastet komm ich auch auf 15A. Kurz sogar auf 20A. Dass mir niemals 
etwas durchbrennt lege ich also alles auf 20A aus, auch wenn ich am ende 
ne Strombegrenzung auf 15A einbau.
Ich bau alles immer ein gutes stück oversized, dann hälts auch mal bissl 
blödsinn aus. Oder ist das etwa falsch?

> Ich würde mir weniger sorgen über die Transistoren machen als über die
> Induktiven Bauteile die du benötigen wirst. Finde erst mal eine Spule
> die deine 60A mit macht und eine ausreichende Induktivität hat.
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/abw_smps.html
dimensioniert wird nach dieser Berechnung. So pi mal Auge.


@ Michael Lenz:
Danke für deinen Beitrag. das hilft mir schon ein gutes Stück weiter.

Autor: Hans Grüner (weakbit)
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Ich schlage Dir mal IRF als Transistor Hersteller vor der Grund Du wirst 
so ca.€2000,- brauchen für die FETs weil Du wenn Du das noch nie gemacht 
hast einfach nur unauffindbare Probleme zusammenbaust das braucht Rund 
1-2Jahre und ca. €2000,- für die gekillten FETs.
IRF ist der günstigste Anbieter ausser du willst BUX verwenden Preis x3 
ist halt ein Deutscher!
So und nun zur Spannung 60V viel zu viel da gibt es nichts billiges ich 
würde dir vorschlagen 45V max und Strom 20A da brauchst mit allen 
Testaufbauten die im Übrigen nur auf Print sein dürfen (nix Steckbrettl 
geht nicht da andere Induktivitäten und Kapazitäten) den die Geometrie 
ist nicht einfach für so ein Netzteil.
Tipp fürs Routing aus einem Massepunkt Sternförmig geroutet!
Die Anschlüsse zum Transistor immer sehr kurz halten den Merke jeder 
Anschlusshaxn ist ein L! und zum anderen Haxn ein C!
Dann haben wir da noch die Miller Kapazität Sie kostet bei Deinem 
Projekt ca. 200 Arbeitstage bis Du Sie mit Volllast, Wechsellast 
einschaltmoment in einen Bereich bekommst das Sie nicht aufschwingt, zu 
stark dämpft und den Umladeprozess unnötig verlangsamt und somit das 
Entlerren des Gates soweit behindert das es dann zu unnötigen Verlusten 
am Drain/Source Kanal kommt weil der nicht schnell genug zumacht und das 
Ding kaputt geht.
Du weisst nie warum das so ist den defür gibt es Leute dennen man SEHR 
Viel Gald zahlt das Sie das bauen wie z.B. die Schlatnetzteile aus 
unseren günstigen PCs. Schon mal nachgedacht was sowas kostet?
Ich will Dich davon nicht abhalten denn mich halten solche Sachen auch 
nicht auf aber kauf Dir das Ding das kommt billiger und Gesetzliche 
Gewährleistung hast Du auch - BITTE glaube mir!
Dann die VAC (Isabelenhütte), Würth wie sie auch heissen nur Alleine die 
Kerne eine Ware Freude zur Findung des Richtigen der dann in Sätigung 
geht wann man das will oder wann es der Wickler will weil falsch 
gewickelt (dieser Trunkenbold) also....
Du kannst sehen Ich bin ein gebranntes Kind aber mach nur alleine die 
Permeablen Werkstoffe die es einmal am MArkt gibt und nach 3Wochen nicht 
mehr eifach Super sowas.

KAUF DIR SO EIN NETZTEIL und bau es gar nicht selber wenn es nicht 
Industirel verwertet wird.

Für was soll denn das sein? Für einen Verstärker?

weakbit

Autor: Leo B. (luigi)
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@ Hans Grüner
Also so wie du schreibst ist jegliches elektronik-heimgebastel 
Blödinnige Geldverschwendung.
Beim bessten willen, ich kann dir nicht überall wiedersprechen, aber im 
Großen und Ganzen rechnet es sich schon daheim n bissl was 
zusammenzufriemeln. Wenn ein so geschissener Stepdown so ein großer 
Aufwand wäre, dann würde wohl kaum irgend ein Japanprodukt mit etwas 
vergleichbarem ausgestattet sein. Aber lassen wir diese Disussion über 
Sinn und Unsinn.

Ziel des Projekts ist letztendlich ein Labornetzteil.
Aber keine Angst. Nix soooo wildes wie ultra stabile spannung etc.
Soll einfach am ende vorn 2 regler für strom und Spnnung haben und 
fertig.
Intern wird dann mittles Stepdown auf Ausgangsspannung + 0,x Volt 
geregelt ( 0,x Volt muss ich mir zu einem Späteren Zeitpunkt 
rausarbeiten), dann ein LC-Glied zum glätten und dann kommt noch ein gut 
gekühlter Emitterfolger der dann eine mehr oder weniger saubere 
Ausgangsspannungliefern soll. Im Falle der Strombegrenzung greift erst 
der Emitterfolger ein und der Stepdown regelt dann nach.
Da ich meine Strombegrenzung auf max. 10A bis 15V und drüber max. 5A 
stelle, wird auch die Abwärme am Emitterfolger nicht zu wild. die 60V 
werden sowieso nur im leerlauf oder unter minimallast erreicht, aber die 
bauteile im Netzteil solltens halt herhalten.
Der Ausgang wird vermutlich auf 40V begrenzt.
Soviel zu meinem Vorhaben.

Und jetzt nennt mich einen Spinner und weiß Gott was, aber ich zieh das 
durch. Sch** drauf was dabei in die Luft fliegt.
Vor dem endgültigen Bau werde ich sowieso noch eine TÜV-Abnahme (durch 
einen Bekannten, welcher TÜV-Prüfer ist) durchführen lassen. Also keine 
Angst, dass ich da jetzt was schlimmes mache.
Noch ist nur Theorie und Schaltplanzeichen. Dann kommt TÜV-Prüfung und 
evtl. Verbesserungen/Neuanfertigung und dann der Bau.


In diesem Sinne: Roman beendet.

Autor: Lupin (Gast)
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Hans: Gegen eine Spule mit höherer Induktivität spricht grundsätzlich 
erstmal nix. Ist sogar wünschenswert eine hohe Induktivität zu haben. 
Dann hast du einen langsamereren Anstieg des Stroms und kannst dadurch 
mit niedrigerer Frequenz arbeiten als mit einer Spule mit niedrigerer 
Induktivität.

Also: Niedrige Induktivität = schneller Stromanstieg, dadurch schnelles 
Abschalten und "entladen" der Induktivität - also hohe Frequenz 
notwendig.

Ich glaube aber die Drossel die du da hast passt nicht, kann mich auch 
irren aber ich glaube du brauchst eine Speicherdrossel und keine 
Stromkompensierende Drossel. Die ist glaube ich mehr für Entstörung 
gedacht. Wäre nett, wenn das einer mal bestätigen/wiederlegen/begründen 
könnte.

Autor: A. K. (prx)
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Grosse Induktivität = grosse Trägheit bei Lastwechsel. Niedrige 
Schaltfrequenz ebenso. Je nach Anwendung ist das nicht unbedingt 
erstrebenswert.

Ausserdem könnte es grad bei dem Kaliber nützlich sein, oberhalb der 
hörbaren Frequenzen zu bleiben ;-).

Autor: Leo B. (luigi)
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Jungs mir ist ein grober Fehler im Ansatz unterlaufen. Ich sollte erst 
einmal lesen lernen! Wo auch immer ich meine Trafodaten gelesen habe sie 
stimmen nicht.
Mein Trafo liefert 2x15V 2,5A
-> per Relais geschalten: 30V, 2,5A oder 15V, 5A
im leerlauf rechne ich mal grob und mit Tolleranz max. 45V
und mit Überlastung bis zu max. 7.5A auf mittelkurze Zeit.
So will ich also alles auslegen. Spitze 45V und 7.5A.
Schade eigentlich 60V 20A hat besser geklungen!

Nunja aber da ich wol mit der Spulensuche neu beginnen darf (Wikipedia 
bestätigt ein klein wenig und am Rande die aussage von Lupin) machts mir 
die Suche wohl leichter.

Zur Induktivitäten-Diskussion kann ich nur beipflichten, dass soweit ich 
jetz in der Materie bin je größer desto besser. Aber für den Widerstand 
natürlich andersrum.
Und Frequenz oberhalb der hörbaren grenze wird sich wohl bei meinen 
ursprünglich geplanten Strömen nicht vermeiden lassen.
Trotzdem plane ich auch mit weniger Strom noch mit 300kHz.

Autor: Leo B. (luigi)
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Auch wenns mittlerweile arg vom Urthema ablenkt. ich will einfach nich 
scho wieder n neues Thema aufmachen...

http://de.farnell.com/bourns/sdr2207-150yl/inducto...
Meint ihr diese Spule wäre geeignet?

Autor: Falk Brunner (falk)
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Wenn du ein halbes Dutzend davon zusammenschaltest.

Wie wäre es mit einer ersten Überschlagsrechnung? Nur so ne Idee.

Autor: Leo B. (luigi)
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Falk Brunner wrote:
> Wenn du ein halbes Dutzend davon zusammenschaltest.
>
> Wie wäre es mit einer ersten Überschlagsrechnung? Nur so ne Idee.

Hä? warum?
gebe ich hier
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/abw_smps.html
alles ein (Uemin 15V, Uemax 45, Ue (für berechnung) 15V, 7.5A, 300kHz, 
und die 6.8e-6 H) komme ich doch auf was ganz angenehmes?
Was stimmt nicht? übersehe ich da was?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hans Wurst wrote:
> Auch wenns mittlerweile arg vom Urthema ablenkt. ich will einfach nich
> scho wieder n neues Thema aufmachen...
>
> http://de.farnell.com/bourns/sdr2207-150yl/inducto...
> Meint ihr diese Spule wäre geeignet?


Hallo Hans,

bei Spulen für solche Reglersachen ist der wesentliche Punkt, daß der 
Spulenkern nicht in Sättigung gerät. Ich habe selbst nur Regler mit sehr 
geringen Strömen aufgebaut und kann Dir nicht viel mehr dazu sagen.

Was die Induktivitäten angeht: Dazu gibt es Empfehlungen und Beispiele 
in den Datenblättern für die Regler. Das kann Dir dazu dienen, die 
richtige Größenordnung zu finden:

http://www.maxim-ic.com/products/power/


Gruß,
  Michael

Autor: ernst (Gast)
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jo, dann baus doch mal!

i.ü.
>Jungs mir ist ein grober Fehler im Ansatz unterlaufen. Ich sollte erst
>einmal lesen lernen!
>Schade eigentlich 60V 20A hat besser geklungen!


da passt  "Hans Wurst" ja perfekt.

Autor: Leo B. (luigi)
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hmm jaja... also viel hilfts nicht weiter. Ich hab zwar jetzt so 
ziemlich alle Datenblätter der dort auffindbaren Stepdownwandler 
durchsucht, aber richtig gefunden hab i nix. Naja die Induktivitäten 
sind ab und zu deitlich größer, aber gerade die mit ein bisschen mehr 
Amps haben kleine Inuktivitäten.

Dass die Sättigung nie erreicht werden darf ist mir auch klar, nur wann 
wird die Sättigung erreicht?

Autor: A. K. (prx)
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Autor: Leo B. (luigi)
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A. K. wrote:
> Vielleicht nützt die was:
> http://www.spulen.com/shop/product_info.php?products_id=34

Ja und nein. Im Prinzip ist die schon ehr schön, nur mit dem haken, dass 
es die wiederum nicht bei farnell gibt, was wiederum mehrfache 
Versandkosten bedeutet. Gerade bei einer Spule kostet die dann mal eben 
das doppelte...
Und ich bin mehr oder weniger gezwungen bei Farnell zu bestellen, da es 
nur dort den ATTiny13V-10SSU gibt, den ich für ein anderes Projekt 
dringend benötige.

Autor: Lupin (Gast)
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Du wirst sowieso erstmal vergebens geld investieren weil dein erster 
stepdown wandler nicht funktionieren wird. Da stürzen die zusätzlichen 
Versandkosten dich auch nicht mehr in den Ruin.

Die Drossel von spulen.com ist schon ganz ordentlich. Ich würde bei dem 
tool zur berechnung des wandlers von einer stabilen eingangsspannung 
ausgehen. Die Frequenz ist mit 300 kHz recht hoch. Versuch erstmal 
100kHz.

Autor: aha (Gast)
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Die spulen ... fuer ein Labornetzteil... Das bedeutet im Wesentlichen 
fuer den Spannungsbereich und den Strombereich durchfahrbar. Es gibt 
eine minimale Spannung, die noch machbar ist fuer ungelueckten Betrieb. 
Die ist im Wesentlichen gegeben aus dem Spannungsverhaeltnis, der Spule 
und dem kondensator. und ist ungleich Null. Dann ist noch ein minimaler 
Strom, der ist durch die Spule gegeben, und der ist auch nicht Null. Am 
Extremsten ist es bei hohem Spannungsverhaeltnis und vollem Strom. 
Nehmen wir ein Spannungsverhaeltnis von 1:10, dann wird der Schalter 
fuer 10% der Zeit eingeschaltet, und muss dem 10 fachen Ausgangsstrom in 
dem Kondensator schalten. Die Spule sollte eh eine maximale 
Induktivitaet haben, gleichzeitig beim 10fachen ausgangsstrom nicht 
saettigen. Das gibt dann schnell mal ein rechtes Pack Eisen und Kupfer.
Bei hoeherer Frequenz wird die Spule kleiner ? Ja. schon. Aber zuerst 
hast mal mehr Probleme.

Autor: Leo B. (luigi)
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aha wrote:
> Die spulen ... fuer ein Labornetzteil... Das bedeutet im Wesentlichen
> fuer den Spannungsbereich und den Strombereich durchfahrbar. Es gibt
> eine minimale Spannung, die noch machbar ist fuer ungelueckten Betrieb.
Seh ich kein Problem damit. Soll se doch im Teillastbereich lücken?!
stört mich doch nicht. Wo ist das Problem?
Minimal unruhigere Ausgangsspannung, na und? oder gibts mehr Nachteile?

> Die ist im Wesentlichen gegeben aus dem Spannungsverhaeltnis, der Spule
> und dem kondensator. und ist ungleich Null. Dann ist noch ein minimaler
> Strom, der ist durch die Spule gegeben, und der ist auch nicht Null. Am
> Extremsten ist es bei hohem Spannungsverhaeltnis und vollem Strom.
> Nehmen wir ein Spannungsverhaeltnis von 1:10, dann wird der Schalter
> fuer 10% der Zeit eingeschaltet, und muss dem 10 fachen Ausgangsstrom in
> dem Kondensator schalten. Die Spule sollte eh eine maximale
> Induktivitaet haben, gleichzeitig beim 10fachen ausgangsstrom nicht
> saettigen. Das gibt dann schnell mal ein rechtes Pack Eisen und Kupfer.
Ob das mit dem 10fachen Strom so stimmt? ich glaube nicht.
Bei Step-Up-Wandler würde ich dir eher zustimmen, aber beim Step-Down 
doch nicht?
Ich kanns grad nichtmal richtig in Worte fassen warum, aber wenn ich bei 
diesem Rechner http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/abw_smps.html 
Werte nach deinen Kriterein eingebe, dann hab ich bei weitem nicht das 
10fache des Ausgangsstroms in der Spule. Warum auch, die muss im 
Durchschnitt ja nur genausoviel Strom übertragen wie der Verbraucher 
zieht.
Im Lückbetrieb hast du natürlich schon recht, aber da komm ich unter 
last ja nicht so schnell hin. Und ohne last ist mir das 10fache des 
Ausgangsstroms auch noch egal.

Mit der On-/Off-Zeit steuer ich ja effektiv nur den Strom mit dem der 
Kondensator am Ausgang geladen wird.

Wenn ich falsch liege, bestätigt mal bitte irgendwer die Ausssage von 
"aha" damit ich komplett verwirrt bin?

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