Hallo zusammen, für meine Schaltung (Beitrag "Re: KFZ Transientenschutz") suche ich einen passenden logic level MOSFET (AEC Q101 qualified - automotive). Ich möchte mit dem 5V Ausgang eines Arduinos eine 15V Last (max. 3A) alle paar Minuten für max 500ms einschalten (50Hz PWM). Ich habe mir jetzt den IPD50N06S4L-08 rausgesucht: https://www.mouser.de/datasheet/2/196/Infineon-IPD50N06S4L_08-DS-v01_00-en-1731795.pdf Dieser hat bei einer V_GS von 4,5V einen R_DS(on) von 9 bis 13,5mOhm. Das macht bei 3A eine Verlustleistung von max 0,1215W, sollte also kein großes Problem für die Kühlung darstellen (es soll nur ein Kupferbereich auf dem PCB als Kühlfläche dienen). Von den anderen Werten sollte ja auch alles passen (I_D, V_DS), oder seht ihr hier schon einmal Probleme? Jedenfalls bin ich dann auf das SOA Diagramm gestoßen, und war zunächst verwirrt :) Durch diverse Threads hier und hilfreiche Antworten konnte ich aber fast alle Fragen klären, dennoch bleiben zwei. 1) Und zwar geht es im SOA Diagramm ja um die Spannung, die direkt am MOSFET abfällt (X-Achse). Wenn ich also 5V am Gate anlege und diesen damit durchschalte, dann fällt der Großteil der Spannung ja an meiner Last ab und am MOSFET nur 3A*13,5mOhm = 40,5mV. So weit geht das SOA Diagramm nicht nach links, aber das sollte passen, richtig? 2) Ich habe diese Aussage im Forum gefunden, wonach bei einer induktiven Last und langsamen Schaltvorgang auch eine höhere Spannung am MOSFET abfallen kann: A. K. schrieb: > Kanzler schrieb: >> In was für Fällen würde denn so eine hohe Spannung am MOSFET selber >> abfallen? > > Auch bei einem langsamen Schaltvorgang. Dann spielen die mit Zeiten > markierten Kurven im SOA Diagramm eine Rolle. Der Abschaltvorgang bei > induktiver Last sorgt übergangsweise für vollen Strom bei voller > Spannung am Transistor. Siehe > http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0208031.htm Wenn ich jedoch eine Freilaufdiode um die Last schalte, wie im verlinkten Artikel, muss ich mir dann noch Sorgen um diese Thematik machen? Viele Grüße, Manuel
Manuel K. schrieb: > Wenn ich jedoch eine Freilaufdiode um die Last schalte, wie im > verlinkten Artikel, muss ich mir dann noch Sorgen um diese Thematik > machen? Nein, paßt schon alles. :) Der MosFet durchläuft beim Schalten immer den gesamten Analogbereich (Ohm). Je langsamer geschallten wird, desto mehr Leistung fällt in dieser Zeit natürlich am Fet ab. Viele der Fets sind dafür auch nicht ausgelegt (Linearbetrieb). Wenn zu langsam, nehmen sie Schaden, auch ohne Thermische-Überlastung!
Manuel K. schrieb: > Wenn ich jedoch eine Freilaufdiode um die Last schalte, wie im > verlinkten Artikel, muss ich mir dann noch Sorgen um diese Thematik > machen? 1.Freilaufdiode schützt zwar, beeinflusst leider auch das schnelle Schaltverhalten. Deswegen wird es evtl. etwas kniffliger. 2.MOSFETS mit Schutzdioden sollte man auch thermisch betrachten. Sie könnten den MOSFET-Chip zusätzlich heizen! 3.Teo D. schrieb: > Je langsamer geschallten wird, desto mehr Leistung Desto mehr Wärme im Chip ...
Bei einer Spule als Last kann man auch die spezifizierte Avalanche Energy als Anhaltspunkt nehmen (ist allerdings nicht bei diesem Transistor garantiert). Wenn die in Deiner Spule gespeicherte Energy deutlich drunter bleibt, sollte auch nix weiter passieren bei gelegentlichem Schalten. >Ich möchte mit dem 5V Ausgang eines Arduinos eine 15V Last (max. 3A) >alle paar Minuten für max 500ms einschalten (50Hz PWM). Hier ist mir aber nicht wirklich klar, was Du nun hast - gelegentliches Schalten, oder 50Hz PWM. 50Hz PWM ist jedenfalls für mich kein Einschalten ...
Manuel K. schrieb: > 2) > Ich habe diese Aussage im Forum gefunden, wonach bei einer induktiven > Last und langsamen Schaltvorgang auch eine höhere Spannung am MOSFET > abfallen kann: Satzumstellung: Auch bei (oder trotz) langsamem Schaltvorgang kann bei induktiver Last eine höhere Spannung auftreten. Die Freilaufdiode verhindert dies aber.
Vielen Dank für eure Antworten. Was genau ist denn langsam und was ist schnell? Ich hätte jetzt gedacht, wenn ich am 16MHz Arduino einen Pin von LOW auf HIGH ziehe, dass das als schnell anzusehen ist :) Nach der Aussage von oszi40 gehe ich erstmal weiter davon aus :) Jens G. schrieb: > Hier ist mir aber nicht wirklich klar, was Du nun hast - gelegentliches > Schalten, oder 50Hz PWM. 50Hz PWM ist jedenfalls für mich kein > Einschalten ... Das ist vllt. etwas ungünstig formuliert gewesen. Alle paar Minuten soll für maximal 500ms am Stück eine Pumpe (die Last) eingeschaltet werden und die benötigt ein 50Hz PWM Signal. Also war meine Idee ein 5V 50Hz Signal an das Gate des MOSFETs anzulegen. Nach den 500ms bleibt der MOSFET wieder für ein paar Minuten offen, bis es von vorne losgeht. Teo D. schrieb: > Der MosFet durchläuft beim Schalten immer den gesamten Analogbereich > (Ohm). Je langsamer geschallten wird, desto mehr Leistung fällt in > dieser Zeit natürlich am Fet ab. Viele der Fets sind dafür auch nicht > ausgelegt (Linearbetrieb). Wenn zu langsam, nehmen sie Schaden, auch > ohne Thermische-Überlastung! Das heißt, wenn ich zu langsam schalte bin ich im Linearbetrieb? Ich habe mal gelesen, dass der MOSFET Linearbetrieb unterstützt, wenn im SOA Diagramm eine DC Kurve eingezeichnet ist, was bei dem von mir erwähnten nicht der Fall ist. Da der Arduino aber schnell genug (? siehe oben) schaltet, sollte ich nicht im Linearbetrieb sein (und der MOSFET daher ok sein), richtig? oszi40 schrieb: > 1.Freilaufdiode schützt zwar, beeinflusst leider auch das schnelle > Schaltverhalten. Deswegen wird es evtl. etwas kniffliger. > 2.MOSFETS mit Schutzdioden sollte man auch thermisch betrachten. Sie > könnten den MOSFET-Chip zusätzlich heizen! Jens G. schrieb: > Bei einer Spule als Last kann man auch die spezifizierte Avalanche > Energy als Anhaltspunkt nehmen (ist allerdings nicht bei diesem > Transistor garantiert). > Wenn die in Deiner Spule gespeicherte Energy deutlich drunter bleibt, > sollte auch nix weiter passieren bei gelegentlichem Schalten. Klingt leider viel komplizierter, als ich bisher angenommen habe :) Es gibt leider kein Datenblatt zur Pumpe ... oder aber derjenige, der Sie vertreibt, möchte es nicht rausgeben. Die originale Schaltung, welche die Pumpe nutzt, verwendet einen BUZ11, allerdings ohne Freilaufdiode um die Pumpe, falls das weiterhilft. Ich würde jedoch gerne etwas aktuelleres und in SMD nehmen. Im Datenblatt vom MOSFET steht immerhin etwas von "100% Avalanche tested". Wie kann ich ansonsten weitermachen, um einen passenden MOSFET zu finden bzw. herauszufinden, ob der von mir erwähnte passt? Teo D. schrieb: > Nein, paßt schon alles. :) > Auch bei (oder trotz) langsamem Schaltvorgang kann bei induktiver Last > eine höhere Spannung auftreten. > Die Freilaufdiode verhindert dies aber. Euren Aussagen nach kann ich den MOSFET ja verwenden und alles ist gut. Jetzt bin ich umso mehr verwirrt :D
Manuel K. schrieb: > So weit geht das SOA Diagramm nicht nach links, Kann gut sein, denn das Diagramm ist für digitale Schaltanwendungen fast irrelevant. Erst bei sehr viel höheren Frequenzen, wo mehr Verlustleistung abfällt würde es interessant werden. Manuel K. schrieb: > Ich habe diese Aussage im Forum gefunden, wonach bei einer induktiven > Last und langsamen Schaltvorgang auch eine höhere Spannung am MOSFET > abfallen kann Warum das? Beim Einschalten steigt der Strom langsam an, was den Transistor eher entlastet als zu belasten. Beim aus-schalten entsteht eine Spannungsspitze von der Energie, die in der Spule magnetisch gespeichert ist. Die leitet man typischerweise mit einer Freilaufdiode ab, so dass der Transistor damit nichts zu tun hat. Blöd wird es nur, wenn du den Strom wieder einschaltest, während die Spule noch nicht entladen ist. Aber das wird hier bei deiner Frequenz wohl kaum der Fall sein.
Manuel K. schrieb: > Wie kann ich ansonsten weitermachen, um einen passenden MOSFET zu finden > bzw. herauszufinden, ob der von mir erwähnte passt? Nutze eine Freilaufdiode, dann brauchst du dir um das Avalance-Verhalten des FETs keine Gedanken zu machen. Du müsstest nur dann anders vorgehen, wenn der Strom so schnell wie möglich auf 0 gehen sollte - was bei dir aber nicht der Fall ist. Manuel K. schrieb: > Was genau ist denn langsam und was ist schnell? > Ich hätte jetzt gedacht, wenn ich am 16MHz Arduino einen Pin von LOW auf > HIGH ziehe, dass das als schnell anzusehen ist :) Entscheidend ist, wie schnell der Arduino die Gatekapazität umladen kann. Das geht nicht besonders schnell. Aber weil du deinen FET nur "selten" umschaltest ist es nicht kritisch, wenn das Umladen ein wenig länger dauert. Manuel K. schrieb: > Alle paar Minuten soll > für maximal 500ms am Stück eine Pumpe (die Last) eingeschaltet werden > und die benötigt ein 50Hz PWM Signal. Was für eine Pumpe ist das denn, dass sie ein 50Hz-Signal benötigt? Hier könnte ein Problem deines Aufbaus stecken. Manche Pumpen, die ein PWM-Signal benötigen, brauchen z.B. Push-Pull Treiber. Da kommst du mit einfachem Ein- und Ausschalten nicht weit.
Stefan ⛄ F. schrieb: > Warum das? Beim Einschalten steigt der Strom langsam an, was den > Transistor eher entlastet als zu belasten. Beim aus-schalten entsteht > eine Spannungsspitze von der Energie, die in der Spule magnetisch > gespeichert ist. Die leitet man typischerweise mit einer Freilaufdiode > ab, so dass der Transistor damit nichts zu tun hat. Genau, das war ja meine Frage: ob ich das Problem mit der Freilaufdiode umgehen kann. Dein Text sehe ich als Bestätigung :) > Blöd wird es nur, wenn du den Strom wieder einschaltest, während die > Spule noch nicht entladen ist. Aber das wird hier bei deiner Frequenz > wohl kaum der Fall sein. Nur des Interesse halber: Bei welcher Frequenz wird dieser Fall denn interessant? Achim S. schrieb: > Nutze eine Freilaufdiode, dann brauchst du dir um das Avalance-Verhalten > des FETs keine Gedanken zu machen. Du müsstest nur dann anders vorgehen, > wenn der Strom so schnell wie möglich auf 0 gehen sollte - was bei dir > aber nicht der Fall ist. Die Freilaufdiode (MURS320) habe ich ja, siehe oben :) > Entscheidend ist, wie schnell der Arduino die Gatekapazität umladen > kann. Das geht nicht besonders schnell. Aber weil du deinen FET nur > "selten" umschaltest ist es nicht kritisch, wenn das Umladen ein wenig > länger dauert. OK, mit "selten" meinst du dann die "lahmen" 50Hz? Das klingt ja alles sehr danach, dass der MOSFET passt. > Was für eine Pumpe ist das denn, dass sie ein 50Hz-Signal benötigt? Hier > könnte ein Problem deines Aufbaus stecken. Manche Pumpen, die ein > PWM-Signal benötigen, brauchen z.B. Push-Pull Treiber. Da kommst du mit > einfachem Ein- und Ausschalten nicht weit. Es handelt sich um die McCoi-Pumpe: https://www.mccoi.de/pumpe.html Diese ist dort mit 12V AC angegeben, also Wechselstrom. Die original McCoi Schaltung befeuert diese aber mit der Batterie-Spannung (Gleichstrom) im Motorrad, also ca 14V, jedoch laut Aussage des Betreibers mit 50Hz, da die Pumpe nicht für Gleichstrom ausgelegt ist. Hier einmal der Schaltplan der original Schaltung mit der Pumpe am BUZ11, aber ohne Freilaufdiode: http://www.mccoi-forum.de//files/mein_mccoi-schaltplan_177.jpg
Manuel K. schrieb: > Bei welcher Frequenz wird dieser Fall denn interessant? Vermutlich wird es da erst am 1000 Hz spannend. Manuel K. schrieb: > OK, mit "selten" meinst du dann die "lahmen" 50Hz? > Das klingt ja alles sehr danach, dass der MOSFET passt. Ja Manuel K. schrieb: > Hier einmal der Schaltplan der original Schaltung mit der Pumpe am > BUZ11, aber ohne Freilaufdiode: D7 ist hier die Freilaufdiode
Manuel K. schrieb: > Es handelt sich um die McCoi-Pumpe: > https://www.mccoi.de/pumpe.html Ok. So richtig viel ist dort nicht zur Pumpe angegeben. Aber es sieht für mich danach aus, als würde da einfach ein Zugmagnet gegen eine Feder arbeiten. Dann ist es tatsächlich wichtig, dass der Strom stark durchmoduliert wird. Wenn der Freilauf "zu gut" ist, sinkt der Strom nicht weit genug ab und die Pumpleistung geht in den Keller. Kannst es ja ggf. mal ausprobieren und zur Not einen Leistungswiderstand in Serie zur Freilaufdiode schalten. Wenn an dem beim mittleren Spulenstrom ca. 12V abfallen, dann hat der Transistor immer noch keine Probleme und die Spule sieht effektiv ein AC-Signal. (Mit Freilauf kann dagegen der Gleichanteil überwiegen, so dass dominierten ein Gleichstrom fließt, der nichts zur Pumpleistung beiträgt). Manuel K. schrieb: > Hier einmal der Schaltplan der original Schaltung mit der Pumpe am > BUZ11, aber ohne Freilaufdiode: > http://www.mccoi-forum.de//files/mein_mccoi-schaltplan_177.jpg Na ja, dort ist zwar keine Freilaufdiode. Aber über D7 fließt der Strom weiter zum 220µF Elko, der sich dadurch weiter auflädt. So eine Art "halber Freilauf" - ich bin nicht sicher, ob sich der Autor der Schaltung das bewusst gemacht hat.
Stefan ⛄ F. schrieb: > D7 ist hier die Freilaufdiode Wenn man davon ausgeht, dass der VCC-Anschluss des NE555 mit der Batteriespannung verbunden ist, dann wäre es tatsächlich ein "normaler" Freilauf. Ist im Schaltplan zwar nicht so eingezeichnet, kann aber in der Schaltung trotzdem verbunden sein.
Tatsächlich, D7 habe ich total übersehen :) Ich finde es nur komisch, dass das eine 1N4004 sein soll. Die sind doch für 1A spezifiziert. Müsste da nicht eine 3A oder 4A Diode hin, wenn die Pumpe bis zu 3A zieht? Ich habe geplant da eine MURS320 oder vllt eine MURS440 zu verwenden. Achim S. schrieb: > Kannst es > ja ggf. mal ausprobieren und zur Not einen Leistungswiderstand in Serie > zur Freilaufdiode schalten. Noch habe ich nichts bestellt, kann also leider auch noch nichts testen :)
Manuel K. schrieb: > Ich finde es nur komisch, dass das eine 1N4004 sein soll. Die sind doch > für 1A spezifiziert. Müsste da nicht eine 3A oder 4A Diode hin, wenn die > Pumpe bis zu 3A zieht? > Ich habe geplant da eine MURS320 oder vllt eine MURS440 zu verwenden. Die 3A sind der Spitzenstrom der Pumpe, die 1A der Diode gelten für den Dauerstrom. Da darf schon ein gewisser Faktor dazwischen sein. Aber es schadet sicher nicht, eine etwas kräftigere Diode zu verwenden. Manuel K. schrieb: > Noch habe ich nichts bestellt, kann also leider auch noch nichts testen > :) Dann würde ich zumindest mal den Platz für den Leistungswiderstand vorsehen. Kann schon sein, dass der Pumpenstrom auch mit Freilaufdiode schnell genug abfällt. Kann aber auch sein, dass er das nicht macht - dann brauchst du den "zusätzlichen Spannungsabfall" am Leistungswiderstand.
Alles klar, ich danke euch für die hilfreichen Antworten. Achim S. schrieb: > Dann würde ich zumindest mal den Platz für den Leistungswiderstand > vorsehen. Kann schon sein, dass der Pumpenstrom auch mit Freilaufdiode > schnell genug abfällt. Kann aber auch sein, dass er das nicht macht - > dann brauchst du den "zusätzlichen Spannungsabfall" am > Leistungswiderstand. OK, aber mal anders gefragt: Wenn in der original Schaltung ein BUZ11 funktioniert, dann gibt es doch keinen Grund zur Annahme, warum es mit dem von mir vorgeschlagenen MOSFET nicht funktionieren sollte, oder?
Manuel K. schrieb: > Müsste da nicht eine 3A oder 4A Diode hin, wenn die > Pumpe bis zu 3A zieht? Wäre schon besser (sicherer), kurzzeitig vertragen die 1N4xxx aber auch einiges. Letztendlich ist es eine thermische Frage.
Ich muss noch eine Frage loswerden :) Ich möchte am Gate einen 220 Ohm Widerstand einbauen, um den Strom zu begrenzen und den Arduino Pin zu schützen. Wenn ich das richtig verstehe, mache ich damit das Schalten langsamer (RC Glied). Das bewegt sich wahrscheinlich im Mikrosekunden Bereich und sollte für die 50Hz noch schnell genug sein. Oben wurde nun das geschrieben: Teo D. schrieb: > Je langsamer geschallten wird, desto mehr Leistung fällt in > dieser Zeit natürlich am Fet ab. Viele der Fets sind dafür auch nicht > ausgelegt (Linearbetrieb). Wenn zu langsam, nehmen sie Schaden, auch > ohne Thermische-Überlastung! Wie ermittel ich denn, ob mit 220 Ohm Widerstand am Gate noch schnell genug geschaltet wird, damit der MOSFET überlebt?
Das kann man nur grob abschätzen. Zeit = C × R Wobei C die Gate Kapazität ist und R der Vorwiderstand + ca 50 Ohm Innenwiderstand des Mikrocontrollers. In dieser Zeit fällt am Transistor ca. 25% der Leistung ab. Wenn du z.B Eine 10W Led schaltest wären das 2,5 Watt. Wenn diese Schaltzeiten 1/1000 der Gesamt Zeit ausmachen, dann musst du die so berechnete Verlustleistung durch 1000 teilen. Dazu addierst du noch die Verluste am Rdson für die Einschaltdauer. Das ergibt dann ganz grob die Verlustleistung, die der Mosfet vertragen muss und die gekühlt werden muss. Letzendlich würde ich das vor der Produktion an einem Prototypen erproben.
>Wie ermittel ich denn, ob mit 220 Ohm Widerstand am Gate noch schnell >genug geschaltet wird, damit der MOSFET überlebt? Man könnte ganz einfach mal die RC-Konstante hernehmen, die sich damit bildet, und schaut für die ursprünglich erwähnten 15V/3A als WorstCase im SOA-Diagramm an, welche Zeit wir uns dabei erlauben können. Beim ursprünglich erwähnten IPD50N06S4L-08 kann man dann sehen, daß der Punkt 15V/3A noch ein ganzes Stück unterhalb der 1ms-Linie liegt. Also könnten wir uns etliche ms für 15V/3A leisten. Die Umschaltung geschieht aber innerhalb von µs, also sind wir doch sehr weit von einer SOA-Grenze weg, also noch reichlich Luft, bzw. wir haben eine Sicherheit von 1:1000 oder so. Das SOA-Diagramm gilt zwar nur für Einzelimpluse, wenn der Mosfet komplett auf 25°C liegt, aber da wir so weit von irgendwelchen Grenzen weg sind, sind auch die 50Hz kein echtes Problem. Also man muß hier nicht wirklich was genau rechnen, sondern es reicht, bei ausreichend Abstand von irgendwelchen Grenzwerten einfach die Sache abzuschätzen.
Super, ich danke euch beiden. Dann scheint ja alles mit dem 220 Ohm Widerstand zu passen.
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