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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET PWM Ansteuerung


Autor: dominikkr (Gast)
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Hallo zusammen,

ich plane derzeit einen RGBW-Dimmer (PWM-Frequenz: 500 Hz / Spannung: 
5V) der über einen RS485-Bus gesteuert werden kann. Ich möchte LEDs 
schalten, die bei 12V und ca. 3A betrieben werden. Hierbei möchte ich 
kleine SOT-23 N-Kanal MOSFETs vom Typ IRML0030 (Datenblatt: 
http://www.infineon.com/dgdl/irlml0030pbf.pdf?file...) 
verwenden.

Leider habe ich bisher mit der Ansteuerung von MOSFETs noch keine 
Erfahrungen sammeln können. Auch diverse Beiträge hier im Forum haben 
meine Fragen nicht beantwortet bzw. ich konnte die Beiträge nicht auf 
mein Problem anwenden.


Ich habe den IRLML0030 aus folgenden Gründen gewählt:
- VDSSmax = 30V
- IDmax = 5.3A
- RDSONmax@4.5V&4.2A = 40mΩ
- VGSthmax = 2.3V
- PDmax = 1.3W


Berechnungen:
- Verlustleistung:
  P = RDSONmax * ID^2
  P = 40mΩ * 3A^2 = 360mW

- Temperatur
  [RθJA = 100 °C/W]
  Temperatur = PD * RθJA
  Temperatur = 360mW * 100°C/W = 36°C


Hierzu habe ich noch einige Fragen:

1. Mache ich bei meinen Berechnungen irgendwelche Fehler?

2. Errechnet sich die tatsächliche Transistortemperatur dann aus 
[Tambient + errechneter Temperatur]?

3. Ich habe noch nicht ganz verstanden ob ich einen Gatevorwiderstand 
benötige und wie ich diesen errechnen kann. Vielleicht könnte diese 
Berechnung anhand eines Beispiels erklärt werden. :)

4. Würde die Schaltung aus dem Anhang für mein Vorhaben auch ohne einen 
Gatevorwiderstand funktionieren (R1 = 10kΩ)?


Vielen Dank im Voraus.

Gruß
Dominik

: Verschoben durch Admin
Autor: Jakob (Gast)
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Dein Gate-Widerstand (eher ein Gate-Source-Widerstand) ist schon
mal ein guter Schritt in Richtung sichere Schaltung!
- Es könnten aber auch 33k ... 100k sein.

Der sorgt dafür, dass z.B. beim Einschalten, wenn die PWM noch
nicht so richtig läuft, der MOSFET definiert AUSGESCHALTET ist.

Autor: Christian S. (roehrenvorheizer)
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Hallo

Deine Schaltung betreibt die LED ohne Vorwiderstand. Hierbei wird die 
Stromstärke auf einen Wert >3A ansteigen bis FET oder Batterie das nicht 
weiter anwachsen lassen können.

Ohne einen Widerstand in Reihe zur LED wird sie vermutlich nur kurz 
aufblitzen, um dann unter Farbveränderung abzusterben.

Welche Gerätschaft steuert den FET an?

MfG

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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dominikkr schrieb:
> Berechnungen:
> - Verlustleistung:
Gerade bei einer (hochfrequenten) PWM können zusätzlich zu den 
statischen Verlusten am Resonanz noch erhebliche dynamische 
Schaltverluste auftreten. Diese Verluste sind abhängig von der 
Schaltfrequenz und der Schaltgeschwindigkeit.

Der Gatewiderstand beeinflusst zusammen mit der Gatekapazität maßgeblich 
die Schaltgeschwindigkeit (aka. Flankensteilheit)...

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Wolfgang (Gast)
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Lothar M. schrieb:
> Der Gatewiderstand beeinflusst zusammen mit der Gatekapazität maßgeblich
> die Schaltgeschwindigkeit (aka. Flankensteilheit)...

Das ist dann aber nicht der in der Schaltung eingezeichnet R1, sondern 
ein Serienwiderstand zwischen PWM-Quelle und Gate, vorausgesetzt die 
Quelle verfügt über eine anständige Push-Pull-Ausgangsstufe.

Autor: dominikkr (Gast)
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Guten Morgen,

vielen Dank für die schnellen Antworten!

Christian S. schrieb:
> Deine Schaltung betreibt die LED ohne Vorwiderstand. Hierbei wird die
> Stromstärke auf einen Wert >3A ansteigen bis FET oder Batterie das nicht
> weiter anwachsen lassen können.

Es wird ein RGB-LED-Streifen mit enstprechenden Vorwiderständen auf dem 
Streifen betrieben. Hätte ich vielleicht vorher dazu sagen sollen. Die 
LED im Schaltbild soll nur symbolisch als Last dienen.


Christian S. schrieb:
> Welche Gerätschaft steuert den FET an?

Der FET würde durch einen PIC16F1509 angesteuert werden.


Lothar M. schrieb:
> Gerade bei einer (hochfrequenten) PWM können zusätzlich zu den
> statischen Verlusten am Resonanz noch erhebliche dynamische
> Schaltverluste auftreten. Diese Verluste sind abhängig von der
> Schaltfrequenz und der Schaltgeschwindigkeit.

Wie kann ich diese Verluste berechnen?


Wolfgang schrieb:
> Das ist dann aber nicht der in der Schaltung eingezeichnet R1, sondern
> ein Serienwiderstand zwischen PWM-Quelle und Gate, vorausgesetzt die
> Quelle verfügt über eine anständige Push-Pull-Ausgangsstufe.

Die Push-Pull-Stufe hilft dabei den MOSFET sauber ein- und 
auszuschalten. Habe ich das richtig verstanden?


Habe im Datenblatt 
(http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40...) nur 
folgende Angaben finden können:

18I/OPins(1Input-onlyPin):
- High current sink/source 25mA/25mA
- Individually programmable weak pull-ups
- Individually programmable


Gruß,
Dominik

Autor: Wolfgang (Gast)
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dominikkr schrieb:
> Die Push-Pull-Stufe hilft dabei den MOSFET sauber ein- und
> auszuschalten. Habe ich das richtig verstanden?

Die Push-Pull-Ausgangsstufe sorgt dafür, dass Ein- und Ausschaltflanke 
ähnlich steil sind.

dominikkr schrieb:
> - High current sink/source 25mA/25mA

Das ist nur ein statischer Wert. Das Umladen der Gate-Kapazität ist ein 
dynamischer Vorgang. IMHO sind die dynamischen Grenzwerte im Datenblatt 
des PIC nicht spezifiziert. Ein Serienwiderstand (typ. <100Ω) zwischen 
IO-Pin und Gate würde die Stromspitze absenken, führt allerdings zu 
einer verlängerten Umschaltphase mit Verlustleistung durch Betrieb im 
linearen Bereich.

Autor: dominikkr (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Ein Serienwiderstand (typ. <100Ω) zwischen
> IO-Pin und Gate würde die Stromspitze absenken, führt allerdings zu
> einer verlängerten Umschaltphase mit Verlustleistung durch Betrieb im
> linearen Bereich.

Das heißt also dass eine Push-Pull-Stufe sinnvoller wäre als ein 
Gate-Vorwiderstand?

Ich habe einige ZXTC2045 (Datenblatt: 
http://www.mouser.com/ds/2/115/ZXTC2045E6-75108.pdf) bei mir rumliegen. 
Damit könnte ich die Push-Pull-Stufe realisieren.

Allerdings wär es mir am liebsten es ohne eine Push-Pull-Stufe zu lösen, 
da ich auf der Platine Platz sparen möchte.

Gruß
Dominik

Autor: Axel S. (a-za-z0-9)
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dominikkr schrieb:
> Wolfgang schrieb:
>> Ein Serienwiderstand (typ. <100Ω) zwischen
>> IO-Pin und Gate würde die Stromspitze absenken, führt allerdings zu
>> einer verlängerten Umschaltphase mit Verlustleistung durch Betrieb im
>> linearen Bereich.
>
> Das heißt also dass eine Push-Pull-Stufe sinnvoller wäre als ein
> Gate-Vorwiderstand?

Die Frage ergibt keinen Sinn.

1. Du hast in deiner Schaltung keinen Gate-Vorwiderstand. Dein Wider- 
stand liegt nicht vor dem Gate, sondern als "Angstwiderstand" zwischen 
Gate und Source. Er ist - zumindest in der Eprobungsphase - aber 
durchaus sinnvoll, weil er sicherstellt daß der MOSFET ausgeschaltet 
ist. Auch dann, wenn der IO-Pin vom µC fälschlich als Eingang 
konfiguriert ist oder aus einem anderen Grund hochohmig ist.

2. Ein MOSFET muß immer mit einer Push/Pull Stufe angesteuert werden. 
Und diese Stufe muß um so niederohmiger sein, je schneller der MOSFET 
umschalten soll und je größer die Gate-Ladung des MOSFET ist. Für PWM 
braucht man praktisch immer aktive Push/Pull Stufen.

3. Dein PIC hat Push/Pull Ausgangsstufen. Wenn du den mit 5V 
betreibst, dann liefert er zumindest ausreichende Spannung für den 
MOSFET. Bei eher gemütlichen 500Hz sollte auch die Stromlieferfähigkeit 
des PICs reichen, um die Umschaltverluste im akzeptablen Rahmen zu 
halten.

4. Ob ein (echter) Gate-Vorwiderstand gebraucht wird, hängt von den 
Umständen ab. Je schneller der MOSFET schaltet, desto steiler sind die 
Strom- und Spannungsimpulse an den LED (respektive deren Zuleitungen). 
Ein Gate-Vorwiderstand flacht die Fanken ab. Er führt zu höheren 
Umschaltverlusten, aber auch zu weniger EMI.

Autor: Wolfgang (Gast)
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dominikkr schrieb:
> Das heißt also dass eine Push-Pull-Stufe sinnvoller wäre als ein
> Gate-Vorwiderstand?

Wie jetzt?
Eine Push-Pull-Endstufe sorgt für (weitgehend) symmetrische Flanken beim 
An- und Ausschalten, ein Gate-Vorwiderstand begrenzt den Strom, 
reduziert damit Flakensteilheit und Schaltstörungen. Wo siehst du da 
einen Zusammenhang, der irgendetwas sinnvoller macht. Das Zusammenspiel 
von beidem ist entscheidend.
>
> Allerdings wär es mir am liebsten es ohne eine Push-Pull-Stufe zu lösen,
> da ich auf der Platine Platz sparen möchte.

Dann guck dir mal den Aufbau der Ausgangsstufe von deinem PIC an ;-)

Autor: dominikkr (Gast)
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Axel S. schrieb:
> 1. Du hast in deiner Schaltung keinen Gate-Vorwiderstand. Dein Wider-
> stand liegt nicht vor dem Gate, sondern als "Angstwiderstand" zwischen
> Gate und Source. Er ist - zumindest in der Eprobungsphase - aber
> durchaus sinnvoll, weil er sicherstellt daß der MOSFET ausgeschaltet
> ist. Auch dann, wenn der IO-Pin vom µC fälschlich als Eingang
> konfiguriert ist oder aus einem anderen Grund hochohmig ist.

Ich weiß, dass ich in meiner Schaltung keinen Gate-Vorwiderstand verbaut 
habe und R1 kein solcher ist.


Axel S. schrieb:
> 3. Dein PIC hat Push/Pull Ausgangsstufen. Wenn du den mit 5V
> betreibst, dann liefert er zumindest ausreichende Spannung für den
> MOSFET. Bei eher gemütlichen 500Hz sollte auch die Stromlieferfähigkeit
> des PICs reichen, um die Umschaltverluste im akzeptablen Rahmen zu
> halten.

Das hilft mir schon mal weiter, das heißt also ich könnte meinen FET 
auch ohne externe Push-Pull-Stufe betreiben?! Dienen die beiden Dioden 
auf dem Block-Schaltbild im Anhang als eine solche?


Axel S. schrieb:
> 4. Ob ein (echter) Gate-Vorwiderstand gebraucht wird, hängt von den
> Umständen ab. Je schneller der MOSFET schaltet, desto steiler sind die
> Strom- und Spannungsimpulse an den LED (respektive deren Zuleitungen).
> Ein Gate-Vorwiderstand flacht die Fanken ab. Er führt zu höheren
> Umschaltverlusten, aber auch zu weniger EMI.

Nur zum Verständnis: Wenn ich einen Gatevorwiderstand verwende befinde 
ich mich also länger im linearen Bereich, ist das richtig?


Wolfgang schrieb:
> Dann guck dir mal den Aufbau der Ausgangsstufe von deinem PIC an ;-)

Habe ich im Anhang den Aufbau der Ausgangsstufe den du meinst?

Autor: Wolfgang (Gast)
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dominikkr schrieb:
> Habe ich im Anhang den Aufbau der Ausgangsstufe den du meinst?

Dann ist nur ein Blockschaltbild. Die eigentliche Ausgangsstufe steckt 
in dem Block oben rechts, der durch das TRISx-Bit gesteuert wird. Über 
Details des Aufbaus scheint es keine Abbildung zu geben. In TABLE 29-4: 
I/O PORTS sieht man aber, dass für die Ausgangsspannung (Parametern D080 
und D090) vergleichbare Stromwerte als Bedingung genannt werden.

dominikkr schrieb:
> Dienen die beiden Dioden auf dem Block-Schaltbild im Anhang als eine
> solche?

Das sind Dioden, die ein Eingangssignal etwa auf den Bereich VSS..VDD 
begrenzen. Wenn man mit Spannungen außerhalb dieses Bereichs an einen 
Pin geht, fangen die Dioden an zu leiten. Der Ausgangswiderstand der 
Signalquelle oder ein passender Serienwiderstand muss dafür sorgen, dass 
der maximal zulässige Strom nicht überschritten wird. Im Kap. 29.1 
"Absolute Maximum Ratings" ist der maximale Strom als Clamp current 
angegeben. Mit der Funktion der Ausgangsstufe haben die Dioden wenig zu 
tun, wenn man mal von unschönen Fall induktiver Lasten direkt am IO-Pin 
absieht.

Autor: Thomas E. (picalic)
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dominikkr schrieb:
> Allerdings wär es mir am liebsten es ohne eine Push-Pull-Stufe zu lösen,
> da ich auf der Platine Platz sparen möchte.

Apropos Platzsparen: hast Du im Datenblatt die Note (3) auf Seite 10 
gelesen und berücksichtigt, die besagt, unter welchen Bedingungen die 
angegebenen max. Verlustleistungswerte und der thermische Widerstand 
des Transistors gelten?

Autor: dominikkr (Gast)
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Ich werde jetzt einfach mein Glück versuchen, denn ohne konkretes 
Rechenbeispiel kann ich keine Entscheidung treffen, ob es nun zwingend 
notwendig ist eine Push-Pull-Stufe zu verwenden oder nicht.

Oder kann mir das hier jemand in Zahlen erklären?


Thomas E. schrieb:
> Apropos Platzsparen: hast Du im Datenblatt die Note (3) auf Seite 10
> gelesen und berücksichtigt, die besagt, unter welchen Bedingungen die
> angegebenen max. Verlustleistungswerte und der thermische Widerstand
> des Transistors gelten?

Danke für die Info. Das habe ich übersehen. Allerdings werde ich auch 
hier einfach testen müssen, ob der FET zu warm wird. Ich benötige ja nur 
ein Viertel der angegebenen maximalen Leistung.


Gruß
Dominik

Autor: Thomas E. (picalic)
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dominikkr schrieb:
> Es wird ein RGB-LED-Streifen mit enstprechenden Vorwiderständen auf dem
> Streifen betrieben.

Da der LED-Streifen sicher länger ist, als nur ein paar cm, musst Du 
davon ausgehen, daß dieser eine nicht ganz unerhebliche 
Leitungsinduktivität und -Kapazität besitzt. Ich würde deshalb die 
Steilheit der Schaltflanken begrenzen, z.B. durch folgende Schaltung: 
(s.Bild)
Die Verlustleistung steigt bei 500 Hz dadurch nur unwesentlich.

Autor: Thomas E. (picalic)
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dominikkr schrieb:
> Ich benötige ja nur
> ein Viertel der angegebenen maximalen Leistung.

Ohne entsprechendes Layout (= reichlich Kupfer zur Wärmeableitung) sind 
360 mW schon zuviel! Z.B. hier 
(ww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/cn_00792a.pdf) wird ein SOT23-3 
Gehäuse mit einem Wärmewiderstand von 336 Grad/W angegeben.

Autor: Thomas E. (picalic)
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dominikkr schrieb:
> Oder kann mir das hier jemand in Zahlen erklären?

Den Ausgangswiderstand vom PIC-Port würde ich zwischen 50 und 100 Ohm 
ansetzen. Die Schaltflanken sind damit sicher steil genug, um auch 
mehrere MHz Schaltfrequenz erreichen zu können und mit 500 Hz 
Rechteckansteuerung auf der LED-Streifenantenne genug Sendesignale auf 
allen möglichen Bändern zu produzieren...

Autor: Thomas E. (picalic)
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So, hier mal eine Schaltflanke im direkten Vergleich. Die Induktivitäten 
und 200pF-Kapazitäten sollen die parasitären L+C des LED-Streifens sein.
Die Mehrbelastung des Transistors durch die abgeflachten Schaltflanken 
bleibt in der Simulation unter 50 mW.

Autor: dominikkr (Gast)
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Danke Thomas für das Beispiel mit der Simulation. Also werde ich dann 
wohl doch einen größeren FET brauchen. Der Kondensator sollte auf jeden 
Fall noch Platz finden ;)

Gruß Dominik

Autor: Thomas E. (picalic)
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dominikkr schrieb:
> Also werde ich dann
> wohl doch einen größeren FET brauchen.

der FET würde wohl schon ausreichen, Du musst nur das Layout 
entsprechend auslegen, daß der Transistor seine ca. 400 mW Heizenergie 
gut wegbekommt, d.h. ihn mit dicken Leiterbahnen und möglichst viel 
Kupferfläche verbinden.
Du könntest auch einfach jeweils zwei dieser FETs parallel schalten, 
damit verringerst Du die Verlustleistung drastisch (nur noch etwa 1/4 
pro Transistor!)

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