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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik FET-Karte für Pollin Board


Autor: John Meyer (birdfire)
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Hallo,

ich habe an meinem Pollin-Board eine 8-Fach Relais-Karte im Einsatz, 
welche es ermöglicht 48V, 3A zu schalten. Hauptproblem dabei ist, dass 
Relais nicht besonders schnell sind und für Sachen wie PWM usw. kaum 
geeignet sind. Meine Überlegung war, eine Karte für den Anschluss an das 
Pollin-Board zu bauen, auf welcher anstatt Relais, FETs die 
Schaltaufgaben übernehmen.


Jeder I/O-Port des Atmega 32 liefert 5V@40mA. Mit diesem Signal möchte 
ich die einzelnen FETs, und jeweils eine LED (als visuelle Kontrolle ob 
der FET geschaltet ist) ansteuern. Das Ganze soll dann 8-fach auf einer 
Platine ausgeführt werden. Die zu schaltende Leistung soll sich an der 
Relais-Karte orientieren, ein Puffer nach oben (5-10A) bei der 
Stromstärke wäre gut, je nach Realisierbarkeit. Die Anschlüsse für die 
schaltbare Leistung sollen als Klemmen ausgeführt werden

Da ich im Bereich FET und Platinen blutiger Anfänger bin ein paar 
grundsätzlich Fragen:

1. Gibt es FETs welche sich mit 5V vernünftig ansteuern lassen? Ich hab 
mal was von FETs auf TTL-Pegel gehört, sonst liegt Gate-Source-Spannung 
so in der Größenordnung von 10 V (bei dem was ich bisher gefunden habe), 
was dann eine externe Stromversorgung und eine weitere "Treiberstufe" 
notwendig machen würde.

2. Bei FETs habe ich was von N- und P-Kanal gelesen, ist es denn auch 
Möglich mit FETs Wechselspannung zu schalten?

3. Wie wird die LED am besten verbaut? Mit Vorwiderstand parallel zu der 
Gate-Source-Strecke?

4. Was ist bei der Platine bzgl Leiterbahnenstärke - und Abstand zu 
beachten wenn man von 48V@ 5-10A ausgeht? Is so was realistisch?

Ich freu mich auf Antworten, Anregungen ;-)

Autor: Eduard (Gast)
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M. Schmidt schrieb:
> Hauptproblem dabei ist, dass
> Relais nicht besonders schnell sind und für Sachen wie PWM usw. kaum
> geeignet sind.

Ich hoffe, das sind SSRs und keine mechanischen :)

Autor: Hubert G. (hubertg)
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1. Suche nach Logik-Level-FET
2. N und P-Kanal ist gedanklich einem npn und pnp Transistor gleich. Zum 
Wechselspannung schalten brauchst du einen Triac.
3. Geht so, besser über einen Transistor.
4. Da gibt es sicher Berechnungen. Ich halte die Leiterbahnen kurz und 
löte wenn es notwendig erscheint noch einen Draht drauf. Abstand ist bis 
48V sicher nicht kritisch.

Potentialtrennung fehlt natürlich bei FET.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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M. Schmidt schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe an meinem Pollin-Board eine 8-Fach Relais-Karte im Einsatz,
> welche es ermöglicht 48V, 3A zu schalten. Hauptproblem dabei ist, dass
> Relais nicht besonders schnell sind und für Sachen wie PWM usw. kaum
> geeignet sind. Meine Überlegung war, eine Karte für den Anschluss an das
> Pollin-Board zu bauen, auf welcher anstatt Relais, FETs die
> Schaltaufgaben übernehmen.
>
>
> Jeder I/O-Port des Atmega 32 liefert 5V@40mA. Mit diesem Signal möchte
> ich die einzelnen FETs, und jeweils eine LED (als visuelle Kontrolle ob
> der FET geschaltet ist) ansteuern. Das Ganze soll dann 8-fach auf einer
> Platine ausgeführt werden. Die zu schaltende Leistung soll sich an der
> Relais-Karte orientieren, ein Puffer nach oben (5-10A) bei der
> Stromstärke wäre gut, je nach Realisierbarkeit. Die Anschlüsse für die
> schaltbare Leistung sollen als Klemmen ausgeführt werden
>
> Da ich im Bereich FET und Platinen blutiger Anfänger bin ein paar
> grundsätzlich Fragen:
>
> 1. Gibt es FETs welche sich mit 5V vernünftig ansteuern lassen? Ich hab
> mal was von FETs auf TTL-Pegel gehört, sonst liegt Gate-Source-Spannung
> so in der Größenordnung von 10 V (bei dem was ich bisher gefunden habe),
> was dann eine externe Stromversorgung und eine weitere "Treiberstufe"
> notwendig machen würde.

Logic-Level MOSFETs.

> 2. Bei FETs habe ich was von N- und P-Kanal gelesen, ist es denn auch
> Möglich mit FETs Wechselspannung zu schalten?

Im Prinzip schon, aber ein FET allein kann das nur dann, wenn er die 
Spannung gleichgerichtet bekommt (z.B. wenn er in einer Graetzbrücke zw. 
dem (+)- und (-)-Anschlüssen sitzt).

> 3. Wie wird die LED am besten verbaut? Mit Vorwiderstand parallel zu der
> Gate-Source-Strecke?

Da würde ich die LED auch einsetzen - dann aber eine Low-Current-LED, da 
der Strom ja vom µC-Port kommen muß und der hat schon genug mit der 
Umladung der Gate-Kapazität zu tun. Evtl. ist hier eine zusätzliche 
Treiberstufe notwendig, wenn die PWM-Frequenzen höher werden (sollen) 
und schnell geschaltet werden soll/muß (kurze Anstiegs- und 
Abfallzeiten, d.h. steile Schaltflanken).

> 4. Was ist bei der Platine bzgl Leiterbahnenstärke - und Abstand zu
> beachten wenn man von 48V@ 5-10A ausgeht? Is so was realistisch?

Nun, 48V ist zwar gerade keine Schutzkleinspannung (42V) mehr, aber der 
Leiterbahnabstand ist hier noch nicht so kritisch. Ein halber Millimeter 
(oder auch weniger) reicht hier völlig.
Bezüglich der Stromstärke wird's dann aber schon interessanter. 5 bis 
10A Dauerstrom sind keine Pappenstil. Da sollten die Leiterbahnen schon 
breit genug sein, sonst fungieren sie als Schmelzsicherung, was man ja 
sicherlich nicht möchte. Nachzverzinnen oder -vergolden bzw. einen 
zusätzlichen Draht zur Verstärkung auflöten hilft die Strombelastbarkeit 
pro Millimeter Leiterbahnbreite zu erhöhen. Einige ECAD-Programme (z.B. 
auch Sprint-Layout von Abacom) geben die max. Belastbarkeit der gerade 
gewählten Track-Breite online an. Aber es gibt sicherlich auch im 
Internet entsprechende Tabellen zu finden - einfach mal nach suchen.
Grundsätzlich hängt die Belastbarkeit u.a. von der dicke der Cu-Auflage 
als auch von verwendeten Basismaterial (z.B. Pertinax, FR4, Keramik, 
Aluminium, ...) und dessen Dicke ab.

> Ich freu mich auf Antworten, Anregungen ;-)

Autor: John Meyer (birdfire)
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@ Eduard: Es sind natürlich mechanische ;-)


@ Hubert G.
Hmmm, ok das mit der Wechselspannung und der Potentialtrennung bringt 
mich ins Überlegen, da beides realisierbar sein sollte, dann ist es wohl 
besser Triacs, ssRelais oder Optokoppler zu verwenden?!

Autor: birdfire (Gast)
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Nach einiger Recherche bin ich zu dem Ergebnis gekommen, dass 
Wechselspannungen erstmal uninteressant sind und deshalb nicht zum 
Funktionsumfang der Karte gehören sollen. Die Potentialtrennung finde 
ich aber schon eher interessant, welche durch einen Optokoppler 
realisiert werden soll.

Leider hab ich auch keine Ahnung von Optokopplern.

ich hab einfach mal bei Conrad den nächstbesten ausgewählt 
http://www.conrad.de/ce/de/product/140223/FOTOTRAN...
, jedoch blicke ih in dem datenblatt nicht so wirklich durch.

1. Welche Spannung benötigt der zwischen Anode und Kathode, (min, Max) 
und welcher Strom fließt, damit der sauber schaltet? Welche Größen sind 
das?

2. Wieviel Strom verträgt der ausgang, bzw welche Spannungen, vieviel 
fällt intern ab? Welche Größen sind das?

3. Wie schnell schaltet das teil maximal.


Danke im Voraus

Autor: Hubert G. (hubertg)
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1 Da ist eine LED drinnen, etwa 1,2 bis 1,4V bei 20mA

2 Max. 50mA, 150mW, 70V

3 250kHz

Autor: birdfire (Gast)
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Danke!

jetzt weis ich auch wo ich das im Datenblatt finde ;-)

Autor: birdfire (Gast)
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so ich hab mal wieder Zeit und Lust gefunden an diesem Projekt etwas 
weiter zu machen.....

ich hab mal eben nen Schaltplan gezeichnet, unsicher bin ich mir noch 
bei der Dimensionierung von R3.

Ich würde mich freuen wenn mal jemand drüberschauen könnte, da ich mir 
bei einigen Dimensionierungen nicht so ganz sicher bin.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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R3 ist nicht zwingend notwendig. Die Photonen von der LED reichen aus, 
um den Transistor im Optokoppler leitend zu machen - ein zusätzlicher 
Bias-Strom via R3 ist deshalb für Schalteranwendungen nicht nötig.

Einen Eindruck solltest Du bekommen, wenn Du Dir mal die Tabelle mit den 
CTR-Werten (C_urrent T_ransfer R_atio) anschaust. Dort ist angegeben, 
wieviel Prozent des LED-Stromes als Kollektorstrom fließen könnten.
Das sind beim 4N28 (laut DB von Fairchild jedenfalls) so etwa 10%. Bei 
einem angegebenen LED-Strom von 10mA könnten also etwa 1mA durch den 
Kollektor (bei Vce=10V) zustande kommen, falls dies nicht durch einen 
hochohmigeren Arbeitswiderstand (R2) verhindert wird. Nun hast Du bei 
Dir aber leider R2 niederohmiger zu 1k8 dimensioniert, womit bei einem 
maximalen Kollektorstrom von 1mA sich nur eine maximale Gate-Spannung 
von 1,8V ergeben würde. Damit wirst Du Deinen FET aber möglicherweise 
nicht zum (Durch-)Schalten 'überreden' können!
Deshalb wird häufig bei Schalteranwendungen mit Optokopplern der 
Phototransistor als Treiber in einer Darlington-Anordnung verschaltet, 
damit genug Strom fließen kann - d.h. der Phototransistor liefert den 
Basis-Strom für einen weiteren nachgeschalteten NPN-Schalttransistor. 
Dann sollte die ganze Sache besser 'funzen', da nun auch der 
Gate-Widerstand so bleiben kann, damit er auch schnell(?!) abschalten 
kann - was relativ ist, bei einem Wert von 1k8 und so-und-soviel 
Pico-Farad Gate-Kapazität. ;-)

Autor: birdfire (Gast)
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Ah ok danke......

der 4n28 hat mit 10% aber auch nen denkbar schlechten 
"Wirkungsgrad"......naja also entweder noch nen npn dahinter oder nen 
anderen Optokoppler....

Das mit dem Taster war nicht als Bias strom gedacht, sonders als 
"Handhilfsbetätigung" welche unabhängig vom Eingang des Optokopplers 
geschalten werden kann...

Danke mal bis hier, ich überleg mir was.....

Autor: Ehrhardt von Balstein (Gast)
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Hallo M. Schmidt,

als belastbaren FET mit dem sich auch große Induktivitäten schalten 
lassen, bietet sich der IRFP 460 an (N-Kanal). Für kleinere Leistungen 
der IRF 820.
Für PWM-Betrieb empfehle ich einen leistungsfähigen Mosfet-Treiber wie 
den MCP1407. Beide FETS lassen sich problemlos mit TTL-Pegeln steuern 
(auch 3,3V).

Gruß, Ehrhardt

Autor: John Meyer (birdfire)
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So also ich hab nochmals etwas gesucht und den LTV-817 gefunden. Er soll 
mit 180 Ohm gegen Masse und rund 20mA vom Ausgang des mega32 "befeuert 
werden. Vorteil ist hier gegenüber dem 4n28, dass der CTR deutlich höher 
ist und sein Maximum liegt bei rund 150%@10-20mA. Dann müssten mir als 
Kollektorstrom doch rund 30mA zur Verfügung stehen.

Richtig?!

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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M. Schmidt schrieb:
> So also ich hab nochmals etwas gesucht und den LTV-817 gefunden. Er soll
> mit 180 Ohm gegen Masse und rund 20mA vom Ausgang des mega32 "befeuert
> werden. Vorteil ist hier gegenüber dem 4n28, dass der CTR deutlich höher
> ist und sein Maximum liegt bei rund 150%@10-20mA. Dann müssten mir als
> Kollektorstrom doch rund 30mA zur Verfügung stehen.
>
> Richtig?!

Jip, den LTV-817 könntest Du natürlich auch nehmen. Dann ersparst Du Dir 
evtl. den zweiten Transistor für die Darlington-Beschaltung.
Allerdings solltest Du Dir unbedingt Fig. 10 des DBs anschauen, denn die 
Ein- und Ausschaltzeiten sind vom Lastwiderstand am Transistor abhängig 
und sind bei gewählter PWM-Frequenz ggf. zu berücksichtigen.
Wenn Du also den R2 so läßt (mit 1k8), bewegen sich die Zeiten im 
Bereich von etwa 20...50µs. Für eine PWM-Frequenz im unteren 
Kilohertz-Bereich sehe ich da keine Probleme, für (wesentlich) höhere 
Frequenzen, naja ...
Bei PWM-Frequenzen von etwa 20...50kHz ist er jedenfalls nur dann zu 
gebrauchen, wenn Du den Lastwiderstand klein hältst - mit allen 
Nachteilen, die sich daraus ergeben, wie eben z.B. einen hohen nötigen 
LED-Strom, den wiederrum der ATmega32 auch liefern muß.
Also ich bleibe dabei, daß die Darlington-Beschaltung weiterhin die 
bessere Alternative ist! Aber jeder darf seine eigenen Erfahrungen 
'sammeln'. ;-)

Autor: birdfire (Gast)
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Raimund Rabe schrieb:
> Jip, den LTV-817 könntest Du natürlich auch nehmen. Dann ersparst Du Dir
> evtl. den zweiten Transistor für die Darlington-Beschaltung.
> Allerdings solltest Du Dir unbedingt Fig. 10 des DBs anschauen, denn die
> Ein- und Ausschaltzeiten sind vom Lastwiderstand am Transistor abhängig
> und sind bei gewählter PWM-Frequenz ggf. zu berücksichtigen.
> Wenn Du also den R2 so läßt (mit 1k8), bewegen sich die Zeiten im
> Bereich von etwa 20...50µs. Für eine PWM-Frequenz im unteren
> Kilohertz-Bereich sehe ich da keine Probleme, für (wesentlich) höhere
> Frequenzen, naja ...
> Bei PWM-Frequenzen von etwa 20...50kHz ist er jedenfalls nur dann zu
> gebrauchen, wenn Du den Lastwiderstand klein hältst - mit allen
> Nachteilen, die sich daraus ergeben, wie eben z.B. einen hohen nötigen
> LED-Strom, den wiederrum der ATmega32 auch liefern muß.
> Also ich bleibe dabei, daß die Darlington-Beschaltung weiterhin die
> bessere Alternative ist! Aber jeder darf seine eigenen Erfahrungen
> 'sammeln'. ;-)

Danke für den "Denkanstoss"

Wie du bereits gesagt hast, der 1k8 ist viel zu groß dimensioniert.... 
ich würde ihn durch 330 Ohm ersetzen. Die 12V der Versorgungsspannung 
teilen sich bei IC=30mA in ca 2,5V=UCE und 9,5V an R2, dem Pull-down 
auf. Damit kann ich das Gate des jetzt neu ausgewählten "BUZ344" als 
Mosfet ganz brauchbar ansteuern,20-50khz reichen eigentlich (wobei das 
Signal bei 50khz wohl nicht mehr besonders sauber aussieht)....


Andererseits, was für ein Transistor wäre für die Darlington-Stufe 
geeignet? ;-)

Autor: Frank B. (frankman)
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Ein Photo-MOS-Relais kann beides: Potential trennen und Wechselstrom 
schalten....
Sonst würde ich einen N-channel-MOSFET nehmen, evtl mit Gleichrichter...

Autor: birdfire (Gast)
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Frank B. schrieb:
> Ein Photo-MOS-Relais kann beides: Potential trennen und Wechselstrom
> schalten....

Interessant, aber die ich bis jetzt gefunden habe sind sehr 
langsam.....ton und toff jeweils Größenordnung 1ms....gibt es da 
schnellere? PWM im unteren khz-Bereich sollte schon drin sein

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