N-Kanal MOSFET (nicht LogicLevel!) an µC (3,3V)

[Heiko S. (tux70)]

Hallo zusammen,

bin - was das Thema Transistoren & MOSFETs betrifft - ziemlicher 
Anfänger, aber wissbegierig ;-)

Ich habe mir momentan folgende Herausforderung gestellt:

Ich möchte mit einem Signal 0V/3,3V (µC) ein LED-Band (12V, max. 2A) 
ansteuern - ein/ausschalten, aber auch dimmen mit PWM. Das Erste, was 
mir dazu einfällt wäre ein MOSFET um das LED-Band zu steuern. Aufgrund 
des noch relativ niedrigen Stroms, der durch das LED-Band fließt, könnte 
ein Logic-Level MOSFET gerade so passen (je nach Spezifikation...). Aus 
"sportlichen" Gründen (und weil ich derzeit keinen Logic-Level MOSFET 
verfügbar habe) möchte ich einen "normalen" N-Kanal MOSFET (10Vgs) mit 
einer vorgeschalteten Transistorstufe ansteuern (ja, der "sportliche" 
Aspekt ist hier primäre Triebfeder!!!). Über die Dimensionierung der 
Widerstände bzw Transistoren möchte ich (noch) gar nicht sprechen, es 
geht mir hauptsächlich darum, das Prinzip zu verstehen bzw. zu 
verstehen, warum man z.B. etwas "so nicht" macht.

Meine Idee ist nun folgende:

Schritt 1 - NPN-Transistor als Schalter:

* Die Basis des Transistors T1 (NPN) wird über einen Widerstand R1 vom 
µC angesteuert (LOW 0V / HIGH 3,3V)
* Der Kollektor von T1 ist über einen Widerstand R2 mit +12V verbunden
* Der Emitter von T1 liegt auf GND
Bei 0V vom µC ist T1 gesperrt => die 12V fallen an ihm ab. Bei 3,3V vom 
µC schaltet T1 durch => kein (ok, minimaler...) Spannungsabfall an T1.

So weit so gut, nur müsste ich jetzt das Gate des N-Kanal MOSFETs 
(Source an GND und Drain via RL -  LED-Band - an +12V) am Kollektor von 
T1 ansteueren, was zu einer Invertierung führt => µC 3,3V => kein 
Spannungsabfall an T1 => keine Spannung am Gate => MOSFET sperrt / µC 0V 
=> 12V Spannungsabfall an T1 => MOSFET schaltet durch.

Siehe Datei "schritt1.jpg"


Schritt 2 - PNP-Transistor als Schalter (gesteuert von T1)

* Der Widerstand R2 wird anstelle der +12V mit der Basis von T2 (PNP) 
verbunden
* Der Emitter von T2 wird auf die +12V geschaltet
* Zwischen Kollektor T2 und GND wir ein Widerstand R3 geschaltet.
T2 ist so lange gesperrt bis T1 durchgeschaltet ist und die Basis von T2 
somit über den Widerstand R2 auf GND geschaltet wird. Ist T2 
durchgeschaltet fällt an R3 (fast) die komplette Spannung ab.

Wenn jetzt R3 durch zwei Widerstände R3a und R3b im Verhältnis 1:5 
ausgetauscht (Reihenschaltung) wird erhält man einen Spannungsteiler, 
welcher an R3b eine Spannung von rund 10V (bei durchgeschaltetem T2) für 
das Gate des MOSFETs bereitstellt.

Die Anforderung, dass das LED-Band bei HIGH vom µC leuchtet und bei LOW 
abgeschaltet ist wäre hiermit ebenso erfüllt wie der Wunsch, dass der 
MOSFET ordentlich durchgeschaltet ist.

Siehe Datei "final.jpg"


Tatsächlich funktioniert die Schaltung bei einem Testaufbau auf dem 
Steckbrett (allerdings ist die Last durch RL um ein vielfaches 
geringer).

Es geht mir jetzt nicht darum zu hören, dass ein Logic-Level MOSFET doch 
direkt angesteuert werden kann und dass die max. 2A ja ohnehin kein 
Problem darstellen sollte (auch wenn der MOSFET nicht ganz 
durchgesteuert ist). Wie gesagt, es geht hierbei nicht nur um die 
Funktion, sondern auch um das allgemeine Verständnis Transistor/MOSFET 
meinerseit.

Jetzt bin ich gespannt auf Eure Meinung  Ideen  Anregungen / 
Kritik....

Vorab schon mal vielen Dank!

Heiko

[hacker-tobi (Gast)]

Hi,

mache es dir doch einfacher:

Du schaltest mit dem yc einen p kanal logic level fet. Dessen drain 
kommt an Masse. Der source über einen widerstand von z.b. 1k nach plus.

Das gate vom fet verbindest du jetzt ebenfalls mit dem source des 
steuerfet .

Ergebnis: ist der yc pin low, öffnet der steuerfet und schließt die 
gatespannung des leistungsfet kurz. Ist der pin high, sperrt der 
steuerfet und der leistungsfet sieht 10v gate Spannung und öffnet.

[Georg M. (g_m)]

Heiko S. schrieb:
> Wie gesagt, es geht hierbei nicht nur um die
> Funktion, sondern auch um das allgemeine Verständnis Transistor/MOSFET
> meinerseit.

Für die PWM muss die Gate-Kapazität schnell aufgeladen und entladen 
werden: nicht nur aufgeladen bzw. nur entladen.

[MaWin (Gast)]

Heiko S. schrieb:
> Tatsächlich funktioniert die Schaltung

Beides geht, R3a kann entfallen, so genau, ob 10V oder 12V, nimmt es der 
Standard-MOSFET nicht, der zerplatzt erst bei 20V.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

R4 sollte noch vorgesehen werden, damit T2 vernünftig sperren kann. R3a 
könnte bei 12V zwar entfallen, aber bei einer 24V Variante ist er dann 
doch wieder erforderlich.

Wie hoch ist denn die PWM-Frequenz? Evtl. müsste man dann doch noch mal 
über eine Push-Pull-Treiberstufe nachdenken.

[Heiko S. (tux70)]

Zunächst schon mal vielen Dank all denen, die geantwortet haben.

Das Thema P-Kanal LogicLevel FET als Treiber hört sich in der Tat 
interessant an und ist vermutlich eine weitaus praktischere Lösung, die 
ich mir gesondert noch mal zu Gemüte führen werde. Zunächst möchte ich 
gerne die ursprüngliche Schaltung verstehen und weiter optimieren (wie 
gesagt nicht aus praktischen, sondern aus "sportlichen" Gründen)

Ich versuche mal die Anpassungen zu beschreiben und zu begründen (in der 
Hoffnung, dass ich es richtig verstanden habe - bitte korrigiert mich 
falls ich falsch liege!):

R4 habe ich wie vorgeschlagen integriert, er dient als Pull-Up um die 
Basis von T2 auf die 12V zu bekommen, damit er sicher und zügig sperren 
kann, richtig?

Ich hatte schon befürchtet, dass das Thema PWM im Zusammenhang mit dem 
Gate des MOSFETs eine Herausforderung darstellt... Das Gate verhält 
sich, wenn ich das richtig verstanden habe, wie ein Kondensator. Dies 
wiederum bedeutet, dass es, je nach Lade- bzw Entladestrom, ein Weilchen 
dauert, bis der jeweilige Zustand (geladen/entladen) erreicht ist. In 
der Zeit des Ladens bzw. Entladens ist der MOSFET nicht mehr voll 
durchgeschaltet bzw. vollständig gesperrt, somit wird eine entsprechend 
Leistung am MOSFET verbraten. Dieser Zustand ist "eigentlich" recht kurz 
und stellt "eigentlich" kein Problem da, es sei denn, diese 
Ein-/Ausschaltphasen passieren entsprechend oft. Genau diese Situation 
tritt bei PWM mit höheren Frequenzen auf, daher muss sichergestellt 
sein, dass diese Phasen sehr schnell vorüber gehen. Mit anderen Worten: 
maximaler Strom beim Laden und Entladen. Um das zu Erreichen wurde T3 
(für's Laden) und T4 (für's Entladen) der Schaltung hinzugefügt.

Wenn ich jetzt mal außer acht lasse, dass am Gate des MOSFETs (durch das 
entfernen des Spannungsteilers R3a/R3b) +12V anliegen, müsste das jetzt 
auch bei höheren PWM Frequenzen funktionieren, oder?

Apropos PWM Frequenz: ich dachte zunächst an eine Frequenz um die 500Hz 
aber das kann ich vergessen, da ich sehr empfindlich auf das Pulsen der 
LED reagiere. Nachdem ich es unter Realbedingungen getestet habe, muss 
ich wohl mit min. 10kHz  arbeiten, damit es auch bei kurzen 
Einschaltphasen noch erträglich bleibt.

Noch eine Frage zur Gate Spannung: ich habe mir hin und her überlegt wie 
ich diese auf die 10V bekommen kann, ohne dass ich die Funktion der 
Push-Pull Stufe nachhaltig beeinflusse (aus diesem Grund ist auch der 
Spannungsteiler R3a/R3b rausgeflogen). Würde ich einen Spannungsteiler 
vor dem Gate aufbauen müsste dieser ja sehr niederohmig sein, sonst wäre 
der Lade-/Entladestrom zu sehr begrenzt. Andererseits belaste ich, wenn 
ich ihn sehr niederohmig auslege, T3 erheblich (Ice), da dessen Emitter 
ja dann über die Widerstände des Spannungsteilers auf GND liegt. Auch 
die Leistung, die an den Widersänden selbst verbraten wird ist dann 
nicht unerheblich.

Da wäre ich für eine Idee echt dankbar.

[Dieter H. (kyblord)]

T3 und T4 gehören vertauscht

[Heiko S. (tux70)]

Dieter H. schrieb:
> T3 und T4 gehören vertauscht
Das würde dann aber die Funktion invertieren, oder?
Wenn man die Position von T3 und T4 in der Schaltung vertauscht, würde 
T3 (npn) bei anliegenden 12V an der Basis leitend werden wohingegen T4 
(pnp) sperrt, somit kann die Ladung vom Gate des MOSFETs abfließen. Bei 
0V an der Basis würde T4 (pnp) durchschalten und T3 sperren somit liegen 
am Gate des MOSFETs 12V an. Soweit so gut, nur, dass dann eben die 
Funktion invertiert ist... allerdings... ich muss mir das morgen nochmal 
in Ruhe ansehen... ;-)

[MaWin (Gast)]

Dieter H. schrieb:
> T3 und T4 gehören vertauscht

Autsch, dann knallt's.

Man braucht T4 wenn das Entladen des MOSFET über R3 zu lange dauert.

Aber T3 braucht man eigentlich nicht, eine Diode die den Strom von T2 
zum Gate leitet reicht eigentlich.

[Dieter H. (kyblord)]

MaWin schrieb:
> Dieter H. schrieb:
>> T3 und T4 gehören vertauscht
>
> Autsch, dann knallt's.

ich will den thread nicht kapern, aber wieso würde es dann knallen? weil 
der strom ohne R in das gate vom fet reingeht?

[MaWin (Gast)]

Dieter H. schrieb:
> wieso würde es dann knallen?

2 EB-Diodenstrecken in Reihe zwischen +12V und GND ohne Strombegrenzung 
knallen halt.

[Das R. (Firma: Verliererland) (verlierer)]

MaWin schrieb:
> Aber T3 braucht man eigentlich nicht, eine Diode die den Strom von T2
> zum Gate leitet reicht eigentlich.

Na dann stelle ich den Schaltplan der alten Hoverboard Controller auch 
hier zur Diskussion :-)

[BS (Gast)]

“Shematic“, das Hoverboard für Frauen!
Für Männer heißt das dann “Hematic“, oder?
Und für beide gibt es einen “schematic“, vielleicht sogar mit 
“Schottky“-Dioden drauf.

Sorry, could not resist.

[Heiko S. (tux70)]

Wenn ich mal das Hoverboard-Thema beiseite lassen und auf das "Knallen" 
zurückkommen darf ;-) ...

Ja, es wird - soweit ich das kapier' - tatsächlich knallen wenn T3 und 
T4 getauscht werden, nur die Erklärung war im ersten Moment für mich 
nicht ganz verständlich. Ich versuch's mal mit meinem Worten zu sagen 
(bitte um Korrektur falls es nicht stimmt!):

T4 (pnp) würde mit seinem Emitter an +12V liegen. Die Basis wäre mit der 
Basis von T3 (npn) verbunden. Ok, jetzt hätte es klingeln können... An 
der Basis von T4 liegen 12V ("vom Emitter kommend") an und wollen 
Richtung GND um den Transistor durchzuschalten. Das können sie auch und 
zwar nicht nur über den Widerstand R3, sondern auch über die Basis von 
T3 (npn), dessen Emitter auf GND liegt und sich jetzt tierisch freut, 
auch durchschalten zu können. Somit kann der Strom nicht nur über die 
Basis von T4 zu T3 sondern auch (da beide Transistoren durchgeschaltet 
sind) über den "direkten" Weg von +12V über Emitter-Kollektor T4 weiter 
über Kollektor-Emitter T3 zu GND was beide Tranststoren grillen würde. 
Dem nicht genug, der Strom kann auch (im Wesentlichen) ungehindert über 
die Basis zu GND. All das zusammen führt dann unweigerlich zum besagten 
"Knall" und dem aromatisieren der Umgebungsluft, richtig?

[Axel R. (axlr)]

mach in T2 einfach einen Emitterwiderstand rein. R4 kannst Du durch zwei 
Dioden in Flussrichtung ersetzen. T2 arbeitet dann als geschaltete 
Konstantstromquelle, R3 machst Du dann so groß, dass an ihm 10.7xyV 
abfallen.
Dann hast Du 10Volt am Gate.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Heiko S. schrieb:
> Da wäre ich für eine Idee echt dankbar.

Dann baue einfach noch einen R5 ein. Wenn R1, R2, R3 und R4 einen 
Widerstandswert von 4k7 haben, dann muss R5 etwa 1k groß sein, dann 
kommen am Ausgang max. 10V raus. Evtl. könntest du noch einen 47R 
Widerstand vor das Gate bauen.

[Hans B. (Gast)]

Mit dem pushpull Treiber können sehr kurze Schaltzeiten erreicht werden.
Das ist gut für geringe Schaltverluste aber es gibt auch Folgeeffekte:
Die (lange) Zuleitung vom Netzteil (od. von der Batterie) hat auch eine 
Induktivität und deshalb kann der Strom nicht beliebig schnell 
geschaltet werden.
Bei schnellem Einschalten der Last wird die Spannung zuerst abfallen 
-bis der Strom durch die Leitung entsprechend der Induktivität 
angestiegen ist. Beim Abschalten gib's Überspannungen.
Daher: Ein Kondensator (von +12V nach GND) ist nahe an dem Lastkreis 
erforderlich!
Sehr steile Schaltflanken entsprechen hohen Frequenzen - Die Leitungen 
werden HF-Störungen aussenden!
Mit einem einem passenden Gate-Widerstand sollte die 
Schaltgeschwindigkeit begrenzt werden.
Der Gatewiderstand dämpft auch Schwingungen, die beim Schalten entstehen 
können: Die Gatekapazität bildet mit den Leitungsinduktivitäten im 
Gatekreis
einen LC-Schwingkreis! (Schwingungen im MHz-Bereich sind möglich)
Ein langes LED-Band wirkt als Sendeantenne. Sehr lange Leitungen zur 
Last können Freilaufdioden erforderlich machen.

[Helge (Gast)]

Heiko S. schrieb:
> Aus "sportlichen" Gründen (...)

Schau mal. Das ist ein totem pole Ausgang, ungefähr so waren auch 
TTL-Ausgänge gebaut. Damit läßt sich schon ganz brauchbar umschalten.

[MaWin (Gast)]

Das R. schrieb:
> Na dann stelle ich den Schaltplan der alten Hoverboard Controller auch
> hier zur Diskussion

C2 und C3 machen mir da Sorgen, man nimmt potente Treiber um die 
Gate-Kapazität schnell umladen zu können und erhöht sie dann durch einen 
Kondensator ?

[MaWin (Gast)]

Helge schrieb:
> Schau mal. Das ist ein totem pole Ausgang, ungefähr so waren auch
> TTL-Ausgänge gebaut. Damit läßt sich schon ganz brauchbar umschalten.

Vorsicht, ohne zusätzliche Diode (siehe TTL) wird das nichts, UCE ist 
nicht unbedingt kleiner als UBE-UCE.

[Helge (Gast)]

Stimmt, das machts sicherer.

[Hans B. (Gast)]

MaWin schrieb:
> C2 und C3 machen mir da Sorgen, man nimmt potente Treiber um die
> Gate-Kapazität schnell umladen zu können und erhöht sie dann durch einen
> Kondensator ?

Die Kondensatoren helfen, einen "self turn on" zu vermeiden.
Sonst könnten beide Mosfet gleichzeitig leiten und zerstört werden.
Siehe Seite 24 in der Toshiba AN "Mosfet drive circuit":
file:///C:/Users/bauer/AppData/Local/Temp/application_note_en_20180726_A 
KX00068.pdf

[Hans B. (Gast)]

link jetzt richtig (zum "Mosfet drive circuit")

https://www.google.at/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwjX09fZpobzAhUypIsKHSVtAqIQFnoECAwQAQ&url=https%3A%2F%2Ftoshiba.semicon-storage.com%2Finfo%2Fdocget.jsp%3Fdid%3D59460&usg=AOvVaw3gU3dNaapNcjGpSTQ0hDvO

[Firlefanz (Gast)]

Hans B. schrieb:
> Das ist gut für geringe Schaltverluste aber es gibt auch Folgeeffekte:
> Die (lange) Zuleitung vom Netzteil (od. von der Batterie) hat auch eine
> Induktivität und deshalb kann der Strom nicht beliebig schnell
> geschaltet werden.
> Bei schnellem Einschalten der Last wird die Spannung zuerst abfallen
> -bis der Strom durch die Leitung entsprechend der Induktivität
> angestiegen ist. Beim Abschalten gib's Überspannungen.

Dafür gibt es seit mehreren Jahrzehnten Elkos, bzw Lo-ESR, oder 
Organische Kondis. Die plaziert man auf die Schaltung, und schon ... 
schwupps, macht das lange Kabel gar nicht mehr soviel aus.

In fast allen Elektronik geräten, Sat-Receiver, TV's sind die Kerle 
verbaut.

[J. L. (Gast)]

Dieter H. schrieb:
> MaWin schrieb:
>> Dieter H. schrieb:
>>> T3 und T4 gehören vertauscht
>>
>> Autsch, dann knallt's.
>
> ich will den thread nicht kapern, aber wieso würde es dann knallen? weil
> der strom ohne R in das gate vom fet reingeht?

Nein, weil so doch sowohl der NPN als auch der PNP zugleich EIN wären.

(Und das eben auch ohne Widerstand seriell = fast sichere Zerstörung,
nur selten ist die Versorgung "stromschwach" genug, daß nicht.)

Das wird bei der zuvor gezeigten Schaltung (PNP "unten" und NPN "oben")
ausgeschlossen.

Das Eingangssignal muß auch sowohl beim Anstieg als auch beim Abfall
insgesamt zwei BE-Diodenstrecken "überwinden" - dadurch ist eben das
Resultat am Ausgang auch etwas steilflankiger als eingangs.

("Signalformung durch Umschaltschwelle" könnte man das evtl. nennen).

Aus diesen Gründen (weil so simpel und doch so vorteilhaft) ist sie
"DIE Standard - Push-Pull-Stufe" für Schalt- bzw. Treiber- Zwecke.

(Weswegen @Michael oben auch einfach sagte "eine Push-Pull-Stufe", und
fast jeder sofort annahm, er werde wahrscheinlich genau_die meinen.)

[Das R. (Firma: Verliererland) (verlierer)]

Hans B. schrieb:
> MaWin schrieb:
>> C2 und C3 machen mir da Sorgen, man nimmt potente Treiber um die
>> Gate-Kapazität schnell umladen zu können und erhöht sie dann durch einen
>> Kondensator ?
>
> Die Kondensatoren helfen, einen "self turn on" zu vermeiden.
> Sonst könnten beide Mosfet gleichzeitig leiten und zerstört werden.
> Siehe Seite 24 in der Toshiba AN "Mosfet drive circuit":

Du meinst wohl Seite 18 (die pdf hat nur 22 Seiten):

"(1) Adding a capacitor between the gate and source terminals:
The capacitor inserted between the gate and source terminals absorbs the 
drain-gate current caused by dv/dt. This circuit is shown in Figure 
4.10. Since the gate-source capacitor is connected in parallel with Cgs 
inside the MOSFET, the gate charge increases. If the gate voltage is 
fixed, you can keep the switching speed of the MOSFET unchanged by 
changing the gate resistor value, but this increases the drive power 
consumed."

[Hans B. (Gast)]

...gemeint war die Seite 21 (leider hab ich 24 getippt) ... hier steht 
das über den Zweck: "reduce self-turn-on voltage"

Next, as shown in Figure 4.15, we added a capacitor between the gate and 
source terminals of the MOSFET Q1 to the circuit shown in Figure 4.12. 
The purpose of this capacitor is to absorb a gate current (Cgd・dvDS / 
dt) in order to reduce a gate voltage due to the gate resistor and 
thereby reduce self-turn-on voltage.
Figure 4.16 shows the improved waveform. Since the addition of the 
gate-source capacitor changes the MOSFET switching time, its capacitance 
and the gate resistance should be adjusted together.

[Heiko S. (tux70)]

@Helge & MaWin: das mit dem "totem pole" ist in der Tat auch ein 
interessanter Ansatz, aber kann es sein, dass hierbei das Signal 
invertiert wird?