Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik N-Channel Mosfet über NPN/PNP Schaltung


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von Major M. (major_m)


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Hallo zusammen,
Ich betreibe seit ein paar Monaten erfolgreich eine Steuerung die einen 
High-Site Mosfet über NPN/PNP steuert. Basis dieser Schaltung ist 
hierbei die Grafik von 
http://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png verlinkt in 
Beitrag "n kanal fet treiberschaltung"

Nun meine Frage: Aufgrund der Kompatiblität zu anderen Schaltungen würde 
Ich R2 gerne an den Collector des BC547 platzieren anstelle von Emitter. 
MMn sollte das möglich sein und die Schaltung trotzdem funktionieren. 
Ich möchte aber sicherheitshalber nochmal nachfragen.

Ich hänge nochmal ein Bild an welches die Schaltung zeigt. Linke seite 
kommt vom Controller mit den BC847 die die Ausgänge zur verfügung 
stellen. Rechts die Platine zum schalten von 12/24V.
RN8 (vor NPN/PNP) 1K,
RN9 (vor BC847) R330,
T14B (NPN/PNP) PUMD4, NXP 
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PEMD4_PUMD4.pdf
Q8 (P-Channel) IRFR9024, http://www.vishay.com/docs/91278/sihfr902.pdf

Hoffe es kann jemand bestätigen das es so geht oder evt verbesserung 
Vorschlagen.
Danke schonmal im Vorraus.
Grüße Moritz

von ArnoR (Gast)


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Major M. schrieb:
> Basis dieser Schaltung ist hierbei die Grafik von
> http://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png verlinkt in
> Beitrag "n kanal fet treiberschaltung"
>
> Nun meine Frage: Aufgrund der Kompatiblität zu anderen Schaltungen würde
> Ich R2 gerne an den Collector des BC547 platzieren anstelle von Emitter.
> MMn sollte das möglich sein und die Schaltung trotzdem funktionieren.

Die Schaltung aus dem Artikel ist dafür gedacht, bei hohen Spannungen 
(>Ugsmax.) schnell zu schalten. Deine Schaltung funktioniert aber ganz 
anders und wegen der Struktur und Dimensionierung kannst du schnelles 
Schalten gleich vergessen und auf den Komplementärtreiber verzichten.

von Michael B. (laberkopp)


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Major M. schrieb:
> würde
> Ich R2 gerne an den Collector des BC547 platzieren anstelle von Emitter.

Damit wird das eine ganz andere Schaltung, vom Konstantstrombetrieb der 
Treiberstufe hin zum Spannungsteiler.

Während die Originalschaltung mit jeder Versorgungsspannung über 15V gut 
funktioniert, auch mit 24, 40 oder 55V,

funktioniert deine Schaltung nur von 10 bis 26V.

Wieso überhaupt "N-Channel Mosfet über NPN/PNP Schaltung" wenn es ein

Major M. schrieb:
> Q8 (P-Channel) IRFR9024, http://www.vishay.com/docs/91278/sihfr902.pdf
ist ?

von Major M. (major_m)


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Hi,
Danke für die schnelle Antwort.
Warum einmal N einmal P... Naja, einfach verwechselt. : High site P ist 
aber richtig. ;)

Zu der Schaltung: Sie soll schon schnell schalten da am Der LEDs hängen 
mit entweder 24 oder12vv, die auch über PWM gedimmt werden sollen 
(10bit).
Mir wurde die Schaltung vor ner Weile so empfohlen dafür. Wenn sie in 
geänderter Form funktioniert aber nur 10-26v würde es reichen. Ansonsten 
muss ich die linke Seite über arbeiten das die Schaltung wieder 
funktioniert...

von ArnoR (Gast)


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Deine Schaltung ist langsam, weil die Transistoren links mit einem 
hochohmigen Basiswiderstand gesteuert werden und außerm als gesättigte 
Schalter arbeiten. Erheblich schneller wird die Sache durch Einsatz 
eines kleinen Mosfet (z.B. BS170 o.ä.) anstelle der 
Bipo/Basiswiderstand.

> Wenn sie in
> geänderter Form funktioniert aber nur 10-26v würde es reichen.

Deine Schaltung arbeitet als Teiler und nicht wie die im Artikel mit 
konstanter Ugs für den Mosfet. Du musst also den Teiler so einstellen, 
dass Ugs bei 26V max. 20V ist. Damit sinkt aber die Ugs bei 
10V-Versorgung auf 7,7V ab und dein Mosfet ist kein LL-Typ.

von Major M. (major_m)


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Hi Arno,
danke für den Tip mit dem BS170. Versteh ich das richtig das ich den 
BC847 "einfach" mit dem BS170 ersetzen kann wenn ich die Widerstände weg 
lasse? Also:
3,3V Logik -> BS170 Gate / Last -> Drain / Source->GND

Hab es mal neu gezeichnet. Wenn es So geht, ist die Frage ob dies auch 
für die 2te Funktion, Dimmen eines Meanwell Netzteiles über 0/10V 
Steuerspannung geeignet ist (Dim+ an Drain, Dim- an Source und GND)? 
Hierfür kann ich mir aber den BS170 im To-92 holen und testen...

Danke!

von Major M. (major_m)


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Hi,
wollte nochmal kurz nachfragen ob das letzte Bild so in ordnung geht? 
Ich würde dann gerne mal 2-3 Probeplatinen basteln/bestellen, daher wäre 
es gut wenn ich jetzt nix übersehen habe. ;)

Danke nochmal für die Hilfe.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Major M. schrieb:
> wollte nochmal kurz nachfragen ob das letzte Bild so in ordnung geht?

Nicht so richtig.

Arnos Einwand, daß die Schaltstufen langsamer würden und du statt npn- 
Transistoren besser MOSFETs nehmen würdest bezog sich darauf daß du die 
Emitterwiderstände entfernen wolltest.

Nun hast du die Emitterwiderstände drin gelassen und die Transistoren 
gegen MOSFETs getauscht. Das ist deswegen blöd, weil in der Schaltung 
mit Transistor die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Teil der 
Dimensionierung ist. Wenn du einen MOSFET nimmst, geht statt dessen die 
Gate-Source-Spannung U_gs für den gewünschten Strom (ursprünglich 13mA) 
in die Dimensionierung ein. Allerdings ist U_gs für gängige MOSFETs 
nicht nur höher als die 0.7V eines Transistors, sondern streut 
exemplarabhängig auch stark. Das führt dazu, daß der Drainstrom (und 
daraus folgend die Steuerspannung für den p-MOSFET) zum einen geringer 
ist als in der ursprünglichen Schaltung und zum anderen auch von Stufe 
zu Stufe stärker streuen wird.

Du solltest also entweder Transistoren verwenden (mein Rat) oder wenn du 
auf MOSFETs umstellst, dann die Widerstände in die Drain-Leitung legen - 
also praktisch einen Spannungsteiler vor das Gate des p-MOSFET.

von Uwe S. (regionalligator)


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ArnoR schrieb:
> Erheblich schneller wird die Sache durch Einsatz
> eines kleinen Mosfet (z.B. BS170 o.ä.) anstelle der
> Bipo/Basiswiderstand

Für moderne Schaltungen wird das auch so nie schnell genug. Auch 
Mosfets/nicht gesättigte bipolare Transistoren ÖFFNEN einfach nicht 
schnell genug. Insbesondere, da die Ströme im eigentlichen Levelshifter 
ja (bei hohen Spannungen) extrem gering bleiben müssen, um 
Verlustleistung zu verhindern. Diese Kombination verhindert ein 
schnelles Abschalten bei egal welchem steuerbaren Widerstand.

In entsprechenden Treiber-ICs werden daher ZWEI Levelshifter verwendet, 
von denen einer ein- und ausgangsseitig negiert ist. "Oben" werden dann 
lediglich die EINschaltflanken ausgewertet, die Ausschaltflanken beider 
Levelshifter komplett ignoriert. Nur das funktioniert auch z.B. bis 600V 
fast verlustfrei.

von Major M. (major_m)


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Axel S. schrieb:
> Nicht so richtig.
Jup auch gesehen... Da stand ich komplett auf dem Schlauch und klar das 
es so nicht funktioniert. Kann grade keinen Schaltplan zeichnen, daher 
leider Per Link:
https://www.mikrocontroller.net/wikifiles/4/4f/Relais_npn.png
Erstes Bild, rechte Seite Zeigt den BS170 bzw. BSS138 und den Anschluss. 
Da ich aber nur 3,3V habe anstelle von 5V vermute Ich dass das 
Steuersignal zu gering ist und der Mosfet damit nicht durchschaltet...

> Arnos Einwand, daß die Schaltstufen langsamer würden und du statt npn-
> Transistoren besser MOSFETs nehmen würdest bezog sich darauf daß du die
> Emitterwiderstände entfernen wolltest.
Das erscheint mir beim Nachdenken doch irgendwie unlogisch. In der 
Orginal Schaltung ( 
https://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png ) ist dieser 
ja damit immer 13mA über R2 abfallen und somit 13V am Gate anliegen. Mir 
wurde das Erklärt mit:
Mampf F. schrieb:
> Der linke Transistor arbeitet als Konstantstromquelle für R1. die 13mA,
> die durch R2 fließen, fließen auch durch R1 und damit ergibt sich eine
> Spannung 13V über R1 (oder 23V vom Kollektor auf Masse gemessen). Die
> liegen über den Push-Pull-Treiber auch direkt am Gate. Das macht eine
> Ugs-Spannung von 13V und ist zulässig, weil deutlich unter 20V
>
> Sperrt der Transistor fallen am Collector des Transistors 36V ab, damit
> ist Ugs=0V

Da meine Steuerspannung 3,3V ist benutze Ich einen 150mA als R2, damit 
habe ich eine 17mA KSQ. Dank U=r*i liegen am Gate also 17V an was zum 
durchschalten von Q4 reicht. (Solange ich nicht wieder was verdreht 
habe...)

> Du solltest also entweder Transistoren verwenden (mein Rat) oder wenn du
> auf MOSFETs umstellst, dann die Widerstände in die Drain-Leitung legen -
> also praktisch einen Spannungsteiler vor das Gate des p-MOSFET.
Ich weiß es grade auch nicht. Am besten natürlich das Sinnvollste. ;) 
Ich müsste nur für die Mosfets auf der Linken Seite welche haben die mit 
<3,3V klar kommen.

von Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)


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Der Push-Pull Treiber schaltet das Gate der Leistungsmosfets zwischen 
GND und der Versorgungsspannung. Vorsicht dabei: UGS max ist meistens 
nur 20 Volt, und bei Logic-Lebel FETs noch weniger. Das begrenzt die 
Versorgungsspannung.

von Major M. (major_m)


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Jup, der angestrebte irfr9204 hat max 20. gut, ich kann ja R200 als R2 
verwenden wodurch ich ugs 13v hätte. Darüber mache ich mir auch die 
geringsten sorgen im Moment. Wichtig ist ob ich besser bc547 oder bs170 
links nehme und wie ich die Schaltung schneller bekomme ohne r2. Das 
verstehe ich noch nicht...

: Bearbeitet durch User
von Axel S. (a-za-z0-9)


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Major M. schrieb:

>> Arnos Einwand, daß die Schaltstufen langsamer würden und du statt npn-
>> Transistoren besser MOSFETs nehmen würdest bezog sich darauf daß du die
>> Emitterwiderstände entfernen wolltest.

> Das erscheint mir beim Nachdenken doch irgendwie unlogisch.

Was erscheint dir unlogisch? Es geht um den Unterschied in der Schalt- 
geschwindigkeit einer ungesättigten und einer gesättigten Schaltstufe.

Die Gegenkopplung sorgt nicht nur für die gewünschte Konstantstrom- 
Charakteristik, sondern verhindert auch die Sättigung des Transistors.

> In der Orginal Schaltung ist dieser
> ja damit immer 13mA über R2 abfallen und somit 13V am Gate anliegen.

Der Transistor realisiert in Verbindung mit der konstanten Steuer- 
spannung und dem Emitterwiderstand eine geschaltete Konstantstromquelle. 
Die Spannung die der p-MOSFET nachher sieht ergibt sich aus dem 
Konstantstrom und dem Widerstand im Kollektorzweig. Innerhalb gewisser 
Grenzen kannst du Strom und Widerstand aneinander anpassen.

> Da meine Steuerspannung 3,3V ist benutze Ich einen 150mA als R2, damit
> habe ich eine 17mA KSQ. Dank U=r*i liegen am Gate also 17V an was zum
> durchschalten von Q4 reicht. (Solange ich nicht wieder was verdreht
> habe...)

Wenn du 150 Ohm meinst, dann stimmt der Rest. Wobei 17V für den IRFR9024 
unnötig viel sind. Jedes Volt mehr Steuerspannung erhöht die Verluste in 
der Treiberschaltung und macht sie potentiell langsamer. 10V würden 
vollkommen reichen.

>> Du solltest also entweder Transistoren verwenden (mein Rat) oder wenn du
>> auf MOSFETs umstellst, dann die Widerstände in die Drain-Leitung legen -
>> also praktisch einen Spannungsteiler vor das Gate des p-MOSFET.

> Ich weiß es grade auch nicht. Am besten natürlich das Sinnvollste. ;)
> Ich müsste nur für die Mosfets auf der Linken Seite welche haben die mit
> <3,3V klar kommen.

Bei 3.3V kannst du MOSFETs vergessen. Nicht weil sie nicht sicher 
einschalten würden, sondern weil die Exemplarstreuung der U_gs  dann zu 
groß ist. Denn alles was an U_gs gebraucht wird, fehlt ja am Source- 
widerstand. Ein 2N7002 z.B. braucht zwischen 0.8V und 3V für 1mA. Also 
vielleicht zwischen 0.9V und 3.1V für deine 17mA. Bleiben je nach 2N7002 
Exemplar zwischen 2.4V und 0.2V am Source-Widerstand. Das ist eine 
Schwankung um Faktor 12!

Bei einer nicht gegengekoppelten Schaltstufe wäre das egal. 3.1V liegen 
unterhalb 3.3V, jedes 2N7002 Exemplar schaltet also sicher ein.

: Bearbeitet durch User

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