Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Logic-Level P-Kanal MOSFET als High Side Switch


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von Marc S. (darkchaos)


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Ich möchte mit dem Multiplexing von LED Matrizen experimentieren. Da es 
sich um weiße LEDs mit 3.4V Forwardspannung handelt, gestaltet sich die 
Ansteuerung bei 5V ein wenig schwierig:

Da es eine LED Matrix ist habe ich ja sowohl einen High-Side Switch als 
auch einen Low-Side Switch. Aufgrund der engen Spannungsverhältnisse 
kommen leider reine Bipolartransistoren wie die BC337 oder gar ULN2803 
nicht in Frage.

Daher müssen (leider) MOSFETs herhalten. Einen geeigneten Logic Level 
N-Kanal FET für die LowSide zu finden scheint mir kein Problem zu sein 
aber bei P-Kanal FETs sieht es da schon ein wenig anders aus.

So gibt es z.B. den völlig überdimensionierten IRF9530N, der allerdings 
mit einer U_gs(max) von 4V schon recht eng wird. Wenn man einen PullUp 
Widerstand und ein nicht perfektes GND des ATMega bedenkt, kommt man 
eventuell auf 0.4V runter, bleiben noch 0.6V für 
Schwankungen/Streuungen.

Was sollte man in einem solchen Falle tun? Ich überlege mir, ob ich eine 
Kombination aus PNP und N-Kanal Transistoren verwenden sollte? Oder muss 
ich einfach nur ein bisschen besser nach guten MOSFETS suchen?

Mich verunsichert ein bisschen die Aussage 
(http://www.sprut.de/electronic/switch/pkanal/pkanal.html -> "Während es 
N-Kanal-MOSFETS gibt, die sich mit einer Gate-Spannung von nur 4..5V 
ansteuern lassen (LL-Typen) gibt es so etwas für P-Kanal nicht. Aufgrund 
der Polarität ließen sie sich ohnehin nicht mit einem TTL-Signal 
steuern."

Klar P-Kanäle sind schwieriger und teurer herzustellen etc, aber keine 
Logic Level Typen? Das mit der Polarität stimmt ja nur wenn man keine 
Pullup's nutzt und nach GND schaltet.

Danke schonmal im Vorraus :)

von Thomas E. (picalic)


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Marc S. schrieb:
> Daher müssen (leider) MOSFETs herhalten. Einen geeigneten Logic Level
> N-Kanal FET für die LowSide zu finden scheint mir kein Problem zu sein
> aber bei P-Kanal FETs sieht es da schon ein wenig anders aus.

Wo ist das Problem? z.B. der IRLML2244 wird im Gegensatz zu Deinem 
überdimensionierten IRF9530 auch bei weniger als 5V sicher eingeschaltet 
und hat dabei auch nur einen Bruchteil des Widerstands des 
TO220-Bauklotzes.

Marc S. schrieb:
> Oder muss
> ich einfach nur ein bisschen besser nach guten MOSFETS suchen?

Genau das!

: Bearbeitet durch User
von Possetitjel (Gast)


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Marc S. schrieb:

> Da es sich um weiße LEDs mit 3.4V Forwardspannung handelt,
> gestaltet sich die Ansteuerung bei 5V ein wenig schwierig:
>
> Da es eine LED Matrix ist habe ich ja sowohl einen High-Side
> Switch als auch einen Low-Side Switch. Aufgrund der engen
> Spannungsverhältnisse kommen leider reine Bipolartransistoren
> wie die BC337 oder gar ULN2803 nicht in Frage.

???

Im voll durchgesteuerten Zustand kann man (bei nicht zu
hohen Stroemen) ein Uce von 0.1V oder noch weniger
erreichen.

BCP56, DaBla von NXP: Uce~50mV bei 100mA.

Beim ULN2803 kann das nur deshalb nicht klappen, weil das
Darlington-Transistoren sind!

von olaf (Gast)


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Schau dir mal den FDC6324 an.

Olaf

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


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Marc S. schrieb:
> Ich möchte mit dem Multiplexing von LED Matrizen experimentieren. Da es
> sich um weiße LEDs mit 3.4V Forwardspannung handelt, gestaltet sich die
> Ansteuerung bei 5V ein wenig schwierig

> Daher müssen (leider) MOSFETs herhalten. Einen geeigneten Logic Level
> N-Kanal FET für die LowSide zu finden scheint mir kein Problem zu sein
> aber bei P-Kanal FETs sieht es da schon ein wenig anders aus.
>
> So gibt es z.B. den völlig überdimensionierten IRF9530N, der allerdings
> mit einer U_gs(max) von 4V schon recht eng wird.

Falsch. Er ist vollkommen ungeeignet. Lies einfach mal das Datenblatt, 
unter welchen Bedingungen U_gs_th gemessen wird. Daß der R_ds_on nur für 
U_gs=10V spezifiziert ist, sollte dir auch zu denken geben.

> Was sollte man in einem solchen Falle tun?

Man nimmt einfach einen Logic-Level p-MOSFET.

> Mich verunsichert ein bisschen die Aussage
> (http://www.sprut.de/electronic/switch/pkanal/pkanal.html -> "Während es
> N-Kanal-MOSFETS gibt, die sich mit einer Gate-Spannung von nur 4..5V
> ansteuern lassen (LL-Typen) gibt es so etwas für P-Kanal nicht.

Das wurde 2003 geschrieben und anscheinend nie mehr aktualisiert. 
Seitdem hat sich einiges geändert.

IRLML2244 wurde ja schon genannt. AO3401 ist ein weiterer populärer 
Kandidat in SO-23. Oder Si2323. Wenn es größer sein soll: in SO-8 gibt 
es IRF7314 (Doppelpack). Oder IRF7416.

Siehe auch die MOSFET-Übersicht. Oder benutze die Suchfunktion 
deines bevorzugten Versenders.

: Bearbeitet durch User
von Harald W. (wilhelms)


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Axel S. schrieb:

>> Was sollte man in einem solchen Falle tun?
>
> Man nimmt einfach einen Logic-Level p-MOSFET.

...wobei die Auswahl da deutlich kleiner als bei N-Fets ist.

von Michael B. (laberkopp)


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Marc S. schrieb:
> Was sollte man in einem solchen Falle tun

Stattv dem völlig untauglichen IRF9530 einen tauglichen
Logic Level P Kanal MOSFET nehmen, z.B. IRF7331/IRF7329
oder Si9926/Si9934

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


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Harald W. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>
>>> Was sollte man in einem solchen Falle tun?
>>
>> Man nimmt einfach einen Logic-Level p-MOSFET.
>
> ...wobei die Auswahl da deutlich kleiner als bei N-Fets ist.

Ja. Und?

Sterne-Restaurants gibt es auch deutlich weniger als McDonalds Filialen. 
Aber inwiefern ist das ein Argument pro Fastfood?

Es gibt gut ein Dutzend geeignete, leicht erhältliche und preiswerte 
p-Kanal MOSFET, die der TE einsetzen könnte. Reicht das nicht?

PS: Allein Pollin hat schon 5 geeignete Typen: TSM3401, TSM3457, SI3447, 
IRF7406, IRF7416. Alle deutlich unter €0,50.

von Stromtuner (Gast)


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von Marc S. (darkchaos)


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Possetitjel schrieb:
> Im voll durchgesteuerten Zustand kann man (bei nicht zu
> hohen Stroemen) ein Uce von 0.1V oder noch weniger
> erreichen.

Ich dachte man betreibt den Transistor in so einem Falle in der 
Sättigung. Klar, ein Darlington hat hierbei mit 1V Nachteile, aber ich 
dachte ein normaler Transistor habe das auch,, auch weil ich es irgendwo 
gelesen hatte, die 0.7V der Silizium Diode.

Letzteres kann ich im Datenblatt des BC337 zum Beispiel doch nicht mehr 
bestätigen, im Gegenteil fällt Vce sogar ab wenn der benötigte 
Stromfluss steigt. Aber ich sehe auch, dass der Gain bei Vce = 1V 
gemessen ist.
Wäre nun also ein bipolar Transistor möglich? Ich müsste womöglich mal 
eine LED ansteuern und dabei Vce messen.

Naja, man lernt dazu, auch ein Grund weshalb ich solche Projekte bastel 
:)

Axel S. schrieb:
> Falsch. Er ist vollkommen ungeeignet. Lies einfach mal das Datenblatt,
> unter welchen Bedingungen U_gs_th gemessen wird. Daß der R_ds_on nur für
> U_gs=10V spezifiziert ist, sollte dir auch zu denken geben.

Naja, da bei U_gs von 5V I_D = 6A und V_DS = -11V, daher 0.55Ohm. Bis 3A 
ist der Spannungsabfall (V_DS) allerdings < 1V und auch linear, bei 1A 
zB 20mV.

Dort hätte ich also 20mOhm.

Der Vorteil bei einer LED ist ja, dass ich ohnehin einen Vorwiderstand 
brauche und somit ein hohes Rds nur die Energie eine Stufe früher 
verbrät.
Das außerdem geringe Id führt natürlich zu wenig Spannungsabfall und 
Leistungsverbraten im Vergleich zu einem effizienteren Typen, den man 
nicht im Linearbereich betreibt.

Liege ich soweit richtig? Also dass es zB nicht "schön" ist, aber 
funktionieren müsste?


Ein Fehler den ich begangen habe: Ich habe nicht im Anfangspost 
geschrieben, dass es keine SMD Bauteile sein sollten, da ich alles auf 
Lochraster aufbaue und auch nicht sonderlich gut löte, weshalb 
vermutlich schon DIL Adapterplatinen zum Problem würden.

von Georg (Gast)


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Marc S. schrieb:
> Wäre nun also ein bipolar Transistor möglich?

Im Datenblatt zum BC337 steht Vcesat = 0,7 V bei 500 mA. Ein PNP und ein 
NPN haben also zusammen 1,4 V, deine LEDs haben 3,4 V, also bleiben 0,2 
V übrig zur Stromeinstellung. Bei einzelner Ansteuerung von LEDs 
könntest du ja jeden Widerstand individuell bestimmen, aber bei einer 
Matrix ist das unsinnig, und temperaturstabil ist es auch nicht.

Das ist sicher wieder ein Fall für die LED-Spezialisten hier im Forum, 
die Vorwiderstände für LEDs sowieso ablehnen.

Georg

von Michael B. (laberkopp)


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Marc S. schrieb:
> Wäre nun also ein bipolar Transistor möglich?

Nein.

Bleiben 0.2V bei 1A, aber du brauchst 100mA Basisstrom, wo willst du die 
herbekommen ? Ein zweiter Transistor ist zu viel Aufwand:
1
           +5V +5V
2
            |  |
3
            1k |
4
            |  |E
5
       +-47-+-|< BCP56
6
       |       |
7
--1k--|< BC547 +-- 1A peak
8
       |E
9
      GND
ein MOSFET ist einfacher

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


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Marc S. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Falsch. Er ist vollkommen ungeeignet. Lies einfach mal das Datenblatt,
>> unter welchen Bedingungen U_gs_th gemessen wird. Daß der R_ds_on nur für
>> U_gs=10V spezifiziert ist, sollte dir auch zu denken geben.
>
> Naja, da bei U_gs von 5V I_D = 6A und V_DS = -11V, daher 0.55Ohm.

Schon mal ganz falsch. Das ist der Abschnürbereich, da willst du deinen 
MOSFET ganz sicher nicht betreiben.

> Bis 3A ist der Spannungsabfall (V_DS) allerdings < 1V und auch
> linear, bei 1A zB 20mV.

Wärmer. Bei U_gs=5V geht der ohmsche Bereich dieses MOSFET bis ca. 4A. 
Nur in diesem Bereich kann man überhaupt von einem R_ds_on sprechen.

ABER : das sind typische Werte. Ein reales Exemplar dieses MOSFET-Typs 
kann auch drastisch schlechter liegen. Für die Auswahl eines MOSFET ist 
deswegen ausschließlich der spezifizierte R_ds_on heranzuziehen. Wenn 
es keine Spezifikation für U_gs=4.5V gibt, dann ist der MOSFET für den 
Schaltbetrieb mit dieser Steuerspannung auch nicht geeignet.

Hat alles schon mal jemand aufgeschrieben. Kannst du hier im Wiki 
nachlesen FET: Gate-Source Threshold Voltage

von Possetitjel (Gast)


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Marc S. schrieb:

> Possetitjel schrieb:
>> Im voll durchgesteuerten Zustand kann man (bei nicht zu
>> hohen Stroemen) ein Uce von 0.1V oder noch weniger
>> erreichen.
>
> Ich dachte man betreibt den Transistor in so einem Falle
> in der Sättigung.

Ja, sicher.

Die Spannung wird ja deshalb Kollektor-Emitter-Saettigungs-
spannung Vce(sat) genannt.

> Klar, ein Darlington hat hierbei mit 1V Nachteile,

Ist Dir auch klar, WARUM der Darlington nur auf ca. 1V
kommt?

> aber ich dachte ein normaler Transistor habe das auch,,
> auch weil ich es irgendwo gelesen hatte, die 0.7V der
> Silizium Diode.

Eine beliebte, aber dennoch falsche Ansicht.

Im ueblichen Betrieb ("aktiv-normaler Betrieb") ist die
Basis-Kollektor-Diode, durch die der Laststrom ja hindurch
muss, in SPERRRICHTUNG geschaltet.
Der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke hat
NICHTS mit den 0.7V Flussspannung einer Diode zu tun -
ganz im Gegensatz zur Basis-Emitter-Strecke; dort fallen
tatsaechlich ungefaehr 0.7V ab.

Anders formuliert: Die Basis kann ohne weiteres ein
hoeheres Potenzial haben als der Kollektor!

> Letzteres kann ich im Datenblatt des BC337 zum Beispiel
> doch nicht mehr bestätigen, im Gegenteil fällt Vce sogar
> ab wenn der benötigte Stromfluss steigt.

Kannst Du mal genau angeben, auf welches DaBla Du Dich
beziehst?

Die, die ich fuer den BC337 habe, sind ziemlich schweigsam.

> Wäre nun also ein bipolar Transistor möglich?

Haengt vom (Puls-)Strom ab, den Deine LEDs haben wollen.
Fuer den BC546 (onsemi) sind z.B. Uce(sat) = 0.2V bei
Ic = 50mA angegeben.

Je nach Strom ist es also durchaus moeglich. Ob es sinnvoll
ist, steht auf einem anderen Blatt.

> Ich müsste womöglich mal eine LED ansteuern und dabei Vce
> messen.

Das ist immer gut.

von Possetitjel (Gast)


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Michael B. schrieb:

> Marc S. schrieb:
>> Wäre nun also ein bipolar Transistor möglich?
>
> Nein.

Doch. Natuerlich.

> Bleiben 0.2V bei 1A,

Meine Guete.

Warum muss das immer wieder fuer jedes Thema einzeln
durchgefochten werden? Warum besteht die Mischung praktisch
immer aus 1/3 Unsinn, 1/3 Interpretation und 1/3 Wahrheit?

Der TO hat nirgendwo geschrieben, dass er 1A benoetigt. Das
waere fuer den von ihm erwaehnten BC337 auch etwas unguenstig.
(Das war der Teil "Interpretation".)

Ein BD433 (ST) wird bei Ic = 2A mit Uce(sat)max = 0.5V
(typisch: 0.2V) angegeben. Bei angenommenen 100mA liegt
man da weit darunter.

Ein bipolarer Transistor ist also OHNE WEITERES MOEGLICH,
je nach benoetigtem Strom.

Muss ich jetzt noch Datenblatt und Seitennummer als Beleg
angeben?

Zum Abschluss noch das Drittel Wahrheit: Die Aussage ueber
den Basisstrom ist richtig; bei Stroemen ueber ca. 50mA ist
ein Bipolartransistor nicht zweckmaeszig, weil so viel
Basisstrom benoetigt wird.

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


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Possetitjel schrieb:
> Ein BD433 (ST) wird bei Ic = 2A mit Uce(sat)max = 0.5V
> (typisch: 0.2V) angegeben. Bei angenommenen 100mA liegt
> man da weit darunter.
>
> Ein bipolarer Transistor ist also OHNE WEITERES MOEGLICH,
> je nach benoetigtem Strom.

Und wenn man jetzt noch nach speziellen Transistoren schaut, etwa den 
Typen von Zetex (jetzt: Diodes) dann kommt man auch noch deutlich unter 
die typischen 200mV des BD433. Allerdings halt immer zum Preis eines 
vergleichsweise großen nötigen Basisstroms.

Andererseits sind passende MOSFET vollkommen problemlos kaufbar, sowohl 
n- als auch p-Kanal. Da muß man eigentlich nicht weiter nach 
Alternativen suchen. Es sei denn, diese Suche ist das Ziel.

von Possetitjel (Gast)


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Axel S. schrieb:

> Und wenn man jetzt noch nach speziellen Transistoren schaut,
> etwa den Typen von Zetex (jetzt: Diodes) dann kommt man auch
> noch deutlich unter die typischen 200mV des BD433.

Stimmt. War mir entfallen; danke.

Trotzdem bleibt natuerlich der im Verhaeltnis hohe, auch im
statischen Fall notwendige Basisstrom als Nachteil; da sind
FETs ueberlegen.

> Andererseits sind passende MOSFET vollkommen problemlos
> kaufbar, sowohl n- als auch p-Kanal. Da muß man eigentlich
> nicht weiter nach Alternativen suchen.

Klar.
Es nervt mich einfach, wenn immer wieder dieselben Falsch-
aussagen wiedergekaeut werden. Wenigstens hier, in einem
technisch orientierten Forum, sollte man die Fakten
respektieren.

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