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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LTSpice, MOSFET AC Schalter, Design oder Simulationsfehler


Autor: morres (Gast)
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Hallo,

ich habe versucht einen MOSFET Back-to-back Schalter für AC zu 
simulieren. Jedoch komme ich nicht ganz auf zufriedenstellende 
Ergebnisse.
Ich bin nicht sicher, ob es sich hier um einen Schaltungsfehler oder 
einen Simulationsfehler handelt.

Zuerst hatte ich die Schaltung ohne D7; dadurch ist der Strom durch die 
Last L3 bei der pos. Halbwelle korrekt, bei der neg. Halbwelle entsteht 
ein Kurzschluss über M2, D3.

Dann habe ich die D7 eingefügt, jedoch dadurch bleibt die neg. Halbwelle 
gesperrt.

Wo übersehe ich hier den Fehler?

Gruß
morres

Autor: Michael B. (laberkopp)
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morres schrieb:
> Dann habe ich die D7 eingefügt

Kontraproduktiv.

> Wo übersehe ich hier den Fehler?

Grundlagen der Halbleiter, hier MOSFET.

Die Gatespannung muss beim N-Kanal POSITIVER sein als das Source, damit 
er durchschaltet.

Wie soll das bei dir, wenn M2 Drain positiv von der Spannungsquelle 
versorgt wird, also durchgeschaltet Souirce positive sein soll, 
passieren ? Du brauchst eine Spannung die noch 10V über den 325V liegt.

Wenn du statt dem Brückengleichrichter eine Einweggleichrichtung 
verwendet, die C1 auflädt, hast duch auch dann eine noch positivere 
positive Spannung wenn die 230V ins positive drehen. Die MOSFETs müssen 
in der richtigen Reihenfolge sein und bilden über die Body-Diode eine 
zweite Diode.


Es hilft dem Simulator, wenn du Teile, die über Dioden getrennt sind, 
über hochohmige (durchaus 1 Gigaohm) Widerstände an GND legst.

Autor: morres (Gast)
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Herzlichen Dank! Es funktioniert mit Einweggleichrichter einwandfrei.
Jedoch ist mir die Erklärung noch nicht ganz einleuchtend.

Das mit der positiveren Gatespannung ist mir schon klar, daher habe ich 
auch zwischen den Gates und dem Verbindungspunkt der MOSFET Sourcen 
"gemessen" (in der Variante ohne D7, dieser Punkt ist dann GND). Die 
Spannung ist gleichbleibend 10V.
Ich denke bei dieser Variante ist dann tatsächlich das Problem, dass der 
Strom durch den Brückengleichrichter fließen kann, und nicht durch die 
Last.

Variante mit D7 ist Quatsch und geht nicht, reden wir nicht weiter 
drüber.

Beim Einweggleichrichter ist wie bei der ersten Variante die 
Gatespannung positiv, aber der mögliche Rückkanal durch die 
Brückengleichrichter-Dioden entfällt, der Strom fließt über M2 und 
M1-Body Diode bei neg. Halbwelle.

Ist dieses Verständnis prinzipiel richtig?

Kann man die Body-Diode so einsetzen, oder sollte bei 230V (200W)eine 
externe Diode zusätzlich verwendet werden. Es gibt einen weiteren 
Beitrag hier im Forum, jedoch denke ich nur kontroverse Meinungen 
darüber...

Autor: Egon N. (egon2321)
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Autor: morres (Gast)
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Ja, interessante Möglichkeit. Muss man auf dem Segment jedoch ein 
bischen suchen, die Teile scheinen ziemlich langsam zu seit. Dadurch 
steigt die Gefahr dass der MOSFET zu lange im linearen bereich arbeitet.
Insbesondere, wenn man o.s. "Grundlagenschaltung" für Phansenabschnitt 
verwenden wollte.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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morres schrieb:
> ich habe versucht einen MOSFET Back-to-back Schalter für AC zu
> simulieren.
Womit soll denn dieser Schalter angesteuert werden?
Oder ist die Schaltung, so wie sie da gezeichnet ist, "sich selbst 
genug"?
Was schaltest du da für eine Last? Müssen das unbedingt Mosfet als 
Schalter sein? Wie oft und wie "genau" müssen die Mosfet schalten 
(Phasen-Anschnitt oder -Abschnitt)?

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: morres (Gast)
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Die Schaltung ist sich nicht so genug.
Hier ging es erstmal nur darum, die MOSFETs aus einer 230VAC Quelle zu 
schalten. Es ist vorgesehen, die Gate-Ansteuerung über Optokoppler 
durchzuführen und Phasenabschnitt zu realisieren (ZCD wird mit uC und 
anderer Peripherie realisiert, Optokoppler zur galvanischen Trennung).

Des Weiteren halte ich die Schaltung so auch noch nicht praxistauglich, 
da sie zu viel Verlustleistung produziert. Hier muss auch noch 
entsprechende Optimierung vorgenommen werden.

Autor: morres (Gast)
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Ich habe nicht alles beantwortet, es MÜSSEN keine MOSFETs sein, so wie 
ich mich informiert habe, könnten auch IGBTs eine Lösung sein. MOSFETs 
schienen mir einfacher und günstiger zu bekommen zu sein.
Als Last würde ich zunächst erstmal dimmbare LED-Leuchtmittel oder 
Halogen-Leuchtmittel mit el. Trafo annehmen (landläufig "Dimmer").

Autor: Michael B. (laberkopp)
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morres schrieb:
> Es ist vorgesehen, die Gate-Ansteuerung über Optokoppler
> durchzuführen und Phasenabschnitt zu realisieren

Och Kinders, warum nicht VORHER mal nachsehen wie die Profis das bauen ?

Das Problem an MOSFETs ist: Sie sind nicht robust. Wenn am 
Phasenabschnittdimmer eine Glühlampe durchbrennt oder ein Kurzschluss 
auftritt, ist der MOSFET hinüber bevor die 16A Haussicherung auslöst. 
Man findet nicht mal eine kleine 5x20 flink Sicherung, die schneller 
(kaputt) ist als der MOSFET.

Man muss elektronisch bei Überstrom schnell (1us) abschalten, und dazu 
muss man ihn erst mal massen.

oder IGBTs für PhasenABschnitt (bei elektronischen Halogentrafos o.ä. 
kapazitiven Lasten):


http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/johnson2/docs/CD00003922.pdf 
(AN518 Soft Light Dimmer mit NE555, 2 adrig 
angeschlossen)http://see-solutions.de/sonstiges/BJ-Dimmer.pdf 
https://www.mikrocontroller.net/attachment/46512/BJ-Dimmer.pdf 
(Phasenabschnittsdimmer mit Erzeugung von 10V aus 
Phasenbeginn)http://www.conrad.de/ 
190231-as-01-de-phasenabschnittsdimmer.pdf (ELV DI300) 
http://download.gira.de/data2/elektronik-handbuch.pdf

Das Problem ist, daß man aus der 230V Netzspannung die Betriebspannng 
holen will, sich aber mit dem Einschalten der Last die Netzspannung 
selber wegnimmt. Bei dieser Schaltung leitet immer einer der IRFI840I 
MOSFETs rückwärts über seine Body-Diode und stellt damit die Verbindung 
für GND her (negativer Zweig des Brückengleichrichters), die 
Betriebspannung wird über eine der beiden 1N4007 gewonnen (positiver 
Zweig des Brückengleichrichters) wobei die Diode gleich ein Abfliessen 
der Ladung aus dem Ladeelko verhindert. Man darf die MOSFETs erst 
einschalten, wenn der Elko geladen ist (der, der über die Body Diode 
leitete, leitet dann noch besser, damit der hohe Laststrom nicht zu 
hohen Verlusten führt), und die 1N4148 verodern den über die Shunts 
gemessenen Strom, man muss abschalten wenn der Strom für die MOSFETs zu 
hoch wird, denn eine Feinsicherung wäre langsamer als die MOSFETs 
sterben.
                   1N4007
   o---Last--+---+--|>|--+-----220R---+
             |   |       |            |
 230V~      VDR  |       |            |
             |   |       |            |
   o---Sich--+---)--|>|--+--220k--+--|I IRFI840
             |   |                |   |S
     IRFI840 |   I|--+           ZD16 +-- ca. +10V
             |  S|   +--          |   |
     IRFI840 I|--(---+            |  10uF
            S|   |                |   |
             |   +---|>|--+       |   |
             |   | 1N4148 +--     |   |
             +---(---|>|--+       |   |
             |   |                |   |
            0R1 0R1               |   |
             |   |                |   |
         GND +---+----------------+---+

Autor: Matthias N. (morres)
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Vielen Dank für die Links.
Wie gesagt, mir ist klar, dass die Schaltung noch nicht praxistauglich 
ist. Daher wurde und wird es so auch nicht gebaut. Es ist erstaunlich, 
wie viele Schaltungen es im Internet gibt, die gebaut (gebastelt) 
wurden, und die ich auch nie verwenden würde.

Ich werde die Möglichkeiten der IGBTs (im Gegensatz zu MOSFETs) noch 
näher betrachten (habe verschieden ELV Artikel dazu erworben).

Der Vergleich MOSFET - IGBT in einem der Links hängt wohl auch stark von 
den verwendeten MOSFET-Typen ab. Ich habe einen anderen Artikel gelesen, 
in dem die MOSFETs besser abschneiden als IGBTs. Dass IGBTs in der 
Robustheit überlegen sind wusste ich tatsächlich nicht.

Evtl. gilt es doch auch noch einmal den Fairchild FL5150 Phase Cut 
Dimmer Controller genauer unter die Lupe zu nehmen (hatte ihn eigentlich 
verworfen, er scheint zumindest in unseren Breitengraden nicht sehr 
populär zu sein).

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