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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET Schaltfrequenz<0,1Hz=Vorwiderstand?


Autor: Sebastian Hepp (sebihepp)
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Hallo,

ich wollte fragen, wie schnell ich das Gate bei einem MOSFET
umladen muss, um diesen nicht zu zerstören?

Es handelt sich um den IRL3803 und geschalten werden maximal 30A
bei einer Drain-Source-Spannung zwischen 1,2V und 4,8V.
Die Ein-Zeit beträgt zwischen 3 und 5 Sekunden und danach bleibt er
für mindestens eine Minute aus.

Ich möchte das Gate über einen Widerstand an einen Port meines PICs
anschließen. Dieser liefert maximal 20mA. Bei 5V macht das einen
Widerstand von 250 Ohm. Ich rechne mit 300 Ohm und komme damit auf
166mA. Im schlimmsten Fall wird das Gate (140nC) mit nur 150mA
umgeladen. Das würde 11us dauern.

Ist das zu langsam? Ich will einen Treiber um jeden Preis vermeiden.

Viele Grüße
Sebihepp

: Verschoben durch Admin
Autor: Georg (Gast)
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>Ich möchte das Gate über einen Widerstand an einen Port meines PICs
>anschließen. Dieser liefert maximal 20mA.

>Im schlimmsten Fall wird das Gate (140nC) mit nur 150mA
>umgeladen. Das würde 11us dauern.

Wo kommen denn die 150mA her?

Autor: Sebastian Hepp (sebihepp)
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>>Ich möchte das Gate über einen Widerstand an einen Port meines PICs
>>anschließen. Dieser liefert maximal 20mA.
>
>>Im schlimmsten Fall wird das Gate (140nC) mit nur 150mA
>>umgeladen. Das würde 11us dauern.
>
>Wo kommen denn die 150mA her?

Sorry, ich meinte natürlich 15mA.

Autor: Georg (Gast)
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PIC-Ausgang einfach ohne R ans Gate, das passt schon.

Autor: Georg (Gast)
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Frage zum Ausgang des PIC:

Kann man den als Push-Pull konfigurieren?

Autor: Volker (Gast)
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Hallo Sebihepp,

schon ein einziger zusätzlicher NPN Transistor mit einem Widerstand als 
Pull up reicht aus... Oder nimm einen 74HC14.
Wo ist das Problem?
... was heißt "um jeden Preis" bzw. was ist der Hintergrund?
Sind noch ein paar Pins am PIC frei? Auch die kannst Du parallelschalten 
;-))

Gruß
Volker

Autor: Ulrich (Gast)
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Bei der geringen Spannung sind die 11 µs Zeit zum Schalten kein Problem. 
4 V und 30 A sind ja nur 120 W - da erwärmt sich noch nicht viel in den 
11 µs. Bei der niedriegen Spannung ist die Ladung auch noch etwas 
geringer.

Ganz ohne Widerstand würde auch gehen, aber besser irgendwas zwischen 20 
und 100 Ohm. Das ist weniger als Strombegrenzng für den PIC, sonder um 
HF Schwingungen zu verhindern, falls das Layout um den FET ungünstig ist 
und nicht für Frequenzen im 10 MHz Bereich geeignet.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Sebastian Hepp (sebihepp)

>Es handelt sich um den IRL3803 und geschalten werden maximal 30A
>bei einer Drain-Source-Spannung zwischen 1,2V und 4,8V.

Macht max. 150W.

>Widerstand von 250 Ohm. Ich rechne mit 300 Ohm und komme damit auf
>166mA. Im schlimmsten Fall wird das Gate (140nC) mit nur 150mA
>umgeladen. Das würde 11us dauern.

In dieser Zeit verbrät er schlimmstenfalls 1/4 der geschalteten 
Maximalleistung, also 38W. Für 11µs ist das kein Problem.

>Ist das zu langsam? Ich will einen Treiber um jeden Preis vermeiden.

Warum? Ist der soooo schlimm?

MfG
Falk

Autor: Sebastian Hepp (sebihepp)
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Es soll auf einer Lochrasterplatine so klein wie möglich werden.
Wenn dann noch ein weiterer DIL-14 Sockel drauf müsste...

Es soll halt möglichst wenig Platz beanspruchen und möglichst
einfach gehalten werden. Zur Not würde ich natürlich einen Transistor
als Treiber verwenden, aber warum einen Transistor mehr, wenn
man ihn auch sparen kann.

Seid Ihr sicher, dass ich den MOSFET auch ohne Widerstand anschließen
kann? Nicht dass mir der PIC durchbrennt.^^
Ich möchte aber einen Pull-Down vor dem Gate verwenden, damit beim
einschalten der MOSFET garantiert sperrt.

Autor: yalu (Gast)
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Sebastian Hepp schrieb:
> Ich möchte das Gate über einen Widerstand an einen Port meines PICs
> anschließen. Dieser liefert maximal 20mA. Bei 5V macht das einen
> Widerstand von 250 Ohm. Ich rechne mit 300 Ohm und komme damit auf
> 166mA. Im schlimmsten Fall wird das Gate (140nC) mit nur 150mA
> umgeladen. Das würde 11us dauern.
>
> Ist das zu langsam? Ich will einen Treiber um jeden Preis vermeiden.

Das ist überhaupt nicht zu langsam. Rechnen wir mal ganz pessimistisch:

Ich habe das PIC-Datenblatt nicht gelesen, deswegen neheme ich einmal
pessimistischerweise an, dass die 20mA der Kurzschlussstrom der Ausgänge
sind. Das würde bedeuten, dass der Ausgangswiderstand 250Ω ist. Dazu
kommen deine externen 250Ω, macht zusammen 500Ω. Der Strom ins Gate ist
also maximal 5V/500Ω=10mA. Da das Gate aber umgeladen wird, nimmt der
Strom während des Umschaltens ab, bis er am Ende des Umschaltvorgangs
schließlich 0 ist. Lassen wir den mittleren Strom bis zu dem Zeitpunkt,
wo der Mosfet fast vollständig ein- bzw. ausgeschaltet hat, 10% des
Anfangsstroms sein (sehr pessimistisch), also 1mA. Das Qg von 140nC ist
auch schon pessimistisch, da es für Uds=24V angegeben ist. Bei 4,8V
schlägt der Miller-Effekt weniger stark zu, also ist die effektive
Eingangskapazität und damit auch das Qg des Mosfet deultich kleiner.
Rechnen wir aber trotzdem mit 1mA und 140nC, dann dauert das Umschalten
140µs, die wir auf 200µs aufrunden. Nehmen wir pessimistischerweise
weiter an, dass für die gesamte Dauer des Umschaltens das maximale Uds
(4,8V) anliegt und der maximale Id (30A) fließt. Dann ist die verheizte
Energie 4,8V·30A·200µs=28,8mJ, also etwa 30mJ (tatsächlich kann man bei
ohmscher Last etwa ein Sechstel von Umax·Imax ansetzen).Ich kenne die
Wärmekapazität des TO-220-Gehäuses nicht, deswegen reduzieren wir dieses
pessimistischerweise auf die Kühlfahne aus Kupfer mit einer spezifischen
Wärmekapazität von 385J/(kg·K) und einer Masse von gut 1g. Die Tempera-
turerhöhung beträgt also 30mJ/(1g·385J/(kg·K))=0,08K.

Der Mosfet erwärmt sich also bei einmaligem Umschalten um weniger als
0,1K (wenn man den Pessimismus wegließe, wären es wahrscheinlich
deutlich unter 0,01K). Nachdem er sich um diesen Betrag "aufgeheizt"
hat, hat er eine volle Minute Zeit, sich wieder abzukühlen.

Der Mosfet wird also nicht durch das Umschalten, sondern praktisch
ausschließlich durch den in eingeschaltenem Zustand fließenden Strom
strapaziert, wo immerhin (30A)²·0,009Ω=8,1W in Wärme umgesetzt werden.
Da reichen schon die 5s aus, ihm ihn ordentlich auszuheizen. Deswegen
ist auf jeden Fall ein Kühlkörper erforderlich.

Ob du aber 0Ω, 250Ω oder 10kΩ als Gatewiderstand nimmst, ist, was die
Verlustleitung betrifft, völlig unerheblich.

PS: Normalerweise rechnet man so etwas nicht, sondern hat es im Gefühl
:)

Autor: yalu (Gast)
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Sebastian Hepp schrieb:
> Seid Ihr sicher, dass ich den MOSFET auch ohne Widerstand anschließen
> kann? Nicht dass mir der PIC durchbrennt.^^

Ohne Widerstand werden evtl. die EMV-Störungen etwas größer. Ist die
Verbindungsleitung vom PIC zum Gate sehr lang (>>10cm), können
zusätzlich unschöne Schwingungen auf ihr auftreten, die u.U. zu einem
"Stottern" beim Umschalten des Mosfets führen. Wenn du mehrere Mosfets
an mehrere PIC-Ausgänge anschließt und alle gleichzeitig schaltest,
könnte auch irgendwann der PIC selber gestört werden.

Wenn du die Schaltung verkaufen möchtest, baust du den Widerstand ein,
für Hobbyzwecke kannst du ihn auch weglassen.

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