Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET für eine Stromgesteuerte Stromquelle


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Rafo (Gast)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Hallo!
Ich habe eine Schaltung mit dem MOSFET IRF540 vor mir liegen und 
scheitere am Verständnis wie diese Funktioniert.
Die Funktionsweise der Ansteuerung über die OP-Schaltung leuchtet mir 
soweit ein und ich komme wenn ich nicht inzwischen völlig durcheinander 
bin auf ein Ugsmax=12V. Soweit so gut.
Nun zu dem was nicht in meinen Kopf will. Ich komme bei dem Aufbau wie 
skizziert aktuell auf einen Strom von ca. 3A.
Also ins Datenblatt des IRF540 geschaut und es herrscht Verwirrung.
Soweit ich solche Schaltungen verstanden habe sollte es so sein das ich 
den MOSFET im Sättigungsbereich betreibe um den Strom ID linear 
ansteigen zu lassen (je nach Eingang von 0-20mA).
Wenn ich mir nun allerdings die VDS zu ID Kennlinien anschaue Lande ich 
in einem Bereich in dem ich Weit unter der Pinsch-Off Spannung liege 
wenn ich den Eingang nur gering ansteure und es somit nicht zu einem 
Stromfluss kommen kann obwohl ich eine ausreichend hohe Spannung UDS 
anliegen habe.

Hintergrund meiner gesamten Überlegungen ist es diese Schaltung zu 
Überarbeiten um auf ein ID von ca. 5A zu kommen. Die Last (RL) in der 
Schaltung ist im Übrigen ein Leuchtmittel und das aktuell 75W hat das 
würde ich natürlich beim Umbau austauschen um auch die Leistung abnehmen 
zu können.
Dabei wäre ich ebenfalls sehr Dankbar für eure Tipps und Vorschläge!

von Jens G. (jensig)


Lesenswert?

>Die Funktionsweise der Ansteuerung über die OP-Schaltung leuchtet mir
>soweit ein und ich komme wenn ich nicht inzwischen völlig durcheinander
>bin auf ein Ugsmax=12V. Soweit so gut.

Wieso? Bei 12V ist der Mosfet doch schon komplett durchgesteuert, bzw. 
könnte er einige 10A treiben, ehe er in Sättigung geht.

>Also ins Datenblatt des IRF540 geschaut und es herrscht Verwirrung.
>Soweit ich solche Schaltungen verstanden habe sollte es so sein das ich
>den MOSFET im Sättigungsbereich betreibe um den Strom ID linear
>ansteigen zu lassen (je nach Eingang von 0-20mA).
>Wenn ich mir nun allerdings die VDS zu ID Kennlinien anschaue Lande ich
>in einem Bereich in dem ich Weit unter der Pinsch-Off Spannung liege
>wenn ich den Eingang nur gering ansteure und es somit nicht zu einem
>Stromfluss kommen kann obwohl ich eine ausreichend hohe Spannung UDS
>anliegen habe.

Verstehe ich nicht. In solchen Schaltungen arbeitet der Mosfet im 
Sättigungsbereich, also was im von Dir genannten Diagramm der rechte 
Bereich ist, wo die Kennlinien Konstantstromcharacter haben.
Nimm doch Fib. 3 in Deinem Datenblatt, dann siehste doch, wie hoch die 
typ. Ugs sein muß, um einen bestimmten Strom fliesen zu lassen. Und 
diese Ugs regelt der OPV ein, da er ja die Spannung am -Eingang auf 
denselben Wert bringen will wie am +Eingang.

>Hintergrund meiner gesamten Überlegungen ist es diese Schaltung zu
>Überarbeiten um auf ein ID von ca. 5A zu kommen. Die Last (RL) in der

Wenn der Ström höher sein soll (bei gleichem Eingangssignal), dann 
musste die Shunt-Rs entsprechend verkleinern, oder R2 vergrößern.

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


Lesenswert?

0.2 Ohm stehen sich 30 Ohm gegenüber, der Strom von max 20mA wird also 
ver-150-facht bis 3A.

Ansonsten ist die Schaltung Murks. Der LM358 ist nicht für kapazitive 
Lasten, der R3 bringt noch mehr Phasendrehung, die Schalgung schwingt 
weil ihr die Kompensation fehlt, und R1 ist überflüssig, verschlechtert 
nur die Komplianz. Der Vollausschlag der Schaltung wird bei 0.6V 
erreicht mit einem OpAmp der 7mV Offsetspannung hat, macht 1% Fehler.

von Christian S. (roehrenvorheizer)


Lesenswert?

Hallo,

"llerdings die VDS zu ID Kennlinien anschaue Lande ich in einem Bereich 
in dem ich Weit unter der Pinsch-Off Spannung liege"

Alle Kennlinien beginnen bei 4... 4,5 V.

Wichtig zu beachten wäre die Aussage von Fig 8. Dort ist keine DC-Linie 
spezifiziert.

mfG

von Falk B. (falk)


Lesenswert?

Rafo schrieb:

> Ich habe eine Schaltung mit dem MOSFET IRF540 vor mir liegen und
> scheitere am Verständnis wie diese Funktioniert.

> Die Funktionsweise der Ansteuerung über die OP-Schaltung leuchtet mir
> soweit ein und ich komme wenn ich nicht inzwischen völlig durcheinander
> bin auf ein Ugsmax=12V. Soweit so gut.

Soviel braucht der MOSFET im Linearbetrieb gar nicht, eher um die 6-7V.

> Nun zu dem was nicht in meinen Kopf will. Ich komme bei dem Aufbau wie
> skizziert aktuell auf einen Strom von ca. 3A.

Dort sind einige Fehler drin. Besser so.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Operationsverst.C3.A4rker_und_Transistor

> Also ins Datenblatt des IRF540 geschaut und es herrscht Verwirrung.

Das ist ein 23A MOSFET. Hmmm.

> Soweit ich solche Schaltungen verstanden habe sollte es so sein das ich
> den MOSFET im Sättigungsbereich betreibe um den Strom ID linear
> ansteigen zu lassen (je nach Eingang von 0-20mA).

So in etwa-

> Wenn ich mir nun allerdings die VDS zu ID Kennlinien anschaue Lande ich
> in einem Bereich in dem ich Weit unter der Pinsch-Off Spannung liege

Die gibt es beim Anreicherungs-MOSFET gar nicht, dort heißt sie 
Threshold-Voltage und liegt beim IRF540 bei 2-4V.

> wenn ich den Eingang nur gering ansteure und es somit nicht zu einem
> Stromfluss kommen kann obwohl ich eine ausreichend hohe Spannung UDS
> anliegen habe.

???

> Hintergrund meiner gesamten Überlegungen ist es diese Schaltung zu
> Überarbeiten um auf ein ID von ca. 5A zu kommen.

Dazu muss man halt den Shunt anpassen. Der MOSFET sollte für den 
Linearbetrieb taugen, der IRF540 kann das anscheinend. Aber nicht bei 5A 
und 24V.

30 Ohm * 20mA = 600mV

D.h. dein Shunt muss in Summe R = U / I = 0,6V / 5A = 0,12 Ohm haben.

> Die Last (RL) in der
> Schaltung ist im Übrigen ein Leuchtmittel und das aktuell 75W hat das

Was denn genau? Eine Power-LED? Welche Flußspannung hat die? Denn damit 
wird bestimmt, wieviel Restspannung über dem MOSFET abfällt. Viel mehr 
als 30W sollte man so einem TO220 Gehäuse nicht zumuten. Außerdem setzt 
die SOA des MOSFETs Grenzen.

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#SOA_Diagramm

> würde ich natürlich beim Umbau austauschen um auch die Leistung abnehmen
> zu können.
> Dabei wäre ich ebenfalls sehr Dankbar für eure Tipps und Vorschläge!

Erstmal die Bildformate.

von Rafo (Gast)


Lesenswert?

Vielen Dank erstmal für Eure Antworten!
Ich geh mal ganz kurz auf die Verschiedenen Antworten ein.


Jens G. schrieb:
> Wieso? Bei 12V ist der Mosfet doch schon komplett durchgesteuert, bzw.
> könnte er einige 10A treiben, ehe er in Sättigung geht.

Bei einem Konstantem Vgs bin ich da ganz bei dir. Das bricht doch aber 
zusammen sobald der MOSFET durchsteuert.


> Verstehe ich nicht. In solchen Schaltungen arbeitet der Mosfet im
> Sättigungsbereich, also was im von Dir genannten Diagramm der rechte
> Bereich ist, wo die Kennlinien Konstantstromcharacter haben.
> Nimm doch Fib. 3 in Deinem Datenblatt, dann siehste doch, wie hoch die
> typ. Ugs sein muß, um einen bestimmten Strom fliesen zu lassen.
Ja ich möchte ihn auch im Sättigungsbereich betreiben allerdings gilt 
die kennlinie nach Fib3. im Datenblatt nur bei Konstantem VDS von 50V 
oder irre ich mich da?

Falk B. schrieb:
>> Die Funktionsweise der Ansteuerung über die OP-Schaltung leuchtet mir
>> soweit ein und ich komme wenn ich nicht inzwischen völlig durcheinander
>> bin auf ein Ugsmax=12V. Soweit so gut.
>
> Soviel braucht der MOSFET im Linearbetrieb gar nicht, eher um die 6-7V.

Bringst du hier VGS und VDS durcheinaner? wenn ich in die sättigung 
möchte wäre das nämlich mein kleinstes VDS.

Falk B. schrieb:
> Das ist ein 23A MOSFET. Hmmm.

Es sind Übrigens 28A ;)

Falk B. schrieb:
> Was denn genau? Eine Power-LED? Welche Flußspannung hat die? Denn damit
> wird bestimmt, wieviel Restspannung über dem MOSFET abfällt. Viel mehr
> als 30W sollte man so einem TO220 Gehäuse nicht zumuten. Außerdem setzt
> die SOA des MOSFETs Grenzen.

Als Last wird ein Halogen Leuchtmittel genutzt um Wärme zu erzeugen.
Welches ich nutzen möchte steht mir offen.


MaWin schrieb:
> Der LM358 ist nicht für kapazitive
> Lasten

Welchen würdest du denn nehmen?

von Jens G. (jensig)


Lesenswert?

Rafo (Gast) schrieb:

>Jens G. schrieb:
>> Wieso? Bei 12V ist der Mosfet doch schon komplett durchgesteuert, bzw.
>> könnte er einige 10A treiben, ehe er in Sättigung geht.

>Bei einem Konstantem Vgs bin ich da ganz bei dir. Das bricht doch aber
>zusammen sobald der MOSFET durchsteuert.

Bei 12V ist der durchgesteuert. Was soll denn da zusammenbrechen, auser 
daß Uds bei gewöhnlichen Strömen sehr klein wird.

>> Verstehe ich nicht. In solchen Schaltungen arbeitet der Mosfet im
>> Sättigungsbereich, also was im von Dir genannten Diagramm der rechte
>> Bereich ist, wo die Kennlinien Konstantstromcharacter haben.
>> Nimm doch Fib. 3 in Deinem Datenblatt, dann siehste doch, wie hoch die
>> typ. Ugs sein muß, um einen bestimmten Strom fliesen zu lassen.
>Ja ich möchte ihn auch im Sättigungsbereich betreiben allerdings gilt
>die kennlinie nach Fib3. im Datenblatt nur bei Konstantem VDS von 50V
>oder irre ich mich da?

Wie Du an Fig.1 erkennen kannst, ist der Sättigungsbereich (rechter 
Bereich) praktisch unabhängig von der Uds. Erst im ohmschen Bereich 
(links) wird's bezüglich Uds interessant, aber das ist ja dann der 
durchgeschaltete Bereich, der in Deiner Stromquelle eher uninteressant 
ist (wenn es soweit käme, dann wäre Deine Stromquelle "übersteuert", 
also an den Betriebsgrenzen angelangt).
Solange man die Schaltung also nicht übersteuert (zu hoher Input, bzw. 
resultierende Spannung über der Last nicht zu hoch, also innerhalb des 
möglichen Arbeitsbereiches), regelt der OPV die Ugs so, daß gerade der 
anvisierte Strom dem gewünschten entspricht (oder aus OPV-Sicht: 
Spannung an -Eingang der des +Eingangs entspricht).

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Rafo schrieb:
> Welchen würdest du denn nehmen

Einen OpAmp für hohe kapazitive Last: LT1363 (LT), 
LM8261/8272/6161/6261/6361/6362/6364/6365 (NS), TLE2141/2142/2144 (TI 
single supply 44V 0.5mV 10nF 27V/us) AD817/826/827/847/848/849 (Analog) 
http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/31-2/appleng.html 
MC34071/MC34072 (OnSemi single supply) 
http://www.ti.com/lit/an/sloa013a/sloa013a.pdf 
http://designtools.analog.com/dt/stability/stability.html MIC920 (5-18V 
3000V/us 80MHz Micrel) LTC6260 (1.8-5.25V, 20uA 400uV)

wahrscheinlich MC34072

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Rafo schrieb:
> Als Last wird ein Halogen Leuchtmittel genutzt um Wärme zu erzeugen

Das macht man doch per PWM, nicht leistungsfressender Linearendstufe.

von Rafo (Gast)


Lesenswert?

Jens G. schrieb:
> Wie Du an Fig.1 erkennen kannst, ist der Sättigungsbereich (rechter
> Bereich) praktisch unabhängig von der Uds. Erst im ohmschen Bereich
> (links) wird's bezüglich Uds interessant, aber das ist ja dann der
> durchgeschaltete Bereich, der in Deiner Stromquelle eher uninteressant
> ist (wenn es soweit käme, dann wäre Deine Stromquelle "übersteuert",
> also an den Betriebsgrenzen angelangt).
> Solange man die Schaltung also nicht übersteuert (zu hoher Input, bzw.
> resultierende Spannung über der Last nicht zu hoch, also innerhalb des
> möglichen Arbeitsbereiches), regelt der OPV die Ugs so, daß gerade der
> anvisierte Strom dem gewünschten entspricht (oder aus OPV-Sicht:
> Spannung an -Eingang der des +Eingangs entspricht).

Erstmal danke für die Antwort!
Ich weiß ich stell mich grad blöd an aber ich frag trotzdem nochmal.
Ich muss demnach meine Last so dimensionieren das ich Fig. 1 im 
Sättigungsbereich bleibe und mein Spannungsabfall über R5//R6 reguliert 
meinen Strom ID bis -UE = +UE.
Wenn ich jetzt also, um es für mich einfach mal durchzugehen, festlege 
das Über meinem RL (bei 5A) 12V abfallen und über R5//R6 0,6V bleibt ein 
UDS von 11,4V richtig? (sprich UDS>UDSsat)
um das zu erzeugen bräuchte ich also nach Fig 3. ein VGS von ca.4,5V 
Müsste also heißen das mein OPAMP eine Spannung UA von 9V ausgibt.
Wenn das so richtig ist denke ich hab ich mein Brett vorm Kopf endlich 
überwunden.

MaWin schrieb:
> Das macht man doch per PWM, nicht leistungsfressender Linearendstufe.

Wenn man die Möglichkeit hat die 0-20mA einfach durch einen 
Impulsgenerator zu tauschen oder den Platz für eine Mimik die das ganze 
umformt ja. Ich habe aber weder die Möglichkeit das Eingangssignal zu 
ändern, denn das wird mir vorgegeben, noch habe ich viel Bauraum übrig 
um das noch irgendwo zu realisieren
und Danke für die OPAMP Empfehlung.!

von PWMrules (Gast)


Lesenswert?

Rafo schrieb:
> Wenn man die Möglichkeit hat die 0-20mA einfach durch einen
> Impulsgenerator zu tauschen

"PWM-Modulator" meinst Du wohl?

> oder den Platz für eine Mimik die das ganze umformt
> (...) weder die Möglichkeit das Eingangssignal zu ändern
> denn das wird mir vorgegeben, noch habe ich viel Bauraum
> übrig um das noch irgendwo zu realisieren

Braucht doch kaum Platz. Überhaupt an den Platz gedacht, der
frei wird, wenn der riesige Kühlkörper nicht mehr nötig ist?

von Jens G. (jensig)


Lesenswert?

>Ich muss demnach meine Last so dimensionieren das ich Fig. 1 im
>Sättigungsbereich bleibe und mein Spannungsabfall über R5//R6 reguliert
>meinen Strom ID bis -UE = +UE.

Du zäumst Dein Pferd von der falschen seite auf.
Du willst doch nicht die Last dimensionieren, denn die ist doch schon 
vorgegeben - oder etwa nicht. Also paßt man die Schaltung an die Last 
an, mit etwaigen Nebenbedingungen, wie die Betriebsspannung, die man 
allerdings nicht zu hoch wählen sollte (Verlustleistung im Mosfet).

>Wenn ich jetzt also, um es für mich einfach mal durchzugehen, festlege
>das Über meinem RL (bei 5A) 12V abfallen und über R5//R6 0,6V bleibt ein
>UDS von 11,4V richtig?

BEi Ub=24V ist die sich damit einstellende Uds=11,4V - ja.

>(sprich UDS>UDSsat)

UDSsat@5A - ja.

>um das zu erzeugen bräuchte ich also nach Fig 3. ein VGS von ca.4,5V
>Müsste also heißen das mein OPAMP eine Spannung UA von 9V ausgibt.

Vgs=4,5V stimmt ungefähr für 5A. Und wie kommste jetzt auf 9V?
Der OPV müsste Ugs(@5A) + U über R5||R6 ausgeben, also 4,5V+0,6V=5,1V 
(gegen Masse gemessen)

>Wenn das so richtig ist denke ich hab ich mein Brett vorm Kopf endlich
>überwunden.

Na mal schauen ... ;-)

Achja, wie andere bereits andeuteten: um eine Heizquelle zu steuern, 
sollte man sich wirklich eher solche PWM-getriebene Schaltungen 
anschauen, denn Deine Variante verheizt im Mosfet satte 60W, im 
Kurzschlußfalle bis zu 120W. Für sowas ist der arme Mosfet nicht 
geschaffen.

>noch habe ich viel Bauraum übrig um das noch irgendwo zu realisieren

Du wirst Dich wundern - der Mosfet braucht einen fetten Kühlkörper - 
also nix mit wenig Bauraum.

: Bearbeitet durch User
von PWMrules (Gast)


Lesenswert?

Jens G. schrieb:
> Du zäumst Dein Pferd von der falschen seite auf.

Das stimmt allerdings schon, den Eindruck teile ich.


Wie viel Leistung soll denn diese Birne haben?

Wenigstens gibt_es Halogenbirnen für 24V, somit ist
das nicht aus der Luft gegriffen - ein Wandler zwecks
höherer/niedrigerer Spannung würde Platz kosten, der
scheinbar kritisch ist hier - wie kritisch genau?

(Halogenbirne steht fest, Leistungs-R nicht zur Wahl?
Rs sind etwas effizienter, wenn es um Verlustwärme geht.

Bei Halogen-Leuchtmitteln geht ja sogar noch etwas mehr
Wärme durch sichtbare Strahlung verloren, als bei ganz
normalen Glühbirnen... worauf gründet diese Wahl genau?)


Doch PWM ist definitiv kleiner hinzukriegen als eine
Linearstufe, die fette Kühlmaßnahmen erforderte.

von Jens G. (jensig)


Lesenswert?

>Wie viel Leistung soll denn diese Birne haben?

Woher soll ich wissen, wieviel Heizleistung Du brauchst. Zumal 
"Glühbirnen" Kaltleister sind, also höchst nichtlineare U/I-Kennlinie, 
und damit I/P-Kennlinie. Da wirt's schwer, irgendwelche Arbeitspunkte 
vorher zu sagen.

von PWMrules (Gast)


Lesenswert?

Jens G. schrieb:
>>Wie viel Leistung soll denn diese Birne haben?
>
> Woher soll ich wissen, wieviel Heizleistung Du brauchst.

Wie viel Heizleistung ich brauche? Ist nicht von Belang.
(War wohl noch ein (Liter) Kaffee zu wenig bei Dir heute.)

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


Lesenswert?

MaWin schrieb:
> Der LM358 ist nicht für kapazitive
> Lasten, der R3 bringt noch mehr Phasendrehung, die Schalgung schwingt
> weil ihr die Kompensation fehlt

Hel-den-haft – es geht um eine simple Verstärkung des Ausgangsstroms 
durch einen einfachen MOSFET. Am Eingang ein simpler Spannungsteiler, 
super träge mit einem 1µF-Kondensator und dann ein Spannungsteiler mit 
einer winzigen Kapazität.

Das ist nicht für Laborzwecke und sicher nicht für starke Sprünge. Aber 
alles was er will, ist ein wenig Strom hineingeben und etwas mehr Strom 
danach regeln.

von Rafo (Gast)


Lesenswert?

Jens G. schrieb:
>>um das zu erzeugen bräuchte ich also nach Fig 3. ein VGS von ca.4,5V
>>Müsste also heißen das mein OPAMP eine Spannung UA von 9V ausgibt.
>
> Vgs=4,5V stimmt ungefähr für 5A. Und wie kommste jetzt auf 9V?
> Der OPV müsste Ugs(@5A) + U über R5||R6 ausgeben, also 4,5V+0,6V=5,1V
> (gegen Masse gemessen)
>
wirken mein R3 und R4 am ausgang des OPV´s nicht als spannungsteiler?

>>Wenn das so richtig ist denke ich hab ich mein Brett vorm Kopf endlich
>>überwunden.
>
> Na mal schauen ... ;-)
>
> Achja, wie andere bereits andeuteten: um eine Heizquelle zu steuern,
> sollte man sich wirklich eher solche PWM-getriebene Schaltungen
> anschauen, denn Deine Variante verheizt im Mosfet satte 60W, im
> Kurzschlußfalle bis zu 120W. Für sowas ist der arme Mosfet nicht
> geschaffen.
>
>>noch habe ich viel Bauraum übrig um das noch irgendwo zu realisieren
>
> Du wirst Dich wundern - der Mosfet braucht einen fetten Kühlkörper -
> also nix mit wenig Bauraum.

wirken mein R3 und R4 am ausgang des OPV´s nicht als spannungsteiler

ja das hab ich inzwischen eingesehen werde ich mir auch anschauen.... 
trotz alledem nervt mich so eine Lücke enorm und mein Ehrgeiz schaltet 
sich ein.

von Jens G. (jensig)


Lesenswert?

Rafo (Gast) schrieb:

>> Vgs=4,5V stimmt ungefähr für 5A. Und wie kommste jetzt auf 9V?
>> Der OPV müsste Ugs(@5A) + U über R5||R6 ausgeben, also 4,5V+0,6V=5,1V
>> (gegen Masse gemessen)
>>
>wirken mein R3 und R4 am ausgang des OPV´s nicht als spannungsteiler?

Ach stimmt ja - hatte ich glatt übersehen. Na dann sind's schon eher 
über 10V (wenn man von typ. Ugs-Werten ausgeht.

von Jens G. (jensig)


Lesenswert?

PWMrules (Gast) schrieb:

>Jens G. schrieb:
>>>Wie viel Leistung soll denn diese Birne haben?
>>
>> Woher soll ich wissen, wieviel Heizleistung Du brauchst.

>Wie viel Heizleistung ich brauche? Ist nicht von Belang.
>(War wohl noch ein (Liter) Kaffee zu wenig bei Dir heute.)

Ach stimmt ja - das war ja plötzlich gar nicht der TO ;-)

: Bearbeitet durch User
von Rafo (Gast)


Lesenswert?

Jens G. schrieb:
>>wirken mein R3 und R4 am ausgang des OPV´s nicht als spannungsteiler?
>
> Ach stimmt ja - hatte ich glatt übersehen. Na dann sind's schon eher
> über 10V (wenn man von typ. Ugs-Werten ausgeht.

Alles klar! die zusätzlichen 0,6V hatte ich gerade übersehen!
Ich denke dann haben sich meine fragen zur Schaltung geklärt.

Also vielen Dank an Alle!

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.