Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schneller, stromsparender PowerMOS Optokoppler-Treiber (LT Spice sim angehängt)


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von Thomas (Gast)


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Hi zusammen,

um mehrere 10A/40V PV Module schnell zu- und wieder weggeschalten zu 
können (und eventuell auch mittels PWM zu modulieren), hab ich nach 
einer stromsparenden Möglichkeit gesucht einen Power-MOSFET über 
Optokoppler schnell zu schalten.
Anbei das Resultat, eventuell kann es ja noch jemand brauchen.

Das ganze zieht im statischen Fall auf der Leistungsseite ~50uA (welche 
den PowerMOS mit 10V treibt) und auf der Steuerseite 1mA (bei 3.3V).
Bei 100kHz PWM und 5nF Kapazität geht das ganze auf ~8mA auf der 
Leistungsseite hoch, was hauptsächlich durch das Umladen der 5nF bedingt 
ist. Hohe Querströme des Treiber-Inverters (BSS123 & BSS84) werden durch 
die Common-Gate Stufen vermieden. Geschwindigkeiten der Optokoppler wird 
ebenfalls mittels Kaskodensufen maximiert.

Flankensteilheit (10-90%) bei 5nF Gatekapazität beträgt ca 250ns.

Dazu kommt dann noch eine charge-pump um den NMOS als High-Side switch 
zu verwenden (günstiger als PMOS mit ähnlichen Ron). Kann ich bei 
Interesse dann auch noch teilen.

: Verschoben durch Moderator
von H. H. (Gast)


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Was für ein Aufwand! Dabei gibt es passende Teile schon seit vielen 
Jahren.

von Thomas (Gast)


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Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder anderen 
Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?

von Falk B. (falk)


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Thomas schrieb:
> Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder anderen
> Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?

Sonst noch irgendwelche "sinnvollen" Randbedingungen? Vielleicht mit 
Erdbeergeschmack?

Vor allem. Wozu muss man PV-Module schnell schalten oder gar per PWM 
modulieren?

: Bearbeitet durch User
von Thomas (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder anderen
>> Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?
>
> Sonst noch irgendwelche "sinnvollen" Randbedingungen? Vielleicht mit
> Erdbeergeschmack?

Schlecht geschlafen? :D
Es soll auch Privatleute geben, die nicht so leicht an Spezialbauteile 
kommen. Die Bauteile oben kosten ~1€. Und die 40uA statischen 
Stromverbrauch auf der Lastseite muss ein IC auch erstmal schlagen.

Wenn jemand vergleichbare Fertiglösungen kennt, dann bitte her damit. 
Damit ist allen geholfen.

von Falk B. (falk)


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Thomas schrieb:
> Schlecht geschlafen? :D
> Es soll auch Privatleute geben, die nicht so leicht an Spezialbauteile
> kommen. Die Bauteile oben kosten ~1€. Und die 40uA statischen
> Stromverbrauch auf der Lastseite muss ein IC auch erstmal schlagen.

Man nehme Dr. Oetker, ähhh, ich meine ein IC der 4000er Familie, z.B. 
ein 4069, 6fach Inverter. Da kann man mehrere Gatter parallel schalten, 
fertig ist der stromsparende MOSFET-Treiber. Dann braucht es auch nur 
EINEN Optokoppler, z.B. 6N136.

von Thomas (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> Schlecht geschlafen? :D
>> Es soll auch Privatleute geben, die nicht so leicht an Spezialbauteile
>> kommen. Die Bauteile oben kosten ~1€. Und die 40uA statischen
>> Stromverbrauch auf der Lastseite muss ein IC auch erstmal schlagen.
>
> Man nehme Dr. Oetker, ähhh, ich meine ein IC der 4000er Familie, z.B.
> ein 4069, 6fach Inverter. Da kann man mehrere Gatter parallel schalten,
> fertig ist der stromsparende MOSFET-Treiber. Dann braucht es auch nur
> EINEN Optokoppler, z.B. 6N136.

Für 100kHz? Mit 250ns rise/fall-time bei 5nF?
Nee...

von Falk B. (falk)


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Thomas schrieb:
>> Man nehme Dr. Oetker, ähhh, ich meine ein IC der 4000er Familie, z.B.
>> ein 4069, 6fach Inverter. Da kann man mehrere Gatter parallel schalten,
>> fertig ist der stromsparende MOSFET-Treiber. Dann braucht es auch nur
>> EINEN Optokoppler, z.B. 6N136.
>
> Für 100kHz? Mit 250ns rise/fall-time bei 5nF?
> Nee...

Ok, das wird eher eng, aber dafür gibt es andere, auch sehr 
stromsparende Treiber.

von Thomas (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Thomas schrieb:
>>> Man nehme Dr. Oetker, ähhh, ich meine ein IC der 4000er Familie, z.B.
>>> ein 4069, 6fach Inverter. Da kann man mehrere Gatter parallel schalten,
>>> fertig ist der stromsparende MOSFET-Treiber. Dann braucht es auch nur
>>> EINEN Optokoppler, z.B. 6N136.
>>
>> Für 100kHz? Mit 250ns rise/fall-time bei 5nF?
>> Nee...
>
> Ok, das wird eher eng, aber dafür gibt es andere, auch sehr
> stromsparende Treiber.

Gibt es ja. zB MCP1407 bei Reichelt. Dazu brauch ich noch einen 
schnellen Optokoppler. Ich hatte davor zB ein H11L1. Die Lösung ist 1. 
teurer und 2. zieht deutlich mehr Strom. H11L1+MCP1407 zB > 1.5mA, statt 
den oben genannten 40uA. Und viel weniger Aufwand hab ich damit auch 
nicht.

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder
> anderen
> Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?

https://www.tme.eu/en/details/ltv-3120m/optocouplers-digital-output/liteon/

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder
>> anderen
>> Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?
>
> https://www.tme.eu/en/details/ltv-3120m/optocouplers-digital-output/liteon/

Feines Teil, nur kriegt man den eben nicht gleich "um die Ecke".
Wenn das kein Hindernis ist, ist das sicherlich die zu bevorzugende 
Variante. Auch wenn er mehr Strom zieht (~2mA auf der Lastseite, 5mA auf 
Steuerseite). Ab dafür treibt er auch 2A. Das ist schon ok, wenn man es 
braucht.

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Thomas schrieb:
>>> Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder
>>> anderen
>>> Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?
>>
>> https://www.tme.eu/en/details/ltv-3120m/optocouplers-digital-output/liteon/
>
> Feines Teil, nur kriegt man den eben nicht gleich "um die Ecke".

Reichelt ist ebenso nicht um die Ecke.


> Wenn das kein Hindernis ist, ist das sicherlich die zu bevorzugende
> Variante. Auch wenn er mehr Strom zieht (~2mA auf der Lastseite, 5mA auf
> Steuerseite).

Alleine für das umladen des Gate mit 100kHz geht ein vielfaches drauf.


> Ab dafür treibt er auch 2A. Das ist schon ok, wenn man es
> braucht.

Man braucht es.


Übrigens gibt es diesen Koppler von verschiedenen Herstellern, das ist 
eben kein Exot.

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> H. H. schrieb:
>>> Thomas schrieb:
>>>> Hast du Beispiele für <1€ und idealerweise bei Reichelt oder
>>>> anderen
>>>> Anbietern mit niedrigen Versandkosten für Privatanwender?
>>>
>>> https://www.tme.eu/en/details/ltv-3120m/optocouplers-digital-output/liteon/
>>
>> Feines Teil, nur kriegt man den eben nicht gleich "um die Ecke".
>
> Reichelt ist ebenso nicht um die Ecke.

Die Teile oben kriegt man auch anderswo ohne Probleme.
Reichelt ist halt günstig vom Versand und auch schnell.

>
>> Wenn das kein Hindernis ist, ist das sicherlich die zu bevorzugende
>> Variante. Auch wenn er mehr Strom zieht (~2mA auf der Lastseite, 5mA auf
>> Steuerseite).
>
> Alleine für das umladen des Gate mit 100kHz geht ein vielfaches drauf.

5mA bei 5nF und 10V. Wenn man immer mit 100kHz ansteuert ist das 
natürlich egal. Aber manchmal ist das Teil ja auch aus...

>> Ab dafür treibt er auch 2A. Das ist schon ok, wenn man es
>> braucht.
>
> Man braucht es.

Bisschen allgemein die Antwort, oder? :)

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> Reichelt ist halt günstig vom Versand und auch schnell.

TME liefert meist innerhalb 24h, und kostet nicht mehr Versand als 
Reichelt.

von Philipp K. (philipp_k59)


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Falk B. schrieb:
>> Für 100kHz? Mit 250ns rise/fall-time bei 5nF?
>> Nee...
>
> Ok, das wird eher eng, aber dafür gibt es andere, auch sehr
> stromsparende Treiber.

die neuen weiterentwickelten 40** Bausteine können das locker toppen.. 
wieso sollte das nicht klappen?

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> Reichelt ist halt günstig vom Versand und auch schnell.
>
> TME liefert meist innerhalb 24h, und kostet nicht mehr Versand als
> Reichelt.

Ah tatsächlich? Dann muss ich mich dort mal genauer umsehen...
Hatte bisher nur Conrad, Reichelt, Semaf und Neuhold für Privatanwender 
im Kopf. Wenn TME auch eine große Auswahl an Einzelstücken an 
Privatpersonen liefert, dann wär das spitze! Danke schonmal für den 
Tipp.

von Thomas (Gast)


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Philipp K. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>>> Für 100kHz? Mit 250ns rise/fall-time bei 5nF?
>>> Nee...
>>
>> Ok, das wird eher eng, aber dafür gibt es andere, auch sehr
>> stromsparende Treiber.
>
> die neuen weiterentwickelten 40** Bausteine können das locker toppen..
> wieso sollte das nicht klappen?

Seit wann liefern die >100mA am Ausgang? Kann durchaus sein, dass ich 
das verschlafen hat, aber hatte um die 1mA Sink/Source im Kopf. Und 
damit kannst keine 5nF in 250ns auf 10V umladen ;)

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> Hatte bisher nur Conrad, Reichelt, Semaf und Neuhold für Privatanwender
> im Kopf.

Nach Österreich kostet es bei TME dann schon etwas mehr, aber mit 9,50€ 
immer noch bezahlbar.

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> Hatte bisher nur Conrad, Reichelt, Semaf und Neuhold für Privatanwender
>> im Kopf.
>
> Nach Österreich kostet es bei TME dann schon etwas mehr, aber mit 9,50€
> immer noch bezahlbar.

Alles klar, danke nochmal. Ist jedenfalls gut zu wissen.
Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des 
geringen Ruhestromverbrauchs, aber wenn ich eine günstige Quelle für 
einen fertigen und halbwegs effizienten Opto-treiber gekannt hätte, 
hätte ich mir das ehrlicherweise erspart ;)

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des
> geringen Ruhestromverbrauchs,

Das geht mit einem Photovoltaikkoppler noch viel besser.

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>
>> Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des
>> geringen Ruhestromverbrauchs,
>
> Das geht mit einem Photovoltaikkoppler noch viel besser.

Für 100 kHz und 250ns Flanken bei 5nF Last?
Das müsstest mir wieder zeigen. Hab ich noch nirgends gesehen, dass ein 
Opto-IC einerseits <100uA Ruhestrom hat und andererseids wenn es sein 
muss ein paar 100mA liefert und <1us Verzögerungszeit hat. Und das für 
einen vergleichbaren Preis?
Aber vielleicht hab ich das auch wieder verpasst?

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Thomas schrieb:
>>
>>> Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des
>>> geringen Ruhestromverbrauchs,
>>
>> Das geht mit einem Photovoltaikkoppler noch viel besser.
>
> Für 100 kHz und 250ns Flanken bei 5nF Last?

Gehts noch? Sparsam ist deine Schaltung auch nur bei sehr niedriger 
Schaltfrequenz.


> Das müsstest mir wieder zeigen. Hab ich noch nirgends gesehen, dass ein
> Opto-IC einerseits <100uA Ruhestrom hat und andererseids wenn es sein
> muss ein paar 100mA liefert und <1us Verzögerungszeit hat. Und das für
> einen vergleichbaren Preis?
> Aber vielleicht hab ich das auch wieder verpasst?

Dass es keine eierlegenden Wollmilchschweine gibt.

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> H. H. schrieb:
>>> Thomas schrieb:
>>>
>>>> Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des
>>>> geringen Ruhestromverbrauchs,
>>>
>>> Das geht mit einem Photovoltaikkoppler noch viel besser.
>>
>> Für 100 kHz und 250ns Flanken bei 5nF Last?
>
> Gehts noch? Sparsam ist deine Schaltung auch nur bei sehr niedriger
> Schaltfrequenz.

Nein auch um Ruhefall, wenn man den MOS einfach nur aus- oder 
eingeschalten lassen möchte. Erstaunlicherweise kommt das auch bei 
getakteten System vor das mal garnichts läuft ;)

>> Das müsstest mir wieder zeigen. Hab ich noch nirgends gesehen, dass ein
>> Opto-IC einerseits <100uA Ruhestrom hat und andererseids wenn es sein
>> muss ein paar 100mA liefert und <1us Verzögerungszeit hat. Und das für
>> einen vergleichbaren Preis?
>> Aber vielleicht hab ich das auch wieder verpasst?
>
> Dass es keine eierlegenden Wollmilchschweine gibt.

Die Schaltung oben kann das. Was soll dann die Antwort?
Wenn du das nicht brauchst, ok. Darf jeder selbst beurteilen.

von H. H. (Gast)


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Thomas schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Thomas schrieb:
>>> H. H. schrieb:
>>>> Thomas schrieb:
>>>>
>>>>> Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des
>>>>> geringen Ruhestromverbrauchs,
>>>>
>>>> Das geht mit einem Photovoltaikkoppler noch viel besser.
>>>
>>> Für 100 kHz und 250ns Flanken bei 5nF Last?
>>
>> Gehts noch? Sparsam ist deine Schaltung auch nur bei sehr niedriger
>> Schaltfrequenz.
>
> Nein auch um Ruhefall, wenn man den MOS einfach nur aus- oder
> eingeschalten lassen möchte. Erstaunlicherweise kommt das auch bei
> getakteten System vor das mal garnichts läuft ;)

Da ist der Photovoltaikkoppler noch viel besser.


>>> Das müsstest mir wieder zeigen. Hab ich noch nirgends gesehen, dass ein
>>> Opto-IC einerseits <100uA Ruhestrom hat und andererseids wenn es sein
>>> muss ein paar 100mA liefert und <1us Verzögerungszeit hat. Und das für
>>> einen vergleichbaren Preis?
>>> Aber vielleicht hab ich das auch wieder verpasst?
>>
>> Dass es keine eierlegenden Wollmilchschweine gibt.
>
> Die Schaltung oben kann das.

Bis jetzt wohl nur in der Simulation...



> Was soll dann die Antwort?
> Wenn du das nicht brauchst, ok. Darf jeder selbst beurteilen.

von Thomas (Gast)


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H. H. schrieb:
> Thomas schrieb:
>> H. H. schrieb:
>>> Thomas schrieb:
>>>> H. H. schrieb:
>>>>> Thomas schrieb:
>>>>>
>>>>>> Für mich hat die Schaltung oben trotzdem noch einen Wert aufgrund des
>>>>>> geringen Ruhestromverbrauchs,
>>>>>
>>>>> Das geht mit einem Photovoltaikkoppler noch viel besser.
>>>>
>>>> Für 100 kHz und 250ns Flanken bei 5nF Last?
>>>
>>> Gehts noch? Sparsam ist deine Schaltung auch nur bei sehr niedriger
>>> Schaltfrequenz.
>>
>> Nein auch um Ruhefall, wenn man den MOS einfach nur aus- oder
>> eingeschalten lassen möchte. Erstaunlicherweise kommt das auch bei
>> getakteten System vor das mal garnichts läuft ;)
>
> Da ist der Photovoltaikkoppler noch viel besser.

Nochmal, liefert der dann auch die dynamischen Eigenschaften wenn sie 
gebraucht werden? Wenn ja dann teil doch bitte einen vergleichbaren IC.

Ist es wirklich so unverständlich, dass man im ausgeschaltenen Zustand 
möglichst wenig Strom verheizen will, aber im eingeschaltenen Zustand 
gerne auch mit hohen Frequenzen arbeiten will? Und beides möglichst 
effizient?

Damit lass ich die Debatte. Das bringt doch keinen von uns beiden 
weiter.

von H. H. (Gast)


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Bau es auf, und mit einem realen Leistungs-MOSFET, nicht einem simplen 
Kondensator als Ersatz.

von Thomas (Gast)


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Sollte noch jemand daran interessiert sein, anbei der opto-coupled 
high-side NMOS-switch mit charge pump.
mit ~750ns Rise/fall-time nicht mehr ganz so schnell, und mit Iq=2 mA 
auf der Leistungsseite auch nicht mehr ganz so effizient. Für eine 
High-side NMOS switch aber immer noch ganz ok.

Beitrag #6879989 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Helge (Gast)


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Nice. Aber:
Nachteil ist, daß M1 und M6 den ganzen swing machen müssen. Das braucht 
Zeit.
Z-Diode funktioniert nur in der Simu so gut, daß wenige uA reichen.
Die Sende-LED haben ihre eigene Ladung, umschalten über ein RC-Glied 
statt 2 Vorwiderstände bringt da bissel (wenig) was. Vorschlag 270 + 
22p.
Wofür ist M24?

von Thomas (Gast)


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Helge schrieb:
> Nice. Aber:
> Nachteil ist, daß M1 und M6 den ganzen swing machen müssen. Das braucht
> Zeit.
> Z-Diode funktioniert nur in der Simu so gut, daß wenige uA reichen.
> Die Sende-LED haben ihre eigene Ladung, umschalten über ein RC-Glied
> statt 2 Vorwiderstände bringt da bissel (wenig) was. Vorschlag 270 +
> 22p.
> Wofür ist M24?


Gates M1 und M6 sind auf ca 5V begrenzt (durch die Kaskaden M2, M8).
Ganzen Swing würden die Gates garnicht aushalten.
Zenerdioden muss ich erst passende raussuchen. Hab ich aber schon öfters 
mit 100uA an realen PCBs verwendet. Das geht schon...
M24 hatte ich nurmal für die Simulation drinnen (hat den Oszillator erst 
aktiviert nachdem der Stützkap etwas vorgeladen ist und damit ging das 
startup der transienten sim etwas schneller). Wird aber in der realen 
Schaltung nicht gebraucht.

Anbei noch ein paar Verfeinerungen. Danke, gute Idee mit der cap beim 
Optokoppler! Bau ich bei der nächsten Version ein.

von Thomas (Gast)



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Helge schrieb:
> Die Sende-LED haben ihre eigene Ladung, umschalten über ein RC-Glied
> statt 2 Vorwiderstände bringt da bissel (wenig) was. Vorschlag 270 +
> 22p.

Also danke nochmal dafür, die Idee ist sehr, sehr gut. Ich hab sie 
allerdings noch etwas modifiziert mit 100nF Cap und 20Ohm 
Strombegrenzung!
Dadurch geht das Laden des PowerMOS Gates nun wieder in 40ns. ESL und 
ESR der Cap ist allerdings noch nicht berücksichtigt. Muss ich mir noch 
genauer ansehen ob da nicht doch eine kleinere Cap besser ist.

Das Klasse an der Cap ist, dass sie nur bei hohen Frequenzen 
entsprechend Strom zieht und der Ruhestrom der ganzen Schaltung dadurch 
nicht beeinflusst wird. Also vielen Danke nochmal.

P.s. Ruhestrom der ganzen Schaltung an der Lastseite liegt übrigens doch 
nur bei < 0.5mA liegt, die vorhergenannten 2mA waren bei 10 kHz 
Modulation simuliert...

von Thomas (Gast)


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Thomas schrieb:
> Dadurch geht das Laden des PowerMOS Gates nun wieder in 40ns.

Da hat eine 0 gefehlt... 400ns war gemeint

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Wozu moduliert man ein Solarpanel??

100ohm am Ausgang des 4007 ist sinnleer.

von Thomas (Gast)


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Abdul K. schrieb:
> Wozu moduliert man ein Solarpanel??

Unerheblich für diesen Thread.

> 100ohm am Ausgang des 4007 ist sinnleer.

Wie Latch-up sicher ist denn diese Logic-Familie? Schaden kann es nicht. 
Wenn sonst nichts zum Aussetzen hast, bin ich ja beruhigt :D

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Thomas schrieb:
> Unerheblich für diesen Thread.

Würde mich trotzdem interessieren!


Die Schaltung insgesamt kommt mir seltsam vor. Aber das soll dich nicht 
stören.

von Thomas (Gast)


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Abdul K. schrieb:
> Würde mich trotzdem interessieren!

Tut mir leid, ich will nicht die nächsten zig Beiträge damit verbringen 
das zu diskutieren, da es den Thread in eine ganz andere Richtung lenkt.

> Die Schaltung insgesamt kommt mir seltsam vor. Aber das soll dich nicht
stören.

Der Treiber ist eher ein Konzept von integrierten Class AB Amplifiern 
(siehe Monticelli Biasing) und braucht dort gutes Matching. Ist in dem 
Fall aber vereinfacht und angepasst. Matching der Transistoren ist nur 
insoweit notwendig, dass das VTh nicht um >500mV auseinanderliegt. Das 
geht sich diskret bei gleicher Temperatur meist noch auch. Kann man auch 
noch weiter vereinfachen.
Ansonsten alles bekannte Konzepte. Kaskoden zur Spannungsbregrenzung, 
Opto-koppler in Push/Pull Architektur, zwei Optokoppler in Serie für 
Current re-use, astabiler Multivibrator als Oszillator, source follower 
BJT treiber für die charge pump um den Querstrom zu vermeiden, etc.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Sie bleibt seltsam und ist komisch gemalt. Inklusive der einschlägigen 
Wegkreuzung.

Wollte nicht diskutieren. Wenn ich so Frage, wollte ich nur dazulernen. 
Kannst mir ja privat schreiben.

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