Kondensatorladung über MOSFET gezielt freigeben

[Wolfgang (wtronic)]

Hallo,
ich stehe bei einer kleinen Schaltung (siehe Anlage, bitte nur die 
letzte beachten, ich bin zu blöd die anderen zu entfernen) komplett auf 
dem Schlauch.
Der Kondensator soll über die Spannung von 15V aufgeladen werden.
Wenn die Spannung abgeschaltet wird (SW1) soll der Kondensator sich nur 
entladen, und die Last (im Beispiel 100Ohm) versorgen, wenn die Basis 
des NPN-Transistor am ESP (Micoprozessor) auf 3.3V gelegt wird, und 
damit auch der MOSFET am Gate +15V abbekommt und durchschalten soll.

Laut Simulator funktioniert das überhaupt nicht, da der MOSFET auch bei 
0V am Gate die Ladung des Kondensators sofort "durchlässt", wenn SW1 
geöffnet wird.

Wo liegt mein Denkfehler, bzw. wie bekommt man das hin?

Für die, die es wissen wollen zum Hintergrund: Die Schaltung soll die 
Basis werden, um mit einer digitalen Carrerabahn zu "sprechen", da diese 
regelmäßig den Bahnstrom abschaltet, um digitale Daten von externen 
Quellen zu verarbeiten. In diese abgeschalteten Zeitfenster kann man 
dann eigene Bits einstreuen, indem man die Spannung kurz wieder auf 15V 
anhebt.

Vielen Dank im Voraus,
Wolfgang

[Re (r42)]

Wolfgang schrieb:
> Wo liegt mein Denkfehler

Die parasitäre Body-Diode des Mosfet leitet den Strom in die 
Entladerichtung.

Aber das ist nicht das einzige Problem.

HTH (re)

[Re (r42)]

Wolfgang schrieb:
> wenn die Basis
> des NPN-Transistor am ESP (Micoprozessor) auf 3.3V gelegt wird, und
> damit auch der MOSFET am Gate +15V abbekommt

Nein, das tut er nicht. Der Mosfet hat dann am Gate etwa 3V.

Aber nur da zu reparieren bringt nix, Deine Schaltung ist ... obskur.
Das hindert Dich am Verständnis.
Fang neu an.
Zeichne 0V nach unten.

Wenn der MOSFET die Entladung des C durch die last bewirken soll, dann 
sollte der auch die Last (R3) schalten und nicht den C.

etwa so, wie oben skizziert.

Aber diese Art der Gate-Steuerung, wie Du sie angfangen hast, ist recht 
langsam. Wenn das schnell gehen soll, müsste ein Gate-Treiber her. Aber 
erstmal die Basics.

HTH (re)

[Wolfgang (wtronic)]

Re schrieb:
> Wenn der MOSFET die Entladung des C durch die last bewirken soll, dann
> sollte der auch die Last (R3) schalten und nicht den C.

Erstmal vielen Dank für Deine Hilfe und den Entwurf!

Das Steuern der Last über den MOSFET ist aus meiner Sicht aber leider 
keine Option. Die "Last" wäre dann die durchgeleitete Stromversorgung 
der Carrera-Bahnschienen.
Die Impulse, die über die Schaltung ausgegeben werden müssen (als 
Manchester-Code), sind max. 50µs lang. Das muss auch irgendwie anders 
gehen, einige Sonderschienen von Carrera erzeugen das Signal auch "on 
top". Allerdings ist es für mich unmöglich, aus den SMD-Platinen dieser 
Schienen eine Idee für die Schaltung abzuleiten.

Wäre es vielleicht ein Weg, das Auf- und Entladen des Kondensators über 
separate MOSFETs oder Transistoren getrennt zu steuern?

[Falk B. (falk)]

Wolfgang schrieb:
> Allerdings ist es für mich unmöglich, aus den SMD-Platinen dieser
> Schienen eine Idee für die Schaltung abzuleiten.

Dort liegt dein Problem. Siehe Netiquette.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Netiquette#Klare_Beschreibung_des_Problems

"Besonders für Anfänger gilt: Gerade am Anfang ist es immer gut zu 
sagen, was man insgesamt erreichen will und nicht so sehr Annahmen 
darüber zu treffen, wie man es erreichen könnte und dann das Wie zu 
hinterfragen. Oft ist der Denkfehler nämlich schon im Ansatz und man 
kann besser helfen, wenn man das Ziel des Fragenden kennt."

[Wolfgang (wtronic)]

Falk B. schrieb:
> Dort liegt dein Problem. Siehe Netiquette.

Oh, sorry. Den Schuh muss ich mir komplett anziehen. Mir war aber auch 
nicht bewusst, dass ich mit meinem ersten Versuch soweit daneben liege. 
Soll das Ganze aber nicht entschuldigen.

Neuer Versuch:
Die Carrera-Digitalbahnen übertragen alle Informationen an die Autos 
(Geschwindigkeit, Schalten von Weichen etc.) über ein Protokoll, dass 
durch kurze Unterbrechungen der Stromversorgung der Schienen gesendet 
wird. D. h. die ca. 15V werden immer wieder kurzzeitig unterbrochen.
Im Protokoll sind auch gezielte spannungsfreie Lücken enthalten, in 
denen andere Geräte Daten senden können. Dazu müssen sie die Spannung 
wieder auf 15V heben (z. B. für 50µsec), um selbst Daten zu senden.
Das Protokoll kann ich gut über einen ESP32 nachbilden, mir fehlt "nur" 
die Elektronik, um die Daten auf die Schiene zu bringen. Und das insb. 
dann, wenn die 15V Stromversorgung gerade kurz aus sind.
Daraus resultiert nun die Anfängerfrage, wie man das bewerkstelligen 
könnte.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Du benötigst noch einen zweiten Transistor, damit der N-Mosfet 
vernünftig schaltet.

Aber eigentlich kannst du die komplette Schaltung auch weglassen, denn 
der Elko versorgt ja sowieso schon die Last, wenn der Schalter für 50us 
unterbrochen wird!

[Michael B. (laberkopp)]

Wolfgang schrieb:
> Laut Simulator funktioniert das überhaupt nicht

Auch in echt nicht.

Wolfgang schrieb:
> Wo liegt mein Denkfehler,

Mehrere.

Dein MOSFET bekommt nur 0V/2.6V ans Gate, das reicht nicht zum 
durchschalten.

Wenn das Gleis abgeschaltet wird (was SW1 wohl darstellen soll), zieht 
die 100R Last den Pluspol des aufgeladenen Elkos auf 0V und damit den 
Minuspol auf -15V, daran hast du gar nicht gedacht. Natürlich leitet 
dann die Diode (im MOSFET und parallel dazu) und vernichtet die 
Elkoladung bevor du eine Chance hast, sie einzuspeisen.

Wolfgang schrieb:
> Die Schaltung soll die Basis werden, um mit einer digitalen Carrerabahn
> zu "sprechen", da diese regelmäßig den Bahnstrom abschaltet, um digitale
> Daten von externen Quellen zu verarbeiten. In diese abgeschalteten
> Zeitfenster kann man dann eigene Bits einstreuen, indem man die Spannung
> kurz wieder auf 15V anhebt

Wolfgang schrieb:
> wie bekommt man das hin?

Bahnstrom-------+----Bahn
                |
       +---+---|I P-MOSFET
       |   |    |S
       |   +-1k-+
       |        | +
--1k--|< BC547 Elko
       |E       |
Masse--+--------+----

Die Bodydiode des P-MOSFET lädt den Elko. Entladen wird er aber nur wenn 
der NPN über den ESP eingeschaltet wird. Der Bahnstrom muss aber 
wirklich wie mit einem Schalter abgeklemmt werden, nicht auf 0V 
runtergeregelt oder so.

[Flip B. (frickelfreak)]

Kondensator Laden erledigt die body-diode.

Der diskrete treiber kann das Gate schnell umladen.

Schutzmaßnahmen gegen kurzschluss und überspannung sollten noch 
hinzugefügt werden.

[Falk B. (falk)]

Wolfgang schrieb:
> Neuer Versuch:
> Die Carrera-Digitalbahnen übertragen alle Informationen an die Autos
> (Geschwindigkeit, Schalten von Weichen etc.) über ein Protokoll,

AHA!

> Das Protokoll kann ich gut über einen ESP32 nachbilden, mir fehlt "nur"
> die Elektronik, um die Daten auf die Schiene zu bringen.

Also der Master am "Rand" der Rennbahn, nicht in den Autos.

> Und das insb.
> dann, wenn die 15V Stromversorgung gerade kurz aus sind.
> Daraus resultiert nun die Anfängerfrage, wie man das bewerkstelligen
> könnte.

Man nehme einen P-Kanal MOSFET mit passender Ansteuerung. Der kann die 
15V auf die Bahn schnell zuschalten und abschalten. Siehe Anhang.

Wenn ich die Anforerung richtig verstehe, soll sowohl der Master als 
auch andere Geräte (Autos?) den Bus schalten können. Das kann die 
Schaltung, sowohl als Versorger des Busses (15V kommen vom Netzteil) als 
auch in den Autos (15V kommen vom Bus).

Der Pegel an BAHN ist immer gleich zu TXD. Spricht bei TXD = LOW ist 
auch BAHN LOW, weil Q1 gesperrt ist. Bei TXD = HIGH ist Q1 
durchgeschaltet und BAHN wird auf +15V gezogen. C1 kann über die 
Bodydiode von Q1 aufgeladen werden, wenn die Schaltung in einem Auto 
verbaut ist und dort die Elektronik in den Pulspausen versorgen.

Über RXD hat man immer den Pegel des Busses auf 3,3V Niveau zur 
Auswertung.

[Wolfgang (wtronic)]

Erstmal herzlichen Dank für Eure Vorschläge. Ich schaue jetzt mal, was 
die Materialkiste hergibt und melde mich dann noch einmal.

[Carypt C. (carypt)]

Michaels und Falks Schaltung sind von Werteunterschieden abgesehen doch 
gleich, nette Lösung würde ich sagen.