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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik mit N-Kanal FET 12V schalten (Gatespannungsproblem)


Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Hallo,

ich möchte eine 12V Lampe per PWM dimmen. Dabei müssen die 12V 
geschaltet werden. Ich wollte nun einen IRL3803 (N-Kanal FET) nehmen und 
diesen mit Drain gegen 12V und mit Source gegen die Lampe schalten. Die 
Gate Spannung wollte ich mit einem Stepup wandler erzeugen, den der µC 
(Mega8)steuert. (Fast PWM und Rückkoplung über AD)

Das Problem ist jetzt nur, dass der FET maximal Vgs von 16V verträgt. Um 
einen kleinen RDSon zu haben muss die Spannung mindestens 5V (ist ein 
logic Level FET) über dem Source Potential sein. Wenn die Lampe aus ist 
liegt Source allerdings auf 0V und wenn die Lampe an ist auf 12V, das 
heißt ich kann nicht einfach 16V gegen Masse erzeugen, weil ich sonst 
bei eingeschalteter Lampe den FET nicht voll durchsteuern kann (nur 4V 
Ugs), ich kann aber auch nicht auf 20V oder höher gehen, weil dann das 
Gate durschlagen könnte bei abgeschalteter Lampe.
Eine Nachführung des StepUp halte ich bei PWM für ausgeschlossen. Und es 
muss doch auch ohne P-Kanal FET gehen...

Wie löst man dieses Problem für gewöhnlich?

Vielen Dank schonmal
Gruß Philipp

Autor: Der Dude (Gast)
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Die Lampe zwischen Drain und Plus. Source an Masse. Dann brauchst Du 
auch keine Klimmzüge mit UGS veranstalten.

Autor: Power (Gast)
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Wenn du doch 'Klimmzüge' mit Highside-Ansteuerung machen willst, dann 
schütze dein Gate durch zwei 12V-Z-Dioden zwischen Gate und Source.

   Gate
    |
    |
   ---|
    /\
   /  \  BZX55 12V
   ----
    |
    |
   ----
   \  /  BZX55 12V
    \/
   ---|
    |
    |
  Source

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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>ich kann nicht einfach 16V gegen Masse erzeugen

gegen Masse nicht, aber gegen Source?

AxelR.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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@der Dude: "Dabei müssen die 12V geschaltet werden."

@Power: Dann fließt ja aber entweder ein hoher Strom durch die Dioden, 
wenn die Lampe aus ist oder wenn ich diesen durch einen R begrenze 
verliert man wieder wieder an Steilheit beim Laden der Gatekapazität. 
Oder mache ich da einen Denkfehler?

@Axel: Hast du eine Idee wie das einfach zu realisieren wäre? Der µC 
liegt auf der gleichen Masse wie die Lampe. Ich könnte zwar als 
"Reglereingang" Ugs nehmen, aber ich fürchte, dass die Nachführung nicht 
schnell genug ist und man so das Gate dann irgendwann zerstört oder 
hattest du eine ganz andere Idee?

Vielen Dank schonmal für eure Antworten
Gruß Philipp

Autor: Power (Gast)
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Bei Highside-Schaltung musst du ja an die Gate 12V+5V=17V gegenüber 
Masse bringen. Wichtig ist die Gate-Source-Spannung, die muss 5V 
betragen und darf in deinem Fall nicht über 16V kommen.
Das heißt: je niederohmiger dein Verbraucher gegen Masse ist, desto 
höher wird die Gate-Source-Spannung. Bei z.B. Halogenlampen wäre das der 
Moment des Zuschaltens bei kaltem Glühdraht.
Also fließt nur für einen kurzen Moment ein erhöhter Strom.

Autor: Power (Gast)
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Ach ja: es ist immer besser einen MOSFET zu wählen, der die 
Gate-Source-Spannung (in deinem Fall 17V) auch aushält. Zu empfehlen 
sind die IRF-Typen (IRF1404), die können meist +/-20V UGS.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Danke für den Tipp mit dem anderen FET, werde gleich mal das Datenblatt 
suchen. Das mit dem niederohmigen Verbraucher sehe ich nicht ganz so. 
Auch wenn es eine 1W Lampe ist fließt ja im ausgeschaltetem Zustand kein 
Strom durch die Lampe also fällt auch an einem hohem Widerstand keine 
Spannung ab. Und um das Gateoxid zu durchschlagen ist ja auch kein hoher 
Strom notwendig.

Was mir eben noch einfiel wäre ein OP, obwohl der eigentlich nicht in 
eine Digitalschaltung gehört finde ich :). Der OP müsste eine hohe 
Slewrate haben und genügend Strom liefern können. Dann könnte man den OP 
mit zB 25V versorgen und dann vom PWM Signal (kann man dann gleich auf 
eine höhere Spannung als die 5V vom µC verstärken) das Source Potential 
abziehen lassen. Damit würde die Schaltung dann auch noch mit etwas 
höheren oder kleineren Spannungen als 12V laufen.
Ich habe sowas mal bei einem linear angesteuertem FET erfolgreich 
gebaut, aber bisher nicht mit PWM. (Damals Versorgung aus Ladungspumpe, 
aber da floß halt auch kein Strom ins Gate)

Vielen Dank
Gruß Philipp

Autor: Power (Gast)
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>fließt ja im ausgeschaltetem Zustand kein Strom durch die Lampe

Was ich damit meinte ist, dass Halogenlampen im kalten Zustand extrem 
niederohmig werden. Somit ist im Einschaltmoment Source niederohmig an 
Masse. Also nur im Einschaltmoment für einige ms bis die Lampe glimmt 
oder leuchtet.

Autor: Gast (Gast)
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Der IRL3803 ist ein LL-Typ, d.h. er schaltet bereits bei 4.xxVolt voll 
durch. Warum willst Du die Gatespannung auf 12V haben? Ich würde den 
Atmel den Mosfet direkt schalten oder aber einen Transistor zwischen 
schalten, falls die Frequenz höher ausfallen soll.

Oder habe ich hier irgendwo einen Denkfehler?

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Wenns irgendwie geht, würd ich erstmal versuchen den FET auf die 
Low-Side zu bekommen. Notfalls Lampe gegen Masse und mit P-Kanal FET 
Schalten.(Dann die Logik-Betriebsspannung mit 7905 o.ä. relativ zu den 
+12V erzeugen...)

Wenns denn umbedingt ein High-Side FET für die PWM sein muss, schau mal 
verschiedene Mosfet-Treiber-Chips an, in der Mosfet-Übersicht sind 
da ein paar Vorschläge. Die Lösen das Problem mit dem Bezugspunkt der 
Gate-Spannung, und haben teils gleich noch ne Ladungspumpe zum Erzeugen 
der Gatespannung mit drinnen.

/Ernst

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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@Gast weil 5V - 12V = -7V sind und nicht 5V

Es ist nicht möglich die Lampe von "der anderen Seite" anzusteuern.

Weiß jmd wie die Highside Treiber das Problem lösen? Naja, ich werde mal 
suchen da wird es wohl Prinzipschaltbilder geben hoffe ich

Vielen Dank erstmal an Alle

Gruß Philipp

Autor: Joerg Wolfram (joergwolfram)
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Wenn schon von High-Side schalten, dann mit p-Kanal FET.
Controller - Widerstand - NPN-Transistor oder n-FET
Kollektor - Widerstand - p-FET Gate - Widerstand - p-FET Source
durch den Spannungsteiler ist Ugs nicht mehr limitierend.

Gruss Jörg

Autor: Power (Gast)
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Ich habe das so wie im Bild realisiert. Funktioniert einwandfrei.

Autor: Power (Gast)
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Ach so: Ue wäre in deinem Fall die +12V-Versorgung, DC1 ein kleiner 
1W-DC-DC-Wandler.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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@Power die Schaltung ist aber nicht gerade PWM tauglich oder? Du lädst 
da ja mit 100 Ohm (ok, das geht ja noch), aber entladen wird mit 10k, 
dauert das nicht ein wenig lang?

@Jörg Naja, mittlerweile will ich es einfach mit n-Kanal realisieren :) 
Ausserdem ist der kleinste P-Kanal RDSon in der Übersicht 60mOhm, der 
IRL hat 6mOhm

Vielen Dank

Gruß Philipp

Autor: Power (Gast)
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Ich habe die Schaltung für 40V dimensioniert, habe ich vergessen zu 
sagen. Für kleinere Spannungen sollten die 10k natürlich kleiner 
ausfallen. Auch die PWM-Frequenz sollte nicht über 3.5kHz sein, da sonst 
die Flanken vom Optokoppler verschliffen werden können.

Autor: Thomas S. (Gast)
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Wie wäre es mit einem fertigen Baustein : z.B. BTS711 o.ä. der hat 4 
HighSide Schalter mit irgendwas um die 2,9A (ca.). Ansteuerbar direkt 
vom Prozessor. Oder einen entsprechend anderen intelligenten FET. 
Oftmals ist da auch ne Schutzschaltung drinne, wenn doch mal was 
kurzgeschlossen wird.

Autor: Wiesi (Gast)
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Aus gegebenem Anlass konnte ich mal motivieren eine Beschreibung für 
eine
diskrete Bootstrap-schaltung zu machen.
Es muss ja nicht immer gleich ein IC sein....

http://wiesi.uttx.net/bootstrap/index.html

Wenn jemand Lust hat, kann auch jemand einen Artikel im Forum dazu 
schreiben
oder darauf verlinken.

  Wiesi

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