Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Geringe Spannung mit P-Channel Mosfet schalten


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von Lucas G. (elding)


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Hallo alle zusammen,

ich möchte eine Spannung von 1,4V mit 20A mit einem P-Channel Mosfet 
schalten.

Die Last verlangt einen high-side-switch.

Wenn ich das richtig verstehe muss Vgs, um mit möglichst geringem 
Widerstand zu schalten, ausreichend negativ sein.

Wenn ich also meine Source an 1,4V hänge und das Gate an GND dann 
beträgt Vgs -1,4V

Das ist natürlich relativ wenig. Es gibt zwar Mosfets mit Vgs(th) = -1V 
und drunter aber um 20A zu schalten muss Vgs ja noch weit unter Vgs(th) 
liegen.

Frage(n) 1:
Was würdet Ihr empfehlen?
Meine Idee war es einen isolierten DC/DC Wandler (zb. 5V) zu nehmen, 
dessen positiven output ich an GND hänge um vom negativen output -5V 
abgreifen zu können und somit ein Vgs von -6,4V zu bekommen.
Oder geht das auch einfacher?



Und Teil 2:

Dieser Mosfet: (nur Beispielshalber)
https://www.mouser.de/datasheet/2/308/NDP6020P-D-1812872.pdf
Hat eine Vds (Drain-Source Diode Forward Voltage) von -1,1V , angegeben 
bei Vgs = 0, Is = -12A;
Das verstehe ich nicht. Bei Vgs = 0 ist der Mosfet doch nicht leitend. 
Wie kann da ein sourcestrom von Is = -12A fließen?

UND
brauche ich 2,5V damit nach Abzug dieser Vds = 1,1V noch 1,4V "übrig" 
bleiben für meine Last?

Oder verliere ich sogar Rds(on) * Ilast = 0,075Ohm * 20A = 1,5V am 
Mosfet und muss also 2,9V bereit stellen?

Bekomme ich dann tatsächlich P = R*I² = 0,075Ohm * 400 A² = 30 W 
Verlustleistung am Mosfet? 0.0


Sorry für das Bombardement an Fragen. Das ein oder andere, vorallem aus 
Teil 2 wurde hier oder da bestimmt auch schon beantwortet aber ich finds 
ziemlich schwer gezielt danach zu suchen.
Danke für alle Antworten.

Gruß
Lucas

: Verschoben durch Moderator
von Markus E. (markus_e176)


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Wenn die Spannung an der Last nicht über 1,4V steigt, könntest du einen 
N-Mos nehmen und mit dem high-side schalten ("Source-Folger").
Mit 5V angesteuert bleiben noch 5V-1,4V = 3,6V G-S-Spannung übrig, das 
würde für einen LL-NMOS reichen...

von MaWin (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Oder geht das auch einfacher?

Negative Hilfsspannung klingt vernünftig.

Eventuell hast du sowieso eine ausreichende Versorgung (z.B. 5V) und für 
die Last galvanisch getrennte 1.8V, dann kannst du auch so 
zusammenschalten:
[pre]
 +----+----+----+
 |    |    |S   |
+|   uC---|I    | +
5V    |    |   1.8V
-|    |   Last  | -
 |    |    |    |
 +----+    +----+
]/pre]

von Markus E. (markus_e176)


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Lucas G. schrieb:
> Dieser Mosfet: (nur Beispielshalber)
> https://www.mouser.de/datasheet/2/308/NDP6020P-D-1812872.pdf
> Hat eine Vds (Drain-Source Diode Forward Voltage) von -1,1V , angegeben
> bei Vgs = 0, Is = -12A;
> Das verstehe ich nicht. Bei Vgs = 0 ist der Mosfet doch nicht leitend.
> Wie kann da ein sourcestrom von Is = -12A fließen?

Das bezieht sich auf die Body-Diode. Die hat beim angegebenen Strom 1,1V 
Vorwärtsspannung. Der Mosfet-Kanal ist dabei nichtleitend (Gate-Source 
0V), sonst wäre die Diode kurzgeschlossen.

Und ja, du wirst Rds(on) * Ilast am Mosfet verlieren (mit der 
entsprechenden Verlustleistung!).

von Falk B. (falk)


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Lucas G. schrieb:
> Hallo alle zusammen,
>
> ich möchte eine Spannung von 1,4V mit 20A mit einem P-Channel Mosfet
> schalten.

Das gaht auch mit N-Kanal, erst recht bei DER Spannung.

> Die Last verlangt einen high-side-switch.

OK.

> Wenn ich das richtig verstehe muss Vgs, um mit möglichst geringem
> Widerstand zu schalten, ausreichend negativ sein.

Ja.

> Wenn ich also meine Source an 1,4V hänge und das Gate an GND dann
> beträgt Vgs -1,4V
>
> Das ist natürlich relativ wenig. Es gibt zwar Mosfets mit Vgs(th) = -1V
> und drunter aber um 20A zu schalten muss Vgs ja noch weit unter Vgs(th)
> liegen.

Eben.

> Frage(n) 1:
> Was würdet Ihr empfehlen?

Ich nehme an, du hast ein 1,4V/20A Quelle. Die kann man mit einem 
N-Kanal-MOSFET in Drainschaltung schalten, wenn man da 1,4V + U_GS ans 
Gate anlegt, spricht 5-10V. P-Kanal geht auch, braucht aber eine 
negative Gatespannung sowie Pegelwandler. Die -5 bis -10V kann man 
mit einer kleinen Ladungspumpe erzeugen, ICL7667 ist dein Freund.

> Entweder mit
> Meine Idee war es einen isolierten DC/DC Wandler (zb. 5V) zu nehmen,
> dessen positiven output ich an GND hänge um vom negativen output -5V
> abgreifen zu können und somit ein Vgs von -6,4V zu bekommen.
> Oder geht das auch einfacher?

Nicht viel. Siehe oben. Aber ist dein P-Kanal MOSFET bei -6,4V U_GS 
schon WIRKLICH voll durchgesteuert?

>
> Und Teil 2:
>
> Dieser Mosfet: (nur Beispielshalber)
> https://www.mouser.de/datasheet/2/308/NDP6020P-D-1812872.pdf
> Hat eine Vds (Drain-Source Diode Forward Voltage) von -1,1V , angegeben
> bei Vgs = 0, Is = -12A;
> Das verstehe ich nicht. Bei Vgs = 0 ist der Mosfet doch nicht leitend.
> Wie kann da ein sourcestrom von Is = -12A fließen?

Er fließt von Drain nach Source, eben durch die parasitäre Bodydiode. 
Damit man die messen kann, muss der MOSFET gesperrt sein.

>
> UND
> brauche ich 2,5V damit nach Abzug dieser Vds = 1,1V noch 1,4V "übrig"
> bleiben für meine Last?

???

> Oder verliere ich sogar Rds(on) * Ilast = 0,075Ohm * 20A = 1,5V am
> Mosfet und muss also 2,9V bereit stellen?

Ja. Bei 20A würde ich nicht mit 50mOhm anfangen, eher um Faktor 10 
weniger. Bei der Spannung gibt es ausreichend MOSFETs, wenn gleich in 
eher bastlerunfreundlichen Gehäusen.

von Lucas G. (elding)


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Danke für deine Antwort!

Ich habe dir jedoch verschwiegen dass die Spannung zwischen 1,4V und 
2,5V einstellbar sein soll. Dann fällt die Differenz also auf 5-2,5 = 
2,5V ab.

Aber ich habe 12V Spannung zur Verfügung. Damit kann ich das Gate doch 
verbinden und dann nutze ich einen zusätzlichen LL-Transistor um das 
Gate nach Masse zu schalten, oder?

Dann invertiert sich die Logik aber das ist ja egal.

von Markus E. (markus_e176)


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Lucas G. schrieb:
> Danke für deine Antwort!
>
> Ich habe dir jedoch verschwiegen dass die Spannung zwischen 1,4V und
> 2,5V einstellbar sein soll. Dann fällt die Differenz also auf 5-2,5 =
> 2,5V ab.
>
> Aber ich habe 12V Spannung zur Verfügung. Damit kann ich das Gate doch
> verbinden und dann nutze ich einen zusätzlichen LL-Transistor um das
> Gate nach Masse zu schalten, oder?
>
> Dann invertiert sich die Logik aber das ist ja egal.

Vielleicht findest du sogar einen LL-Mosfet, der mit 2,5V noch 
ausreichend durchschaltet.

Aber ja, mit 12V und "Gate-Treiber für Arme" bist du auf der sicheren 
Seite, wenn du nicht übermäßig oft/schnell schalten willst.

von Lucas G. (elding)


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Zuerst danke an alle! Eure Antworten haben mir schon sehr viel geholfen!

Also da ich Rds(on) * Ilast am Mosfet verliere muss meine Spannung um 
diesen Wert höher als die 1,4V die ich an der Last brauche sein. 
Deswegen suche ich mir einen Mosfet mit geringerem Rds(on)

Außerdem werde ich wohl einen N-Ch Mosfet verwenden, da ich mir dann den 
Umweg einer negativen Hilfsspannung spare.
Das Gate lege ich an plus 12V und nutze einen Transistor um das Gate des 
Fets mithilfe eines 5V Pegels auf GND legen zu können.

Das klingt soweit sinnvollsten Lösung oder?




Falk B. schrieb:
>>
>> Und Teil 2:
>>
>> Dieser Mosfet: (nur Beispielshalber)
>> https://www.mouser.de/datasheet/2/308/NDP6020P-D-1812872.pdf
>> Hat eine Vds (Drain-Source Diode Forward Voltage) von -1,1V , angegeben
>> bei Vgs = 0, Is = -12A;
>> Das verstehe ich nicht. Bei Vgs = 0 ist der Mosfet doch nicht leitend.
>> Wie kann da ein sourcestrom von Is = -12A fließen?
>
> Er fließt von Drain nach Source, eben durch die parasitäre Bodydiode.
> Damit man die messen kann, muss der MOSFET gesperrt sein.

Ahh also das ist Strom der, blöd gesagt, in "die andere Richtung" 
fließt?

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


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Lucas G. schrieb:
> ich möchte eine Spannung von 1,4V mit 20A mit einem P-Channel Mosfet
> schalten.

Wohl kaum. Im Thread

Beitrag "DC-DC Wandler für galvanische Zelle"

wolltest du die 1.5 .. 2.5V noch mit einem DC/DC erzeugen. Jetzt willst 
du sie schalten? Im eben genannten Thread hattest du nur 24V zur 
Verfügung, jetzt auf einmal 12V?

Diese Salamitaktik ist Scheiße

Und wenn du die Spannung mit einem DC/DC erzeugst, dann kannst du sie 
auch damit schalten.

von m.n. (Gast)


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Wenn die Schaltgeschwindigkeit nicht zu hoch sein muß (<= 1 kHz) kann 
man auch per Ladungspumpe die Gatespannung erzeugen. Beispielsweise mit 
einem 100 kHz Rechtecksignal von einem µC oder C4093. Dann kann man N- 
oder P-Kanal Typen verwenden.
Ohne aktives Rechtecksignal ist der FET auf jeden Fall gesperrt.

von Lucas G. (elding)


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Axel S. schrieb:
> Lucas G. schrieb:
>> ich möchte eine Spannung von 1,4V mit 20A mit einem P-Channel Mosfet
>> schalten.
>
> Wohl kaum. Im Thread
>
> Beitrag "DC-DC Wandler für galvanische Zelle"
>
> wolltest du die 1.5 .. 2.5V noch mit einem DC/DC erzeugen. Jetzt willst
> du sie schalten? Im eben genannten Thread hattest du nur 24V zur
> Verfügung, jetzt auf einmal 12V?
>
> Diese Salamitaktik ist Scheiße
>
> Und wenn du die Spannung mit einem DC/DC erzeugst, dann kannst du sie
> auch damit schalten.


Ich erklärs dir:

Zur Verfügung habe ich 24V.
Die wandel' ich mit einem DC/DC Wandler um in 12V. (deshalb habe ich 
12V)
und dann nehme ich noch einen einstellbaren DC/DC Wandler um auf die 1,4 
bis 2,5 zu kommen.
Das war der Inhalt des von dir ausgegrabenen anderen Threads.

Diesen Strom muss ich jetzt zur Impedanzmessung an dem galvanischen 
Element sauber schalten können.
Wenn ich den DC Wandler per Pin deaktiviere weiß ich nicht ob die 
Stromversorgung wirklich sofort unterbrochen ist oder ob da noch 
Kapazitäten dranhängen die sich erst entladen. Außerdem hatte ich ein 
paar grundlegende Fragen zu Mosfets. Das gehört doch nicht zu 
Analogtechnik, wo der andere Thread drin ist, oder?
Deswegen dieser Thread.

Mein Vorhaben ist das gleiche, ich habe hier nur die 24V nicht erwähnt 
weil ich eh 12V habe.

: Bearbeitet durch User
von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Lucas G. schrieb:
> Das gehört doch nicht zu Analogtechnik, wo der andere Thread drin ist,
> oder?
Natürlich ist diese Schaltungstechnik volkommen analog.
Prozessoren, Mikrocontroller und logische Gatter, sowas ist 
Digitaltechnik. Bereits, wenn es um deren Versorgung geht, oder was die 
schalten bzw. wie sie es schalten, geht deutlich in  Richtung analoger 
Elektronik.
Oder kurz: in der Digitaltechnik rechnet keiner eine Ugs aus. Man darf 
davon ausgehen, dass die "üblichen" Spannungen von allen Teilnehmern 
"verstanden" werden.

> Wenn ich den DC Wandler per Pin deaktiviere weiß ich nicht ob die
> Stromversorgung wirklich sofort unterbrochen ist oder ob da noch
> Kapazitäten dranhängen die sich erst entladen.
Was spricht gegen "ausprobieren"?
Das wirst du mit (d)einer Mosfet-Schaltung sowieso auch machen müssen.

von Lucas G. (elding)


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Lothar M. schrieb:
> Lucas G. schrieb:
>> Das gehört doch nicht zu Analogtechnik, wo der andere Thread drin ist,
>> oder?
> Natürlich ist diese Schaltungstechnik volkommen analog.
> Prozessoren, Mikrocontroller und logische Gatter, sowas ist
> Digitaltechnik. Bereits, wenn es um deren Versorgung geht, oder was die
> schalten bzw. wie sie es schalten, geht deutlich in  Richtung analoger
> Elektronik.
> Oder kurz: in der Digitaltechnik rechnet keiner eine Ugs aus. Man darf
> davon ausgehen, dass die "üblichen" Spannungen von allen Teilnehmern
> "verstanden" werden.
>

Ok, danke für die Erklärung.
Nächstes mal bin ich schlauer!

>> Wenn ich den DC Wandler per Pin deaktiviere weiß ich nicht ob die
>> Stromversorgung wirklich sofort unterbrochen ist oder ob da noch
>> Kapazitäten dranhängen die sich erst entladen.
> Was spricht gegen "ausprobieren"?
> Das wirst du mit (d)einer Mosfet-Schaltung sowieso auch machen müssen.

Gegen ausprobieren spricht natürlich nichts.

von HildeK (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Außerdem werde ich wohl einen N-Ch Mosfet verwenden, da ich mir dann den
> Umweg einer negativen Hilfsspannung spare.
> Das Gate lege ich an plus 12V und nutze einen Transistor um das Gate des
> Fets mithilfe eines 5V Pegels auf GND legen zu können.
>
> Das klingt soweit sinnvollsten Lösung oder?

Ja genau, das ist die einfachste Möglichkeit. Aber das Gate legst du 
über einen Widerstand an +12V! Der sollte nicht zu hochohmig sein.
Als FET kannst du fast jeden nehmen, der Strom und Spannung aushält. Für 
UGS stehen ja rund 10V zur Verfügung.

von Lucas G. (elding)


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HildeK schrieb:
> Lucas G. schrieb:
>> Außerdem werde ich wohl einen N-Ch Mosfet verwenden, da ich mir dann den
>> Umweg einer negativen Hilfsspannung spare.
>> Das Gate lege ich an plus 12V und nutze einen Transistor um das Gate des
>> Fets mithilfe eines 5V Pegels auf GND legen zu können.
>>
>> Das klingt soweit sinnvollsten Lösung oder?
>
> Ja genau, das ist die einfachste Möglichkeit. Aber das Gate legst du
> über einen Widerstand an +12V! Der sollte nicht zu hochohmig sein.
> Als FET kannst du fast jeden nehmen, der Strom und Spannung aushält. Für
> UGS stehen ja rund 10V zur Verfügung.

Klar, an die Widerstände denke ich natürlich!

Mein Entwurf sieht jetzt so aus:

Datenblatt des FDB8443
https://www.mouser.de/datasheet/2/308/FDB8443-D-1806972.pdf

Für meine Fragestellung habe ich zwei imaginäre Punkte P1, P2 eingefügt

      12V    1,446-2,546V
       |        |
      .-.       |
      | | R1    |
      '-'       |
       |        D
       +------G    N-Ch (FDB8443)
       |        S
mc----|/        |
      |\ NPN    |
       |        |
      .-.       |
   R2 | |       |
      '-'       |
       |        |
       +--------+ Punkt P1
                |
               .-.
               | | RL
               '-'
                |
                + Punkt P2
                |
               GND

Aufgrund des niedrigen R_DS_on von 2,3 mOhm fallen bei 20A nur 46mV am 
Mosfet ab. ( Deswegen die komischen Werte 1,446-2,546V. An der Source 
sinds dann 1,4 - 2,5V )

Für R1 nehme ich 1kOhm
Für R2 nehme ich 47 Ohm, um den Mosfet möglichst schnell auszuschalten.

Die Differenz zwischen P1 und 12V ist maximal 10,6V (12-1,4V) und mit 
1047 Ohm Widerstand fließt ein Strom von 10,1mA , wenn der NPN 
Transistor leitend ist und das Gate entladen.

Allerdings bedeutet das ja, das in diesem Zustand nach wie vor ein Strom 
von 10,1mA durch die Last fließt? Und das bei 12V?
Das ist doof.

Kann ich von R2 auch an Punkt P2, also direkt an GND gehen?

Das würde zur Folge haben das VGS negativ wird. Bekomme ich dann 
Probleme mit dem N-Channel Mosfet oder kann man das bedenkenlos machen?

: Bearbeitet durch User
von HildeK (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Das würde zur Folge haben das VGS negativ wird. Bekomme ich dann
> Probleme mit dem N-Channel Mosfet oder kann man das bedenkenlos machen?

Die Gatespannung (siehe Datenblatt deines MOSFET: ±20V!) darf im 
Allgemeinen genau so weit ins Negative gehen wie ins Positive.
Also, R2 an GND anschließen bzw. R2 weglassen und den Emitter direkt an 
GND anschließen.

Lucas G. schrieb:
> Allerdings bedeutet das ja, das in diesem Zustand nach wie vor ein Strom
> von 10,1mA durch die Last fließt? Und das bei 12V?
> Das ist doof.

Ja, einen Tod musst du leiden. Wenn du eine Schaltung baust, die einen 
pMOS ins Negative aussteuert, dann wird da auch ein Strom fließen 
müssen.

von Lucas G. (elding)


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HildeK schrieb:
> Lucas G. schrieb:
>> Allerdings bedeutet das ja, das in diesem Zustand nach wie vor ein Strom
>> von 10,1mA durch die Last fließt? Und das bei 12V?
>> Das ist doof.
>
> Ja, einen Tod musst du leiden. Wenn du eine Schaltung baust, die einen
> pMOS ins Negative aussteuert, dann wird da auch ein Strom fließen
> müssen.

Das generell ein Strom fließt ist vollkommen ok. Das ist vielleicht eine 
Verletzung, aber kein Tod. ;)
Der Tod wäre wenn dieser Strom trotzdem durch die Last fließt.


> Lucas G. schrieb:
>> Das würde zur Folge haben das VGS negativ wird. Bekomme ich dann
>> Probleme mit dem N-Channel Mosfet oder kann man das bedenkenlos machen?
>
> Die Gatespannung (siehe Datenblatt deines MOSFET: ±20V!) darf im
> Allgemeinen genau so weit ins Negative gehen wie ins Positive.
> Also, R2 an GND anschließen bzw. R2 weglassen und den Emitter direkt an
> GND anschließen.
>

Ok, vielen Dank. Dann mach ich es so!

EDIT:
was ich noch fragen wollte:

wenn ich ausrechnen möchte wie lange das Gate braucht, um 
entladen/geladen zu werden, mit welcher Ladung rechne ich dann?
I = Q/t, das ist soweit klar.

Das Datenblatt bietet mir 5 verschiedene Q an.

Q_G(TOT) Total Gate Charge at 10V       = 142  nC
Q_G(TH) Threshold Gate Charge           = 17,5 nC
Q_GS Gate to Source Gate Charge         = 36   nC
Q_GS2 Gate Charge Threshhold to Plateau = 18,8 nC
Q_GD Gate to Drain "Miller" Charge      = 32   nC

Im Schaltbild erkennt man ja drei Kondensatoren - wie ich vermute 
Q_GS,Q_GS2 (der in der Mitte mit der Diode) und Q_GD.

Q_G(TOT) ist vermutlich die Summe aller Kapazitäten im Gate (woher auch 
immer - die drei vorher genannten sind in Summe kleiner)

und Q_G(TH) vermute ich als Grenzwert, ab dem der Mosfet anfängt leitend 
zu werden.

Bleibt trotzdem die Frage: welchen Wert nehme ich um die Ladezeit zu 
berechnen?

: Bearbeitet durch User
von Lucas G. (elding)


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HildeK schrieb:
> Lucas G. schrieb:
>> Das würde zur Folge haben das VGS negativ wird. Bekomme ich dann
>> Probleme mit dem N-Channel Mosfet oder kann man das bedenkenlos machen?
>
> Die Gatespannung (siehe Datenblatt deines MOSFET: ±20V!) darf im
> Allgemeinen genau so weit ins Negative gehen wie ins Positive.
> Also, R2 an GND anschließen bzw. R2 weglassen und den Emitter direkt an
> GND anschließen.

Wenn ich den Emitter direkt an GND lege gibt es doch keinen Widerstand 
der den Stromfluss begrenzt. Dann würde ich kurzzeitig den maximalen 
Kollektorstrom überschreiten.

Übersehe ich was oder stimmt das so? Und wenn es stimmt, warum ist das 
in Ordnung? Weil es nur von sehr kurzer Dauer ist?

von HildeK (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Das generell ein Strom fließt ist vollkommen ok. Das ist vielleicht eine
> Verletzung, aber kein Tod. ;)
> Der Tod wäre wenn dieser Strom trotzdem durch die Last fließt.

Es fließt halt ein Strom durch R1 im AUS-Zustand des FET - in deinem 
Fall 12V/R1.
Jetzt kann man den R1 groß machen, dann schaltet der FET aber langsamer 
(GS-Kapazität bzw. die diversen Charges). Oder man bräuchte eine 
Treiberschaltung, die viel Lade-/Entladestrom liefern kann.

Lucas G. schrieb:
> welchen Wert nehme ich um die Ladezeit zu berechnen?
Da bin ich auch etwas überfragt. Vorzugsweise Total-Gate-Charge?

Ich versuche solche Fragen mit LTSpice abzuschätzen. Versuchsweise habe 
ich die Schaltung mit dem FDB8030L (mangels anderem Modell, das aber 
deinem ähnlich ist) simuliert und komme auf eine Spitzenleistung von 
rund 10W für 1-2µs beim Umschalten. Das hält der locker aus, deiner 
auch.
Übrigens: das Ausschalten geht in der Schaltung schnell, der Gatestrom 
beim Einschalten wird durch R1 begrenzt und verlangsamt die Flanke. 
Simuliert habe ich hier eine Anstiegszeit von ca. 2.5µs. Die 
Ausschaltflanke dauert etwa 250ns.

Andere Vorgehensweise:
Man sucht sich unter den vielen Typen einen aus, der hier einen kleinen 
Wert hat oder man nimmt eine Treiberschaltung, die viel Strom in und aus 
dem Gate pumpen kann. Das rentiert sich aber meistens nur, wenn du PWM 
machen willst, für seltenes Schalten musst du 'nur' dafür sorgen, dass 
die SOA nicht verletzt wird.

Oder zielte deine Frage auf des Delay zum Ansteuersignal? Auch da wirkt 
hauptsächlich R1 und die GS-Kapazität beim Einschalten. Das ist nur in 
Griff zu bekommen mit einem Push-Pull-Treiber.

von HildeK (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Wenn ich den Emitter direkt an GND lege gibt es doch keinen Widerstand
> der den Stromfluss begrenzt. Dann würde ich kurzzeitig den maximalen
> Kollektorstrom überschreiten.
>
> Übersehe ich was oder stimmt das so? Und wenn es stimmt, warum ist das
> in Ordnung? Weil es nur von sehr kurzer Dauer ist?

In deiner Zeichnung ist kein Basisvorwiderstand eingezeichnet. Der 
begrenzt schon mal den Basisstrom und damit auch den Kollektorstrom, 
auch weil für große Ströme der hfe kleiner wird. Ich würde hier eh einen 
BC337 verwenden.

Aber im Prinzip hast du recht, der Transistor entlädt jedoch nur einen 
Kondensator mit ≈ 1nF hart. Bei Bedenken kann man in die 
Kollektorleitung noch einen passenden Widerstand (30Ω-50Ω) einbauen. 
Verlängert und verzögert allerdings auch die Flanke beim Abschalten.
Oder anstatt dem NPN einen kleine MOSFET nehmen, z.B. IRLML2244. Der 
kann Peak 18A! Da würde ein Drain-Widerstand mit 1Ω reichen ...

von Falk B. (falk)


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Lucas G. schrieb:
> Datenblatt des FDB8443
> https://www.mouser.de/datasheet/2/308/FDB8443-D-1806972.pdf

Sieht OK aus. Da muss man aber auch die Zuleitungen auf der Platine für 
20A gestalten, ordentlich breit und wenn's geht mit 70u Kupferdicke.

> Für meine Fragestellung habe ich zwei imaginäre Punkte P1, P2 eingefügt
>
>       12V    1,446-2,546V
>        |        |
>       .-.       |
>       | | R1    |
>       '-'       |
>        |        D
>        +------G    N-Ch (FDB8443)
>        |        S
> mc----|/        |
>       |\ NPN    |
>        |        |
>       .-.       |
>    R2 | |       |
>       '-'       |
>        |        |
>        +--------+ Punkt P1
>                 |
>                .-.
>                | | RL
>                '-'
>                 |
>                 + Punkt P2
>                 |
>                GND
>

Du musst hier nicht zaubern, es reicht eine einfache Emitterschaltung 
für den NPN. Emitter aus Masse + normaler Basiswiderstand. Im 
gesperrten Zustand sieht der MOSFET dann sogar eine negative 
Sperrspannung, das ist aber unkritisch.

> Aufgrund des niedrigen R_DS_on von 2,3 mOhm fallen bei 20A nur 46mV am
> Mosfet ab. ( Deswegen die komischen Werte 1,446-2,546V. An der Source
> sinds dann 1,4 - 2,5V )

Im Prinzip schon.

In der Rech

> Für R1 nehme ich 1kOhm

Ist Ok.

> Für R2 nehme ich 47 Ohm, um den Mosfet möglichst schnell auszuschalten.

Brauchst du nicht, außerdem wirkt der nicht so, wie du denkst. Deine 
Schaltung JETZT ist ein Emitterfolger, der eine gesteuertse 
Konstantstromquelle darstellt. Wenn man die aber per CMOS-Signal 
ausschaltet, tut R2 rein GAR nichts. Nur R1 lädt dann das Gate auf und 
schaltet den N-Kanal MOSFET ein. Ausschalten tut deine 
Konstantstromquelle, die aber nicht sonderlich viel mehr Strom liefert. 
Bei 5V an der Basis und 2,5V an der Last (was wie oben geschrieben nicht 
sinnvoll ist), sind des ca. 1,8V über R2, macht 38mA. Naja, ist schon 
was. Eine einfache Emitterschaltung kann das auch, eher in Richtung 
100mA und mehr.

> Allerdings bedeutet das ja, das in diesem Zustand nach wie vor ein Strom
> von 10,1mA durch die Last fließt? Und das bei 12V?
> Das ist doof.

Weil deine Schaltung unsinnig ist.

> Kann ich von R2 auch an Punkt P2, also direkt an GND gehen?

JA!

> Das würde zur Folge haben das VGS negativ wird. Bekomme ich dann
> Probleme mit dem N-Channel Mosfet

Nein.

> oder kann man das bedenkenlos machen?

JA

von HildeK (Gast)


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HildeK schrieb:
> Ich versuche solche Fragen mit LTSpice abzuschätzen.

Im Anhang mal zwei Varianten deiner Schaltung, allerdings mit dem 
FCB8030L.

von Falk B. (falk)


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HildeK schrieb:
> Im Anhang mal zwei Varianten deiner Schaltung, allerdings mit dem
> FCB8030L.

Den 33Ohm Angstwiderstand R3 kann man weglassen. Die Gatekapazität des 
MOSFETs killt den BC337 nicht.

Man sollte hier vor allem darauf achten, was die Schaltung macht, wenn 
der Mikrocontroller (?) im Reset ist. Dann ist nämlich der Leistungspfad 
EINgeschaltet. Mit einem Pull-Up Widerstand an M4 gegen 5V verhindert 
man das. Bei der NPN-Vriante braucht man den auch, dort ist das 
allerdings etwas kniffeliger, denn dessen Basiswiderstand ist schon 
reichlich niederohmig. Hmmm, wie macht man es sinnvoll? Oder doch 
einfach nur die MOSFET-Variante?

von HildeK (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Den 33Ohm Angstwiderstand R3 kann man weglassen. Die Gatekapazität des
> MOSFETs killt den BC337 nicht.

Vermute ich auch, war nur zur möglichen Maßnahme wegen der Bedenken des 
TO:

Lucas G. schrieb:
> Wenn ich den Emitter direkt an GND lege gibt es doch keinen Widerstand
> der den Stromfluss begrenzt. Dann würde ich kurzzeitig den maximalen
> Kollektorstrom überschreiten.

Falk B. schrieb:
> Bei der NPN-Vriante braucht man den auch, dort ist das
> allerdings etwas kniffeliger, denn dessen Basiswiderstand ist schon
> reichlich niederohmig. Hmmm, wie macht man es sinnvoll?
Mit dem Einwand zum Beachten des ausgeschalteten Zustands im Reset hast 
du natürlich recht.
Der R2 ist so niederohmig gewählt, weil ich schnell schalten wollte.
Ein PU direkt am Portpin kann trotzdem deutlich hochohmiger sein, da ist 
ja keine schnelles Schalten gefordert und er muss ja nur auf 
Kollektorseite 25mA schalten fließen lassen können. Ein paar kΩ werden 
reichen.
Weniger schön ist die Tatsache, dass im abgeschalteten Zustand des FET 
durch R1 oder R4 25mA aus der 12V-Quelle fließen und diese Widerstände 
schon mit 300mW belastet werden.
Wenn's auch etwas langsamer sein darf, könnten die auch 1k oder 1k5 
sein; führt zu flacheren Flanken und mehr Delay am geschalteten Ausgang.

Letztlich ist meine niederohmige Auslegung eine Folge des hier noch 
Erfragten. Limits bez. Schaltzeiten oder Delays hatte er jedoch nicht 
genannt:
Lucas G. schrieb:
> EDIT:
> was ich noch fragen wollte:

von Udo S. (urschmitt)


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Lucas G. schrieb:
> Zur Verfügung habe ich 24V.
> Die wandel' ich mit einem DC/DC Wandler um in 12V. (deshalb habe ich
> 12V)
> und dann nehme ich noch einen einstellbaren DC/DC Wandler um auf die 1,4
> bis 2,5 zu kommen.

Ich hätte mir wohl meinen Beitrag in dem anderen Thread sparen können.
Bei Galvanik regelt man normalerweise den Strom. Ich hatte dir soger 
einen Link auf ein Beispiel einer geschalteten einstellbaren Stromquelle 
gegeben.

Statt dessen kommst du wieder mit "einstellbare Spannung" und 
zweistufig.
na ja machs so, du lernst daran.

von Lucas G. (elding)


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Wow, erstmal vielen Dank für die zahlreichen Antworten!

HildeK schrieb:
> Übrigens: das Ausschalten geht in der Schaltung schnell, der Gatestrom
> beim Einschalten wird durch R1 begrenzt und verlangsamt die Flanke.
> Simuliert habe ich hier eine Anstiegszeit von ca. 2.5µs. Die
> Ausschaltflanke dauert etwa 250ns.

Das weiß ich.
An sich wird sehr selten geschaltet (< 1Hz) und das einschalten ist 
relativ egal, nur das ausschalten sollte schnell gehen (< 1us)

Falk B. schrieb:
>> Für R2 nehme ich 47 Ohm, um den Mosfet möglichst schnell auszuschalten.
>
> Brauchst du nicht, außerdem wirkt der nicht so, wie du denkst. Deine
> Schaltung JETZT ist ein Emitterfolger, der eine gesteuertse
> Konstantstromquelle darstellt. Wenn man die aber per CMOS-Signal
> ausschaltet, tut R2 rein GAR nichts. Nur R1 lädt dann das Gate auf und
> schaltet den N-Kanal MOSFET ein. Ausschalten tut deine
> Konstantstromquelle, die aber nicht sonderlich viel mehr Strom liefert.
> Bei 5V an der Basis und 2,5V an der Last (was wie oben geschrieben nicht
> sinnvoll ist), sind des ca. 1,8V über R2, macht 38mA. Naja, ist schon
> was. Eine einfache Emitterschaltung kann das auch, eher in Richtung
> 100mA und mehr.

Ahh, jetzt kommen wieder die Erinnerungen aus dem Physikunterricht. Ein 
Transistor funktioniert stromverstärkend.
Wenn ich also einen Basisstrom von 5mA habe und einen Verstärkungsfaktor 
von 20, dann ist der Kollektorstrom 5mA * 20 = 100mA und den brauche ich 
dann nicht mehr durch einen Widerstand begrenzen.
Stimmt soweit?

Demnach kann ich R2 weglassen und muss den Basisstrom nur entsprechend 
einstellen.
Aber wie ermittle ich den Verstärkungsfaktor. Das dürfte ja hFE sein.
Da gibt's zwar ein Diagramm nach dem hFE beim BC337 bei 100mA bei ca 225 
liegt, aber das ist in dem Diagramm nur für V_CE = 1V aufgetragen. Bei 
mir sinds ja dann 12V.
Hier ist es ja nicht soo kritisch aber was macht man wenns mal genau 
werden soll?
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/BC337-D.PDF


HildeK schrieb:
> Oder anstatt dem NPN einen kleine MOSFET nehmen, z.B. IRLML2244. Der
> kann Peak 18A! Da würde ein Drain-Widerstand mit 1Ω reichen ...

den Mosfet schau ich mir morgen mal an! Laut der Simulation ist der 
Leistungspeak höher aber dafür die Zeitdauer kürzer. Ist das 
wünschenswert? Prinzipiell gilt doch dass ein schnelleres Schalten mehr 
Störung hervorruft. Da die Geschwindigkeit beim Ausschalten mit dem 
Transistor ja vollkommen ausreicht kann ich den doch auch nehmen und 
bekomme weniger Störung oder?

Falk B. schrieb:
> Man sollte hier vor allem darauf achten, was die Schaltung macht, wenn
> der Mikrocontroller (?) im Reset ist. Dann ist nämlich der Leistungspfad
> EINgeschaltet. Mit einem Pull-Up Widerstand an M4 gegen 5V verhindert
> man das. Bei der NPN-Vriante braucht man den auch, dort ist das
> allerdings etwas kniffeliger, denn dessen Basiswiderstand ist schon
> reichlich niederohmig. Hmmm, wie macht man es sinnvoll? Oder doch
> einfach nur die MOSFET-Variante?

Der Mosfet ist eigentlich nur wichtig fürs Ausschalten.
Ich messe die Impedanz des galvanischen Elements mit der Current 
Interrupt Methode. Also Spannung messen - Strom aus - Spannung nochmal 
messen und aus der Spannungsdifferenz und dem Strom bekomme ich den 
Widerstand des Elements.

Deswegen ist wichtig dass ich sauber und schnell ausschalten kann.
Das bringt mich zu einer weiteren Frage: wird der Transistor auch eine 
Verzögerung mit einbringen oder arbeitet er sofort bei anlegen einer 
Basisspannung?

Zurück zu deinen Bedenken:
Die Spannung kommt aus einem DC/DC Wandler. Dieser lässt sich togglen. 
Den werde ich so anschließen, dass er aus ist wenn der Microcontroller 
im reset ist.

Gruß
Lucas

von Lucas G. (elding)


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Udo S. schrieb:
> Lucas G. schrieb:
>> Zur Verfügung habe ich 24V.
>> Die wandel' ich mit einem DC/DC Wandler um in 12V. (deshalb habe ich
>> 12V)
>> und dann nehme ich noch einen einstellbaren DC/DC Wandler um auf die 1,4
>> bis 2,5 zu kommen.
>
> Ich hätte mir wohl meinen Beitrag in dem anderen Thread sparen können.
> Bei Galvanik regelt man normalerweise den Strom. Ich hatte dir soger
> einen Link auf ein Beispiel einer geschalteten einstellbaren Stromquelle
> gegeben.
>
> Statt dessen kommst du wieder mit "einstellbare Spannung" und
> zweistufig.
> na ja machs so, du lernst daran.

Hi Udo,

tut mir leid, dass ich in dem anderen Thread nicht mehr geantwortet 
habe. Ich habe mich trotzdem über deine Antwort gefreut.
Du triffst den Nagel auf den Kopf. Bei Galvanik wird der Strom geregelt.
Das muss ich auch. Ich messe den Strom am Element und passe die Spannung 
dann innerhalb des Bereiches 1,4 - 2,5V an bis mir der Strom passt.
Eine Konstantstromquelle wäre natürlich praktischer, dann spare ich mir 
Programmierarbeit.

Allerdings gibt es Gründe, warum ich bis bisher (100% fest steht das 
noch nicht) davon abgesehen habe:
mit diesen Modulen, die du mir verlinkt hast habe ich sehr schlechte 
Erfahrung gemacht. Ich hatte schon öfter Buck/Boost Converter, aber 
davon hat nie einer funktioniert. Vielleicht hatte ich Pech, vielleicht 
bin ich zu blöd. Oder ich hab sie falsch eingestellt. So oder so, bisher 
haben die Dinger mich nur genervt.

Eine Konstantstromquelle selbst zu bauen traue ich mir noch nicht zu. 
Zumindest nicht für diesen Strom.
Für 100mA gibts ja unzählige Schaltpläne mit LM317 und Konsorten aber 
für 20A sieht das schon anders aus.

Wie du diesem Thread entnehmen kannst hab ich grade dabei Mosfets und 
die Logik/Mathematik hinter der Ansteuerung zu verstehen.
Dazu kommt, dass das nicht die einzige Schaltung ist die ich entwerfen 
muss, und Zeit ist knapp.

Aber ich bin nach wie vor offen für weitere Vorschläge.

Die zweistufige Variante ist ein Kompromiss zwischen Funktionsweise, die 
durch die Spannungssteuerung ein kleines bisschen umständlicher wird und 
der Verringerung an Arbeit und potenziellen Fehlern, die ich hätte, wenn 
ich so eine Stromquelle verstehen, auslegen und bauen muss. Ein fertiger 
Wandler ist eben fertig.

Ich hoffe du verstehst mich da ein bisschen.

von 2aggressive (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Ahh, jetzt kommen wieder die Erinnerungen aus dem Physikunterricht. Ein
> Transistor funktioniert stromverstärkend.
> Wenn ich also einen Basisstrom von 5mA habe und einen Verstärkungsfaktor
> von 20, dann ist der Kollektorstrom 5mA * 20 = 100mA und den brauche ich
> dann nicht mehr durch einen Widerstand begrenzen.
> Stimmt soweit?
Nein, so nicht.

> Demnach kann ich R2 weglassen
Das sollst du.

> und muss den Basisstrom nur entsprechend
> einstellen.
> Aber wie ermittle ich den Verstärkungsfaktor. Das dürfte ja hFE sein.
> Da gibt's zwar ein Diagramm nach dem hFE beim BC337 bei 100mA bei ca 225
> liegt, aber das ist in dem Diagramm nur für V_CE = 1V aufgetragen. Bei
> mir sinds ja dann 12V.
Im abgeschalteten Zustand des Transistors beträgt V_CE = 12V, 
Kollektorstrom ist null, hFE ist dabei egal, in dem Moment ist der 
Mosfet am leiten und deine Galvanik am köcheln.

Im eingeschalteten Zustand des Transistors beträgt V_CE = 1V (oder 
besser nur einen Bruchteil davon), der Kollektorstrom wird begrenzt 
durch R1, über dem in diesem Moment (knapp) 12V stehen. Und damit dies 
sicher funktioniert, der Transistor also satt und sauber eingeschaltet 
wird, braucht er einen Basisstrom (über den Widerstand zwischen deinem 
uC-Ausgang und des Basisanschlusses). Dieser benötigte Basisstrom muss 
mindestens so gross sein wie der Kollektorstrom (~12V/R1) geteilt durch 
hFE, mal Sicherheitszuschlag (etwa Faktor zehn).

Aus der Ausgangsspannung des uC (diese genau genommen minus der Spannung 
BE, etwa 0,7V) errechnet sich der nötige Basisvorwiderstand.

HTH

von HildeK (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> An sich wird sehr selten geschaltet (< 1Hz) und das einschalten ist
> relativ egal, nur das ausschalten sollte schnell gehen (< 1us)

Wenn hier über schnell geredet wird, dann muss man klären, ob das heißt
- schnelle Reaktion auf das Ansteuersignal (Delay)
- schnelle Schaltflanke wegen thermischer Belastung (Flankensteilheit)

Auch beim Einschalten muss man den Übergang von AUS zu EIN schnell 
durchlaufen. Wie auch in der Simulation zu sehen ist, tritt zu dem 
Zeitpunkte eine hohe Verlustleistung am FET auf. Deshalb ist es nicht 
ganz egal.
Wie am Simulationsbeispiel zu sehen ist, sind kleinere Delays beim 
Treiber mit dem nMOS zu erwarten als mit dem Transistor. Das liegt 
einfach daran, weil er mit einem wesentlich höheren Strom das Gate des 
Leistungs-MOSFETs entladen kann - beim Abschalten. Beim Einschalten ist 
nur der R4 beteiligt, deshalb dauert es da deutlich länger und die 
Flanke ist flacher.

Lucas G. schrieb:
> Ahh, jetzt kommen wieder die Erinnerungen aus dem Physikunterricht. Ein
> Transistor funktioniert stromverstärkend.
> Wenn ich also einen Basisstrom von 5mA habe und einen Verstärkungsfaktor
> von 20, dann ist der Kollektorstrom 5mA * 20 = 100mA und den brauche ich
> dann nicht mehr durch einen Widerstand begrenzen.
> Stimmt soweit?

Stimmt soweit nur grob. Nur hast du keinen definierte 
Verstärkungsfaktor, so dass man sich auf den Kollektorstrom, der sich 
einstellt, nicht verlassen kann. Ich habe dich da etwas auf die 
falsche Fährte gebracht.

Lucas G. schrieb:
> Demnach kann ich R2 weglassen und muss den Basisstrom nur entsprechend
> einstellen.
Ich meinte nur, dass es weitere Begrenzungen gibt, auch andere Effekte 
tragen dazu bei, dass der Strom nicht so hoch wird. Z.B. die 
Bahnwiderstände im Transistor, die Leitungsinduktivitäten usw.
> Aber wie ermittle ich den Verstärkungsfaktor. Das dürfte ja hFE sein.
> Da gibt's zwar ein Diagramm nach dem hFE beim BC337 bei 100mA bei ca 225
> liegt, aber das ist in dem Diagramm nur für V_CE = 1V aufgetragen. Bei
> mir sinds ja dann 12V.
Wie erwähnt, diese Zahl für hfe ist in einem weiten Bereich unterwegs 
und schwankt auch von Exemplar zu Exemplar des selben Typs erheblich, 
ist also alles andere als ein konstanter Wert. Außerdem ist hier der 
Transistor im linearen Bereich betrachtet (UCE ist außerhalb der 
Sättigung). Und hier bewegen wir uns im Schaltbetrieb.

> Hier ist es ja nicht soo kritisch aber was macht man wenns mal genau
> werden soll?
Man muss seine Schaltung entsprechend auslegen. Das Ergebnis sollte 
nicht maßgeblich von einem Transistorparameter abhängig sein, sondern 
von der äußeren Beschaltung. R3 in meinem Bild ist so eine Maßnahme. 
Anders als bei FETs ist bei bipolaren Transistoren leider selten ein 
kurzzeitig zulässiger Kollektor-Spitzenstrom angegeben.

von Lucas G. (elding)


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2aggressive schrieb:
> Im abgeschalteten Zustand des Transistors beträgt V_CE = 12V,
> Kollektorstrom ist null, hFE ist dabei egal, in dem Moment ist der
> Mosfet am leiten und deine Galvanik am köcheln.
>
> Im eingeschalteten Zustand des Transistors beträgt V_CE = 1V (oder
> besser nur einen Bruchteil davon), der Kollektorstrom wird begrenzt
> durch R1, über dem in diesem Moment (knapp) 12V stehen. Und damit dies
> sicher funktioniert, der Transistor also satt und sauber eingeschaltet
> wird, braucht er einen Basisstrom (über den Widerstand zwischen deinem
> uC-Ausgang und des Basisanschlusses). Dieser benötigte Basisstrom muss
> mindestens so gross sein wie der Kollektorstrom (~12V/R1) geteilt durch
> hFE, mal Sicherheitszuschlag (etwa Faktor zehn).
>
> Aus der Ausgangsspannung des uC (diese genau genommen minus der Spannung
> BE, etwa 0,7V) errechnet sich der nötige Basisvorwiderstand.

Vielen Dank für die Erklärung.

Der BC337 hat ein V_BE(on) von 1,2 V, und ein V_CE(sat) von 0,7V
Beide Werte sind nur als Maximum angegeben.

Bedeutet das also dass über die Basis-Emitter-Strecke 1,2V abfallen und 
ich den Vorwiderstand mit (5,0 - 1,2)V  / I_B berechne?
Das erscheint mir komisch. Zwischen Basis und Emitter ist doch 
physikalisch gesehen nur eine Si Diode. Da fallen doch nur 0,6..0,7V ab.
So wie du geschrieben hast.
Vielleicht verstehe ich V_BE(on) auch falsch.

Und V_CE(sat) = 0,7V ist das V_CE was du meintest? Also dass im 
Sättigungsbereich, in dem ich den Transistor ja als Schalter betreiben 
will diese 0,7V über die C-E-Strecke abfallen und deswegen nur 12 - 0,7V 
= 11,3V über R1 abfallen können?




HildeK schrieb:
> Auch beim Einschalten muss man den Übergang von AUS zu EIN schnell
> durchlaufen.

Ich denke da werde ich einen Kompromiss aus Geschwindigkeit des 
Übergangs und Verlustleistung an den Widerständen wählen. Um die 
Leistung an R1 zu begrenzen.

An dieser Stelle wollte ich wieder meinen Schaltplan mit ASCI Zeichen 
einbauen, aber der fällt leider zusammen. Ich hab euch das Bild mal als 
Datei angehängt.

Ich hab den alten R2 nicht gänzlich weg gelassen, sondern eigentlich nur 
zwischen Kollektor und Gate gesetzt.
Ich mag den Gedanken nicht, dass da nichts ist um den Strom zu 
begrenzen.


Mit R2 fließt vom Gate ein Strom von 12V/82 Ohm = 146mA ab, was mit 
einer Gateladung von max. 142nC eine Zeit von etwas unter einer us 
macht.
(142*10^-9 nC/ 0,146A = 970 ns)
Die 1 us war von mir willkürlich gewählt. Um die Impedanz meines 
galvanischen Elements zu bekommen messe ich die Spannung über RL, 
schalte dann den Transistor "ein", dadurch geht der Mosfet "aus"  und 
dann messe ich nochmal die Spannung über RL.
Da ein analogRead mit ATmega eh ca. 100 us dauert gehe ich davon aus 
dass eine us vollkommen ausreicht.

HildeK schrieb:
> Wenn hier über schnell geredet wird, dann muss man klären, ob das heißt
> - schnelle Reaktion auf das Ansteuersignal (Delay)
> - schnelle Schaltflanke wegen thermischer Belastung (Flankensteilheit)

Das was ich berechnet habe zählt zu Flankensteilheit oder?
Die Reaktion auf mein Ansteuersignal, also der Delay zwischen "Pin hat 
5V" zu "Mosfet ist komplett durchgesteuert" sollte auf jeden Fall unter 
100us liegen. Lieber im Bereich unter 10us. Woraus setzt sich der Delay 
denn zusammen?

Und beim Einschalten des FETs ist mir die Zeit fast egal. Mit den 
Widerstandswerten dauert das Einschalten ca. 11us
Und das passiert ein mal pro Sekunde. Ist ein Kompromiss zwischen 
Geschwindigkeit und Belastung der Widerstände.



Rs ist ein Shunt, über den ich, (plus Amplifier INA240A4) den Strom 
bekomme, der durch die Last fließt.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina240.pdf?HQS=dis-mous-null-mousermode-dsf-pf-null-wwe&ts=1611424337731&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.mouser.de%252F

von Falk B. (falk)


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Lucas G. schrieb:

> Der BC337 hat ein V_BE(on) von 1,2 V, und ein V_CE(sat) von 0,7V
> Beide Werte sind nur als Maximum angegeben.
>
> Bedeutet das also dass über die Basis-Emitter-Strecke 1,2V abfallen und
> ich den Vorwiderstand mit (5,0 - 1,2)V  / I_B berechne?

Theoretisch ja, praktisch nein. Diese Maximumwerte werden manchmal von 
Juristen festgelegt, nicht von Ingenieuren. Denn die 1,2V werden nur 
unter ABSOLUT grenzwertigen Bedingungen erreicht, im Normalbetrieb 
selten bis nie. Rechne mit 0,7V und gut.

> Das erscheint mir komisch. Zwischen Basis und Emitter ist doch
> physikalisch gesehen nur eine Si Diode. Da fallen doch nur 0,6..0,7V ab.

Mit genügent Strom und niedrigen Temperaturen bekommt man die 
Flußspannung schon hoch, denn dort ist auch ein parasitärer Widerstand 
drin. In einer Schaltung mit 1,8V Versorgung war mal ein Minitransistor 
ohne Basiswiderstand direkt angeschlossen. Die 1,8V lagen an, es flossen 
um die 100mA ;-)

> Und V_CE(sat) = 0,7V ist das V_CE was du meintest? Also dass im
> Sättigungsbereich, in dem ich den Transistor ja als Schalter betreiben
> will diese 0,7V über die C-E-Strecke abfallen und deswegen nur 12 - 0,7V
> = 11,3V über R1 abfallen können?

Ja.

> Ich hab den alten R2 nicht gänzlich weg gelassen, sondern eigentlich nur
> zwischen Kollektor und Gate gesetzt.
> Ich mag den Gedanken nicht, dass da nichts ist um den Strom zu
> begrenzen.

Mädchen.

> Die 1 us war von mir willkürlich gewählt. Um die Impedanz meines
> galvanischen Elements zu bekommen messe ich die Spannung über RL,
> schalte dann den Transistor "ein", dadurch geht der Mosfet "aus"  und
> dann messe ich nochmal die Spannung über RL.
> Da ein analogRead mit ATmega eh ca. 100 us dauert gehe ich davon aus
> dass eine us vollkommen ausreicht.

Tut sie auch. Aber ich sehe schon wieder andere Probleme auf dich 
zukommen. Hohe Ströme und kleine Spannungsabfälle korrekt und schnell 
messen.

> Das was ich berechnet habe zählt zu Flankensteilheit oder?

Ja.

> Die Reaktion auf mein Ansteuersignal, also der Delay zwischen "Pin hat
> 5V" zu "Mosfet ist komplett durchgesteuert" sollte auf jeden Fall unter
> 100us liegen.
 Lieber im Bereich unter 10us.

Das ist relativ einfach zu erreichen. Du kannst dir den ganzen Kokolores 
auch sparen und nimmst einfach einen fertigen MOSFET-Treiber, ICL7667 & 
Co.

https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht#MOSFET-Treiber

> Woraus setzt sich der Delay
> denn zusammen?

Der Verzögerung der beiden Schaltstufen. Aber das geht viel zu weit ins 
Detail. Du willst den MOSFET zügig schalten, nicht in die Untiefen der 
Treiberschaltungstechnik absteigen.

von 2aggressive (Gast)


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-Im Sinne von schnellem einschalten sollte R2 so klein gewählt werden, 
wie man sich (LOL, danke @Falk) als "Mädchen" gerade noch traut.
-R4 hätte ich grösser gewählt.
-R1: nicht wundern, in der Baugrösse für 1/4W wird der schon recht warm

-Zu deinen 46mV "Überspannung", um auf "glatte" Spannungen zu kommen: du 
könntest mehrere Mosfets parallel schalten, aber Vorsicht, dabei hat die 
Treiberstufe dann gegen höhere Kapazitäten zu kämpfen, wird also 
langsamer. Es sei denn du vervielfältigst die Treiberstufen ebenfalls.
Den Spannungsabfall deiner Kabellage (Strassenbahnschienen?) musst du 
natürlich auch im Auge behalten.

von Äxl (Gast)


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dein "digitalWrite" ist auch nicht sonderlich schnell. Bedenke das.
Die zuleitungsinduktivitäten werden Dir eine weit höhere Spannung 
'bescheren', als Dir lieb sein wird. Vllt. ist es sogar angebracht, nach 
dem Abschalten "ein wenig" zu warten...

von Joachim B. (jar)


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Udo S. schrieb:
> Statt dessen kommst du wieder mit "einstellbare Spannung" und
> zweistufig.

ich wollte gerade PMOS mit Optokoppler ansteuern schreiben, aber 
"einstellbare Spannung" passt halt nicht so einfach!

Merke Prosa und Salami ist Mist, Salami gehört auf Pizza und 
Schaltbilder hier her.

von HildeK (Gast)


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Lucas G. schrieb:
> Der BC337 hat ein V_BE(on) von 1,2 V, und ein V_CE(sat) von 0,7V
> Beide Werte sind nur als Maximum angegeben.

V_CE(sat) ist bei 500mA (worst case) angegeben und wird auch nur so hoch 
sein bei einem schlechten Exemplar. Und ein hoher Strom tritt nur ganz 
kurz auf, danach wird er kleiner und auch die abfallende Spannung an CE. 
Es fließen maximal nur noch 12V/R1, rund 15mA, und da dürfte die 
CE-Restspannung bereits deutlich unter 100mV liegen.

Lucas G. schrieb:
> Und V_CE(sat) = 0,7V ist das V_CE was du meintest? Also dass im
> Sättigungsbereich, in dem ich den Transistor ja als Schalter betreiben
> will diese 0,7V über die C-E-Strecke abfallen und deswegen nur 12 - 0,7V
> = 11,3V über R1 abfallen können?
Du hast ja 12V als Versorgung der Treiberstufe. Für den zu schaltenden 
FET ist es recht egal, ob da noch <100mV am U_GS vorhanden sind oder 
nicht; also hier brauchst du die Sättigungsspannung einfach nicht zu 
beachten. Der Unterschied geht praktisch unter ...
Hier fließt ausnahmsweise mal die Gate-Source-Thresholdspannung in die 
Betrachtung ein: wenn am GS <2V anliegen, dann lässt der garantiert 
weniger als 250µA fließen (also beim schlechtest möglichen Exemplar)! 
Und, wie oben betrachtet, sind es höchstens 100mV. Selbst bei 700mV bist 
du noch weit weg von den 2V. Fazit: nicht so kompliziert betrachten 😀.

Lucas G. schrieb:
> Das was ich berechnet habe zählt zu Flankensteilheit oder?
> Die Reaktion auf mein Ansteuersignal, also der Delay zwischen "Pin hat
> 5V" zu "Mosfet ist komplett durchgesteuert" sollte auf jeden Fall unter
> 100us liegen. Lieber im Bereich unter 10us. Woraus setzt sich der Delay
> denn zusammen?
Das Delay kommt daher, dass einmal der Transistor vom leitenden in den 
sperrenden Zustand kommen muss - das ist deutlich langsamer als 
umgekehrt, weil er vorher in Sättigung war.
Zum zweiten kommt es daher, weil sich die Gatekapazität (fast 10nF) über 
R1 aufladen muss. Das Entladen geht schneller, weil nur noch R2 wirkt.

> Und beim Einschalten des FETs ist mir die Zeit fast egal.
Beide Schaltflanken am FET sollten unabhängig von deinen anderen 
Randbedingungen nicht zu langsam sein, weil sich sonst der FET zu lange 
im aktiven Bereich bewegt und heizt. Aber bei <10µs ist das kein 
Problem.
Bei deiner Dimensionierung wird das Einschalten etwa 2µs betragen, das 
Delay auch. Beim Ausschalten bist du mindestens Faktor 10 schneller. 
Passt also.

> Rs ist ein Shunt, über den ich, (plus Amplifier INA240A4) den Strom
> bekomme, der durch die Last fließt.

Der muss aber schon sehr klein sein, wenn du von den rund 2V bei 20A 
nicht relevant Spannung verlieren willst.

von HildeK (Gast)


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HildeK schrieb:
> Bei deiner Dimensionierung wird das Einschalten etwa 2µs betragen, das
> Delay auch. Beim Ausschalten bist du mindestens Faktor 10 schneller.
> Passt also.

Die Zeiten stimmen leider nicht ganz, mit deiner Dimensionierung (R1, 
R2, R4) und der Verwendung des bipolaren Transistors ist man etwas 
langsamer, ca. 5µs und der Faktor ist nur beim FET als Treiber um den 
Faktor 10 schneller, mit dem NPN ist es eher der Faktor 2.
Passt aber immer noch.

von Lucas G. (elding)


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Darüber

2aggressive schrieb:
> Den Spannungsabfall deiner Kabellage (Strassenbahnschienen?)

und darüber

Falk B. schrieb:
> Mädchen.

musste ich lachen. 😀
Danke für die Antworten.

Falk B. schrieb:
> Tut sie auch. Aber ich sehe schon wieder andere Probleme auf dich
> zukommen. Hohe Ströme und kleine Spannungsabfälle korrekt und schnell
> messen.

Den Strom muss ich nicht schnell messen können. Den messe ich entspannt 
zwischen den Schaltvorgängen. Nur die Spannung muss ich schnell und 
möglichst genau messen können. Mal sehen wie ichs mache, falls es mit 
dem ADC des Arduinos nicht klappt. Notfalls muss ich mir was einfallen 
lassen. Vielleicht ein Operationsverstärker. Die kann man doch so 
einsetzen, dass sie die Differenz zu einer Referenzspannung, also meinen 
2,546V "berechnen" und verstärken?

Falk B. schrieb:
> Das ist relativ einfach zu erreichen. Du kannst dir den ganzen Kokolores
> auch sparen und nimmst einfach einen fertigen MOSFET-Treiber, ICL7667 &
> Co.

Hmm ich hab mir den ganzen Kokolores bewusst angetan um auf dem Weg noch 
was zu lernen. Aber das habe ich ja auch. Vielleicht setze ich 
tatsächlich so einen Treiber ein. Der kann ja beide Richtungen schnell 
schalten. Und braucht bis auf die drei Kondensatoren keine extra 
Beschaltung. Über C_L kann ich dann die Zeit einstellen, wenn ich das 
richtig sehe?
Ist die rise/fall time dann unabhängig von der Gatekapazität?


2aggressive schrieb:
> -Zu deinen 46mV "Überspannung", um auf "glatte" Spannungen zu kommen: du
> könntest mehrere Mosfets parallel schalten, aber Vorsicht, dabei hat die
> Treiberstufe dann gegen höhere Kapazitäten zu kämpfen, wird also
> langsamer.

Ja, die 46mV sind eher symbolisch gedacht. Meinen Wandler kann ich von 
unter 1,4 bis 3,3V einstellen. Dem ist das prinzipiell egal ob da 46mV 
oder 460mV auf dem Weg abfallen. Ich werde wohl einen P, vielleicht 
sogar PID-Regler verwenden um die Spannung so einzustellen dass ich 
meinen gewünschten Strom am Element bekomme.
Für die paar Millivolt mache ich da nicht dem Umstand mehrere Mosfets 
parallel zu schalten. Vielleicht einen zweiten, wenn ich tatsächlich den 
ICL7667 verwende, der hat ja eh zwei Ausgänge.

Äxl schrieb:
> dein "digitalWrite" ist auch nicht sonderlich schnell. Bedenke das.
> Die zuleitungsinduktivitäten werden Dir eine weit höhere Spannung
> 'bescheren', als Dir lieb sein wird. Vllt. ist es sogar angebracht, nach
> dem Abschalten "ein wenig" zu warten...

Oh, tatsächlich? Ich bin davon ausgegangen, dass das so schnell geht, 
dass ich das vernachlässigen kann. Was die Zuleitungsinduktivitäten 
angeht, guter Einwand. Wenn ich das zusammengebaut habe werde ich das 
mal versuchen das zu messen und ggf. ein paar us warten.

HildeK schrieb:
> Fazit: nicht so kompliziert betrachten 😀.

Ja ich glaube das würde mir ab und zu gut tun. Ich möchte es einfach 
richtig machen.
Da mir die Erfahrung fehlt versuche ich immer mich auf die Datenblätter 
zu stützen.  Wenn aber:

Falk B. schrieb:
> Maximumwerte werden manchmal von
> Juristen festgelegt, nicht von Ingenieuren.

dann bringen die natürlich auch nichts.

Allerdings hatte ich das mit der Threshold Voltage am Gate schon 
verstanden. Mir ging es nur um die Auslegung von R1. Wenn der Transistor 
leitend ist und das Gate restlos entladen fließt ja weiter ein Strom 
über R1. Und den berechne ich dann mit (12V - V_CE)/R1. Und die Leistung 
dann mit I_R1 * (12V - V_CE). Deswegen wollte ich gerne verstehen wie 
groß V_CE in dem Fall ist.


HildeK schrieb:
> Das Delay kommt daher, dass einmal der Transistor vom leitenden in den
> sperrenden Zustand kommen muss - das ist deutlich langsamer als
> umgekehrt, weil er vorher in Sättigung war.

Ok. Das bedeutet dann ja dass das "Ausschalten" des Mosfets auch 
bezüglich des Delays der Transistorstufe schneller geht als das 
"Einschalten"? Da hab ich das ja unbewusst richtig gemacht

HildeK schrieb:
> Beide Schaltflanken am FET sollten unabhängig von deinen anderen
> Randbedingungen nicht zu langsam sein, weil sich sonst der FET zu lange
> im aktiven Bereich bewegt und heizt.

Ja, das sie nicht zu langsam sein sollten verstehe ich.

HildeK schrieb:
> Aber bei <10µs ist das kein
> Problem.

Das dachte ich mir auch.

HildeK schrieb:
>> Rs ist ein Shunt, über den ich, (plus Amplifier INA240A4) den Strom
>> bekomme, der durch die Last fließt.
>
> Der muss aber schon sehr klein sein, wenn du von den rund 2V bei 20A
> nicht relevant Spannung verlieren willst.

Ich möchte einen Shunt mit 0,5 mOhm verwenden. Darüber sollten bei 20A 
nur 10mV abfallen.

von Falk B. (falk)


Lesenswert?

Lucas G. schrieb:

>> Tut sie auch. Aber ich sehe schon wieder andere Probleme auf dich
>> zukommen. Hohe Ströme und kleine Spannungsabfälle korrekt und schnell
>> messen.
>
> Den Strom muss ich nicht schnell messen können. Den messe ich entspannt
> zwischen den Schaltvorgängen. Nur die Spannung muss ich schnell und
> möglichst genau messen können.

Was ist "schnell" und "genau" für dich?

> Mal sehen wie ichs mache, falls es mit
> dem ADC des Arduinos nicht klappt.

Soo schlecht ist der nicht.

> Notfalls muss ich mir was einfallen
> lassen. Vielleicht ein Operationsverstärker. Die kann man doch so
> einsetzen, dass sie die Differenz zu einer Referenzspannung, also meinen
> 2,546V "berechnen" und verstärken?

Das macht dein ADC schon.

> schalten. Und braucht bis auf die drei Kondensatoren keine extra
> Beschaltung.

Welche 3 Kondensatoren?

> Über C_L kann ich dann die Zeit einstellen, wenn ich das
> richtig sehe?

Welches C_L?

> Ist die rise/fall time dann unabhängig von der Gatekapazität?

Nö. Aber für deine Anwendung mehr als schnell genug.

> sogar PID-Regler verwenden um die Spannung so einzustellen dass ich
> meinen gewünschten Strom am Element bekomme.

Naja, viel Spaß damit.

> Für die paar Millivolt mache ich da nicht dem Umstand mehrere Mosfets
> parallel zu schalten.

Dein 3mOhm MOSFET reicht, sooo viel sind 20A auch wieder nicht.

>> dein "digitalWrite" ist auch nicht sonderlich schnell. Bedenke das.
>> Die zuleitungsinduktivitäten werden Dir eine weit höhere Spannung
>> 'bescheren', als Dir lieb sein wird. Vllt. ist es sogar angebracht, nach
>> dem Abschalten "ein wenig" zu warten...
>
> Oh, tatsächlich? Ich bin davon ausgegangen, dass das so schnell geht,
> dass ich das vernachlässigen kann.

Kann man im Wesentlichen auch. digitalWrite() braucht ca. 8us. Ein 
direkter Portzugriff ist zwar deutlich schneller, eher so 0,1us, ist 
hier aber nicht so tragisch.

>>> Rs ist ein Shunt, über den ich, (plus Amplifier INA240A4) den Strom
>>> bekomme, der durch die Last fließt.
>>
>> Der muss aber schon sehr klein sein, wenn du von den rund 2V bei 20A
>> nicht relevant Spannung verlieren willst.
>
> Ich möchte einen Shunt mit 0,5 mOhm verwenden. Darüber sollten bei 20A
> nur 10mV abfallen.

Nicht sonderlich sinnvoll, damit schraubst du die Anforderungen an 
deinen INA nur unnötig hoch. Wenn du mit nur 1% Fehler messen willst, 
kannst du dir nur 0,1mV = 100uV Fehler leisten, darin müssen Offset und 
andere Fehler vom OPV unterkommen. Ich würde mal lieber in Richtung 
50-100mV gehen, und selbst das ist sportlich. Die kann man am Ende ja 
rausrechnen, wenn du sowieso die Zellenspannung mißt.

von Lucas G. (elding)


Lesenswert?

Falk B. schrieb:
>> Ich möchte einen Shunt mit 0,5 mOhm verwenden. Darüber sollten bei 20A
>> nur 10mV abfallen.
>
> Nicht sonderlich sinnvoll, damit schraubst du die Anforderungen an
> deinen INA nur unnötig hoch. Wenn du mit nur 1% Fehler messen willst,
> kannst du dir nur 0,1mV = 100uV Fehler leisten, darin müssen Offset und
> andere Fehler vom OPV unterkommen. Ich würde mal lieber in Richtung
> 50-100mV gehen, und selbst das ist sportlich. Die kann man am Ende ja
> rausrechnen, wenn du sowieso die Zellenspannung mißt.

Hm, so hab ich gar nicht drüber nachgedacht. Mein Gedanke war, der INA 
hat 200V/V Verstärkung, damit komme ich auf 2V bei 20A raus, was ein 
Bereich ist  den man schön messen kann.
Ich wollte vorallem die Verlustleistung minimieren, deswegen habe ich so 
einen kleinen Widerstand gewählt.


Falk B. schrieb:
>> sogar PID-Regler verwenden um die Spannung so einzustellen dass ich
>> meinen gewünschten Strom am Element bekomme.
>
> Naja, viel Spaß damit.

Bin auch nur mäßig glücklich darüber. Hatte ja in meiner Antwort an Udo 
schon erklärt warum ich mich so entschieden habe. Heute hat mein 
Betreuer (Bachelorarbeit) nochmal zusätzlich gesagt, dass er gerne den 
DC/DC Wandler behalten möchte, weil er schon einsatzerprobt ist.

Falk B. schrieb:
>> schalten. Und braucht bis auf die drei Kondensatoren keine extra
>> Beschaltung.
>
> Welche 3 Kondensatoren?

Laut Datenblatt sind an dem ICL7667 noch ein 4,7uF Elko parallel zu 
einem 0,1uF KerKo zwischen V+ und GND geschaltet (ist ja eigentlich 
Standard bei IC's, zumindest der Kleine) und zwischen OUTPUT und GND 
gibt's einen mit 1000 pF
https://www.renesas.com/us/en/document/dst/icl7667-datasheet?language=en
auf page 3/11


Falk B. schrieb:
> Was ist "schnell" und "genau" für dich?

Am liebsten schon 10us nach Ausschalten des Stroms. Da bin ich aber 
durch den ATMega begrenzt auf 100us. Bisher wurde 10us nach dem 
Ausschalten mit einem externen Oszilloskop gemessen. Diese Messung soll 
der uC jetzt selber übernehmen. Ich muss noch testen ob 100us da 
wirklich ausreichen.
Aber es geht nicht so sehr darum, die Spannung direkt nach dem 
Ausschalten zu messen, solange man sie immer mit der gleichen 
Verzögerung misst. Dann kann man die Messungen untereinander vergleichen 
und feststellen ob sich der Widerstand ändert.

Wichtiger ist da die Genauigkeit.
Ich kann morgen nochmal in die Aufzeichnung des Oszi schauen. Dann kann 
ich sagen wie genau es sein sollte. Ich befürchte aber die 4,9mV 
Auflösung des Arduinos reichen nicht aus..
Wenn ich jedoch einen genaueren, externen ADC verwende den ich erst noch 
mit I²C oder SPI auslesen muss dauert das wahrscheinlich nochmal länger 
als die eh schon langen 100us.

Eine Alternative wäre vielleicht, einen Arduino Due statt nem Mega zu 
verwenden. Der ist sowohl schneller als auch genauer.

Das hätte ich auch schon längst gemacht aber was mich da zurückhält ist 
die, vielleicht unbegründete, Angst, dass der Due, bzw genauer gesagt 
die CPU des Dues komplizierter zu beschalten ist.
Am Ende soll ich (und muss ich aus Platzgründen) den Mikrocontroller auf 
meine Platine integrieren. Ich darf dabei nicht einfach einen Arduino 
auflöten sondern ich muss ihn quasi nachbauen. Ich vermute dass es da 
zum Mega mehr Material/Dokumentation gibt, da dieser älter/besser 
bekannt ist und ich bestimmt nicht der erste mit dem Vorhaben bin. Mit 
dem hab ich auch schon oft programmiert, damit fühle ich mich wohl. 
Außerdem arbeitet der Due nur mit 3,3V. Ach ich weiß nicht.

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