Bootstrap-Kondensator + IR2104

[Maximilian B. (maxbit)]

Hi,

auf dem Datenblatt des IR2104 
(http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2104.pdf) findet sich 
direkt auf Seite 1 eine typische Schaltung mit Bootstrap-Kondensator. 
Ich habe grade irgendwie ein leichtes Verständnisproblem dabei.
Wenn der low-side MOSFET leitend ist, lädt sich der 
Bootstrap-Kondensator auf Vcc auf. Aber da dieser ja für die höhere 
Spannung am high-side Gate die Spannungsquelle darstellt, müsste dieser 
doch min. auf Vcc + 10 aufgeladen werden, da nirgends eine 
Reihenschaltung von Vboot und Vcc stattfindet. Oder schaltet der IR2014 
intern Vcc und Vb in Reihe?

Zweitens frag ich mich, wieso der Kondensator nicht vor Vb, sondern vor 
Vs kommt. Müsste er als Spannungsquelle für Vb nicht auch vor Vb im 
Schaltplan (= direkt nach der Diode) kommen?

Grüße

[Jens G. (jensig)]

Die C-Spannung schaltet sich in Reihe, sobald  der Ausgang auf High 
schaltet.
Hier geht es ja nicht um die Absulotspannung Vcc + irgendwas, sondern 
nur darum, daß Ugs des Highside-Mosfets erhalten bleibt.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Maximilian B. schrieb:
> Oder schaltet der IR2014
> intern Vcc und Vb in Reihe?

Wenn du so willst, ja, das tut er. Die Ladungspumpe stapelt auf Vs, egal 
wie hoch sie ist, Vcc auf. Die Diode sorgt dann dafür, das diese 
Spannung nicht wieder in Vcc zurückfliesst. Der Bootstrap Kondensator 
speichert diese Vb.

Selbst wenn also Vs auf dem Niveau der Drain der Highside ist (Highside 
durchgeschaltet) ist die Gatespannung an der Highside auf Vs + Vcc. 
(Gut, abzüglich der Uf der Diode natürlich).
Interessant ist es, der Arbeit der Ladungspumpe dabei zuzusehen. Ein 
erdfeies Oszilloskop zwischen Vs und dem Gate der Highside zeigt dir, 
wie die Ladungspumpe funktioniert.

[alfReD_b)/) (Gast)]

Maximilian B. schrieb:
> Oder schaltet der IR2014
> intern Vcc und Vb in Reihe?

Nein, die SPannuNGsaddiTiON pEr REihensChaltung findet doch über den in 
dem moment gesperRten low-side mosfet statt. Nochmal:

solange dieser leitet (EIN), liegt Vs nahezu (BiS auF DEN SpAnnUngaBFalL 
wG. rdsON des ls) auF gNd. Vb LIEGT in dieser zeit "DiE 
diodENVoRwärtspaNNuNG NiEDriGer" ALs VCC, UnD Wird dabei aufgELADEN.

SobALd ER SPERRT, LIegt Ja aN Vs ("SwitChing node") nahezu (Bis auf... 
s.o. ...des hs) die Betriebsspannung an. In dieseM MOment liegen diese, 
und die aM koNdensator, in reihe. CApIce? :-)

Maximilian B. schrieb:
> Zweitens frag ich mich, wieso der Kondensator nicht vor Vb, sondern vor
> Vs kommt. Müsste er als Spannungsquelle für Vb nicht auch vor Vb im
> Schaltplan (= direkt nach der Diode) kommen?

weil dAS keine aufzählung, sondern eine schaltung ist... neiN, jetzt 
ohne quatSch: der kondensaTor MUSS AN (zwischen) VB und VS. er wirkt 
dort/dann/dabei als spannungsquellE, diE über die diode aufgEladen wird. 
und nicht als 2phantastische stroMquelle, die sowohl vb als auch vs 
speist", oder irgend so etwas; keine ahnung, was Du daCHteSt.

(sorry, TasTATUR DEFEKt)

mfG

[Alfred B. (alfred_b979)]

Matthias S. schrieb:
> Wenn du so willst, ja, das tut er.

das stimmt leider nicht so ganz. nicht Intern. sONDERN WAS DU dAnAch 
schrobSt. AbER hÄTte Ich vOrhIn nIchT veRgESSEn, zU AKTuAliSieren (beIDE 
AnTWoRTEn nIchT geSEHen9, hätt icH GArnix mehR gESchRIEBen... Nur Muß 
iCH JetzT DuMMerweise MEiN ENtSCHieDeNes NEin vErTeidigen. :-(

[Maximilian B. (maxbit)]

Matthias S. schrieb:
> Die Ladungspumpe stapelt auf Vs, egal
> wie hoch sie ist, Vcc auf.

Ich dachte, Vs sei quasi der Minuspol von Vb ("High side floating supply 
return" <- aufgrund des returns dachte ich das). Wieso sollte ich auf Vs 
Vcc draufstapeln wollen? Jetzt bin ich total verwirrt... Der Kondensator 
ist doch auch nicht in Reihe, sondern parallel zu Vs geschaltet, oder 
nicht?

Dementsprechend kam ich auch drauf, dass der Kondensator vor Vb kommen 
muss, da Vb nach meinem Verständis die Versorgung für den HO Output 
darstellt und dementsprechend Vcc + min. 10 V als Input benötigt.

Matthias S. schrieb:
> Die Diode sorgt dann dafür, das diese
> Spannung nicht wieder in Vcc zurückfliesst.

Ich hab sowieso ein leichtes Problem, mir eine Spannung konkret 
vorzustellen, aber der Strom fließt doch, oder? Verhindert die Diode 
nicht das Zurückfließen des Stroms? Liegt damit dann keine Spannung mehr 
an?

Matthias S. schrieb:
> Selbst wenn also Vs auf dem Niveau der Drain der Highside ist (Highside
> durchgeschaltet) ist die Gatespannung an der Highside auf Vs + Vcc.

Moment, ist die Spannung am Gate oder am Source des High-Side-MOSFETs 
jetzt auf Vs + Vcc?

Mir sind glaube ich die Funktionen der Eingänge noch nicht ganz so klar, 
da nach deinem oberen Satz ja der Output HO Vs + Vcc liefern müsste, 
aber wie, verstehe ich nicht, da ich ja im Kondensator nur Vcc "zur 
Verfügung" habe....

alfReD_b)/) schrieb:
> SobALd ER SPERRT, LIegt Ja aN Vs ("SwitChing node") nahezu (Bis auf...
> s.o. ...des hs) die Betriebsspannung an. In dieseM MOment liegen diese,
> und die aM koNdensator, in reihe. CApIce? :-)

Das würde ja bedeuteten, dass am Source des Kondensators Vcc + Vs habe. 
Aber da vorher geschrieben wurde " Gatespannung an der Highside auf Vs + 
Vcc" würde es dann ja keinen Unterschied zwischen Gate und 
Sourcespannung geben. Hä?

[Alfred B. (alfred_b979)]

Ich kann Dir bei Deinem Durcheinander im Kopf auch nicht helfen... hmmm. 
Da müssen wir wohl aufgeben, oder?

Oder, zum Teufel, Du wirfst einfach mal NICHT die Beiträge verschiedener 
Leute durcheinander, wenn es schon mit dem Verständnis der Sache hapert. 
Glaubst Du, solche Erklärungen ergeben noch Sinn???

Sogar mein Witz (Aufzählung) war ein hintergründiger Versuch, Dir alles 
klar zu machen - leider dachte ich beim Schreiben, mein Beitrag sei der 
erste, und nicht, daß ich nach ähnlich lautendem nur noch "überflogen" 
werde. (Da hätte ich NIX geschrieben, oder etwas völlig anderes.)

Probiers aus. Sorry Leute - vergiß mal die beiden anderen Beiträge, tu 
wie Dir aufgetragen:

Drucke / beschaffe ein Bild der Halbbrücken-Beispielschaltung aus dem 
Datenblatt. (Alternativ öffne dieses auf zweitem Rechner.) Dann lies 
meine erste Antwort, während Du jederzeit auf das Bild schauen kannst... 
Notfalls zeichne zum Verständnis ein Diagramm der Spannungen von Vs zu 
COM=GND und Vb zu GND über den Zeitverlauf - beim Versuch dessen, oder 
kurz danach, HAST DU´S.

Wenn nicht, kannst Du nicht lesen, oder bist ein Troll, oder ...

[Maximilian B. (maxbit)]

Alfred B. schrieb:
> Wenn nicht, kannst Du nicht lesen, oder bist ein Troll, oder ...

Ich bin sowohl der deutschen Sprache mächtig als auch wirklich bemüht, 
es zu verstehen. Falls ich einen anderen Eindruck vermittle, tut mir das 
Leid, aber ich bin einfach ein dämlicher Physikschüler und kein 
fachkundiger Elektroniker.

Ich würde gerne nur noch einmal wissen, was die Funktion von Vb und Vs 
am IR2104 ist. Also WAS genau bewirken diese? Ist Vb die Spannung, die 
der HO-Ausgang an das Gate des MOSFET liefert?

Folgendes ist mir bereits klar:

alfReD_b)/) schrieb:
> solange dieser leitet (EIN), liegt Vs nahezu (BiS auF DEN SpAnnUngaBFalL
> wG. rdsON des ls) auF gNd. Vb LIEGT in dieser zeit "DiE
> diodENVoRwärtspaNNuNG NiEDriGer" ALs VCC, UnD Wird dabei aufgELADEN.

Ist verstanden. Kondensator wird aufgeladen, während low-side MOSFET 
leitend ist.

alfReD_b)/) schrieb:
> SobALd ER SPERRT, LIegt Ja aN Vs ("SwitChing node") nahezu (Bis auf...
> s.o. ...des hs) die Betriebsspannung an. In dieseM MOment liegen diese,
> und die aM koNdensator, in reihe.

Habe ich verstanden. Das bedeutet, dass die Spannung am Source des 
high-side MOSFETs jetzt Kondensatorspannung + Betriebsspannung ist, da 
diese in Reihe geschaltet sind. Was mir nicht klar ist, welche Spannung 
nun von HO ausgegeben wird, um den MOSFET durchschalten zu lassen und 
woher diese HO-Spannung kommt.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Maximilian B. schrieb:
> Ich hab sowieso ein leichtes Problem, mir eine Spannung konkret
> vorzustellen

Ist auch nicht schwieriger, als sich den Stromfluß vorzustellen. Die 
Spannung (Ihre Höhe festgelegt in Volt, meßbar (!)) ist salopp gesagt 
eine "vorgestellte" Kraft zwischen zwei Punkten, die fähig ist, durch 
einen diese Punkte berührenden Leiter einen Strom zu treiben.

P.S. Sorry, das war eine weitere Antwort auf VORHER (das hatt ich 
übersehen) - habe manchmal kein Netz, und aktualisiere deshalb nur alle 
paar Minuten, um nicht ständig "Seitenladefehler" zu erhalten.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Mach dir mal klar, (und das habe ich schon oft geschrieben) das ein 
MOSFet nichts von Masse oder + weiß, sondern nur sieht, was zwischen 
Source (Vs) und Gate für eine Spannung liegt. Ist diese Spannung höher 
als die Gatethresholdvoltage (Gateschwellenspannung), wird er anfangen 
zu leiten.

Schaltet er nun durch, liegt an der Source nahezu die gleiche Spannung 
wie an der Drain. Um den MOSFet dabei durchgeschaltet zu halten, ist 
also eine Spannung nötig, die immer noch höher als die an der 
Source/Drain ist.

Genau das macht die Ladungspumpe. Sie stapelt auf Vs (das ist ihr 
Bezugspunkt und die Spannung an der Source) ihre Vb (die etwa Vcc-Uf der 
Diode ist) auf Vs auf und sorgt, egal wie hoch Vs nun absolut ist, 
dafür, das der MOSFet durchgeschaltet bleibt. Das klappt solange, bis 
der Bootstrap Kondensator mindestens auf dem Niveau der 
Schwellenspannung des MOSFet bleibt.
Der Umschaltvorgang auf die Lowside bewirkt dann ein erneutes 
'Aufpumpen' der Ladung im C.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Maximilian B. schrieb:
> Das bedeutet, dass die Spannung am Source des
> high-side MOSFETs jetzt Kondensatorspannung + Betriebsspannung ist,

NEIN. Nur Betriebsspannung, und zwar

Maximilian B. schrieb:
> da
> diese in Reihe geschaltet sind.

Der Kondensator ist auf minimal kleiner als Vcc geladen. Sobald der 
Lowside sperrt, ist sein oberer Pol durch die Bootstrapdiode von Vcc 
entkoppelt, der untere Pol durch die Lowside-Body-Diode von COM 
entkoppelt. Man könnte sagen, der Kondensator wird mitsamt seiner Ladung 
(einer Spannung) in der Gesamtschaltung verschoben.

[Maximilian B. (maxbit)]

Matthias S. schrieb:
> Mach dir mal klar, (und das habe ich schon oft geschrieben) das ein
> MOSFet nichts von Masse oder + weiß, sondern nur sieht, was zwischen
> Source (Vs) und Gate für eine Spannung liegt. Ist diese Spannung höher
> als die Gatethresholdvoltage (Gateschwellenspannung), wird er anfangen
> zu leiten.

Ist mir soweit bewusst, nur ist mir immernoch nicht bewusst, welche 
Spannung denn überhaupt am Gate anliegt. Da die Ladungspumpe die 
Spannung am Source erhöht (Edit: scheint nach dem letzten Post von 
Alfred ja nicht so zu sein, mpf.), muss ja die Spannung am Gate 
dementsprechend niedriger sein, um eine Spannungsdifferenz zur erzeugen.

Aber woher kommt die Gatespannung und wie groß ist sie? Vielleicht klärt 
das meine Probleme.

Edit:

Widersprecht ihr euch nicht gerade?

Matthias S. schrieb:
> Sie stapelt auf Vs (das ist ihr
> Bezugspunkt und die Spannung an der Source) ihre Vb (die etwa Vcc-Uf der
> Diode ist) auf Vs auf

=> Vs wird um Vb (ca. Vcc) erhöht
=> Da Vs Spannung am Source des high-side MOSFETs ist, wird Spannung am 
Source erhöht

jedoch:

Alfred B. schrieb:
> NEIN. Nur Betriebsspannung, und zwar

=>nur Betriebsspannung (Vs) am Source.

Widerspricht sich das nicht?

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Maximilian B. schrieb:
> Da die Ladungspumpe die
> Spannung am Source erhöht,

Nö, das tut sie nicht. Wie ich schon mal schrieb ist Vs (und ich halte 
mich dabei an die Bezeichnung der Pins am IR2104) nur der Bezugspunkt 
für die Ladungspumpe. Für die interne Schaltung der Ladungspumpe ist Vs 
die Masse und Vb die Spannung, die sie auf Vs draufstapelt. Dabei ist 
die absolute Höhe von Vs unwichtig.
An HO liegt also im aktiven Zustand Vs+Vb. Das Vb dabei aus Vcc gewonnen 
wird, ist dabei nicht so wichtig, sondern nur praktisch, weil Vcc im 
Allgemeinen weit über der Schwellenspannung des MOSFet liegt.

Maximilian B. schrieb:
> muss ja die Spannung am Gate dementsprechend
> niedriger sein, um eine Spannungsdifferenz zur erzeugen.

Nein, sie muss höher sein - zumindest, wenn der MOSFet durchschalten 
soll. Im inaktiven Zustand der Highside ist HO etwa auf der Höhe von Vs.

[Maximilian B. (maxbit)]

Matthias S. schrieb:
> An HO liegt also im aktiven Zustand Vs+Vb.

Sind wir jetzt nicht wieder bei meiner ursprünglichen Aussage?

Maximilian B. schrieb:
> Oder schaltet der IR2014
> intern Vcc und Vb in Reihe?

Woraufhin Alfred ein klares NEIN erwiderte.

Oder ist es so, dass Betriebsspannung und Kondensatorspannung in Reihe 
geschaltet an Vb hängen und so die Reihenschaltung entsteht? Wenn ja, 
hab ich es verstanden.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Gottseidank! :-)

[Maximilian B. (maxbit)]

Alfred B. schrieb:
> Gottseidank!

Heißt das, ich hab es verstanden :D?

Wenn ja -> Vielen Dank bei euch beiden für eure Mühen und Zeit! Echt 
super nett von euch, hätte ich nie sonst gerafft! Dankeschön!

[Jens G. (jensig)]

Was ist denn an der Sache so kompliziert.
Wenn VS auf Low steht, wird der C über die D auf Vcc geladen.
Wenn dann der Ausgang nach oben geht (auf "up to 600V"), geht der C als 
Gesamtheit ebenfalls um diese Spannung nach oben. Er wird als um diese 
Differenz im Potential nach oben gesetzt (er wird nicht damit geladen - 
dessen U zw. seinen Anschlüssen ändert sich nicht).
Damit hast Du dann in der High-Phase Vb="up to 600V"+Vcc. Damit kann der 
Highside immer noch mit einem Gatepotential angesteuert werden, welches 
höher als dessen Sourcepotential ("up to 600V") ist (was ja der Sinn des 
C's ist).
Effektiv betrachtet hast Du damit in der High-Phase eine Reihenschaltung 
von "up to 600V" (bzw. Vs) und Vcc (bzw Uc).

[Alfred B. (alfred_b979)]

Jens G. schrieb:
> Was ist denn an der Sache so kompliziert.

Nichts. Wenn man´s versteht.