Verständnisfrage zum Mosfet

[@VR (Gast)]

Hallo zusammen,

ich wollte diesen Mosfet als Schalter in meiner Elektronik einsetzen:

https://www.mouser.de/ProductDetail/ON-Semiconductor-Fairchild/FDN357N?qs=%2fha2pyFaduhnm0rgKpHSYqPHLpCOskhaTfBOnmlvKPShTnUa%2fNzPKg%3d%3d

Am Gate möchte ich den Mosfet mit einer Steuerspannung von 3,3V steuern. 
Der High-Pegel soll dazu von einem AVR kommen. Wenn 3,3V am Gate 
anliegen, wird die Drain-Source Strecke leitend. Dadurch wollte ich eine 
5V Quelle zu einem Laderegler führen, damit er mir einen LiPo Akku 
aufladet.

Ich bin neu in dem Thema und hoffe, dass ich das verstanden habe. Ich 
habe mich etwas eingelesen und das sollte mit dem oben genannten Mosfet 
funktionieren. Auf Seite 4 steht, dass der Mosfet ab 2V am Gate leitend 
wird(wenn ich es richtig verstanden habe).

MfG

[Zähler Programmierer (Gast)]

@VR schrieb:
> Wenn 3,3V am Gate
> anliegen, wird die Drain-Source Strecke leitend.

Nein, es ist nicht entscheidend wieviel Spannung am Gate
anliegt sondern wieviel Spannung zwischen Gate und Source
anliegt.

@VR schrieb:
> Ich bin neu in dem Thema und hoffe, dass ich das verstanden habe.

Daher ist es unerlässlich einen Schaltplan zu zeigen wie
"man" das geplant hat.

[Michael B. (laberkopp)]

Der FND357 schaltet erst ab 4.5V zuverlässig durch, der taugt für 3.3V 
nicht.
Ausserdem kann man mit einem N-Kanal MOSFET keine 5V Plusleitung 
schalten (ausser mit einer 10V Steuerspannung).

@VR schrieb:
> Auf Seite 4 steht, dass der Mosfet ab 2V am Gate leitend
> wird(wenn ich es richtig verstanden habe).

Nein, da steht, daß er unter 2V schon sperren kann.

[@VR (Gast)]

Zähler Programmierer schrieb:
> Daher ist es unerlässlich einen Schaltplan zu zeigen wie
> "man" das geplant hat.

Ich habe euch eines gezeichnet, wie ich es mir vorgestellt habe. Die 
Schaltung soll mit 2 Spannungsquellen funktionieren. Mit 5V aus der 
USB-Buchse und einem LiPo Akku. Mit der USB-Buchse wollte ich halt noch, 
dass der Akku geladen werden kann. Der AVR misst über einen 
Spannungsteiler, welche Eingangsspannung gerade anliegt. Wenn 5V 
anliegen, soll der Mosfet durchschalten und den Laderegler(ich dachte 
mir an einen MCP73833-FCI/UN) mit 5V versorgen. Dieser ladet dann den 
Akku wieder auf. Der AVR soll mit 3,3V betrieben werden. Den 
Schaltregler dazu habe ich jetzt nicht eingezeichnet.

[Zähler Programmierer (Gast)]

@VR schrieb:
> Ich habe euch eines gezeichnet, wie ich es mir vorgestellt habe.

Wie definierst du hier eine Spannung zwischen Gate und Source?

Zähler Programmierer schrieb:
> Nein, es ist nicht entscheidend wieviel Spannung am Gate
> anliegt sondern wieviel Spannung zwischen Gate und Source
> anliegt.

Du hast keinerlei Massebezüge zwischen deinen Teilbaugruppen.
So wie du das anfängst wird das nichts.

[Mark S. (voltwide)]

Wie schon zuvor erwähnt, sitzt Du einem recht beliebten Anfängerfehler 
auf, nämlich zu glauben dass Du mit 3,3V Arduino-Ports ohne Weiteres das 
gate eines MOSFETS durchgesteuert bekommst der in einer Plus-Leitung 
schalten soll.
Ein genauerer Blick ins Datenblatt zeigt immer die Angabe "Ugs", d.h. 
die SpannungsDIFFERENZ zwischen gate- und source-Elektrode.
Und da die source  NICHT an der gemeinsamen Masse liegt, sondern eine 
gegen Masse positive Spannung durchschalten soll, muß die auf Masse 
bezogene gate-Spannung wenigstens 3,3V positiver angelegt werden als die 
gewünschte source-Ausgangsspannung.
Bezogen auf Masse muß demnach die gate-Spannung zwischen 0 und 
+5+3,3=+8,3V (besser +10V) springen.
Mit dem Arduino-port ist dies nicht möglich, Du benötigst einen 
Pegelwandler zwischen Arduino-port und dem gate.

[Michael B. (laberkopp)]

@VR schrieb:
> Ich habe euch eines gezeichnet

Ja, so geht das nicht. Es ist auch überflüssig kompliziert. So ist es 
einfacher:

+5V ---+-------------------|>|--+
       |                        |
       |  +----------+          |
       +--|Laderegler|--+--|>|--+-- +4.7V oder 3.8 bis 2.1V
          +----------+  |
                |      LiIon
                |       |
GND ------------+-------+---------- GND

Aber auch die Schaltung hat hinter dem LiIon Akku eine Diode, die
1. ca. 0.4V kostet als Schottky-Diode
2. Als Schottky-Diode aber erheblichen Strom rückwärts fliessen lässt, 
das kann so 1mA sein, der einen vollen LiIon durchaus überladen könnte, 
wenn der Laderegler nicht als Shunt-regler zu hoche Spannung ableitet.

Besser wäre es, 2 normale Siliziumdioen zu nehmen wie 1N4148, die 
sperren erheblich besser als die Schottky-Dioden. Dann sackt die 
Spannung aber noch weiter ab. Daher macht man das nicht so. Sondern 
betribe die Schaltung immer aus dem LiIon (damit kommt sie ka aus) und 
lädt den immer.

          +----------+
+5V ------|Laderegler|--+---- +3.8 bis 2.1V
          +----------+  |
                |      LiIon
                |       |
GND ------------+-------+---- GND

[@VR (Gast)]

Danke schon mal für eure Antworten.

@Michael B.

Du hättest mir keine Lösung liefern müssen. Dennoch vielen Dank :)

Zähler Programmierer schrieb:
> Wie definierst du hier eine Spannung zwischen Gate und Source?

Du meinst bestimmt, dass ich Source auf einen Bezugspunkt bringen soll? 
Ja dann wäre GND die Option. Das bedeutet, jetzt müsste ich einen Mosfet 
finden, der einen Vgs von kleiner gleich 3,3V aufweist.

[Safari (Gast)]

Infineon intelligent high side switches dürfte dein Stichwort sein.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

@VR schrieb:
> Das bedeutet, jetzt müsste ich einen Mosfet
> finden, der einen Vgs von kleiner gleich 3,3V aufweist.

Nicht nur das. Wenn es dir gelingt denn N-Kanal durchzuschalten, steht 
an der Source ja fast das gleiche wie an der Drain.  Damit sinkt die 
Gate-Source Spannung aber wieder ab und der MOSFet gerät in einen 
Zustand, in dem er nur ein wenig leitet.
Besser ist entweder, wie o.a., ein Highside Switch oder der Klassiker 
mit P-Kanal und einem Transistor, wie im Bild.
Das geht solange gut, wie IN+ nicht höher als die zulässige Ugs ist, die 
meistens bei so etwa 20V liegt.

[HildeK (Gast)]

Matthias S. schrieb:
> Das geht solange gut, wie IN+ nicht höher als die zulässige Ugs ist, die
> meistens bei so etwa 20V liegt.

... oder muss noch einen Widerstand spendieren und bei stark 
variierender Eingangsspannung noch eine Z-Diode.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

HildeK schrieb:
> ... oder muss noch einen Widerstand spendieren und bei stark
> variierender Eingangsspannung noch eine Z-Diode.

Ich hatte die zweite Variante erstmal weggelassen, aber hier ist sie nun 
doch.
Die Z-Diode sollte nicht grösser sein als die zulässige Ugs, 12V sollte 
in nahezu allen Fällen brauchbar sein.

[HildeK (Gast)]

Michael B. schrieb:
> 2. Als Schottky-Diode aber erheblichen Strom rückwärts fliessen lässt,
> das kann so 1mA sein, der einen vollen LiIon durchaus überladen könnte,
> wenn der Laderegler nicht als Shunt-regler zu hoche Spannung ableitet.

Dann hast du eine schlechte erwischt.
Ein vielleicht noch passender Vergleichstyp zur 1N4148 in Schottky ist 
die BAT54. Die hat bei 125° und 30V Sperrspannung 500µA Rückstrom 
(typ.), wenn sie aber mit 5V und bei angenehmen Temperaturen betrieben 
wird, dann sind es weniger als 1µA (typ.). 1MegΩ parallel zum LiIon 
verhindert ein Überladen durch den Rückstrom.
Auch die BAT42 und 43 bleiben bei 5V bis 50°C unter 1µA (typ.).
Worst Case mag der Faktor 5 hinzukommen, aber auch das ist noch 
akzeptabel.
Wenn man intensiv sucht, findet man bestimmt noch bessere.

Wenn man allerdings mit 1A laden will, dann gehen all diese nicht, auch 
nicht die 1N4148. Und dann werden die Rückströme auch größer.
Hier würde ich die SS24 nennen wollen, die hat bei 5V und 25° max. 20µA 
Rückstrom, bei 100°C kommt sie allerdings knapp auf 1mA.

[Michael B. (laberkopp)]

Matthias S. schrieb:
> Die Z-Diode sollte nicht grösser sein als die zulässige Ugs

Vor allem braucht es einen Widerstand parallel,
sonst zieht die das Gate nicht auf +IN.

[HildeK (Gast)]

Matthias S. schrieb:
> Ich hatte die zweite Variante erstmal weggelassen, aber hier ist sie nun
> doch.

Ja, aber einen Widerstand (≈ 50k) parallel zur Z-Diode wäre noch 
nützlich. Sonst kannst du das Abschalten des pMOSFET nicht 
sicherstellen.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Michael B. schrieb:
> Vor allem braucht es einen Widerstand parallel,

Richtig, also hier jetzt die funktionierende Variante. Auf das bisschen 
Leckstrom der Z-Diode ist ja kein Verlass :-P

[Dietrich L. (dietrichl)]

Matthias S. schrieb:
> Richtig, also hier jetzt die funktionierende Variante.

Statt sovieler Bauteile kann man auch gleich mit dem BC547 eine 
Stromquelle machen und spart einen Widerstand und die Z-Diode:

            +IN
            |
         +--+--+
         |     |
        R1     |
         |     |
         +--||-+ S 
         |  ||->
         |  ||-+ D
       |/ C    |
 MC ---|       +-- +OUT
       |> E
         |
        R2
         |
        GND

Das setzt allerdings voraus, dass die Spannung "MC" in Ein-Zustand 
einigermaßen konstant ist.

[Safari (Gast)]

Wenn's nur um's Basteln, sind diese Variationen schon sehr gut um zu 
verstehen wie das mit den MOSFETs funktioniert.
Ich würde für Ergebnisse aber trotzdem wieder zu den HighSide Switches 
raten.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Dietrich L. schrieb:
> Statt sovieler Bauteile

Gerade mal ein Bauteil weniger. Und dann musst du für 3,3V anders 
dimensionieren als für 5V. Meine Schaltung dagegen läuft bei jedem 
Logikpegel und so gut wie jeder VIN.

[@VR (Gast)]

Hallo zusammen,

danke für die recht hilfreichen Antworten. So langsam verstehe ich das 
mit den Mosfets. Ich habe am Anfang gar nicht gewusst, dass mein Prinzip 
als High-Side Schalter bezeichnet wird.

Mir stellt sich jedoch die Frage, ob es nicht einfacher ist, wenn ich 
den Mosfet nach der Last(Lastregler) anbringe. Also als Low-Side 
Schalter. Würde das die ganze Geschichte nicht vereinfachen?

MfG

[Safari (Gast)]

@VR schrieb:
> Würde das die ganze Geschichte nicht vereinfachen?

Deutlich. Siehe Mosfet Artikel hier im Wiki.

[@VR (Gast)]

@VR schrieb:
> Last(Lastregler)

Sorry, ich meinte Laderegler

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Wenn der Laderegler sonst keine Verbindung zur Schaltung, also z.B. eine 
Masseleitung hat, kann man auch die Lowside schalten.

Wenn das nicht der Fall ist, dann würden bei Trennen der Lowside 
allerdings Pegel auf den übrigen Verbindungen ohne Massebezug auftreten, 
was in 99% der Fälle ungewünscht ist.

Du brauchst allerdings in jedem Fall ein neues Bauteil, denn der MOSFet 
ist ja nicht geeignet, um mit 3,3V voll durchzuschalten. Nötig ist ein 
LowLogicLevel MOSFet.

[Dietrich L. (dietrichl)]

Matthias S. schrieb:
> Gerade mal ein Bauteil weniger.

2: ein Widerstand und eine Zenerdiode

> Und dann musst du für 3,3V anders
> dimensionieren als für 5V. Meine Schaltung dagegen läuft bei jedem
> Logikpegel und so gut wie jeder VIN.

Ja, das ist ein Nachteil. Aber man kennt normalerweise seinen 
Logikpegel...

[@VR (Gast)]

Matthias S. schrieb:
> Du brauchst allerdings in jedem Fall ein neues Bauteil, denn der MOSFet
> ist ja nicht geeignet, um mit 3,3V voll durchzuschalten. Nötig ist ein
> LowLogicLevel MOSFet.

Ich habe gesucht und den IRLML0040TRPBF gefunden. Dieser hat eine 
U(GS)(th) von 2,5V. Das müsste jetzt eigentlich passen. Die anderen 
Werte sahen ebenfalls gut aus.

[Manfred (Gast)]

Matthias S. schrieb:
> Richtig, also hier jetzt die funktionierende Variante.

Setze den 10k G-D auf 50 oder 100k rauf, mit Deinen Werten verschenkst 
Du rund 1 Volt Steuerspannung.

@VR schrieb:
>> LowLogicLevel MOSFet.
>
> Ich habe gesucht und den IRLML0040TRPBF gefunden. Dieser hat eine
> U(GS)(th) von 2,5V. Das müsste jetzt eigentlich passen. Die anderen
> Werte sahen ebenfalls gut aus.

Die "Gate Threshold Voltage" ist wenig interessant. Es interesiert der 
Wert "Static Drain-to-Source On-Resistance" bei "V GS = [irgendwas]V".

Bei diesem Typ ist er für 4,5V definiert, also ist es ein LogicLevel-FET 
und für Deine Anwendung brauchbar.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Manfred schrieb:
> Bei diesem Typ ist er für 4,5V definiert, also ist es ein LogicLevel-FET
> und für Deine Anwendung brauchbar.

Denk dran, der TE will mit 3,3V schalten und nicht mit 5. Deswegen 
schlug ich ja einen LowLogicLevel MOSFet vor.
https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht

Ein IRLML6244 wäre z.B. geeignet - oder was ähnliches mit unter 2V Uth.

Manfred schrieb:
> Setze den 10k G-D auf 50 oder 100k rauf, mit Deinen Werten verschenkst
> Du rund 1 Volt Steuerspannung.

Diese Schaltung ist sowieso nur für die Anwendungen, bei denen 
Spannungen über Ugs Max. geschaltet werden sollen. Da ist das eine Volt 
egal.

[Manfred (Gast)]

Matthias S. schrieb:
> Manfred schrieb:
>> Bei diesem Typ ist er für 4,5V definiert, also ist es ein LogicLevel-FET
>> und für Deine Anwendung brauchbar.
>
> Denk dran, der TE will mit 3,3V schalten und nicht mit 5. Deswegen
> schlug ich ja einen LowLogicLevel MOSFet vor.
> https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht
>
> Ein IRLML6244 wäre z.B. geeignet - oder was ähnliches mit unter 2V Uth.
>
> Manfred schrieb:
>> Setze den 10k G-D auf 50 oder 100k rauf, mit Deinen Werten verschenkst
>> Du rund 1 Volt Steuerspannung.
>
> Diese Schaltung ist sowieso nur für die Anwendungen, bei denen
> Spannungen über Ugs Max. geschaltet werden sollen. Da ist das eine Volt
> egal.

Da läuft gerade etwas aus dem Ruder: @VR will 5 Volt Plusseitig 
schalten:
"Wenn 3,3V am Gate anliegen, wird die Drain-Source Strecke leitend. 
Dadurch wollte ich eine 5V Quelle zu einem Laderegler führen, damit er 
mir einen LiPo Akku aufladet."

Die Steuerspannung ist 3,3 Volt und reicht für den BC547, der einen 
P-Kanal steuert - Dein Schaltungsvorschlag. Ich hätte dann 5 V Source 
und käme mit Standard-LL gut hin.

Wenn ich das nochmal angucke, sind beide FETs unbrauchbar, weil N-Typen.

[@VR (Gast)]

Manfred schrieb:
> Da läuft gerade etwas aus dem Ruder: @VR will 5 Volt Plusseitig
> schalten:

Hi,

ich habe mich anders entschieden. Ich will das ganze nun als Low-Side 
Switch betreiben. Die andere Variante werde ich mir ein anderes mal 
anschauen. Ich will die Mosfet Geschichte Schritt für Schritt erlernen. 
Da das ganze ein Projekt im Studium ist, habe ich im Augenblick nicht so 
viel Zeit, da ich in Kürze ein Ergebnis liefern muss.

Danke aber für die vielen hilfreichen Antworten.

Anmerkung: Ich bin kein E-Technik Student :)

MfG

[Manfred (Gast)]

@VR schrieb:
> ich habe mich anders entschieden. Ich will das ganze nun als Low-Side Switch 
betreiben.

Das habe ich dann wohl überlesen. Dann ist bei 3,3V der IRLML6244 Dein 
Freund, der ist ab V GS = 2.5V spezifiziert.

[Route_66 H. (route_66)]

Elegant und für Anfänger geeignet ist an dieser Verwendung ein 
"Photo-Mos-Relay". Das braucht am Ausgang keinen Massebeug, kann Lowside 
oder Highside und DC oder auch AC schalten.

[Manfred (Gast)]

Route 6. schrieb:
> "Photo-Mos-Relay".

Setze ich gerne mal als Optokoppler ein, da ich eine größere Menge 
"gefunden" habe.

> Das braucht am Ausgang keinen Massebeug, kann Lowside
> oder Highside

Das ist in der Tat ein Vorteil!

> und DC oder auch AC schalten.

Mit AC mal vorsichtig, das muß ein Typ mit zwei FETs im Ausgang sein.

Für die Aufgabenstellung von @VR: Kannst Du einen Typ benennen, der 2 
Ampere trägt und kleiner 50 mOhm RDSon liefert?

[Michael B. (laberkopp)]

@VR schrieb:
> Ich habe gesucht und den IRLML0040TRPBF gefunden. Dieser hat eine
> U(GS)(th) von 2,5V. Das müsste jetzt eigentlich passen.

Wie kann man trotz der vielen Hinweise so ignorant sein.

UGS(th) nicht NICHT die Gate-Spannung ab der er einschaltet.

Das einzige, was definiert ist, ist VGS = 4.5V, ID = 2.9A
und 4.5V hast du nicht.

@VR schrieb:
> ich habe mich anders entschieden. Ich will das ganze nun als Low-Side
> Switch betreiben.

Das wird ja eine langwierige Geburt.