Ich bin im Elekronik-Bereich noch ein relativer Anfänger, aber da es ja keine dummen Fragen gibt, habe ich jetzt mal diesen Beitrag eröffnet. Ich möchte mit einem Mikrocontroller (3,3V) eine Last von 24V/3A mittels PWM schalten; als Frequenz stelle ich mir einen Wert irgendwo zwischen 1 bis 8 kHz vor. Das an sich ist noch nicht die Schwierigkeit, denn zu diesem Thema findet man auf dieser Website schon viele nützliche Beiträge - sprich eine Schaltung mit einem geeigneten N-Kanal MOSFET (vielleicht IRLU2905 oder IRLZ34 ?) plus Pulldown-Widerstand und evtl. Gate-Vorwiderstand. Jetzt aber mein Extrawunsch einer "Fallback" - Funktion : wenn der 3,3V - Stromkreis nicht aktiv ist (z.B. Netzteil des Mikrocontroller-Boards abgeschaltet), dann soll der 24V Stromkreis automatisch geschlossen werden. Mit anderen Worten : der Strom im 24V-Teil soll immer fließen, außer "aus dem Mikrocontroller kommt PWM raus". Ein N-Kanal MOSFET wird das ja nicht automatisch können; selbst wenn ich einen Pullup-Widerstand anstatt eines Pulldowns einbaue, fehlt ja trotzdem die 3,3V Spannung zum "Hochziehen" und damit er durchleitet. Eventuell würde das mit einem P-Kanal MOSFET funktionieren, aber die sollen ja von den Leistungsdaten her nicht so gut sein ... Dann hatte ich noch die Idee, im Leistungsstromkreis parallel zum MOSFET einen weiteren Schalter hinzuzufügen (z.B. ein Solid State Relais oder ein P-Kanal MOSFET), um den MOSFET am Mikrocontroller zu überstimmen. Sprich dieser zweite Schalter ist per default geschlossen und öffnet sich nur in dem Fall, wenn auch die 3,3V Spannung vorhanden ist. Aber so richtig zufrieden bin ich mit dieser Idee nicht; ich weiss einfach nicht, wie ich das Problem am besten angehen könnte. Mir schwebt eben eine elegante Lösung mit so wenig Bauteilen wie möglich vor, zumdem sollte es auch funktionieren und sicher/langlebing sein ;)
Geht schon mit einem N-Channel. PWM über Open-Kollektor einkoppeln und einen Widerstand nach 24V schalten. Achtung: Ugs beträgt ohne weitere Maßnahmen 24V, das hält nicht jeder aus.
Danke für Deinen Tipp, Daniel ! Bei meiner Recherche war ich schonmal kurz auf die Möglichkeit mit Open-Collector bzw. Open-Drain gestoßen, allerdings war da auch vermerkt, dass man für einen echten "echten" Schaltausgang einen Pullup-Widerstand am Kollektor braucht und sich das negativ auf hohe Schaltfrequenzen sprich auf die PWM auswirkt. Daher hatte ich das wieder verworfen und die 24V Ugs dürften die MOSFET-Auswahl auch nicht einfacher machen ;) Wahrscheinlich müsste man wohl mit einem zusätzlichen Spannungsregulator die 24V auf ein verträglicheres Maß absenken ? Aber a) habe ich keine Ahnung, ob dieses Konstrukt dann auch tatsächlich funktioniert und b) sind mir das bald auch schon wieder zu viele Bauteile. Gibt es denn keine einfachere Lösung meines Problemes ? Ich denke ich benötige ja eigentlich "nur" das Verhalten eines P-Kanal MOSFETs, aber realisiert mit einem N-Kanal MOSFET. Oder lässt sich vielleicht das "Schaltergebnis" des N-Kanal MOSFETs im Laststromkreis irgendwie mit einfachen Mitteln invertieren ? Dann bräuchte ich ja nur das PWM-Signal "umzudrehen", sprich aus HIGH muss LOW werden und umgekehrt und ein Pulldown-Widerstand am MOSFET würde den Laststromkreis wie gewünscht schließen anstatt öffnen.
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Du kannst die Gate-Source-Spannung auch einfach mit einer Z-Diode begrenzen (siehe Anhang). Max schrieb: > Gibt es denn keine einfachere Lösung meines Problemes ? Ich denke ich > benötige ja eigentlich "nur" das Verhalten eines P-Kanal MOSFETs, aber > realisiert mit einem N-Kanal MOSFET. Wie soll denn das eigentlich mit einem P-Channel gehen? Woher bekommst du da denn die zur Source negative Spannung her, wenn nicht vom 24V-Netzteil? Und da hast du dann auch wieder das Problem, dass Ugs = -24V. Desweiteren brauchst du beim P-Channel definitiv einen Pullup zu den 24V. Von 5V am Gate (also Ugs = -19V) wird der genauso leitend wie von 0V (Ugs = -24V). Wenn dann die 5V getrennt werden, sperrt der dauerhaft. Max schrieb: > Oder lässt sich vielleicht das "Schaltergebnis" des N-Kanal MOSFETs im > Laststromkreis irgendwie mit einfachen Mitteln invertieren ? Dann > bräuchte ich ja nur das PWM-Signal "umzudrehen", sprich aus HIGH muss > LOW werden und umgekehrt und ein Pulldown-Widerstand am MOSFET würde den > Laststromkreis wie gewünscht schließen anstatt öffnen. Ich glaube du verstehst da was falsch. Wenn die 5V-Versorgung getrennt wird, liegt das Gate noch lange nicht auf Massepotenzial. 0V ist nicht 0V, sozusagen. Was noch ginge wäre ein Verarmungstyp (a.k.a. selbstleitend), also ein FET, der ohne Spannung leitet und durch ansteuern gesperrt wird. Ist aber hier absolut nicht notwendig. Und noch als gut gemeinter Tip: Übertreib's nicht mit der Schaltfrequenz.
Nach einiger Suche habe ich jetzt ein P-Kanal MOSFET IRF9530N (mit N am Ende, falsche Verlinkung) gefunden (gibt es u.a. bei Reichelt und Conrad). Problem ist wahrscheinlich der hohe RDS(on) von 0,2 Ohm. Wenn ich das richtig verstehe, dann ergibt das bei 3A einen Spannungsabfall von 0,2 * 3 = 0,6 V ? Sprich im Laststromkreis liegen anstatt 24V nur noch 23,4V an ? Da die Last nur ein LED-Strip ist, dürfte das doch gar nicht so schlimm ein, d.h. der leuchtet vielleicht nicht mehr ganz so hell, aber der Unterschied sollte doch kaum wahrnehmbar sein. Ich weiss nur nicht, ob man den IRF9530N mit 3,3V wirklich schon regeln kann. Bei Reichelt ist zwar UGS(th) mit 2V angegeben, aber im Datenblatt-Diagramm geht -Vgs erst bei 4 los. Oder muss man das Vgs hier anders rechnen, also 3,3V - 24 V = -20,7V ? Und kann man das Teil in diesem Fall überhaupt verwenden, denn als Maximalwert für Vgs ist +/-20V angegeben ... ? Also ich stehe im Moment total auf dem Schlauch und würde mich über jede Hilfe freuen. Vielleicht kennt ja auch jemand einen besseren P-Kanal MOSFET für meinen Zweck ?
Danke für Deine Antwort, Daniel. Daniel schrieb: > Ich glaube du verstehst da was falsch. Wenn die 5V-Versorgung getrennt > wird, liegt das Gate noch lange nicht auf Massepotenzial. 0V ist nicht > 0V, sozusagen. hmm ... verstehe ich nicht genau ... dafür gibt es doch einen Pulldown-Widerstand, der das Gate auf Masse zieht ? Also die beiden Stromkreise (3,3V und 24V) sind zwar getrennt für sich, aber doch trotzdem auch über Masse verbunden ?
Max schrieb: > hmm ... verstehe ich nicht genau ... dafür gibt es doch einen > Pulldown-Widerstand, der das Gate auf Masse zieht ? Also die beiden > Stromkreise (3,3V und 24V) sind zwar getrennt für sich, aber doch > trotzdem auch über Masse verbunden ? Frage 1: Wo kommt der Pulldown plötzlich her? Siehst du dabei die Äquivalenz zum N-Channel? Frage 2: Wie bekommst du trotz des Pulldowns das Gate im PWM-Betrieb auf 24V, um den FET zu sperren? Nicht dass das nicht ginge, aber N-Channel ist imho die geschicktere Wahl.
Kann sein, dass wir gerade durcheinander gekommen sind ;) Jein, also den Pulldown hatte ich auf den N-Kanal bezogen. Die Masse ist ja immer da, also zieht der Pulldown auch dann, wenn der 3,3V - Stromkreis nicht aktiv ist. Aber in dem Fall leitet eben das N-MOSFET nicht durch und ich bräuchte aber eben genau diese gegenteilige Funktion. Und ein P-Kanal MOSFET mit Pulldown leitet aber beim Fehlen des 3,3V Stromkreises auch nicht durch, wenn ich Dich richtig verstehe ? Das hatte ich eigentlich gedacht. Wenn nicht, brauche ich die P-MOSFET-Idee ja auch nicht weiterverfolgen. Danke erstmal für Deine Hilfe; vielleicht ist der Schaltungstipp mit der Z-Diode doch die beste Lösung. Muss ich mir nochmal genauer anschauen und durchdenken (will ja auch etwas lernen dabei) ;)
Max schrieb: > Jein, also den Pulldown hatte ich auf den N-Kanal bezogen. Die Masse ist > ja immer da, also zieht der Pulldown auch dann, wenn der 3,3V - > Stromkreis nicht aktiv ist. Aber in dem Fall leitet eben das N-MOSFET > nicht durch und ich bräuchte aber eben genau diese gegenteilige > Funktion. Das macht halt mal gar keinen Sinn. Die "genau gegenteilige Funktion" zum N-Channel ist nunmal der P-Channel. Wie gesagt, man kann sich auch noch etwas mit selbstleitenden FETs überlegen, aber da brauchst du dann Hilfsspannungen (d.h. negativer als GND oder positiver als 24V). Max schrieb: > Und ein P-Kanal MOSFET mit Pulldown leitet aber beim Fehlen des 3,3V > Stromkreises auch nicht durch, wenn ich Dich richtig verstehe ? Das > hatte ich eigentlich gedacht. Wenn nicht, brauche ich die P-MOSFET-Idee > ja auch nicht weiterverfolgen. Doch, das tut er, wenn man einen Pulldown nach Masse an das Gate hängt. Aber nochmal: Damit er im PWM-Betrieb sperrt, muss man das Gate auf 24V bringen, was dann nicht mehr so einfach mit einem Pullup geht. Und wo bleibt dann der Vorteil zum N-Channel?
Daniel schrieb: > Doch, das tut er, wenn man einen Pulldown nach Masse an das Gate hängt. > Aber nochmal: Damit er im PWM-Betrieb sperrt, muss man das Gate auf 24V > bringen, was dann nicht mehr so einfach mit einem Pullup geht. Und wo > bleibt dann der Vorteil zum N-Channel? Also sind wir uns doch jetzt einig, dass der P-Kanal MOSFET bei LOW durchleitet. Und LOW bekommen wir ja durch den Pullup hin bzw. wenn der µC-Ausgang auf LOW geschaltet wird. Also geht es doch nur noch um das Setzen von HIGH, was den MOSFET sperren und damit den 24V Stromkreis öffnen soll. Aber dafür benötige ich doch keine +24V am Gate ??? Das liest sich für mich hier eigentlich anders : http://www.mikrocontroller.net/articles/Snippets#Direkte_Methode:_P-Kanal_MOSFETs_.28PFET.29 Wenn am µC-Port 3,3V (HIGH) herauskommen, dann beträgt die Gate-Source-Spannung doch eigentlich 3,3V - 24V = -20,7 V im Gegensatz zu -24V bei LOW. Die Frage ist doch dann eher mehr, ob der Schwellwert zum Umschalten innerhalb dieses Bereiches (-24 bis -20,7) liegt, aber das müsste ja von den Daten des jeweiliegen P-MOSFETs abhängig sein ?
Max schrieb: > Die Frage ist doch dann eher mehr, ob der Schwellwert zum Umschalten > innerhalb dieses Bereiches (-24 bis -20,7) liegt, aber das müsste ja von > den Daten des jeweiliegen P-MOSFETs abhängig sein ? Dann geh mal auf die Suche danach... Ich warte hier so lange. Nein, also so lange will ich nicht warten. Zum einen passiert dieser Übergang von "sperrt" zu "leitet" nicht so krass schlagartig wie im Link beschrieben (abhängig von Id) und zum anderen liegt dieser Schwellwert Ugs(tres) meist im Bereich um 5V. Das was du haben willst, gibt es nicht und braucht es auch nicht. Max schrieb: > Aber dafür benötige ich doch keine +24V am Gate ??? Doch, mein Freund, genau das brauchst du. Die schaltest du mit einem PNP-Transisor (samt Basiswiderstand und Pullup) auf, weil das Gate zum leiten ohne 3V3-Versorgung bereits mit einem Pulldown versehen werden muss. Und den PNP wiederum schaltest du mit einem NPN-Transistor (auch wieder mit Vorwiderstand). Macht: 1 FET, 2 BPT, 4 Widerstände Wie lange soll ich noch versuchen, dich zum N-Channel zu überreden?
Daniel schrieb: > [...] Macht: 1 FET, 2 BPT, 4 Widerstände > > Wie lange soll ich noch versuchen, dich zum N-Channel zu überreden? ok, überredet ;) Zwischenzeitlich hatte ich jetzt noch die Idee gehabt, für den 3,3V - Stromkreis erst gar kein extra Netzteil zu verwenden, sondern diesen mit einem Spannungsregler aus den sowieso vorhandenen 24V zu speisen. Das in Kombination mit einem N-Kanal MOSFET und Pullup-Widerstand müsste doch eigentlich auch funktionieren ? Ist natürlich nicht mehr die ursprüngliche Aufgabenstellung, aber ich hätte es eben gern so einfach wie möglich gelöst. Zumal ich auch bei der PWM-Frequenz nicht allzu sehr weit runtergehen möchte.
Warum heisst es wohl "U_GS" im Datenblatt??!? Spannung über Gate-Source. Sonst, wenn die Steuerspannung massebezogen wäre, hieße es "U_GGND" oderso. Wenn die Spannung ÜBER Gate und Source - am FET gemessen - größer U_th ist, fängt er an zu leiten. Ob nun Source "oben"(24V) oder "unten"(GND) angeschlosssen ist, hängt nun vom Typ selbst ab (N oder P). Wenn Du dein Multimeter "oben" an 24V klemmst (mit der roten Messspitze) und nun den PMOS durchsteuerst, indem Du Du das Gate auf Masse ziehst und nun mal U_GS mit deinem Multimeter messen würdest, erkennst Du, das ein negativer Wert zur Anzeige kommt (aufpassen auf U_GS_max). Sieh mal in die Datenblätter verschiedener P_kanal MOSFETs. Die U_GS wird immer mit negativem Vorzeichen angegeben. Masse ist jetzt quasi "oben" und du must mit negativem Vorzeichen messen. Der P-Kanal wird sicher leiten, aber nie sperren. Wie gesagt, mal Dir die Schaltung auf, dreh sie auf den Kopf und dreh das Blatt auf die Rückseite. Nun stell dich mit dem Blatt vors Fenster und lass die Sonne durchscheinen. Jetzt siehst Du die Schaltung "aus der Sicht des P-Kanal MOSFETs" Viel Erfolg noch, Gruß Axelr.
@Axelr: Danke Dir für Deine Erklärung ! Den Zahn mit dem P-Kanal MOSFET hat mir Daniel sowieso schon gezogen und ich verstehe jetzt (glaube ich) auch so ungefähr, warum das so nix werden kann. Ich war eben einfach angetan von der Idee, dass es eine einfache Lösung geben muss und dass der P-MOSFET dabei eine wichtige Rolle spielt - tut er eben leider aber nicht ;)
Max schrieb: > Zwischenzeitlich hatte ich jetzt noch die Idee gehabt, für den 3,3V - > Stromkreis erst gar kein extra Netzteil zu verwenden, sondern diesen mit > einem Spannungsregler aus den sowieso vorhandenen 24V zu speisen. Kann man machen, aber nicht so einfach, wie du das vermutlich gern hättest. Bei diesem Drop 24V - 3,3V = 20,7V bekommst du schnell ein paar Watt Verlustleistung zusammen, abhängig vom Stromverbrauch der Schaltung. Hier ist ein Schaltreglerdesign notwendig. Und ich vermute mal, dass das über deinem aktuellen Horizont liegt, soetwas störsicher aufzubauen. Wenn du diese Lösung weiter anstrebst, solltest du etwas fertiges nehmen, zum Beispiel: http://dx.com/p/mini-dc-dc-voltage-stabilizer-regulator-module-red-126106 Wenn du bei der Standardschaltung und der einen Treiberstufe bleibst, geht's wohl noch mit einem Linearspannungsregler.
Daniel schrieb: > Kann man machen, aber nicht so einfach, wie du das vermutlich gern > hättest. Stimmt, aber ist auch nicht ganz so schlimm, weil man an so einem Praxisbeispiel eben auch viel lernen kann. Über Schaltregler (und wie man diesen in meinem Fall einsetzt) habe ich noch nicht viel in Erfahrung bringen können; mir war eigentlich eine Spannungsreglerschaltung mit LM317 sympathischer. Allerdings müsste man bei den 24V wahrscheinlich auch schon zwei Stück kaskadieren ... Also das betreffende Mikrocontroller - Board hat auch einen Spannungsregler verbaut und zwei Versorgungsmöglichkeiten : einmal für stabile 3,3V und einen RAW-Pin für glaube ich 4V bis 8V. Daher stellt sich für mich auch die Frage, welchen von beiden ich nutzen sollte. Wahrscheinlich ist es einfacher, die 24V auf z.B. 5V zu regeln und den Rest den verbauten Regler machen zu lassen ... angegeben ist für das Board übrigends ein max. Output von 150mA, da sollte ja eigentlich die Verlustleistung erträglich und eine Lösung per Spannungsregler machbar sein ? Die 150mA werden sowieso nicht abgerufen, da ja nur 3 PWM-Pins tatsächlich etwas machen und es zum Schalten der MOSFETs auf die Spannung ankommt und nicht auf den Strom (also das behaupte ich jetzt einfach mal, hoffentlich stimmts g).
Max schrieb: > angegeben ist für das > Board übrigends ein max. Output von 150mA Kannst du vielleicht mal sagen, was das für ein Board ist? Der Output interessiert hier kaum, wichtig ist doch, was die Schaltung zieht. Ein AVR bei 1 MHz zieht 1mA und ein ARM teilweise 500mA
Das ist nur ein ganz minimalistisches Board mit einem 8MHz ATmega328 : http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&filter_name=DFrduino%20pro%20mini&product_id=737#.URPJ7_LMLMo Eine genaue Angabe zum Stromverbrauch habe ich leider noch nicht gefunden; aber das ist ja auch eine PicoPower (stromsparende) Version, also wird sich das in Grenzen halten. Und so ein MOSFET-Gate zieht ja eigentlich auch nichts, oder kann das doch in einem bestimmten Moment passieren, z.B. beim Umschalten - eigentlich nicht, oder ? Aber mehr als 20mA liefert ein Pin ja ehr nicht, glaube ich.
Das hättest du ja einfach sagen können, dass das ein Arduino Mini Pro ist. Max schrieb: > Und so ein MOSFET-Gate zieht ja eigentlich auch nichts, oder kann das > doch in einem bestimmten Moment passieren, z.B. beim Umschalten - > eigentlich nicht, oder ? Aber mehr als 20mA liefert ein Pin ja ehr > nicht, glaube ich. Stichwort Gate-Kapazität. Das Gate verhält sich wie ein Kondensator. Und Kondensatoren werden bei hohen Frequenzen "leitfähig". Aber das hält sich hier in Grenzen. In dem Fall kann man mit einem Linearspannungsregler arbeiten, auch wenn's nicht gerade sparsam ist.
> Das hättest du ja einfach sagen können, dass das ein Arduino Mini Pro > ist. ist es aber nicht 100%ig ;) Also zumindest der Bereich für die Vin am RAW-Pin ist abweichend. Im Original können das angeblich bis zu 12V sein und bei dem Teil sind es max. 8V. Also zumindest der verbaute Spannungswandler wird (aus Kostengründen?) ein anderer sein. > In dem Fall kann man mit einem Linearspannungsregler arbeiten, auch > wenn's nicht gerade sparsam ist. ... wie groß ist denn ungefähr die Leistung, die dadurch verbraten wird ? Ich habe bis jetzt noch keine Angaben dazu gefunden, was der 328P in der 8MHz/3.3V - Version tatsächlich an Strom verbraucht. Wobei man natürlich auch fairerweise gegenrechnen müsste, dass eine (wie ursprünglich angedacht) extra Spannungsversorgung mit z.B. einem handelsüblichen 5V Netzeil auch nicht verlustfrei abgeht.
Daniel schrieb: > Ein AVR bei 1 MHz zieht 1mA und ein ARM teilweise 500mA Ok, ich habe mir mal das Datenblatt des 328p durchgeschaut ... das sollten tatsächlich nicht mehr als 8 bis 10 mA sein, eher weniger. Also wäre die Verlustleistung = 20,7 V * 0,01 A = 0,21 Watt ? Selbst wenn der Rest der Schaltung auch noch was verbraucht; mehr als ein halbes Watt wird das doch nicht werden ? Das klingt für mich als Laie doch ganz akzeptabel ... besonders wenn man sich mal anschauen würde, was ein externes Netzteil in dem Fall so verbrauchen würde.
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