Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Mosfet: Gatewiderstand richtig dimensionieren


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von Walter J. (Gast)


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Hallo Leute,

vielleicht kann mir mal jemand helfen.

Ich habe mir den "AVR Brushless Motor Controller" von Ulrich Rading 
nachgebaut.

Allerdings würde ich den Motor gerne mit 27Volt, anstatt mit 12V 
betreiben.
Das funktioniert soweit auch ganz gut, allerdings werden die 
Gatevorwiderstände (R1= 270 Ohm) der High-Side sehr sehr heiß.

So wie ich das verstanden habe, stellen diese ja zusammen mit der 
Gatekapazität die Zeitkonstante "Tau" dar (Tau=R*C).

Nur habe ich bei 27V eine deutlich höhere Verlustleistung als bei 12V am 
Widerstand.

Könnte jetzt einen dickeren Widerstand benutzen, aber das kann ja nicht 
die Lösung sein. Wie würde man es richtig machen bzw. es richtig 
berechnen.

Den betreffenden Ausschnitt habe ich mal angehängt, hoffe Herr Rading 
nimmt es nicht übel.

von ArnoR (Gast)


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Walter J. schrieb:
> Allerdings würde ich den Motor gerne mit 27Volt, anstatt mit 12V
> betreiben.
> Das funktioniert soweit auch ganz gut, allerdings werden die
> Gatevorwiderstände (R1= 270 Ohm) der High-Side sehr sehr heiß.

Mit der gezeigten Schaltung? Dann dürfte wohl die maximale 
Gate-Source-Spannung des p-Kanal-Mosfet überschritten werden.

Man verwendet in diesem Fall eine andere Schaltung. Der T1 bekommt einen 
Emitterwiderstand, der Basiswiderstand entfällt. Der Emitterwiderstand 
wird so dimensioniert, dass bei High-Pegel am Eingang ein Emitterstrom 
von ~45mA fließt (RE=100R). R1 wird nun so dimensioniert, dass an ihm 
bei 45mA etwa 10...15V liegen (R1=270R).

von Walter J. (Gast)


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Danke ArnoR, hab es mal umgezeichnet.

Der Basiswiderstand ist raus, und einen Emitterwiderstand R4 von 100Ohm 
eingefügt.

Habe ich deine Antwort damit richtig verstanden und auch umgesetzt?

von Walter J. (Gast)


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und, hätte ich jetzt nicht einen Spannugsteiler durch mit 270R und 100R? 
Dann würden am Gate von Q1 ja nur 7,3Volt anliegen und nicht 10-15V

von ArnoR (Gast)


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Walter J. schrieb:
> Habe ich deine Antwort damit richtig verstanden und auch umgesetzt?

Naja, das hängt von den 12V da links ab, die Schaltung an sich ist 
richtig. Eigentlich bin ich von einer Eingangsspannung von 5V 
ausgegangen. Bei 12V wäre die Dimensionierung anders.

von ArnoR (Gast)


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Walter J. schrieb:
> und, hätte ich jetzt nicht einen Spannugsteiler durch mit 270R und 100R?
> Dann würden am Gate von Q1 ja nur 7,3Volt anliegen und nicht 10-15V

Nein. Bei einer Spannung von 5V an der Basis von T1, liegen am RE 4,3V 
und es fließt ein Konstantstrom von 43mA durch R4 -> Emitter -> 
Kollektor -> R1. Dieser Strom erzeugt dann an R1 11,6V. Die restlichen 
27V-4,3V-11,6V=11,1V liegen an der Kollektor-Emitter-Strecke von T1. Der 
T1 ist nicht gesättigt, somit ist die Schaltung kein Spannungsteiler 
zwischen R1 und R4.

von ArnoR (Gast)


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Walter J. schrieb:
> und, hätte ich jetzt nicht einen Spannugsteiler durch mit 270R und 100R?
> Dann würden am Gate von Q1 ja nur 7,3Volt anliegen und nicht 10-15V

Ach so, wenn es so wäre, wäre es auch genau anders herum. Am kleineren 
Widerstand läge natürlich auch die kleinere Spannung.

von Walter J. (Gast)


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Ups, die habe ich vergessen zu ändern. Über dem eingezeichneten 
Kondensator liegen auch 27V Volt an.

An der Basis von T1 das 5V-Schaltsignal des Mikrocontrollers.

Vielleicht könntest du dir die Mühe machen und mir nochmals die richtige 
Dimensionierung aufzeigen und vielleicht auch rechnerisch darstellen, 
falls du die Zeit dazu findest.

von Walter J. (Gast)


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Da warst du schon schneller als ich. Dann passt ja die Schaltung deiner 
Erklärunng nach schon soweit für die 27Volt und die fälschlichen 12 Volt 
am Kondensator haben also nur Verwirrung gestiftet.

Wie gesagt, die 12 Volt sind nicht die Eingangsspanung an der Basis, 5V 
stimmen schon.

von ArnoR (Gast)


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Walter J. schrieb:
> Vielleicht könntest du dir die Mühe machen und mir nochmals die richtige
> Dimensionierung aufzeigen und vielleicht auch rechnerisch darstellen,
> falls du die Zeit dazu findest.

Um 20:26h bereits gemacht. Ist das klar genug?

von Walter J. (Gast)


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Ja, ist es jetzt, wie ich um 20:35 auch erkannt habe ;-). Vielen dank 
jedenfalls, werde ich so aufbauen

von Walter J. (Gast)


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ArnoR, und alle anderen, auch wenn ich nerve.

Die Schaltung funktioniert wunderbar.

Aber ich würde gerne noch mehr verstehen.

1. Warum wird der Emitterstrom auf 45mA festgelegt. Kann mir das bitte 
nochmal jemand genauer erklären (warum gerade 45mA) oder auch sagen, wo 
ich diesen Wert im Datenblatt ablesen kann?

2. Wie verhält es sich bei dem LowSide Treiber?
Hier habe ich einen Spannungsteiler aus 33Ohm und 10kOhm vorm Gate.
Bei 5 Volt würden also 4,984V am Gate anliegen. Warum dann überhaupt ein 
Spannungsteiler?

von Achim S. (Gast)


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Walter J. schrieb:
> 1. Warum wird der Emitterstrom auf 45mA festgelegt. Kann mir das bitte
> nochmal jemand genauer erklären (warum gerade 45mA) oder auch sagen, wo
> ich diesen Wert im Datenblatt ablesen kann?

Die Basisspannung beträgt 5V
Die Emitterspannung liegt 0,7V tiefer (also 4,3V)
Wenn 4,3V an 100Ohm abfallen, dann fließen 43mA

Walter J. schrieb:
> 2. Wie verhält es sich bei dem LowSide Treiber?
> Hier habe ich einen Spannungsteiler aus 33Ohm und 10kOhm vorm Gate.
> Bei 5 Volt würden also 4,984V am Gate anliegen. Warum dann überhaupt ein
> Spannungsteiler?

Die beiden Widerstäne sind nicht als Spannunsgteiler gedacht (auch wenn 
sie natürlich die Spannung etwas runterteilen).
R2 dient dazu, das Gate definiert auf 0V zu ziehen, wenn am Eingang noch 
kein definiertes Signal anliegt (z.B. direkt nach dem Einschalten).
R3 dient dazu, den Umladestrom fürs Gate zu begrenzen, damit der 
µC-Ausgang nicht überlastet wird.

von Walter J. (Gast)


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Danke für die Antwort. Noch eine Frage:

Die von ArnoR vorgeschlagende Beschaltung des BC846, hat die einen 
speziellen Namen unter welchem man in der Literatur fündig wird? Handelt 
sich ja scheibar um eine Art Emitterschaltung, aber es fehlt der 
Basiswiderstand.

von MaWin (Gast)


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Walter J. schrieb:
> Die Schaltung funktioniert wunderbar.

Sonntags nach dem Essen.

Ist es wirklich so schwer, vor dem Zusammenbau bzw. Umbau einer 
Schaltung wenigstens mal die Datenblätter der verwendeten Bauteile zu 
lesen ?

Der 
http://www.infineon.com/dgdl/irfr1205.pdf?fileId=5546d462533600a40153562d126c2045 
ist für 10V Gate-Spannung spezifiziert, und du lieferst über UL bloss 
5V.

Daß dabei etwas nicht solide funktionieren wird, sollte doch wohl klar 
sein. Es gäbe tausende geeignete MOSFETs, z.B. IRLU2905, warum suchst du 
zielgenau einen, der nicht passt ?

Dann wäre auch aufgefallen, daß UGS nur 20V betragen darf.

von Walter J. (Gast)


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Wo bitte steht im Datenblatt etwas von 10V?

Ugs(th) liegt bei 2-4V. D.h. das ich den mit 5V durchgeschaltet 
bekommen, sofern ich keinen sonderlich hohen Strom benötige. So 
zumindest würde ich es aus dem dem Id/Vgs Diagramm (Figure3) entnehmen.

von M. K. (sylaina)


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Walter J. schrieb:
> Ugs(th) liegt bei 2-4V. D.h. das ich den mit 5V durchgeschaltet
> bekommen, sofern ich keinen sonderlich hohen Strom benötige.

Dein nicht sonderlich hoher Strom darf dann nur im Bereich von 250 uA Id 
liegen denn für diesen Id sind die 2-4 V. Schau dir unbedingt nochmal 
die Kurve an und schau mal wo da 250 uA Id ist (auf alle 
Randbedingungen für Ugs(th) achten!).

von Walter J. (Gast)


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Habs jetzt mal angehangen,

die 250µA sind nicht zu erkennen. Aber ich hätte es jetzt so verstanden, 
als wenn ich bei den eingezeichnetten Randbedingungen Tj=26°C, Vds=25V 
und 20µs Pulseweite ab Ugs=5V ganze 28A durchschicken könnte.

Davon abgesehen war ich davon ausgegangen das die oft diskutierte 
Schaltung von Herrn Radig funktioniert.
Auch sprechen wir im moment ja von der LowSide.

Meine Frage von 13:23Uhr bezog sich auf die HighSide und die Beschaltung 
des BC846, da diese ja jetzt von der ursürünglichen Originalschaltung 
abweicht.

von Clemens L. (c_l)


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Walter J. schrieb:
> die 250µA sind nicht zu erkennen.

garantiert ≠ typisch

von MaWin (Gast)


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Walter J. schrieb:
> Wo bitte steht im Datenblatt etwas von 10V?

Bereits in der Mitte des Deckblatts: Continuous Drain Current, VGS @ 10V

> Ugs(th) liegt bei 2-4V. D.h. das ich den mit 5V durchgeschaltet
> bekommen, sofern ich keinen sonderlich hohen Strom benötige.

Nicht wieder diese Dummheit.

Sie ist wohl nicht auzurotten.

UGS(th) ist die Spannung, unter der der MOSFET sicher SPERRT.

Nicht die Spannung ab der er leitet.

> So zumindest würde ich es aus dem dem Id/Vgs Diagramm (Figure3)
> entnehmen.

Nicht wieder diese Dummheit.

Das Diagramm ist TYPISCH. D.h. die notwendige Spannung für die jeweilige 
Kurve kann (entsprechendd der Schwankung bei der Angabe des UGS(th) 1:2 
betragen. Die Kurve für 5V kann also auch 3,53V oder 7,07V benötigen.

Das wurde wirklich HUNDERTMAL in diesem Forum durchgekaut. Klar, einer 
ist immer der Letzte.

von Walter J. (Gast)


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MaWin, dein Gestänker hilft nicht weiter.
Zumal es hier im Forum im FET Tutorial und auch in den Aplication Notes 
genau andersrum beschrieben wird. Ugs(th) ist dort die Spannung ab der 
der FET minimal leitfähig wird.

Das er unter dieser 2-4V Toleranzspanne zuverlässig sperrt ist der 
logische Schluss.

Auch sind die 10V im Datenblatt nur ein Beispielwert und kein absoluter 
mindest- bzw. Spitzenwert für die der Hersteller seine Daten erfasst hat 
und garantiert.

von Walter J. (Gast)


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...und gleichzeitig versuche ich zu verstehen, warum die Schaltung von 
Herrn Radig deiner Meinung nach MaWin(bezogen auf die LowSide-FETs), 
nicht funktionieren soll. Auch nach nochmaligem Blick ins Datenblatt 
nicht,

1. Tut sie das.

2. Ist diese Schaltung in vielen Foren zu finden und wird von vielen 
Usern verwendet.

Das es bessere Wege gibt, ist sicherlich so. Aber hat mit meiner 
ursprünglichen Frage von heute Mittag garnichts zu tun.

von Mark S. (voltwide)


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Walter J. schrieb:
> Auch sind die 10V im Datenblatt nur ein Beispielwert und kein absoluter
> mindest- bzw. Spitzenwert für die der Hersteller seine

Unsinn: Die 10V sind ein Nominalwert oder Nennwert, bei dem der MOSFET 
seine spezifizierten Daten garantiert bringt.

von Walter J. (Gast)


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Sorry Mark, das war damit gemeint aber unglücklich ausgedrückt.

von ArnoR (Gast)


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Walter J. schrieb:
> mit meiner ursprünglichen Frage von heute Mittag:

> Handelt sich ja scheibar um eine Art Emitterschaltung, aber es fehlt der
> Basiswiderstand.

Ja, das ist eine Emitterschaltung (mit Stromgegenkopplung). Wozu sollte 
die einen Basiswiderstand brauchen?

Walter J. schrieb:
> ...und gleichzeitig versuche ich zu verstehen, warum die Schaltung von
> Herrn Radig deiner Meinung nach MaWin(bezogen auf die LowSide-FETs),
> nicht funktionieren soll.

MaWin sagt nicht, dass die nicht funktioniert, sondern dass die, wegen 
der Lage und Toleranzen der Schwellspannung dieses Mosfet, nicht 
sicher funktioniert (auch wenn die das in deinem Fall macht). Und dass 
der Hersteller den ON-Widerstand, also das "richtige Durchschalten" des 
Mosfet, nur bei 10V Ugs garantiert, aber nicht bei 5V. Wenn man als 
Eingangssignal nur 5V hat, nimmt man einen Logik-Level-Mosfet mit 
Garantiewerten für den ON-Widerstand bei 4,5V.

von MaWin (Gast)


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Walter J. schrieb:
> Zumal es hier im Forum im FET Tutorial und auch in den Aplication Notes
> genau andersrum beschrieben wird. Ugs(th) ist dort die Spannung ab der
> der FET minimal leitfähig wird.

Oberhalb der UGS(th) beginnt der lineare Abschnürbereich,
er ist dort mitnichten im Schaltbetrieb eingeschaltet,
das ist erst beim etwa doppelten erreicht.

> Auch sind die 10V im Datenblatt nur ein Beispielwert und kein absoluter
> mindest- bzw. Spitzenwert für die der Hersteller seine Daten erfasst hat
> und garantiert.

Falsch. Bei den angegebenen (hier 10V) misst der Hersteller im 
Bauteiltest die Daten des MOSFETs, also den maximalen Strom bzw. RDSon. 
Er garantiert die Einhaltung nur und genau bei diesen 10V. Er garantiert 
rein gar nichts bei der "typical" Kurve.

Walter J. schrieb:
> warum die Schaltung von Herrn Radig deiner Meinung nach MaWin
> (bezogen auf die LowSide-FETs), nicht funktionieren soll.

Muss ich jetzt wirklich auf die Seite von Radig ?
Er muss nur einen LogicLevel MOSFET an Stelle des IRFR1205 nehmen,
ist die Bedeutung von LogicLevel so schwer verständlich ?

Auch Radig will seine Motoren nicht mit nur 250uA bestromen.

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