Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Drain Strom nach Abschalten P-MOS


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von Benjamin K. (studi_hs)


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Guten Abend,

das ist mein erster Beitrag in diesem Forum, also verzeiht mir bitte den 
ein oder anderen Fehler und korrigiert mich dementsprechend :)
Ich habe derzeit ein Projekt auf dem Tisch, bei welchem ich eine ca. 
3Ohm große Last, mittels eines MOSFET und eines -durch einen µC 
kontrolliertes- PWM Signals schalten soll. Die Schaltfrequenz soll 
mindestens 1kHz betragen. Während der Ausschaltzeit soll eine 
Stromquelle einen Konstantstrom von ca. 30mA in die Last einprägen. Der 
Spannungsabfall über der Last soll später von einem Differenzverstärker 
verstärkt und mittels µC gesampelt werden.
Mein Problem hierbei ist, dass der Drain Strom des P-MOS sehr lange 
braucht um gegen Null zu laufen. Einen Shunt Widerstand direkt im 
Lastkreis möchte ich aufgrund des Wirkungsgrades vermeiden, daher präge 
ich den Konstantstrom parallel zum P-MOSFET ein. Da allerdings mehrere 
100µs nach Abschalten des Transistors noch ein nicht unerheblicher Strom 
über den Transistor fließt, ist diese Option so leider nicht 
realisierbar. Anbei ein Screenshot des Prüfaufbaus und des aufgenommenen 
Oszillogramms.
Vielleicht sieht jemand von euch ja meinen Denkfehler, oder kennt Trick 
17, um den Drain Strom schneller abfallen zu lassen.

Vielen Dank im Voraus!

PS: Das Oszillogramm beinhaltet den Drain-Strom (nach Abschalten des 
Transistors) der angefügten Schaltung mit einem Duty Cycle von 30%.

von Jens G. (jensig)


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>PS: Das Oszillogramm beinhaltet den Drain-Strom (nach Abschalten des
>Transistors) der angefügten Schaltung mit einem Duty Cycle von 30%.

Und wie hast Du den Drainstrom gemessen? Als Spannung über der 
3Ohm-Last?
Wie sieht die Gatespannung aus?
Und wie sieht die KSQ aus?

: Bearbeitet durch User
von studi_hs (Gast)


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Guten Abend Jens,

ich habe den 3Ohm Widerstand in 3x1Ohm zerlegt und über dem letzten 1Ohm 
Widerstand den Spannungsabfall gemessen.
Ich habe versucht das in der Schaltskizze zu verdeutlichen.

Gruß
Benjamin

von Benjamin K. (studi_hs)


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Guten Abend Jens,

ich habe den 3Ohm Widerstand in 3x1Ohm zerlegt und über dem letzten 1Ohm 
Widerstand den Spannungsabfall gemessen.
Ich habe versucht das in der Schaltskizze zu verdeutlichen.

Gruß
Benjamin

PS: Sry habe einmal vom Handy als Gast kommentiert.

von Jörg R. (solar77)


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Benjamin K. schrieb:
> Ich habe versucht das in der Schaltskizze zu verdeutlichen.

Ein korrekter Schaltplan ist eine wesentlich bessere Basis um helfen zu 
können. Du schreibst auch etwas von 30mA während der Abschaltphase. Auch 
von diesem Schaltungsteil ist nichts zu sehen.


Benjamin K. schrieb:
> das ist mein erster Beitrag in diesem Forum, also verzeiht mir bitte den
> ein oder anderen Fehler und korrigiert mich dementsprechend :)

Korrektur vollständiger Schaltplan wäre ein Anfang;-)

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Das Gate vom Mosfet wird nur über den 10K Widerstand entladen. Das 
dauert.
Warum nutzt Du nicht beide Ausgänge des Treibers?

von MaWin (Gast)


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Benjamin K. schrieb:
> Vielleicht sieht jemand von euch ja meinen Denkfehler

Der TC4431 hat 2 Ausgänge, einen zum Aufladen des MOSFET-Gate und einem 
zum Entladen.
Wenn du beide verwendet hättest, bräuchtest du den 10k nicht, also hast 
du es wohl nicht getan.
Dann wird das MOSFET-Gate nur über 10k entladen, zu langsam.

von Benjamin K. (studi_hs)


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Hallo Jörg,

anbei ein Screenshot der KSQ.
Ich hatte den Screenshot nicht angehängt, da die KSQ für die obige 
Messung keine Rolle spielt, da sie gar nicht angeschlossen war. Das 
Oszillogramm oben zeigt nur den Drain Strom nach dem Abschalten des 
Transistors ohne die Stromquelle. Sry das habe ich vergessen zu 
erwähnen. Probleme formulieren muss eben auch gelernt sein ;)

Die KSQ habe ich separat bereits verifiziert. Ich habe den 
Kollektorstrom des PNP Transistors gemessen und dieser schwingt nach 
einigen wenigen µs auf seinen Sollwert ein. Messe ich mit 
angeschlossener KSQ den Laststrom, so stellt sich -wie erwartet- die 
Überlagerung aus dem obigen Oszillogramm und dem konstanten Strom ein.

von Benjamin K. (studi_hs)


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Hallo Sven,

der Pullup ist noch ein Relikt aus "Experimentierzeiten". Es sind beide 
Ausgänge des TC4431 beschaltet. Aber du hast natürlich recht, dass er 
derzeit keinen Sinn mehr erfüllt.

von Benjamin K. (studi_hs)


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Hallo MaWin,

doch ich habe beide Ausgänge verwendet. Der Pullup ist noch ein 
Überbleibsel und kann natürlich entfernt werden.

von Benjamin K. (studi_hs)


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Ich habe den Treiber und MOSFET einmal entfernt und beides durch einen 
TIP126 (PNP) mit 2k Basiswiderstand ersetzt, sodass dieser im 
Schalterbetrieb arbeitet. Die Stromquelle war ebenfalls wieder nicht 
angeschlossen, also handelt es sich beim gemessenen Laststrom um den 
Kollektorstrom des TIP126. Erstaunlicherweise erhalte ich dasselbe 
Oszillogramm. Außerdem ist die Höhe des Stromes vom Duty Cycle abhängig. 
Anbei ein Screenshot mit TIP126 und Duty Cycle 30%, sowie ein Screenshot 
mit TIP126 und Duty Cycle 60%.
Hat hierfür vielleicht jemand eine Erklärung? Vielen Dank im Voraus!

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Der Mosfet hat eine Schwellenspannung von -1 bis -3Volt.
Der Treiber lässt zwischen Ausgang und Pin7 noch ca. 1Volt übrig.
Wenn Du einen Mosfet mit niedriger Schwellenspannung erwischt hast, 
könnte das auch ein Problem sein.
Du hast das Ganze hoffentlich nicht auf einem Steckbrett aufgebaut.
Die Verbindung zwischen Pin1 vom Treiber und der Source vom Mosfet soll 
kurz sein.

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Benjamin K. schrieb:
> Erstaunlicherweise erhalte ich dasselbe
> Oszillogramm.

Jetzt sieht das eher nach einem Messfehler aus.

von Benjamin K. (studi_hs)


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Die Schaltung habe ich bereits auf einer Leiterplatte aufgebaut. Der 
Treiber befindet sich direkt neben dem MOSFET.

Einen Messfehler hatte ich auch vermutet. Aber nach mehreren Aufbauten 
und vermessen mit mehreren Scopes erscheint mir das auch langsam 
seltsam. Ich messe auch mit dem kurzen Ground Pin.

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Probiere es mal damit, die Schaltung aus einer Batterie zu versorgen.
Das würde einen Messfehler entlarven.

von MaWin (Gast)


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Benjamin K. schrieb:
> da die KSQ für die obige Messung keine Rolle spielt

Na ja, wenn sie abgeklemmt ist nicht, aber die Schaltung benötigt 
natürlich einige Ausregelzeit wenn die Last-Spannung sich ändert.

von Achim S. (Gast)


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Benjamin K. schrieb:
> Einen Messfehler hatte ich auch vermutet. Aber nach mehreren Aufbauten
> und vermessen mit mehreren Scopes erscheint mir das auch langsam
> seltsam.

Stell dein Oszi mal so ein, dass der Kanal nicht gnadenlos übersteuert. 
Also nicht auf 10mV reinzoomen, wenn das gemessene Signal 12V beträgt.

von Benjamin K. (studi_hs)


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@Achim
Na klar... Vielen Dank für den Hinweis! Man sollte das Oszilloskop 
natürlich richtig einstellen...
Ich werde es heute Abend nochmal ausprobieren.

@Sven
Auch eine gute Idee. Ich werde dem heute Abend nachgehen.

@MaWin
Die Stromquelle regelt den Kollektorstrom des BC856 zuverlässig nach 
einigen wenigen µs ein. Hier sollte also sowieso nicht das Problem 
liegen :)

von Jens G. (jensig)


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@Achim
>Na klar... Vielen Dank für den Hinweis! Man sollte das Oszilloskop
>natürlich richtig einstellen...
>Ich werde es heute Abend nochmal ausprobieren.

Ja, aber dann siehste ja nix mehr vom Einschwingen der wenigen 30mA 
(30mV) ...

von Jens G. (jensig)


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Benjamin K. (studi_hs)

>anbei ein Screenshot der KSQ.
>Ich hatte den Screenshot nicht angehängt, da die KSQ für die obige
>Messung keine Rolle spielt, da sie gar nicht angeschlossen war. Das
>Oszillogramm oben zeigt nur den Drain Strom nach dem Abschalten des
>Transistors ohne die Stromquelle. Sry das habe ich vergessen zu
>erwähnen. Probleme formulieren muss eben auch gelernt sein ;)

Na toll - wieder sämtliche Ratschläge und Empfehlungen für die Katz' ...

von Benjamin K. (studi_hs)


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@Sven
Leider habe ich noch keine passende Batterie in die Finger bekommen. Ich 
werde es aber nachholen.

@Jens
Ich dachte auch da ließe sich mittels Biterweiterung und Mathefunktionen 
noch was machen, dem ist aber leider nicht so.
Du hast recht so sehe ich leider nichts mehr vom Einschwingen.



Allerdings bin ich in der Zwischenzeit dazugekommen die gesamte 
Schaltung in Betrieb zu nehmen und siehe da sie funktioniert. Nach ca. 
20µs erhalte ich vom Differenzverstärker eine stabile Spannung. Dies ist 
für meine Zwecke vollkommen ausreichend.
Das heißt es handelt sich auf jeden Fall um einen Messfehler.

Ich bin noch im Besitz eines analogen Oszilloskops, welches ich wieder 
abgestaubt habe. Ich habe wieder nur die Last angeschlossen und der 
MOSFET schaltet mittels des Treibers mit einem Duty Cycle von 30%, 12V 
auf die 3 Ohm Last. Die Kurvenform sieht ähnlich aus, wie die bereits 
gemessene.

In diesem Sinne hat sich mein Problem theoretisch erledigt. Falls jemand 
aber noch Vorschläge hat, was ich falsch gemacht haben könnte immer her 
damit. Ich würde gerne einige Schlüsse daraus ziehen.

Vielen Dank bis hierhin an alle, die mir geholfen haben.

von Achim S. (Gast)


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Benjamin K. schrieb:
> Falls jemand
> aber noch Vorschläge hat, was ich falsch gemacht haben könnte immer her
> damit.

Ich bleibe dabei: als wahrscheinlichste Erklärung gehe ich weiter davon 
aus, dass du nur beobachtest, wie sich der Eingangsverstärker des Oszis 
von einer massiven Übersteuerung erholt. Dass der Strom in deinen 
Messungen mit dem Digitaloszi während der low-Phase negativ ist, ist ein 
deutliches Indiz für einen Artefakt. Dass die Kurve mit 
unterschiedlichen Schaltungen (aber dem gleichen Oszi) identisch 
ausschaut ebenfalls. Und dass das Analogoszi ein ungefähr ähnliches 
Verhalten zeigt ist kein Widerspruch, weil auch dessen Verstärker keine 
massive Übersteuerung mögen.

Wenn du es weiter untersuchen möchtest:
1) du könntest die Empfindlichkeit des Oszis mal zumindest so weit 
verdrehen, dass sich der 30mV-Peak noch auflösen lassen sollte (indem du 
Biterweiterung... benutzt und nach der Messung in die Kurve 
reinzoomst). Ändert sich der Peak proportional zur Oszi-Einstellung (wie 
es bei einem echten Signal sein sollte) oder ändert sich die gemessene 
Peakform (das wäre bei einem Messartefakt der Fall - wobei kaum 
vorhersagbar ist, ab welcher Oszieinstellung das erkennbar wird). Wenn 
der Peak verschwindet obwohl 30mV noch auflösbar sein sollten, dann kann 
es auch einfach bedeuten, dass die Übersteuerung nicht mehr so extrem 
ist und der Artefakt verschwindet.
2) du könntest weiter im 10mV-Bereich messen und das Messsignal auf dem 
Weg zum Oszi begrenzen, um die Übersteuerung zu vermeiden. Also 
meinetwegen vom Shunt weg einen 2kOhm Widerstand in Serie mit einer 
1N4148 gegen GND. Und mit dem Oszi (weiterhin  mit Tastteiler x10) misst 
du nur den Spannungsabfall an der Diode. Im Bereich von 30mV und 100µs 
sollte das dein Signal nicht erkennbar verfälschen. Aber Spannungen von 
mehr als ein paar hundert mV werden damit vom Oszi weggehalten, so dass 
keine massive Übersteuerung auftreten sollte.

von Benjamin K. (studi_hs)


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Hallo Achim,

als erstes vielen Dank für die ausführliche Antwort. Super Idee mit der 
Clamping Diode! Das werde ich mir auf jeden Fall merken.
Ich habe deinen Versuch nun einmal mit 2 Schottky (um die negative 
Spitze auch noch zu schmälern) ausprobiert. Der Verlauf sieht nun 
deutlich plausibler aus (Bilder sind im Anhang). Es handelt sich hierbei 
wieder nur um den Drainstrom ohne angeschlossene KSQ.
Leider funktioniert die Schaltung heute nicht mehr. Ich wollte aufgrund 
der vermeintlich besseren Ripple Rejection eine Stromquelle auf Basis 
des LM317 verwenden. Die Höhe des Stromes der diskret aufgebauten KSQ 
schwankte um ca. 800µA unter Volllast. Da der nachfolgende 
Differenzverstärker eine relativ große Verstärkung besitzt, schlägt sich 
das leider recht stark im Endergebnis nieder. Dazu kann ich aber erst 
morgen noch passende Bilder hochladen.

Ich habe morgen außerdem die Möglichkeit die Messungen mit einem 12Bit 
Oszilloskop zu wiederholen.

Allerdings benötigt der Drainstrom für meinen Geschmack trotzdem recht 
lange um gegen 0 zu laufen. Oder täusche ich mich?
Die Induktivität meiner Last habe ich mit einem Wayne Kerr Component 
Analyzer zu 330nH bestimmt.

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