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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Begrenzung UGS bei P- und N-FET


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Autor: Harald (Gast)
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Hallo zusammen,

ich brauche eure Hilfe bei einem Modellbauprojekt:

Ich habe eine Schaltung zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors über 
einen P-FET und einen N-FET, sozusagen eine halbe H-Brücke. Bislang 
verwende ich die Schaltung in einem Spannungsbereich bis 17V, das halten 
die FETs noch aus (UGSmax = 20V). Die Ansteuerung erfolgt per PWM im 
Bereich [0% 100%] mit 16kHz.

Jetzt möchte ich die Spannungsfestigkeit der Schaltung erhöhen, um eine 
Versorgungsspannung bis 25V realisieren zu können (Spannungsbereich 
weiterhin ab 10V). Dazu habe ich für die FETs zur Begrenzung der UGS 
jeweils ein zweites Spannungsniveau über Z-Dioden erzeugt und schalte 
per PWM zwischen diesen und der Versorgung (P-FET) bzw. GND (N-FET) hin 
und her.

In LT-Spice funktioniert das auch wunderbar: Der P-FET bekommt seine 
-12V, der N-FET die +12V. Nur im Aufbau verhält es sich anders ... Der 
Spannungsabfall über die Z-Dioden fällt deutlich kleiner als 12V aus! 
Wenn ich den Lastwiderstand der Z-Diode verkleinere, dann sieht es 
besser aus. Dann wird jedoch auch der Strom (bzw. die Leistung) zu groß 
für die Z-Dioden...

Mein Verständnis (als Maschinenbauer) hängt nun am Übertrag der 
LT-Spice-Simulation in die reale Schaltung, da das Verhalten hier 
relevant voneinander abweicht. Übertragungsfehler im Layout schließe ich 
dank inzwischen mehrfacher Reviews unter mehreren Augen aus.

Vielen Dank für euere Tipps!
Harald

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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Harald schrieb:
> Der
> Spannungsabfall über die Z-Dioden fällt deutlich kleiner als 12V aus!

Z-Dioden sind halt keine idealen Bauteile. Die Toleranzen sind rel. 
groß, und das Regelverhalten rel. weich. Den Mosfets reicht aber in der 
Regel eine Gate-Spannung von 10 Volt aus. Wenn diese Spannung erreicht 
wird, musst Du nichts ändern. Wenn nicht, andere Z-Dioden nehmen.

Autor: Horst S. (Gast)
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Üblicherweise wird Ugs mit Hilfe einer Zener-Diode über Gate und Source 
begrenz, deren Durchbruchspannung deutlich unter der max. zulässigen Ugs 
liegt.

Autor: klsd (Gast)
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Die 3 Ohm sollen jeweils den Motor darstellen - der in beiden Schemata 
der selbe sein soll? Ich komme da nicht ganz mit... ist es nun eine 
halbe H-Brücke (also eine sogenannte Halbbrücke...), oder was genau?

Autor: Harald (Gast)
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Ja genau,  die 3 Ohm stellen den Motor dar. Zum besseren Verständnis 
meinerseits habe ich den Schaltplan zur Simulation in die beiden 
Funktionen "Beschleunigen" und "Bremsen" geteilt. Auf der geschalteten 
Seite sind die beiden Teile natürlich verbunden.

Wenn ich die Z-Diode direkt am FET anschließe, wo kommt dann der 
Lastwiderstand hin? Das Schaltungsdesign zielt ja aktuell darauf hin, 
daß Gate schnellstmöglich zu laden bzw entladen.

Grüße
Harald

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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Harald schrieb:
> Wenn ich die Z-Diode direkt am FET anschließe, wo kommt dann der
> Lastwiderstand hin? Das Schaltungsdesign zielt ja aktuell darauf hin,
> daß Gate schnellstmöglich zu laden bzw entladen.

Die Z-Diode kommt hier natürlich nicht direkt an den Mosfet, da ein 
Gate-Treiber eingesetzt wird. Dessen Betriebsspannung ist auch die max. 
Spannung am Gate.
Und selbst wenn, der Lastwiderstand bleibt, wo er ist.

Harald schrieb:
> Auf der geschalteten
> Seite sind die beiden Teile natürlich verbunden.

So, so, so.
Demnach wäre der Motor mit beiden Polen der Betriebsspannung und 
gleichzeitig mit zwei Transistoren.....

Autor: klsd (Gast)
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Probiere es doch mal mit der Gesamtschaltung in LTSpice, nicht mit 2 
Teilschaltungen. Sonst hat die Simulation eh wenig Wert, da eine 
Halbbrücke nicht identisch mit zwei Schaltungen mit Einzeltransistor 
ist.

Autor: Äxl (geloescht) (Gast)
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R6 (2k2) springt mir sofort ins Auge. Alle anderen Maßnahmen zur 
Beschleunigung des Umladevorgangs werden somit ausgehebelt, da dieser 
Widerstand (R6 im "NPN-Bild", R8 im "PNP-Bild") als Bremse wirkt.

Autor: HildeK (Gast)
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Äxl (geloescht) schrieb:
> Alle anderen Maßnahmen zur
> Beschleunigung des Umladevorgangs werden somit ausgehebelt,

Nicht ganz, es sind ja noch die 100nF da. Die sollte man aber deutlich 
größer wählen.

der schreckliche Sven schrieb:
> Z-Dioden sind halt keine idealen Bauteile. Die Toleranzen sind rel.
> groß, und das Regelverhalten rel. weich. Den Mosfets reicht aber in der
> Regel eine Gate-Spannung von 10 Volt aus. Wenn diese Spannung erreicht
> wird, musst Du nichts ändern. Wenn nicht, andere Z-Dioden nehmen.

Das dürfte der Grund sein und der Vorschlag sollte als Maßnahme reichen.

Autor: Harald (Gast)
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der schreckliche Sven schrieb:
> Harald schrieb:
>> Der
>> Spannungsabfall über die Z-Dioden fällt deutlich kleiner als 12V aus!
>
> Z-Dioden sind halt keine idealen Bauteile. Die Toleranzen sind rel.
> groß, und das Regelverhalten rel. weich. Den Mosfets reicht aber in der
> Regel eine Gate-Spannung von 10 Volt aus. Wenn diese Spannung erreicht
> wird, musst Du nichts ändern. Wenn nicht, andere Z-Dioden nehmen.

Das ist ja das komische ... wenn sich eine Spannung von +-12V +-2V 
einstellen würde, wäre ich ja schon einigermaßen zufrieden. Es stellt 
sich aber auch keine konstante Spannungsdifferenz über die Z-Diode ein.


klsd schrieb:
> Probiere es doch mal mit der Gesamtschaltung in LTSpice, nicht mit
> 2
> Teilschaltungen. Sonst hat die Simulation eh wenig Wert, da eine
> Halbbrücke nicht identisch mit zwei Schaltungen mit Einzeltransistor
> ist.

Habe ich schon gemacht. Sieht im Plan dann sehr unübersichtlich aus, 
macht bei den Ergebnissen keinen Unterschied.

HildeK schrieb:
> der schreckliche Sven schrieb:
>> Z-Dioden sind halt keine idealen Bauteile. Die Toleranzen sind rel.
>> groß, und das Regelverhalten rel. weich. Den Mosfets reicht aber in der
>> Regel eine Gate-Spannung von 10 Volt aus. Wenn diese Spannung erreicht
>> wird, musst Du nichts ändern. Wenn nicht, andere Z-Dioden nehmen.
>
> Das dürfte der Grund sein und der Vorschlag sollte als Maßnahme reichen.

Ich habe mehrere Z-Dioden durchprobiert - die Streuung ist echt klein, 
leider alle bei gleichem Verhalten ...

Autor: HildeK (Gast)
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Harald schrieb:
> Ich habe mehrere Z-Dioden durchprobiert - die Streuung ist echt klein,
> leider alle bei gleichem Verhalten ...

Du schriebst oben "deutlich kleiner als 12V". Was hast du denn gemessen?
Wir meinten auch: nimm eben eine 15V Z-Diode. Wenn der FET mit UGS=20V 
spezifiziert ist, ist das ja kein Problem.

Autor: Harald (Gast)
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HildeK schrieb:
> Harald schrieb:
>> Ich habe mehrere Z-Dioden durchprobiert - die Streuung ist echt klein,
>> leider alle bei gleichem Verhalten ...
>
> Du schriebst oben "deutlich kleiner als 12V". Was hast du denn gemessen?
> Wir meinten auch: nimm eben eine 15V Z-Diode. Wenn der FET mit UGS=20V
> spezifiziert ist, ist das ja kein Problem.

Sorry, habe mich glaub unklar ausgedrückt... Ob an der Z-Diode 12V oder 
15V oder 10V abfallen, ist dem FET im relevanten Strombereich egal. Was 
ich gemessen habe (grob aus dem Gedächtnis): Bei 15V Versorgung einen 
Spannungsabfall von 6V, bei 17V um die 10V, bei 25V ca. 12V. Das würde 
zwar theroerisch genügen - da muss aber ein Fehler im System stecken. So 
habe ich kein Vertrauen in die Schaltung ...

Autor: Achim S. (Gast)
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Harald schrieb:
> Das ist ja das komische ... wenn sich eine Spannung von +-12V +-2V
> einstellen würde, wäre ich ja schon einigermaßen zufrieden. Es stellt
> sich aber auch keine konstante Spannungsdifferenz über die Z-Diode ein.

Zeig halt mal bitte konkret, welche Spannung/welcher Spannungsverlauf 
sich einstellt. Unter "keine konstante Spannungsdifferenz" kann sich 
jeder etwas anderes vorstellen.

Die Schaltung zur Ansteuerung des pFET taugt schon deshalb nicht zur 
Erweiterung auf 25V, weil du damit die BE-Sperrspannung von Q1 
überschreiten würdest. Ab einer Versorgung von ~19V bekommst du bei 
leitendem Q2 einen (praktisch ungebremsten) Stromfluss über die Z-Diode 
und die durchgebrochne BE-Strecke von Q1. Das wird Q1 nicht guttun.

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