Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET als Schalter - negative Spannungen blockieren


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von F. C. (florian_g727)


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Hallo zusammen,

Wie in der angehängten Schaltung zu sehen ist möchte ich einen PMOS mit 
npn-Transistor als Schalter verwenden um eine weitere Schaltung mit 
einem uC abtrennen zu können.

Mein Problem hierbei ist, dass sowohl positive als auch negative 
Spannungen bis zu +/- 60 V am PMOS anliegen können, die weitere 
Schaltungen aber lediglich positive Spannungen überlebt. Da der PMOS die 
negativen Spannungen immer durchlässt war die Idee, die negativen 
Spannungen mit einer Diode zu blockieren. Das Problem hierbei ist jedoch 
der Spannungsabfall an der Diode bei positiven Spannungen (der übrigens 
auch schon am PMOS ein Problem sein könnte). Da die Ausgangsspannung 
sehr exakt sein muss, wollte ich fragen ob jemand eine Möglichkeit 
kennt, wie ich den Spannungsbfall an der Diode (und PMOS)verhindern oder 
ausgleichen kann?

Für Ideen und Vorschläge wäre ich sehr dankbar!

von H. H. (hhinz)


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Verwende keine gelben Kästen, sondern normale Symbole!

Vermutlich brauchst du antiseriell geschaltete MOSFETs, und evtl sind da 
PhotoMOS o.ä. geeignet.

von Peter D. (peda)


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F. C. schrieb:
> Da die Ausgangsspannung
> sehr exakt sein muss

Wieviel fV groß ist ein "sehr"?
Wieviel kA zieht die Last?

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


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F. C. schrieb:
> Für Ideen und Vorschläge wäre ich sehr dankbar!
Ich kann den Schaltplan nicht lesen, weil keine brauchbaren Symbole oder 
Pinbezeichungen erkennbar sind.

von F. C. (florian_g727)


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Peter D. schrieb:

> Wieviel fV groß ist ein "sehr"?

ich bräuchte eine max. Abweichung < 5 mV, am besten noch deutlich 
kleiner um das Signal sinnvoll weiter verwenden zu können

H. H. schrieb:
> Verwende keine gelben Kästen, sondern normale Symbole!

Lothar M. schrieb:
> F. C. schrieb:
> Ich kann den Schaltplan nicht lesen, weil keine brauchbaren Symbole oder
> Pinbezeichungen erkennbar sind.

Die Symbole sind leider nicht in LTspice vorhanden, da ich die Modelle 
importiert habe.

Pinbelegung NPN-Transistor:
- 3 Collector
- 2 Basis
- 1 Emitter
Pinbelegung PMOS:
- 30 Source
- 20 Gate
- 10 Drain

H. H. schrieb:
> Vermutlich brauchst du antiseriell geschaltete MOSFETs, und evtl sind da
> PhotoMOS o.ä. geeignet.

Okay, das werde ich mir mal anschauen, danke!

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


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F. C. schrieb:
> Pinbelegung NPN-Transistor:
> 3 Collector
> 2 Basis
> 1 Emitter
> Pinbelegung PMOS:
> 30 Source
> 20 Gate
> 10 Drain
Macht die Sache leider nicht wesentlich leserlicher...

Mein Tipp: nimm für solche Grundlagenuntersuchungen einfach "ganz 
normale" Bauteile, die in LT-Spice vorhanden sind.

F. C. schrieb:
> ich bräuchte eine max. Abweichung < 5 mV, am besten noch deutlich
> kleiner um das Signal sinnvoll weiter verwenden zu können
Wie wäre es, wenn du mal das eigentliche Problem beschreibst und nicht 
die Art, wie du es lösen willst? Woher kommt die Spanung/das Signal? 
Welche Impedanz hat es? Wohin geht das Signal? Wie schnell ändert sich 
das Signal? Welche Ströme fließen da? Warum ist da in einem Bereich von 
+-60V eine maximale Abweichung von 5mv nötig?

: Bearbeitet durch Moderator
von H. H. (hhinz)


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F. C. schrieb:
> Die Symbole sind leider nicht in LTspice vorhanden,

Doch, da hat es NPN und p-MOSFET. Man muss auch für externe Modelle 
keine neuen Symbole basteln.

von H. H. (hhinz)


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Lothar M. schrieb:
> Mein Tipp: nimm für solche Grundlagenuntersuchungen einfach "ganz
> normale" Bauteile, die in LT-Spice vorhanden sind.

Und mit Strg+Rechtsklick kann man denen passende Namen geben, ggf so wie 
im externen Modell.

von Peter D. (peda)


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F. C. schrieb:
> ich bräuchte eine max. Abweichung < 5 mV, am besten noch deutlich
> kleiner

Dann würde ich eine aktive Gleichrichterschaltung mit OPV benutzen. Als 
Versorgungsspannung +70V/-5V, der OPV sollte also 80V aushalten.
Die Frage nach dem maximalem Laststrom ist immer noch offen.

https://www.elektroniktutor.de/analogverstaerker/aktivglr.html

von F. C. (florian_g727)


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H. H. schrieb:
> Lothar M. schrieb:
>> Mein Tipp: nimm für solche Grundlagenuntersuchungen einfach "ganz
>> normale" Bauteile, die in LT-Spice vorhanden sind.
>
> Und mit Strg+Rechtsklick kann man denen passende Namen geben, ggf so wie
> im externen Modell.

Vielen Dank für eure Antworten (und auch LTspice Tipps). Ich bin 
diesbezüglich ein ziemlicher Anfänger und habe einfach einen Screenshot 
meiner Schaltung gepostet, die ich für die Simulation verwendet habe. 
Mit den Symbolen wäre es natürlich verständlicher gewesen, sorry!

Lothar M. schrieb:
> Warum ist da in einem Bereich von
> +-60V eine maximale Abweichung von 5mv nötig?

Ich sollte das ganze wahrscheinlich etwas ausführlicher beschreiben. 
Ziel der folgenden Schaltung ist es einen Spannungsabfall zu messen um 
einen (sehr kleinen) Widerstand zu berechnen. Da die Spannungen mit bis 
zu 60 V sehr groß werden kann und der erwartete Spannungsabfall am 
Widerstand um die 100 mV beträgt benötige ich die hohe Genauigkeit.

Gelöst wird das ganze über einen Differenzverstärker, welcher nur mit 
positiven Spannungen arbeiten kann und den Spannungsabfall nur zu 
bestimmten Zeitpunkten messen soll. (Daher die geplante Steuerung über 
den uC). Der Fehler am Differenzverstärker ist aber ja aufgrund des 
hohen Gleichtaktanteils auch schon recht hoch :(. Die oben gezeigte 
Schaltung greift quasi am oberen Kontakt des Widerstandes an. Vom 
unteren Teil des Widerstandes würde ich direkt an den 
Differenzverstärker gehen. Das ist der Grund wieso ich auch keine Diode 
nehmen kann. Aufgrund des Spannungsabfalls an dieser könnte ich ja den 
Spannungsabfall am Widerstand nicht mehr messen, da die Spannung am 
oberen Kontakt schon kleiner ist als die untere Spannung.

Peter D. schrieb:
> Die Frage nach dem maximalem Laststrom ist immer noch offen.

Sorry, das hatte ich übersehen. Eine wirkliche Last besitze ich bis auf 
den Differenzverstärker nicht. Da sollte ja möglichst kein (real nur ein 
minimaler) Strom fließen.

Der Tipp mit den antiseriellen MOSFETs scheint aber sehr gut gewesen zu 
sein, vielen Dank! Wenn ich das richtig verstanden habe müsste das mein 
Problem mit den negativen Spannungen lösen können. Ich werde das ganze 
mal in der Simulation versuchen :)

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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F. C. schrieb:

> ich bräuchte eine max. Abweichung < 5 mV, am besten noch deutlich
> kleiner um das Signal sinnvoll weiter verwenden zu können

Nimm ein Relais.

> Die Symbole sind leider nicht in LTspice vorhanden, da ich die Modelle
> importiert habe.

Ja und? Man kann auch einem MOSFET ein neues Modell zuweisen!

> Okay, das werde ich mir mal anschauen, danke!

Nö. Du solltest erklären, was du INSGESAMT machen willst, siehe 
Netiquette.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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F. C. schrieb:
> Ich sollte das ganze wahrscheinlich etwas ausführlicher beschreiben.
Beschrieb bitte nicht deine Lösung, sondern die eigentliche Aufgabe.

Für mich hört sich das an, als ob du einfach den Spannungsabfall an 
einem Highside-Shunt messen willst. Kommt das in etwa hin?

Beitrag #7109494 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Helge (Gast)


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Nach dem Dünnsinn, den manche hier abgesondert haben, mal ein sinnvoller 
Ansatz:

Ich halte es für schlauer, den Differenzverstärker gleich auf +/-60V 
auszulegen und die Begrenzung danach zu machen. Dafür müßte man aber 
etwas über die zur Verfügung stehenden Spannungen wissen. Sind +/-12V 
vorhanden?

von Andrew T. (marsufant)


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F. C. schrieb:
> Da die Spannungen mit bis
> zu 60 V sehr groß werden kann und der erwartete Spannungsabfall am
> Widerstand um die 100 mV beträgt benötige ich die hohe Genauigkeit.

Du solltest mal erwägen statt der aufwendigen fehlerträchtigen Diff-Amp 
Mimik eine dafür entwickelten  Current sense amplifier (CSA) zu nutzen.

Der bei mir geschätzte INA240 ist auch in der Lage bidirektional 
highside zu messen.
All dies könnte evtl. Deine Aufgabe wesentlich vereinfachen.

Ich rate mal: das Gesamtteil das Du baust ist die Strommessung in einem 
Steuergerät für ein (Batterie gestütztes) Bordnetz ?

: Bearbeitet durch User
von F. C. (florian_g727)


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Lothar M. schrieb:
> F. C. schrieb:
>> Ich sollte das ganze wahrscheinlich etwas ausführlicher beschreiben.
> Beschrieb bitte nicht deine Lösung, sondern die eigentliche Aufgabe.
>
> Für mich hört sich das an, als ob du einfach den Spannungsabfall an
> einem Highside-Shunt messen willst. Kommt das in etwa hin?

Ja ich möchte wie geschrieben einen Spannungsabfall an einem sehr 
kleinen Widerstand bei hoher Gleichtaktspanung messen.

Ist aber auch egal, trotzdem danke an alle die versucht haben mir Tipps 
zu geben!

von F. C. (florian_g727)


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Helge schrieb:
> Nach dem Dünnsinn, den manche hier abgesondert haben, mal ein sinnvoller
> Ansatz:
>
> Ich halte es für schlauer, den Differenzverstärker gleich auf +/-60V
> auszulegen und die Begrenzung danach zu machen. Dafür müßte man aber
> etwas über die zur Verfügung stehenden Spannungen wissen. Sind +/-12V
> vorhanden?

Vielen Dank an euch zwei!! Leider sind nur 12 V bzw 5 V vorhanden und 
ich verwende tatsächlich den von

Andrew T. schrieb:
> F. C. schrieb:
>> Da die Spannungen mit bis
>> zu 60 V sehr groß werden kann und der erwartete Spannungsabfall am
>> Widerstand um die 100 mV beträgt benötige ich die hohe Genauigkeit.
>
> Du solltest mal erwägen statt der aufwendigen fehlerträchtigen Diff-Amp
> Mimik eine dafür entwickelten  Current sense amplifier (CSA) zu nutzen.
>
> Der bei mir geschätzte INA240 ist auch in der Lage bidirektional
> highside zu messen.
> All dies könnte evtl. Deine Aufgabe wesentlich vereinfachen.
>
> Ich rate mal: das Gesamtteil das Du baust ist die Strommessung in einem
> Steuergerät für ein (Batterie gestütztes) Bordnetz ?

genannten INA240A1. Um die Spannung nur zu bestimmten Zeitpunkten zu 
messen wollte ich die PMOS-Schaltung verwenden und war mir aber nicht 
sicher, wie ich am besten die -60 V überlebe. bei -60 V 
Gleichtaktspannung raucht mir der INA ja ab, wenn ich das Datenblatt 
richtig verstanden habe.

: Bearbeitet durch User
von Peter D. (peda)


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Z.B. der INA146 kann +/-100V ab.

von F. C. (florian_g727)


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Peter D. schrieb:
> Z.B. der INA146 kann +/-100V ab.

Hi, bekomme ich dann aber nicht Probleme mit der Genauigkeit?
Der INA146 hat nur eine CMRR von 70dB im Worst Case.

wenn meine Rechnung stimmt sind das bei 60 V

10^(-70/20)*60 V = 19 mV

Das müsste ich ja dann sogar noch mit der Verstärkung multiplizieren 
oder?

Und das alleine durch den Gleichtaktanteil, dazu würde ja noch die 
Offsetspannung kommen wenn ich mich nicht irre.

von F. C. (florian_g727)


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Ich glaube aber, dass ich einfach ein großes Verständnisproblem 
bezüglich des Schaltvorgangs eines MOSFETs bei negativen Spannungen 
habe.

Wenn ich bei der Schaltung im Anhang, statt den 100 V eine Spannung von 
-60 V anlege, welche Spannung liegt dann am Widerstand R1, wenn ich

1. 0 V an V1 anlege
2. 5 V an V1 anlege

Könnte mir das bitte noch jemand beantworten?

von H. H. (hhinz)


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F. C. schrieb:
> Wenn ich bei der Schaltung im Anhang, statt den 100 V eine Spannung von
> -60 V anlege, welche Spannung liegt dann am Widerstand R1, wenn ich
>
> 1. 0 V an V1 anlege

V(R1)=-59V


> 2. 5 V an V1 anlege

V(R1)=-60V und der NPN explodiert.

von F. C. (florian_g727)


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H. H. schrieb:
> F. C. schrieb:
>> Wenn ich bei der Schaltung im Anhang, statt den 100 V eine Spannung von
>> -60 V anlege, welche Spannung liegt dann am Widerstand R1, wenn ich
>>
>> 1. 0 V an V1 anlege
>
> V(R1)=-59V
>
>
>> 2. 5 V an V1 anlege
>
> V(R1)=-60V und der NPN explodiert.

Vielen Dank, das hat sehr geholfen!

Im ersten Fall schaltet der MOSFET dann aber trotzdem nicht durch oder?
Also eine nachfolgende Schaltung wäre trotzdem geschützt, da kein Strom 
fließen kann?

von H. H. (hhinz)


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F. C. schrieb:
> Im ersten Fall schaltet der MOSFET dann aber trotzdem nicht durch oder?

Der Kanal ist zu, aber die Bodydiode leitet!


> Also eine nachfolgende Schaltung wäre trotzdem geschützt, da kein Strom
> fließen kann?

s.o.

von F. C. (florian_g727)


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H. H. schrieb:

> Der Kanal ist zu, aber die Bodydiode leitet!

Okay, vielen Dank!

von Manfred (Gast)


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H. H. schrieb:
> V(R1)=-60V und der NPN explodiert.

Bevor das passiert, ist der FET schon gestorben, weil U(GS) erheblich 
überschritten wurde.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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F. C. schrieb:
> Pinbelegung NPN-Transistor:
> - 3 Collector

Und den dann an GND angeschlossen? Das kann nicht funktionieren.

F. C. schrieb:
> Schaltplan2.png

Das Gate vom MOSFET verträgt keine -60V

Das war in deinem ersten Plan noch besser. Warum hast du nun auf den 
Spannungsteiler verzichtet?

: Bearbeitet durch User
von F. C. (florian_g727)


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Hallo zusammen,

weil mich jetzt doch der Ehrgeiz gepackt habe, habe ich mich nochmal 
rangesetzt.

Raus kam dabei der angehängte Schaltplan V3. Ich habe mir jetzt weniger 
Gedanken gemacht, welche MOSFETs ich verwende, sondern eher auf das 
Verständnis geachtet.

zur Beschreibung
-V16 entspricht dem uC -> 5 V bzw. 0 V
-V15 entspricht der Spannung oberhalb meines Widerstandes

Ich habe die folgenden 4 Fälle getestet:

1) D:60 V und V16: 0 V
 -> G: 60V     S: 59.6 V
 -> U_GS > 0 Mosfet leitet nicht

2) D: 60 V und V16: 5 V
 -> G: 57 V     S: 60 V
 -> U_GS < 0 V Mosfet leitet

3) D: -60 V und V16: 0 V
 -> G: -57.02 V     S: -56.58 V
 -> U_GS < 0 V Mosfet könnte leiten

4) D: -60 V und V16: 5 V
 -> G: -57 V     S: -56.56 V
 -> U_GS < 0 V Mosfet könnte leiten

Die Fälle mit positiver Spannung von V16 kann ich mir soweit erklären 
und passen ja auch.
Was ich mir nicht erklären kann ist die Source Spannung des P-MOS bei 
negativer Spannung von V16, sowie die Gatespannung im Fall 3. Kann es 
sein, dass der N-MOS aufgrund der zu hohen Source-Drain Spannung bzw. 
Gate-Drain Spannung Probleme macht?

Außerdem noch eine Frage zu Fall 1. hier leitet der MOSFET ja nicht, 
d.h. es fließt kein Strom und am Differenzverstärker liegt keine 
Spannung an oder?

: Bearbeitet durch User
von F. C. (florian_g727)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> F. C. schrieb:
>> Pinbelegung NPN-Transistor:
>> - 3 Collector
>
> Und den dann an GND angeschlossen? Das kann nicht funktionieren.
>
> F. C. schrieb:
>> Schaltplan2.png
>
> Das Gate vom MOSFET verträgt keine -60V
>
> Das war in deinem ersten Plan noch besser. Warum hast du nun auf den
> Spannungsteiler verzichtet?

Ja, da hast du mit beiden Punkten Recht. Danke für die Hinweise! :)

von H. H. (hhinz)


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Schade, dass LTS keine explodieren Bauteile simulieren kann. ;-)

von M. K. (sylaina)


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F. C. schrieb:
> Mein Problem hierbei ist, dass sowohl positive als auch negative
> Spannungen bis zu +/- 60 V am PMOS anliegen können, die weitere
> Schaltungen aber lediglich positive Spannungen überlebt. Da der PMOS die
> negativen Spannungen immer durchlässt war die Idee, die negativen
> Spannungen mit einer Diode zu blockieren. Das Problem hierbei ist jedoch
> der Spannungsabfall an der Diode bei positiven Spannungen (der übrigens
> auch schon am PMOS ein Problem sein könnte). Da die Ausgangsspannung
> sehr exakt sein muss, wollte ich fragen ob jemand eine Möglichkeit
> kennt, wie ich den Spannungsbfall an der Diode (und PMOS)verhindern oder
> ausgleichen kann?

Was du suchst nennt sich Verpolschutz wie z.B. hier gezeigt mit MOSFET: 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz

von Peter D. (peda)


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Es gibt Strommeß-ICs für bis zu 70V:

https://www.st.com/en/amplifiers-and-comparators/tsc1031.html

Problem sind aber die -60V.
Wo kommen den die -60V her?

von Andrew T. (marsufant)


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H. H. schrieb:
> Schade, dass LTS keine explodieren Bauteile simulieren kann. ;-)

LtSpice XXIII soll das Feature drin haben, inkl. fullscreen colour (red 
flah) und sound  .-)

von Andrew T. (marsufant)


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Peter D. schrieb:
> Es gibt Strommeß-ICs für bis zu 70V:
>
> https://www.st.com/en/amplifiers-and-comparators/tsc1031.html
>
> Problem sind aber die -60V.

Haben sehr viele (highside) CSA: pos. Spannung bis xxx V,
aber negative meist nur -xV .
Die Innenschaltung zeigt, warum das so ist.

Der TSC1031 übrigens auch nur bei dual supply, was der TE nicht hat.
Ebenfalls die grottige Genauigkiet, st kriegt das einfach nicht in den 
Griff.

dafür ist das teil schweinebillig

: Bearbeitet durch User
von F. C. (florian_g727)


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M. K. schrieb:

> Was du suchst nennt sich Verpolschutz wie z.B. hier gezeigt mit MOSFET:
> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz

Ja, genau das war die Idee. Vielen Dank für den Link! Ich bin jetzt auch 
auch bei der Schaltung nur mit dem PMOS als Verpolungsschutz gelandet.
Dann muss ich das ganze nicht mit dem uC steuern, sondern halt über die 
Software nur dann den Widerstandswert berechnen, wenn kein negativer 
Strom durch den Widerstand fließt.

Das Gute ist, dass ich den Verpolungsschutz auch nur für einen Eingang 
des INA240 brauche, da er ja eine maximale Differenzspannung von +/- 80 
V hat und ich ihn somit nur vor der minimalen Gleichtaktspannung 
schützen muss.

Vielen Dank an alle für eure Nachrichten!

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Ich würde eine Klemmschaltung probieren:
1
  |
2
  |
3
  o-----------Rv------o----------- INA+
4
  |                   |
5
  |                   -
6
  -                   ^
7
 | |                  |
8
 | |                  o-- GND
9
 | |                  |
10
  -                   v
11
  |                   -
12
  |                   |
13
  o-----------Rv------o----------- INA-
14
  |
15
  |

Beitrag #7110714 wurde vom Autor gelöscht.
von F. C. (florian_g727)


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Lothar M. schrieb:
> Ich würde eine Klemmschaltung probieren:

Hi, darüber habe ich auch schon nachgedacht, aber die Vorwiderstände 
müssten ja ziemlich groß sein, damit sie mir nicht direkt abrauchen. 
Geht mir dadurch nicht sehr viel Genauigkeit verloren, da nicht die 
gesamte Spannung am INA anliegt?

von Andrew T. (marsufant)


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F. C. schrieb:
> Geht mir dadurch nicht sehr viel Genauigkeit verloren, da nicht die
> gesamte Spannung am INA anliegt?

Ja, das ist korrekt das es damit katastrophal ungenau wird.

Details über die Auswirkung der Höhe und insbesondere des Gleichlauf von 
ext. Widerständen sind z.B. ausführlich im DaBla INA240 erläutert..

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