Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frage zu N-MOSFET als Leistungsregler


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von Marco (Gast)


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Hallo,
Ich experimentiere gerade mit dem MOSFET  IRFZ44N.
Bekannt ist mir, dass FETS im Gegensatz zu BJT's allgemein mit Spannung, 
bei vernachlässigbar  kleinen Stromstärken über das Gate gesteuert 
werden.
Nun habe ich mir einen Poti  (2KΩ) als Spannungsteiler zur Ansteuerung 
des Gates eingebaut incl. 1K Vorwiderstand & 10 K Pulldown,  um 
auszuprobieren wie sich der Drain-Source Strom bei veränderlicher 
Gatespannung verhält.
Dieser MOSFET hat einen Schwellenwert  (Gate-Source Threshold Voltage) 
von min 2V  und max  4V. Mein Exemplar schaltet bereits bei knapp über 2 
V voll durch, aber sobald ich die Gatespannung verkleinere wird dieser 
zunehmend heiß (Gate-Source = Birnchen 500mA;12V), wobei er bei knapp 
über 0,2 V wieder abkühlt. Warum ist das so ?
Kann ich daraus folgern, dass ein Mosfet NICHT für diese Ansteuerung 
über die Spannungsänderung ausgelegt ist ? Bei einem Versuch der 
Gateansteurung mit dem Arduino über PWM  (0-255) verschwindet dieses 
Verhalten gänzlich, der FET bleibt kühl.  Liege ich richtig, dass die 
VGS(th) unbedingt eingehalten werden müssen, d.h. ansteuern mit mehr 
oder weniger langen 4-5 V Dutycycles?
Wenn ich gerade dabei bin:
Es gibt wohl IR'L'Z  modelle die für Logikschaltungen 3-5 V ausgelegt 
sind, warum ist ein IR'F'Z, der doch bei 2-4 V durchschaltet nicht als 
solcher zu verstehen, wobei er mit 4,7 V vom Arduino ganz prima 
funktioniert? (Habe einiges gefunden, DASS es so ist aber nicht WARUM es 
so ist)
Gruß
Marco

von Der Andere (Gast)


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Marco schrieb:
> Warum ist das so ?

P = U*I.

Mess halt gleichzeitig zum Strom auch die Spannung an dem Mosfet und 
rechne es dir aus.

von Peter D. (peda)


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Marco schrieb:
> Birnchen 500mA;12V

Das sind stolze 6W, da gerät ein FET schnell ins Schwitzen, wenn er 
davon was verheizen soll. Für Analogbetrieb braucht der FET einen 
passenden Kühlkörper.

von Falk B. (falk)


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@Marco (Gast)

>Bekannt ist mir, dass FETS im Gegensatz zu BJT's allgemein mit Spannung,
>bei vernachlässigbar  kleinen Stromstärken über das Gate gesteuert
>werden.

Bei neidrigen Frequenzen.

>Dieser MOSFET hat einen Schwellenwert  (Gate-Source Threshold Voltage)
>von min 2V  und max  4V. Mein Exemplar schaltet bereits bei knapp über 2
>V voll durch,

Wie stellst du das fest? Miß du dabei die Drain-Source Spannung?

> aber sobald ich die Gatespannung verkleinere wird dieser
>zunehmend heiß (Gate-Source = Birnchen 500mA;12V),

???

> wobei er bei knapp
>über 0,2 V wieder abkühlt. Warum ist das so ?

>Kann ich daraus folgern, dass ein Mosfet NICHT für diese Ansteuerung
>über die Spannungsänderung ausgelegt ist ?

Nö. Du hast den MOSFET mit unter 2V ausgeschaltet, der Stromfluß wird 
unterbrochen.

> Bei einem Versuch der
>Gateansteurung mit dem Arduino über PWM  (0-255) verschwindet dieses
>Verhalten gänzlich, der FET bleibt kühl.

Weil er dabei immer voll durchschaltet oder sperrt. Bei deiner 
Spannungssteuerung mit ca. 2V arbeitest du im Linearbetrieb, dabei wird 
viel Wärme im FET umgesetzt.

>  Liege ich richtig, dass die
>VGS(th) unbedingt eingehalten werden müssen,

Nein. Du musst ausreichend Spannung anlegen, damit er SICHER 
durchsteuert.

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Gate-Source_Threshold_Voltage

>Es gibt wohl IR'L'Z  modelle die für Logikschaltungen 3-5 V ausgelegt
>sind, warum ist ein IR'F'Z, der doch bei 2-4 V durchschaltet nicht als
>solcher zu verstehen, wobei er mit 4,7 V vom Arduino ganz prima
>funktioniert? (Habe einiges gefunden, DASS es so ist aber nicht WARUM es
>so ist)

Siehe Artikel.

von MonetenHannes (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Linearbetrieb

Oder auch "Kohlebetrieb" :-)

von Wolfgang (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Weil er dabei immer voll durchschaltet oder sperrt.

Aber nur bei kleinen Strömen (bezogen auf Maximalstrom des FETs).
So richtig gut durchgesteuert wird der IRFZ44N mit 5V noch nicht.

von Marco R. (marco0659)


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@ Der Andere (Gast) im Beitrag #5242843:
> P = U*I.
>
> Mess halt gleichzeitig zum Strom auch die Spannung an dem Mosfet und
> rechne es dir aus.

Habe ich bereits:

Am Gate: 0,21 mA bei 2,2 V = 0,48 mW => Lampe glimmt, MOSFET Knallheiß
Am Gate: 0,46 mA bei 5,0 V = 2,3 mW  => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
Am Gate: 0,92 mA bei 10,0 V = 9,2 mW => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
etc...
...deshalb das "Warum", denn Deine Antwort bring mich nicht weiter, 
trotzdem danke
Marco

von Der Andere (Gast)


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Marco R. schrieb:
> Am Gate: 0,21 mA bei 2,2 V

Wenn durch das Gate im statischen Betrieb 0,21mA fliessen ist der Mosfet 
am Arsch.

Marco R. schrieb:
> denn Deine Antwort bring mich nicht weiter

Sorry aber ein bischen Theorie und Nachdenken gehört halt dazu wenn man 
Elektronik als Hobby betreiben will.

Der Strom fliesst durch die Drain Source Strecke! Das sollte man wissen 
bevor mal mit Mosfets rumspielt.

von Harald W. (wilhelms)


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Marco R. schrieb:

>> Mess halt gleichzeitig zum Strom auch die Spannung an dem Mosfet und
>> rechne es dir aus.
>
> Habe ich bereits:
>
> Am Gate: 0,21 mA bei 2,2 V = 0,48 mW => Lampe glimmt, MOSFET Knallheiß
> Am Gate: 0,46 mA bei 5,0 V = 2,3 mW  => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
> Am Gate: 0,92 mA bei 10,0 V = 9,2 mW => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
> etc...
> ...deshalb das "Warum", denn Deine Antwort bring mich nicht weiter,
> trotzdem danke

...und Deine Messung bringt uns nicht weiter, denn Du solltest die
Spannung zwischen Drain und Source messen. Die "Standardansteuer-
spannung" von MOSFETs steht übrigens in der Zeile, in der auch der
DrainSourceWiderstand im durchgeschalteten Zustand steht.

von Martin S. (docmartin)


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Marco R. schrieb:
> Am Gate: 0,21 mA bei 2,2 V = 0,48 mW => Lampe glimmt, MOSFET Knallheiß
> Am Gate: 0,46 mA bei 5,0 V = 2,3 mW  => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
> Am Gate: 0,92 mA bei 10,0 V = 9,2 mW => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl

Schön, dein oben genannter Pulldown-Widerstand hat also etwas mehr als 
10k...
Aaah, da war ja noch der 1k-Vorwiderstand, OK - damit passt es recht 
gut.

: Bearbeitet durch User
von sdg (Gast)


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Marco R. schrieb:
> Am Gate: 0,21 mA bei 2,2 V = 0,48 mW => Lampe glimmt, MOSFET Knallheiß
> Am Gate: 0,46 mA bei 5,0 V = 2,3 mW  => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
> Am Gate: 0,92 mA bei 10,0 V = 9,2 mW => Lampe leuchtet voll, MOSFET kühl
> etc...


Ich glaube, dass hier was grundlegend falsch verstanden wird.

Die von Ihnen oben genannten Werte entstehen durch Ihre Gate-Beschaltung
(Pull-Down-Widerstand o.ä.).

Die nachfolgende Berechnung von Verlustleistungen zeigt das 
Unverständnis
bezüglich MOSFETs.

"0,48mW" entstehen lediglich an der Gate-Beschaltung und haben nichts
mit der Verlustleistung des MOSFETs an sich zu tun.

Hier bitte die Spannung über dem MOSFET (Drain - Source) und den 
Drain-Strom
messen. Damit die Verlustleistung des MOSFETs ausrechnen (statischer 
Betrieb).

von Marco R. (marco0659)


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Harald W. schrieb:
> ...und Deine Messung bringt uns nicht weiter, denn Du solltest die
> Spannung zwischen Drain und Source messen.

Jetzt scheint es langsam zu dämmern, (knapp 60 Jahre alte Synapsen 
brauchen halt doch länger)..

Bei steigender Gatespannung (ca.10V) sinkt die D/S Spannung um sich bei 
0,22 mV einzupendeln, und bei ca 2V Gatespannung habe ich knapp 11 V 
zwischen D/S was den FET stark erhitzt, d.h. praktisch, dass die 
Leistung, die nicht mehr durch den Verbraucher fließen kann im FET 
abgebaut wird, somit ist ein Linearbetrieb nicht Sinvoll oder?
Jedenfalls vielen Dank für Eure Geduld.
Gruß
Marco

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


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Und wie so oft wäre ein Schaltbild (notfalls von Hand gezeichnet und mit 
dem Smartphone geknipst) enorm hilfreich gewesen. Da hätte man dann auch 
reinkritzeln können, an welchen Stellen man aussagekräftige Meßwerte 
erhält. Der Strom durch den "Angswiderstand" am Gate gehört jedenfalls 
nicht dazu.

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


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Marco R. schrieb:
> dass die
> Leistung, die nicht mehr durch den Verbraucher fließen kann im FET
> abgebaut wird, somit ist ein Linearbetrieb nicht Sinvoll oder?

Was sinnvoll ist, entscheidet die konkrete Schaltung, in der ein 
MOSFET verwendet wird. Und selbstverständlich kann Linearbetrieb 
sinnvoll sein. Ich habe hier z.B. etliche NF-Endstufen, in denen MOSFET 
so betrieben werden. So betrieben werden müssen.

von Falk B. (falk)


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@Marco Rubin (marco0659)

>Bei steigender Gatespannung (ca.10V) sinkt die D/S Spannung um sich bei
>0,22 mV einzupendeln, und bei ca 2V Gatespannung habe ich knapp 11 V
>zwischen D/S

Solche Lyrik ist Mist. Miss mal eine Kennlinie aus, Drain-Source 
Spannung über Gate-Source Spannung. Im Idealfall dazu noch den 
Drainstrom messen. Daraus kannst du (per Excel) berechnen, wieviel 
Leistung in deinem FET verbraten wird.

>was den FET stark erhitzt, d.h. praktisch, dass die
>Leistung, die nicht mehr durch den Verbraucher fließen kann im FET
>abgebaut wird,

Nö. Der FET arbeitet zusammen mit der Last (Lampe) als Spannungsteiler. 
Dazu kommt erschwerend hinzu, daß die Lampe stark nichtlinear ist, d.h. 
bei Glimmern hat sie deutlich weniger Widerstand.

> somit ist ein Linearbetrieb nicht Sinvoll oder?

Oft nicht.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation#Anwendungen_.28Leistung.29

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