Hallo allerseits, ich möchte einen MOSFET (IRF 9310) mittels einer PWM von bis zu 100 kHz ansteuern. Hintergrund ist der, dass ich die Spannung für einen Lüfter (elektrisch komutiert) steuern möchte. Da dieser Lüfter nicht direkt per PWM gesteuert werden kann muss dies über die Spannung erfolgen welches ich per LC-Tiefpass bewerkstelligen möchte. Mein bisheriges Vorgehen war wie folgt: 1. Bei einer 100 kHz PWM habe ich eine Periode von 10µs. Um die Schaltverluste gering zu halten möchte ich daher gerne in maximal 200ns an- und abschalten. 2. Um die Gatekapazität des MOSFET bei solchen Frequenzen umzuladen benötigt man höhere Ströme. Die Ladung am Gate ist maximal 11nC, somit benötigt man einen Strom von mindestens I = C/t = 11nC/200ns = 55mA. Da mein µC das nicht am Pin leisten kann hatte ich überlegt einen NPN (BC337-25) in Emitterschaltung als Treiber zu benutzen. Ausserdem möchte ich gerne etwas Reserve haben und auf 60mA gehen. 3. td_(on) und td_(off) sind 10ns, bleiben also 190ns für das Umladen der Eingangskapazität. R = t/5*C = 190ns/5*180pF = 211.1. Somit darf der Gate-/Kollektorwiderstand maximal 211.1 Ohm sein (also 200 Ohm). 4. Der BC337-25 hat laut Datenblatt bei ~60mA I_C eine Stromverstärkung von 250. Damit benötige ich für meine 60mA einen Basistrom von 240µA. (5V-0.7V)/240µA = 17.9kOhm, also nehme ich 18kOhm. 5. Gemäß Datenblatt ist U_CE bei I_B = 250µA und IC = 60mA etwa 0.1V. Somit müsste mein Kollektorwiderstand etwa 11.9V/60mA = 198 ~200 Ohm sein. Das Ganze habe ich nun (erstmal ohne MOSFET da es den nicht in LtSpice gibt) per LtSpice simulieren lassen und dabei ist mir aufgefallen, dass das Schaltverhalten des Transistors "unter aller Sau" ist. Bei einem Tastverhältnis von 1:10 sinkt die Ausgangsspannung innerhalb des Pulses nicht auf 0V sondern beträgt nach der vollständigen Dauer (1µs) immer noch 1.3V (siehe Bild). Generell kann man sagen, dass es viel zu lange dauert bis der Transistor an- oder abschaltet. Ich vermute nun, dass mein Basiswiderstand einfach viel zu groß ist und in Zusammenhang mit der Eingangskapazität des Transistors nicht für eine derartige Schaltfrequenz geeignet ist. Reduziere ich nämlich die Frequenz der PWM oder aber den Basiswiderstand so sehe ich, dass die Ausgangsspannung sauberer wird. Allerdings finde ich im Datenblatt keine Angabe zur Eingangskapazität, daher weiß ich auch nicht, welchen Basiswiderstand ich maximal verwenden dürfte. Meine Fragen sind nun: 1. Liege ich mit meinen Berechnungen zunächst mal halbwegs richtig? Ich beschäftige mich noch nicht lange mit dem Thema und weiß nicht, ob ich nicht vielleicht falsche Werte für h_FE oder U_CE abgelesen habe oder falsche Schlußfolgerungen gezogen habe. Generell habe ich etwas Schwierigkeiten in das Thema "Treiber" reinzukommen. 2. Wie kann ich die Schaltung abwandeln, so dass ich mit 100 kHz schalten kann? Bzw. was für Möglichkeiten habe ich allgemein um es zu erreichen? Mein erster Gedanke war die Emitterschaltung da diese ja eine hohe Stromverstärkung ermöglicht, aber augenscheinlich macht ja der hohe Eingangswiderstand Probleme. Gruß, Daniel
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Eine Emitterschaltung ist nicht wirklich dafür geeignet. In diesem Fall kann man über ein Treiber-IC nachdenken.
Ich habe hier für exakt den selben Zweck eine Totem-pole schaltung verwendet. BC337, BC327 als emitterfolger. Vorwiderstand entfällt, du kannst direkt an den µC ran. Der Strom wird verstärkt, Spannung bleibt die selbe bis auf 0,7V. Mein logic level mosfet schaltet auch bei 4,3V noch ausreichend durch. Die Flanken habe ich mir angesehen. Schon fast etwas zu steil.
Bipolartransistoren haben auch eine Art Eingangskapazität, durch deinen R2 wird das also extrem lahm. Versuch's mal mit Kleinsignal-MosFETs, die direkt an dem Pin hängen (BSS123, BSS84, SI1555). Oder nimm gleich einen richtigen MosFET-Treiber.
hallo, ein Kondensator parallel zu R2 wirkt da wunder, 10n reichen meist aus. Die Frage ist welchen Aufwand du Treiben willst. Wenn du nicht in einer sensibel Audioanwendung bist würde ich auf 30kHz runter gehen, wenn du noch einen Filter dahinter machst sollte die Frequenz nicht hörbar sein.
Daniel H. schrieb: > ich möchte einen MOSFET (IRF 9310) mittels einer PWM von bis zu 100 kHz > ansteuern. Warum willst du mit der Frequenz so hoch gehen? Der Transistor (ob bipolar oder fet ist ja erst mal egal) braucht zwar im Schaltbetrieb weniger Verlustleistung, aber bei so hohen Frequenzen gibt dafür die Treiberstufe die Wärme ab. :-) Irgendwie nicht so ganz sinnvoll.
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Hallo, danke für eure Antworten. Ich habe nun testweise in LtSpice mal einen 10nF Kondensator parallel zu R2 geschaltet, das Ganze sieht nun fast perfekt aus aus ;) Allerdings habe ich nun kurze Spikes von +2 bzw. -3V über etwa 6ns am Ausgang. Ich weiß nicht, inwiefern das schlimm/störend ist bzw. woher die kommen daher frage ich da lieber nochmal nach. Wieso verbessert sich das Schaltverhalten denn durch den Kondensator, bzw. was passiert dort? Und sind die 10nF Erfahrungswert oder kann man die in irgendeiner Weise berechnen? Es geht mir nicht nur darum die Schaltung zu verbessern sondern ich möchte gerne auch immer verstehen, welche Auswirkungen gewisse Änderungen haben (Sehen, Lernen, Merken). Sollte das Problem tatsächlich durch den Kondensator schon behoben sein (geht nur noch darum ob diese Spikes bedenklich sind) dann würde ich von Treiber-ICs oder anderen Schaltungen absehen, für den Anfang würde ich es schon gerne so einfach wie möglich halten damit ich es noch verstehen kann ;) Nichtsdestotrotz auch euch, Stefan, avion23 und GGaasstt dankeschön, ich werde mir auf jeden Fall merken, was ihr geschrieben habt :) Gruß, Daniel Edit: Warum ich mit der Frequenz so hoch gehen möchte: Ich muss für den Lüfter die Ausgangsspannung regeln da er elektrisch kommutiert ist. Würde ich ihm direkt das PWM-Signal geben würde er nicht korrekt arbeiten da ständig die Spannung einbrechen würde. Daher verwende ich hinter dem MOSFET einen Tiefsetzsteller aus L und C. Damit ich L schön klein halten kann möchte ich mit der Frequenz recht hoch gehen, daher die 100 kHz. Dadurch brauche ich nur noch eine Speicherdrossel mit knapp 80µH was sich von Hand recht angenehm wickeln lässt ;) Falls sich das (mit einfachen Mitteln) nicht realisieren lässt würde ich dann entsprechend versuchen auf tiefere Frequenzen auszuweichen. http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/abw_smps.html
> ich möchte einen MOSFET (IRF 9310) mittels einer PWM > von bis zu 100 kHz ansteuern 200 Ohm entladen den 700pF P-Kanal von 12V auf unter 2V (damit er aus geht) in 250ns, in Gegenrichtnung (bei einschaltendem BC337) geht es schneller. Bei 5us Impulsbreite der 100kHz sind das unter 10%, also möglich. 200 Ohm an 12V lassen 60mA fliessen, dazu reicht der BC337. Theoretisch funktioniert das also, wenn auch die Schaltung "suboptimal" ist. 2 Emitterfolger (je einer als Stromversärkung der positiven und negativen Flanke) wie in üblichen MOSFET-Treibers wäre besser.
Daniel H. schrieb: > Und sind die 10nF Erfahrungswert oder kann man > die in irgendeiner Weise berechnen? Hallo, ist ein Erfahrungswert meist reichen auch 1n. Das kommt auf die Eingangs Kapazität des Transistors an. Wenn du dir mal den Strom vom Eingangssignal anschaust wirst du sehen das es da jetzt Stompeeks gibt die wahrscheinlich über dem Grenzwert des Ausgangs liegen dürften. Das macht den Ausgängen aber nichts aus, die müssen ja auch mal eine Längere Leitung umladen. Die Peeks am Ausgang kommen dadurch zustande das du die Basis jetzt sehr schnell anhebst (absenkst) und der FET etwas braucht bis es anfängt zu leiten.
Du kannst auch in diesen Thread reinschauen: Beitrag "Philosophiestunde Konstantstromquelle" Dort geht es zwar um eine Konstantstromquelle, aber die Tricks sind die selben.
Wie schon (von Floh) erwähnt, muss die PWM Frequenz nict so hoch sein. Abschätzung: Der Lüfter braucht 3 Sekunden zum Hochlauf. Also sind 10 ms PWM Frequenz sicher ausreichend. 100 Hz statt 100 kHz PWM !
Hallo, das Problem bei der Frequenz ist aber nach wie vor die benötigte Induktivität. Bei 100 Hz würde ich eine Speicherdrossel mit 80mH benötigen, diese Größe krieg ich nicht mehr mit normalen Ringkernen gewickelt :-/
Ich habe nun nochmal intensiv gesucht und bin dabei auf diese Schaltung hier gestoßen: http://www.mikrocontroller.net/attachment/19987/PMOS.PNG Beitrag "Re: Mosfet-Treiber so in Ordnung ?" Angeblich soll sie recht gut sein, allerdings sind wohl bei hohen Frequenzen, großen MOSFETs oder hoher Eingangsspannung die Transistoren T2 und T4 gefährdet. Nunja, Punkt 1 bei der Schaltung, ich verstehe sie nicht vollständig. Ich komme noch so weit, dass über R_E 4.3V abfallen und somit ein Strom von 13mA fließt. Dann habe ich die Schaltung auch wieder in LtSpice simulieren lassen. Dabei ist mir aufgefallen, dass an T4 bis 170mA bei gleichzeitig etwa 8V anliegen. Macht also 1.36W, vertragen tun sie jedoch nur 0.25W. Ich finde es etwas schade, dass sich (für Laien) nicht mehr (gut Beschriebenes) zu dem Thema finden lässt, das Meiste, was man findet beschäftigt sich mit PWM im unteren kHz-Bereich und wenn man Glück hat erhält man dort dann auch nur den Hinweis, dass das mit hohen Frequenzen natürlich nicht geht und dass da "irgendwas anders gemacht werden muss"... :-/
Es ist aber nicht nötig, einen "lückfreien" Betrieb zu haben. Falls der Ventilator bei einem PWM Zyklus um 1/1000 schneller wird, bemerkt das niemand. Spar Dir die Drossel.
> Macht also 1.36W, vertragen tun sie jedoch nur 0.25W
1.36W über kurze Zeirt, die meiste Zeit aber 0W,
ob da nicht im Mittel doch weniger als 0.25W rauskommen ?
Es ist aber duchaus vernünftig, mal die Obergrenze
abzuschätzen.
Daniel H. schrieb: > Ich finde es etwas schade, dass sich (für Laien) nicht mehr (gut > Beschriebenes) zu dem Thema finden lässt, das Meiste, was man findet > beschäftigt sich mit PWM im unteren kHz-Bereich und wenn man Glück hat > erhält man dort dann auch nur den Hinweis, dass das mit hohen Frequenzen > natürlich nicht geht und dass da "irgendwas anders gemacht werden > muss"... :-/ In der Regel ist ein Treiber-IC dann das Einfachste.
@Max: Ich kann aber dadurch Probleme kriegen, da viele komutierte Lüfter es nicht mögen wenn man ihnen ständig die Versorgungsspannung an- und ausknipst. Die fangen dann an zu fiepen, laufen gar nicht erst an usw.. Wäre es ein simpler Elektromotor dann würde ich es auch genauso machen, einfach direkt hinter den MOSFET und mit dem PWM-Signal drauf. Dazu kommt, dass ich das Problem jetzt einfach gerne lösen(und die Lösungsansätze verstehen) möchte, damit ich dabei auch was lerne :) Ohne Drossel kann ich es ja trotzdem immer noch probieren, aber inzwischen geht es mir mehr darum zu verstehen, wie man sowas umsetzt, wenn man es denn wirklich braucht ;) @MaWin: Ich habe im Datenblatt nur die 0.25W unter "Absolute Maximum Ratings" gefunden, daher bin ich davon ausgegangen dass mehr als 0.25W, egal wie lange, bereits zur Zerstörung führen. Eine weitere Angabe zu maximalen Pulsströmen und deren Dauer gibt es dort leider nicht. Ansonsten hast du natürlich Recht, die Pulse treten nur kurz für 6ns beim An- und Abschalten auf womit es im Mittel näherungsweise 0W werden.
Das kann ich leider nicht sagen da ich kein Multimeter habe das Induktivitäten messen kann. Es sind 0815-Brushless-PC-Lüfter, dazu finde ich auch kein Datenblatt oder so.
http://homepage.internet.lu/animations/portland/electronic/pwm/pwm.htm Schau Dir die unterste Schaltung bezüglich der Leistungsstufe an. Und 20 kHz reichen dicke. (Eine simple Analogregelung, wenn es um Abhängigkeit von der Temperatur geht, würde Dir warscheinlich weniger Kopfzerbrechen bereiten.)
Hallo, danke für den Link. Das bedeutet dann aber doch, dass ich am Ausgang maximal 5V für den MOSFET habe, oder? Demnach müsste ich da dann einen Logic-Level MOSFET einsetzen, und bei Reichelt (wo ich den ganze Klump bestellen würde) haben sie, so wie ich das sehe, keine Logic-Level-PMOS :( Was das Ganze an sich angeht: Die einfachste Lösung wäre natürlich einen Poti zu nehmen und in die Versorgungsleitung der Lüfter zu setzen, fertig. Ich möchte das Ganze jedoch zum Anlass nehmen mich mit Mikrocontrollern usw. auseinander zu setzen. Daher möchte ich gerne einen Attiny 25 nehmen, zwei Drucktaster anschließen und darüber eben die Lüftergeschwindigkeit vorgeben. Die nächste Stufe wäre dann das Tachosignal auszuwerten und das Ganze regeln zu lassen. Am Ende soll das Ganze dann eine Kühlung für mein Aquarium werden inklusive Temperatursensor usw. welche automatisch die Lüfter zuschaltet sobald die Raum- und/oder Wassertemperatur über einen gewissen Punkt steigt. Es hat somit für mich zweierlei Nutzen, zum einen möchte ich lernen, wie man Transistor-/FET-Schaltungen dimensioniert und berechnet. Zum anderen möchte ich lernen, wie ich einen µC programmieren muss um das zu bewerkstelligen, was ich beschrieben habe.
Ob nun Logiclevel Mosfet, oder normalen mit höherer Ansteuerspannung oder Bipolartransistor ist Dir überlassen. Die Schaltung ist als Anregung zu sehen für "normale" Lüfter, die PWM nicht vertragen. Viel Erfolg dabei. Denn so wie Du es vor hast, lernt es sich am Besten.
Daniel H. schrieb: > demnach müsste ich da dann einen > Logic-Level MOSFET einsetzen, und bei Reichelt (wo ich den ganze Klump > bestellen würde) haben sie, so wie ich das sehe, keine Logic-Level-PMOS > :( logiclevel-taugliche p-mosfets gibts wohl bei reichelt, nur leider schaffen die es nicht, das auch in den titel oder die beschreibung zu packen. z.B. IRF7104 irf7416 hab ich auf die schnelle in der mosfet-übersicht gesehen.
Hallo, danke, die MOSFET-Übersicht kenne ich, aber ich weiß nicht nach welchen Kriterien man festlegt, ob ein MOSFET nun Logic Level ist oder nicht. Ich hatte nur in einem Thread gelesen dass die IRFL Logic Level sind, und davon gibt es bei Reichelt eben keinen als PMOS :-/
Ich habe nun versucht die Logic-Level-Sache nachzuvollziehen. Liege ich mit dem Folgendem richtig? "Ein Logic Level MOSFET ist ein MOSFET bei welchem im I_D/U_GS-Diagramm bei etwa 3-4V bereits ein deutlicher (d.h. knapp unter dem Maximum) Drain-Strom möglich ist."
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Hallo allerseits, ich danke euch allen vielmals für eure geduldige Hilfe :) Ich glaube dass ich nun eine funktionierende Lösung gefunden habe (siehe Anhang, rot = Eingang, grün = Ausgang). Ich habe mich zunächst an dieser (http://www.mikrocontroller.net/attachment/19987/PMOS.PNG) Treiberstufe orientiert. Allerdings konnte ich bei der Simulation feststellen, dass zeitweise bis zu 150mA aus/in den µC-Pin flossen. Das können die Port-Pins des AVR aber nicht leisten. Mit der jetzigen Schaltung habe ich das Problem nicht mehr, allein bei Q2 gibt es beim Entladen des MOSFET einen kurzzeitigen Peak von 720mA, der Zeitraum oberhalb der von 400mA (1/2 I_max) ist dabei jedoch nur 38ns lang weswegen ich denke, dass der Transistor das verkraften sollte. Als Transistoren hatte ich zuerst nur 337-40 und 327-40 vorgesehen, allerdings konnte ich feststellen dass bei Verwendung von BC547C für Q1 das Ausgangssignal bei fallender Flanke wesentlich schneller wieder auf 0V ging (300ns vs. 1.6µs). Den 5.6 Ohm Widerstand für R3 habe ich eingesetzt um den Spitzenstrom für Q2 zu begrenzen. Der IRF7204 wird noch gegen einen anderen, passenden getauscht, war der Erstbeste mit kleiner Gateladung den ich in LtSpice erwischen konnte. Ich hoffe ich habe dabei jetzt keine Dummheiten gemacht. Gruß, Daniel
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