Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PMOS Inrush Current killt Versorgungsspannung


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von Jan (Gast)


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Hallo!

Ich schalte mit einem atmega einen Verbraucher via PMOS ein. Leider hat 
der Verbraucher einen Elko mit 470uF eingebaut, was dazu führt, dass 
sich mein atmega resettet. Vsupply bricht direkt auf 0V ein.

Was tun?

Spontan habe ich einfach 100k in Serie zum Gate geschaltet, was jetzt 
dafür sorgt, dass die Spannung nur noch um 1V einbricht, um sich dann 
nach 500us wieder erholt zu haben. ka... macht man das so?

Falls ja.... wieviel kann ein PMOS ab? Normalerweise schaue ich ins SOA 
Diagramm, aber das ist nur im Avalanche Mode brauchbar... oder?

von Felix (Gast)


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Im Datenblatt des FT232R von FTDI findet sich eine Möglichkeit mit einem 
kleinen Kondensator vom PMOS-Ausgang zum Gate und vom Gate ein R zum 
Digitalausgang als Softstart. So vielleicht.

von tonne (Gast)


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atmega per Diode und Kondensator puffern wenn der Spannungseinbruch 
sonst nicht stört.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Jan schrieb:
> Falls ja.... wieviel kann ein PMOS ab? Normalerweise schaue ich ins SOA
> Diagramm

Genau, orientiere dich an diesem Diagramm. Es ist primär eine thermische 
Frage.

: Bearbeitet durch User
von hinz (Gast)


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Jan schrieb:
> Ich schalte mit einem atmega einen Verbraucher via PMOS ein. Leider hat
> der Verbraucher einen Elko mit 470uF eingebaut, was dazu führt, dass
> sich mein atmega resettet. Vsupply bricht direkt auf 0V ein.

Das klingt sehr nach einem Layoutfehler.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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hinz schrieb:
> Das klingt sehr nach einem Layoutfehler.

Finde ich nicht. Ein Kondensator hat einen annähernd unendlich hohen 
Ladestrom, den die Stromversorgung nicht liefern kann. Also bricht die 
Spannung ein.

Bei USB sind (ohne extra Strombegrenzung) maximal 10µF erlaubt.

: Bearbeitet durch User
von hinz (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:

> Ein Kondensator hat einen annähernd unendlich hohen
> Ladestrom,

Au weia! Schon mal was von ESR und ESL gehört?

von wer (Gast)


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hinz schrieb:
> Stefan ⛄ F. schrieb:
>
>> Ein Kondensator hat einen annähernd unendlich hohen
>> Ladestrom,
>
> Au weia! Schon mal was von ESR und ESL gehört?

Meinst du das Wörtchen "annährend" ist da irgendwie zufällig 
reingefallen?

von Martin S. (sirnails)


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Jan schrieb:
> Ich schalte mit einem atmega einen Verbraucher via PMOS ein. Leider hat
> der Verbraucher einen Elko mit 470uF eingebaut, was dazu führt, dass
> sich mein atmega resettet. Vsupply bricht direkt auf 0V ein.

470µF ist ein süßes Kondensörchen.

Schaltbild? Welche Versorgung?

Atmega abpuffen. Scheinbar nicht gemacht. Also nachrüsten.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Martin S. schrieb:
> 470µF ist ein süßes Kondensörchen.

Aber nur, wenn die Spannungsversorgung der Schaltung erheblich stärker 
abgepuffert ist. Was in meinen Schaltungen das letzte mal in den 90er 
Jahren der Fall war.

Für mich sind 470µF ein dicker Klopper!

von No Y. (noy)


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100k oder so parallel zum PMOS und den Kondensator damit vorladen lassen 
(ggf. NMOS noch hinter dem PMOS gegen GND um damit die Versorgung 
"kurztischließen". Irgendwann NMOS ausschalten, vorladen lassen über den 
Widerstand und dann halt irgendwann den PMOS "anschalten".
Kann man entweder mit 2 GPIO machen oder noch etwas gebastel und beide 
Mosfets mit einem GPIO schalten. Sollte aber eine "totzeit" drin sein um 
nicht PMOS an + NMOS an entstehen zu lassen...

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Jan schrieb:
> Ich schalte mit einem atmega einen Verbraucher via PMOS ein. Leider hat
> der Verbraucher einen Elko mit 470uF eingebaut, was dazu führt, dass
> sich mein atmega resettet. Vsupply bricht direkt auf 0V ein.
> Was tun?
Du könntest auf der "Versorgungsseite" vor dem Mosfet einen 1mF Elko 
einbauen. Dann bricht die Spannung nur noch auf 5V*1000uF/1470uF = 3,4V 
ein.

> Spontan habe ich einfach 100k in Serie zum Gate geschaltet, was jetzt
> dafür sorgt, dass die Spannung nur noch um 1V einbricht, um sich dann
> nach 500us wieder erholt zu haben. ka... macht man das so?
Wenn dein Mosfet das aushält und der Verbraucher mit seiner langsam 
steigenden Versorgung klarkommt, dann kannst du das so machen.

No Y. schrieb:
> 100k oder so parallel zum PMOS und den Kondensator damit vorladen lassen
> (ggf. NMOS noch hinter dem PMOS gegen GND um damit die Versorgung
> "kurztischließen". Irgendwann NMOS ausschalten, vorladen lassen über den
> Widerstand und dann halt irgendwann den PMOS "anschalten".
Kannst du dieses aufwändgie Gebastel mal in einem Schaltplan abbilden? 
Und hast du bei deinen Betrachtungen beachetet, dann parallel zum 470uF 
Kondensator noch die eigetliche Last hängt?

von Georg M. (g_m)


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Jan schrieb:
> Ich schalte mit einem atmega einen Verbraucher via PMOS ein. Leider hat
> der Verbraucher einen Elko mit 470uF eingebaut, was dazu führt, dass
> sich mein atmega resettet. Vsupply bricht direkt auf 0V ein.

Die Stromversorgung einer Steuereinheit sollte einigermaßen gesichert 
sein.


Jan schrieb:
> Falls ja.... wieviel kann ein PMOS ab?

Ein SOT23 kann nicht viel, aber je dicker desto belastbarer.


Load Switch Inrush:
https://electronics.stackexchange.com/questions/104060/load-switch-capacitance-constraint

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Georg M. schrieb:
> Die Stromversorgung einer Steuereinheit sollte einigermaßen gesichert sein.
Man könnte dazu den uC z.B. mit 100uF puffern, und die so gepufferte 
uC-Versorgung mit einer Schottkydiode von der zusammenbrechenden 
Versorgung entkoppeln.

von Inrush (Gast)


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Hallo,

also wenn es einigermaßen gut funktionieren sollte, dann würde ich eine 
Hot Swap Controller mit Strombegrenzung nehmen, die kann man auch ggfs. 
mit einem Mikrocontroller schalten:

Bsp.:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/mic2582-83-83r.pdf
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2482.pdf?ts=1593502661887&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fde-de%252Fpower-management%252Fpower-switches%252Fefuse-hotswap-controllers%252Fproducts.html

Mit derartigen Controllern kann man eine Batterie auf entladene 
Zwischenkreiskondensatoren mit mehreren mF schalten und es passiert 
nicht wirklich viel wenn die Strombegrenzung sinnvoll eingestellt ist.

Im Prinzip kann man die Strombegrenzung auch selber aufbauen, indem man 
das Gate langsam lädt (ggfs. mit zusätzlichem Kondensator), allerdings 
ist meine Erfahrung, dass diese "Basteleien", ohne wirkliche Messung des 
Stromes nur bei Einzelstücken gut funktionieren.

von Karsten B. (kastenhq2010)


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Jan schrieb:
> Spontan habe ich einfach 100k in Serie zum Gate geschaltet, was jetzt
> dafür sorgt, dass die Spannung nur noch um 1V einbricht, um sich dann
> nach 500us wieder erholt zu haben. ka... macht man das so?

Mit einem zusätzlichen Kondensator kann man noch den Strompeak 
reduzieren.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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No Y. schrieb:
> 100k oder so parallel zum PMOS und den Kondensator damit vorladen lassen
> (ggf. NMOS noch hinter dem PMOS gegen GND um damit die Versorgung
> "kurztischließen". Irgendwann NMOS ausschalten, vorladen lassen über den
> Widerstand und dann halt irgendwann den PMOS "anschalten".
> Kann man entweder mit 2 GPIO machen oder noch etwas gebastel und beide
> Mosfets mit einem GPIO schalten. Sollte aber eine "totzeit" drin sein um
> nicht PMOS an + NMOS an entstehen zu lassen...

Das klingt für mich wie: 5 Maschen links, dann zwei rechts, alle 30 mal 
1 Masche fallen lassen und von hinten durch die Brust stechen.

Ein kommentierter Schaltplan wäre wohl aussagekräftiger.

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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Jan schrieb:
> Was tun?

Die Versorungsspannung des ATMega mit 100x mehr Kapazität, also 47000uF, 
stützen.

Zu viel ? Dann mach die 470uF kleiner, z.B. 470nF, und setze stattdessen 
einen 470uF vor den MOSFET.

Die andere Lösung erfordert, dass man die Schaltung mit ihren 470uF erst 
mal abschalten kann, sie also einen Enable-Eingang hat mit dem man ihre 
Stromaufnahme zu Beginn auf vernachlassigbare Werte begrenzt:

Dann schaltet man den 470uF über einen Widerstand an die 
Atmega-versorgung, wartet bis er sich aufgeladen hat, überbrückt dann 
mit dem MOSFET den Widerstand, und schaltet erst dann die Schaltung per 
Enable frei.

von Jens (Gast)


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2x PMOS Transistoren. Den ersten mit Widerstand zum initialen Laden des 
470 uF C, dann nach einer Zeit, den zweiten PMOS parallel zum ersten 
PMOS+Widerstand schalten.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Jens schrieb:
> 2x PMOS Transistoren. Den ersten mit Widerstand zum initialen Laden des
> 470 uF C, dann nach einer Zeit, den zweiten PMOS parallel zum ersten
> PMOS+Widerstand schalten.

Da parallel zum Kondensator die zu schaltende Last hängt, wird der 
Kondensator durch einen Widerstand niemand die volle Betriebsspannung 
erreichen können. Wenn du den Widerstand dann mit einem zweiten MOSFET 
überbrückst hast du immer noch das ursprüngliche Problem: 
(fast-)Kurzschluss auf der Versorgungsspannung.

von Porzellanblume (Gast)


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Noch eine Alternative?:
Ein Hochfahren über kurze Impulse mit nach und nach kürzer werdendem 
Abstand.

Vorziehen würde ich aber den bereits mehrfach genannten Weg über die 
Entkopplung per Diode.

von Felix (Gast)


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Hier der Auszug aus dem FT232R-Datenblatt. Die machen das nicht ohne 
Grund so.

von wer (Gast)


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Ohne zu wissen was das für ein Verbraucher ist und ob man den überhaupt 
"sanft" anschalten kann, ist das hier ein Ratespiel.

Am wahrscheinlichsten zum Erfolg führt wohl die µC-Spannung per Diode 
und ausreichend großem C zu puffern, damit der das kurzzeitige 
Einbrechen der Supplyspannung übersteht.

Einen großen C schalten ist immer fies.

von hinz (Gast)


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Felix schrieb:
> Hier der Auszug aus dem FT232R-Datenblatt. Die machen das nicht
> ohne
> Grund so.

Und wie ist deine Schaltung, und dein Aufbau?

von mkn (Gast)


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Jan schrieb:
> macht man das so?

Da gibt es viele Wege, die alle ihre Vor und Nachteile haben.
Vom einfachen NTC bis beliebig komplex.
Jetzt hast Du den PMOS nur extrem langsam gemacht, ohne jede Messung.
Kann funktionieren, kann aber bei Exemplarstreuungen und Temperaturdrift 
aber auch Probleme machen.
Deine Quelle scheint sehr hochohmig zu sein, wenn VCC soweit wegbricht.
Oder die erkennt auf Kurzschluss und schalte kurz ab. (hickup mode)

Eine einfache und ausreichend genaue Strombegrenzung wäre z.B. ein shunt 
vor Pmos-S + NPN der G auf S lemmt wenn der U-shunt größer 0,6V.
B: Vin
E: Gate
C: Source

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


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Felix schrieb:
> Hier der Auszug aus dem FT232R-Datenblatt.
> Die machen das nicht ohne Grund so.

Na ja. Die zusätzliche Zeitkonstante am MOSFET Gate ist 100µs. Das 
dürfte für die 470µF des TO etwas kurz sein. Er sagt ja nicht, was für 
einen MOSFET er hat. Aber mit 100K und nur C_gs dürfte er schon über 
100µs liegen.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Porzellanblume schrieb:
> Ein Hochfahren über kurze Impulse mit nach und nach kürzer werdendem
> Abstand.

Dann hast du noch mehr Kurzschlüsse, das macht es nicht besser.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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wer schrieb:
> Am wahrscheinlichsten zum Erfolg führt wohl die µC-Spannung per Diode
> und ausreichend großem C zu puffern, damit der das kurzzeitige
> Einbrechen der Supplyspannung übersteht.

Damit hilft du aber nur dem Mikrocontroller. Was ist denn mit den 
anderen Teilen der Schaltung? Wie sieht deren Stromaufnahme aus und wie 
viel Instabilität sind dort akzeptabel? Findet das Netzteil diese 
Lastspitzen nett?

Ich halte es für eine ganz schlechte Idee, die Stromversorgung 
regelmäßig so stark überlasten zu wollen, dass sie einbricht. Das ist 
wie wenn man einen KFZ Motor beim Anfahren jedes mal zum Stottern 
bringt. Toll für den Umsatz der Hersteller.

Wenn in deinem Haus jeden Tag mehrmals das Licht flackern würde, wenn 
etwas geschaltet wird, würdest du dann nicht auch den Entstördienst 
rufen? Willst du das dann auch einfach puffern anstatt die 
Problemursache zu beheben?

: Bearbeitet durch User
von Porzellanblume (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Porzellanblume schrieb:
>> Ein Hochfahren über kurze Impulse mit nach und nach kürzer werdendem
>> Abstand.
>
> Dann hast du noch mehr Kurzschlüsse, das macht es nicht besser.

Wenn die Spannungsquelle überhaupt keinen Elko hat, dann Ja. Ansonsten 
Nein. Der Ladestrom verteilt sich über die Zeit. Die Impulse müssen kurz 
sein. Ab einer bestimmten 'Kürze' kann so sogar die Gatespannung 
'stufenlos' eingestellt werden.

von Felix (Gast)


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hinz schrieb:
> Felix schrieb:
>> Hier der Auszug aus dem FT232R-Datenblatt. Die machen das nicht
>> ohne
>> Grund so.
>
> Und wie ist deine Schaltung, und dein Aufbau?

USB-Anschluss an FT-Wandler, daran werden Boards angeschlossen, die 
getestet werden sollen.
Diese Boards haben fast 1000 µF Kapazitäten drauf. Ohne diese Schaltung 
gibt es immer wieder Resets und Aussetzer mit dem USB-Treiber, mit der 
Schaltung keine Probleme.
Zeitkonstante für die Rampe liegt bei etwa 30ms..50ms von geschlossen 
bis offen.

Mosfet muss aber diesen Bereich mit maximalem Leistungsabfall aushalten, 
der da durchfahren wird.

von hinz (Gast)


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Felix schrieb:
> USB-Anschluss

Mal abwarten woher bei Jan der Saft kommt, und was er da 
zusammengebastelt hat.

von Jan (Gast)


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Danke für eure Antworten. Am elegantesten 
(Bauteilkosten,Ruhestrom,Anzahl Bauteile) klingt für mich jetzt die 
Lösung von Karsten B. Netterweise hat er das direkt auch noch simuliert.

@Karsten: Kannst du bitte mal das ltspice File raufladen? Ich würde 
damit gerne mal ein wenig rumsimulieren und kenne mich mit dem Programm 
zu wenig aus, um sowas mal eben schnell selber zu programmieren.

von Karsten B. (kastenhq2010)


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Im Idealfall packst du noch genau deinen MOSFET in die Simulation und 
verpasst dem 470µ Kondensator einen Serienwiderstand, da bei kurzen 
Schaltzeiten sonst ganz schnell hunderte Ampere in der Simulation 
fließen.

von Jan (Gast)


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Danke dafür. Ich habe mal versucht, das ganze in eine Formel zu packen. 
Wer will schon immer simulieren. Ich komme dabei auf folgende Formel:

Iinrush = (Vin+Vpl)/Rgate*Cload/Cgd

Ist das korrekt so?

Vin = Eingangsspannung am Source.
Vpl = Vplateau des PMOS.
Rgate = Eingebauter Widerstand zum Gate
Cload = Kapazität der Last
Cgd = Eingebauter Kerko zwischen Gate und Drain.

von Jan (Gast)


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Korrektur:

Iinrush = (Vin-Vpl)/Rgate*Cload/Cgd

von Jan (Gast)


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Hmmmm die Lösung hat ein schwerwiegendes Problem....

Wenn man die Spannung einschaltet, steigt sie schnell an. Wenn am Gate 
ein µC hängt, ist der erstmal für einige ms High-Z. Das kann man auch 
gerne als NC simulieren.

Wie man sieht, funktioniert das ganze dann überhaupt nicht mehr. Nach 
100ms pendelt sich das dann wegen R2 dann zwar wieder ein, aber das geht 
so trotzdem nicht....

Anyone?

von Jan (Gast)


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Genauer: Wenn man z.B. eine Batterie einlegt und in Folge dessen Vin 
relativ schnell ansteigt, tritt das o.g. Problem auf.

von Mani W. (e-doc)


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Jan schrieb:
> Ich schalte mit einem atmega einen Verbraucher via PMOS ein. Leider hat
> der Verbraucher einen Elko mit 470uF eingebaut, was dazu führt, dass
> sich mein atmega resettet. Vsupply bricht direkt auf 0V ein.

Keine Pufferung an Vsupply?

Programmieren und Schmarrn zusammenbauen, aber Null Ahnung von
Grundlagen....

: Bearbeitet durch User
von Auch Karl, ein anderer (Gast)


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Hab ich es übersehen, oder was ist die Last abseits des 470u 
Kondensators?

Vergiss das diskrete gebastel. Nimm entweder einen load Switch mit 
Strombegrenzung oder ausreichend langsamer slewrate oder einen Low drop 
Spannungsregler der die Kapazität verkraftet.

Die großen Jungs z.b. im Elektroauto verwenden eine Vorladung bevor sie 
den Leistungsschalter schließen. Das geht natürlich nur, wenn vor dessen 
Aktivierung nur ein sehr kleiner Strom vom Verbraucher entnommen wird.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Auch Karl, ein anderer schrieb:
> Vergiss das diskrete Gebastel, (sondern...)

Wurde alles bereits mehrfach gesagt, nur noch nicht von jedem.

: Bearbeitet durch User
von Jan (Gast)


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Also kennt keiner von euch eine konkrete Lösung für das geschilderte 
Problem und meinem Schaltplan? Also den Schaltplan so abzuändern, dass 
er auch bei schnell steigendem Vin funktioniert?

ltspice file anbei :)

von Auch Karl, ein anderer (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Auch Karl, ein anderer schrieb:
>> Vergiss das diskrete Gebastel, (sondern...)
>
> Wurde alles bereits mehrfach gesagt, nur noch nicht von jedem.

Zu dir wurde auch schon viel gesagt, nur noch nicht von jedem. Komisch 
eigentlich.

Jan schrieb:
> Also kennt keiner von euch eine konkrete Lösung für das geschilderte
> Problem und meinem Schaltplan? Also den Schaltplan so abzuändern, dass
> er auch bei schnell steigendem Vin funktioniert?

Tps22810 o.Ä. 2x2 mm plus Hühnerfutter nach Geschmack.
Einerseits UVLO, dann einstellbare slewrate.

Oder du fragst den, Klugscheißer mit dem Schneemann.

von Jan (Gast)


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Bevor ich mir einfach die Fertiglösung mit einigen uA Iq auf das Board 
werfe, möchte ich gerne n bissl analog rumexperimentieren. Sonst lernt 
man ja nichts. :)

von Auch Karl, ein anderer (Gast)


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Jan schrieb:
> Bevor ich mir einfach die Fertiglösung mit einigen uA Iq auf das Board
> werfe,
Das meinst du als Kompliment für die ausgeklügelte Schaltung in diesen 
load Switch es, oder? Allein dein pullup ans Gate braucht mehr Strom als 
das ganze Ding.
>möchte ich gerne n bissl analog rumexperimentieren. Sonst lernt
> man ja nichts. :)
Das ist ein Grund.
Du möchtest beim schnellen einschalten Strom ans Gate um den Transistor 
zu sperren.
C parallel r2 oder Zeitkonstante r2c1 kleiner machen.  Dann wirst du 
feststellen, dass das anklemmen bzw. Einlegen einer batterie noch viel 
fiesere Sachen macht. Also kommt eine zweite Schaltung die den 
Transistor über noch mehr RCs  und noch einem Transistor sperrt. Schön 
analog brauchst du dann das zehnfache an Strom wie die Ladungspumpe für 
den high Side nmos mit der ganzen Intelligenz schon drin. 😃 Wenigstens 
gibt es ltspice.

Beitrag #6323220 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #6323253 wurde von einem Moderator gelöscht.
von No Y. (noy)


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Du kannst auch die 10nF auf die vin Seite packen..

von Felix (Gast)


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Oder einfach zusätzlich einen Kondensator auf der Vin-Seite.

Der auf der anderen sorgt für einen recht linearen Anstieg. Nur einer 
auf der Vin-Seite sorgt für einen exponentiellen Anstieg soweit ich mich 
an meine Versuche erinnern kann.

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