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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Vorwiderstand bei MOSFET an AVR-Pin?


Autor: André Wippich (sefiroth)
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Hallo,

ich habe eine allgemeine Frage, auf die ich bisher immer nur 
widersprüchliche Antworten bekommen habe...

Wenn ich einen MOSFET mittels AVR Schalten möchte, muss ich dann 
zwsichen Gate und AVR-Pin einen Widerstand einsetzen. Die Gate-Source 
Strecke hat ja die Charakteristik eines Kondensators, d.h. im 
Einschaltmoment ist es ein Kurzschluss. Begrenzt der AVR das automatisch 
bzw. sind ausreichend hohe "Widerstände" im Chip/MOSFET vorhanden, dass 
der Einschaltstrom niedrig genug ist, dass man ihn ignorieren kann? 
Jeder zusätzliche Widerstand in der Gate-Zuleitung verzögert ja die 
Durchschaltdauer, da es länger dauert die Gate-Source Strecke zu 
laden/entladen.

Ich möchte speziell in diesem Fall diesen FET schalten
http://www.fairchildsemi.com/ds/FD%2FFDN335N.pdf

Das Schaltsignal wird ein PWM im Bereich von 5 bis 10 kHz werden. Der 
FET hat eine Eingangskapazität von 310pF. Das ergäbe einen 
Blindwiderstand von 50 - 100 kOhm, der sich ja nicht grad bedrohlich 
anhört. Nur ist die Frage ob die Stromspitzen beim Umladen gefährlich 
für meinen AVR sind, oder nicht... Ein AVR kann ja dauerhaft 20mA pro 
Pin liefern - was er spitzenmäßig kann hab ich aber leider nirgends 
gefunden...

Ist übrigens ein ATmega8.

Wäre echt dankbar, wenn mir jemand da mit einer klaren (möglichst 
begründeten) Aussage weiterhelfen könnte.

Autor: rayelec (Gast)
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Ich behaupte mal, dem AVR ist die Gatekapazität des MOSFET egal! Der 
sehr begrenzte Aussgangsstrom des AVR wird aber auf jeden Fall der 
Effizienz deiner Schaltung nicht gerade förderlich sein. Wenn du 
Leistung von mehr als ein paar dutzend Watt schalten musst, dann 
empfehle ich dir, einen MOSFET-Treiber nachzuschalten.

Gruss
rayelec

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Die Stromspitzen stören den AVR nicht, da der Innenwiderstand der 
Portendstufe mit einigen 10 Ohm relativ hoch ist. Allerdings hast Du 
diese Störungen dann auf der Betriebsspannung rund um den AVR und den 
MOSFET herum, so daß andere Schaltungen, insbesondere analoge, gut 
abgeblockt werden müssen. Was Du machen kannst, ist ein 100Ohm 
Serienwiderstand zum Gate und vom Gate 2k2 zur Masse. Damit wird der FET 
noch recht steil durchgesteuert und die Umschaltstörungen bleiben klein.

Autor: Lupin (Gast)
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Einen widerstand zwischen AVR und Gate zu bauen ist einfach nur doof...

AVR pins sind im grunde kurzschlussfest, die Pins lassen sich durch 
310pF nicht beeindrucken.

Bei größeren Kapazitäten gibt es halt Probleme wenn du höhere 
Schaltfrequenzen benötigst - aber mit 20mA geht schon ein bischen was...

Oder schliest du jede Leiterbahn, die länger als 2 cm ist mit einen 
Widerstand an deinen AVR an? Soweit ich weiss, haben die ja auch eine 
Kapazität....

Autor: Lupin (Gast)
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Das mit den Störungen habe ich auch schonmal woanders gelesen, aber 
fallen die bei so niedrigen Strömen wie der AVR sie treiben kann denn so 
stark aus? Der FET, welcher vielleicht eine größere Last schaltet, würde 
doch einiges mehr an Störungen verursachen oder?

Autor: Lothar (Gast)
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Nachdem ich mir zwei AVRs zerschossen habe, finde ich die Widerstände 
gar nicht sooo doof. Wenn Du mehr als Vcc schaltest und dummerwese der 
FET stirbt, nimmt er Deinen AVR mit in die ewigen Jagdgründe. Ist mir 
bei Versuchen mit Halogenlampen an 12V passiert. 1-2k dürften die 
Flanken nicht zu sehr verschleifen, bieten aber einen (hoffentlich) 
ausreichenden Schutz.

Grüsse
Lothar

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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>AVR pins sind im grunde kurzschlussfest, die Pins lassen sich durch
>310pF nicht beeindrucken.

Dem AVR ist es relativ egal, richtig. Aber beim Umschalten treten je 
nach FET derart hohe Störungen auf, daß es andere Bauteile 
'beeindrucken' könnte. Zum Zeitpunkt des Umladens fließen bedeutend 
höhere Ströme, als die angegebenen 40mA pro Pin, nämlich exakt so viel, 
wie der AVR-Pin mit seinem Innenwiderstand wirklich treiben kann. Das 
können auch schon mal mehr als 100mA bei 5V sein.


>Das mit den Störungen habe ich auch schonmal woanders gelesen, aber
>fallen die bei so niedrigen Strömen wie der AVR sie treiben kann denn so
>stark aus?

Das hängt vom FET ab, wir haben hier schon 0,5Vss auf Vcc gemessen, was 
ausreicht, den Controller bei aktiviertem BrownOut-Detektor zu resetten. 
Hinzu kommt Lothars Einwand bei abgerauchtem FET.

Autor: JensG (Gast)
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@ Lupin (Gast)
also 310pF mit 2cm Leitungskapazität zu vergleichen finde ich aber auch 
ein bißchen doof ... Kann man überhaupt nicht vergleichen, denn 2cm 
Leitung haben nur ganz, ganz wenige pF. Schon deswegen ist es weit 
unkritischer.
310pF ist ja schon ein rechts schwacher MOSFET. Die Gatekapazität kann 
aber auch schon mal etliche nF haben. Dann wird's noch heftiger.
Du mußt auch sehen, daß da schon relativ schnelle (Strom)-Schaltflanken 
entstehen, die über die Leitungsinduktivitäten in der Betriebsspannung 
schon hohe Spannungsspitzen verursachen können, die woanders stören 
können.
Abblockung ist daher das A und O, wenn man den MOSFET mit einem R nicht 
"weicher" ansteuern will.
Auch wenn höhere Ansteuerfrequenzen vorgesehen sind, muß man schon 
langsam an die entstehende Verlustleistung in den Port-Transistoren 
denken. Da kanns dem AVR auch schnell mal zu heiß werden (vor allem, 
wenn mehrere Mosfets getrieben werden sollen). Statt einem R als 
Strombegrenzung würde ich dann aber zu einem Mosfet-Treiber tendieren.

Aber egal - es ist letzendlich so, wie  Travel Rec. schon schreibt. 
Eigentlich brauchste keine R dazwischen für "normale" Aufgaben. Mit 
einem R kannst Du die Schaltflanken "verweichlichen", wenn Du unbedingt 
willst - steuert aber auch den Mosfet langsamer aus (höhere 
Verlustleistung)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Lothar (Gast)

>gar nicht sooo doof. Wenn Du mehr als Vcc schaltest und dummerwese der
>FET stirbt, nimmt er Deinen AVR mit in die ewigen Jagdgründe.

Und denkst du, dass ein Widerstand von 100 Ohm das verhindert? Und 10K 
sind bei 10 kHz definitiv zuviel, selbst 1k ist nicht wenig. 1k * 310pF 
= 310ns Zeitkonstante. Sprich der Schaltvorgang ist nach ~1,5us 
abgeschlossen. Das ist ziemlich  lange.

>Flanken nicht zu sehr verschleifen, bieten aber einen (hoffentlich)
>ausreichenden Schutz.

Die Hoffnung stirbt zum Schluss, gleich nach dem AVR ;-)

MFG
Falk

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Ich habe schon auf diesen Kommentar von Falk gewartet. Keine Schaltung 
bietet einen ausreichenden Schutz gegen alle Dummheiten des Anwenders. 
Natürlich muß so dimensioniert werden daß für den jeweiligen 
Anwendungszweck ein Optimum an Performance erreicht wird.

Autor: JensG (Gast)
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@ Lothar (Gast)
>1-2k dürften die
Flanken nicht zu sehr verschleifen, bieten aber einen (hoffentlich)
ausreichenden Schutz.

Wenn Du nur Lampen damit schalten willst, dann ist das sicherlich ok. Da 
kann man das zu Entsörungszwecken so ganz einfach machen.
Aber wenn es langsam richtung HF geht, dann ist die Verschleifung der 
Flanken mit 1-2k schon extrem. Die Flanken haben dann schon Zeiten im µs 
Bereich bei entprechenden Leistungs-Mosfets. Hinzu kommt dann noch die 
bei UgsThres einsetzende Flanke über die D-G Kapazität, die dem 
Aufwärtsstreben der weich geschalteten Gatespannung zusätzlich 
entgegenwirkt. Kann man richtig gut im Oszi sehen, wie die Gatespannung 
da eins auf den Deckel bekommt).
Bei zunehmend höheren Frequenzen ist daher eine zunehmend niederohmigere 
Ansteuerung praktisch Pflicht, wenn es einem an der Verlustleistung in 
den Mosfets liegt.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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5-10kHz ist absolut keine Hochfrequenz und darum geht es dem Anwender. 
Was er noch nicht geschrieben hat, ist die Amperezahl und die Spannung, 
die er zu schalten gedenkt. Vielleicht kann man dann ja noch konkreter 
werden.

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Danke für die vielen Antworten!

Die Frage war in erster Linie allgemein gemeint.

Konkret hätte ich momentan die Ansteuerung eines Mini-Speakers (5V / 
50mA / Frequenz variiert vorauss. zwischen 0 und 8 kHz) und die simple 
PWM-Dimmung einiger LEDs (12V  1-2A  1kHz).

Ab und zu hätte ich auch mal bei 12V Lasten in Richtung 6-10A zu 
schalten. Aber dann normalerweise nur an/aus.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Für den MiniSpeaker die Freilaufdiode nicht vergessen. Der MOSFET hat 
zwar eine Diode integriert, aber die ist zu schwach und zu langsam und 
an der falschen Stelle.

Autor: JensG (Gast)
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sorry - hatte ich überlesen, daß da schon was von 5-10kHz geschrieben 
wurde.
Da er aber PWM machen will, sollte der R trotzdem nicht zu hoch werden, 
falls er verwendet werden sollte. Denn 10kHz sind T=100µS bzw. 50µs pro 
"Halbwelle" - da sind Anstiegszeiten von einige µs bei ein paar kOhm 
schon gefährlich für die Genauigkeit der PWM.
Ich denke mal, bei der Frequenz den R einfach weglassen - dürfte dann 
auch Anstiegszeiten um die 100 200 ns oder weniger im Mosi ergeben, was 
man schon als "ideal" betrachten kann.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  André Wippich (sefiroth)

>50mA / Frequenz variiert vorauss. zwischen 0 und 8 kHz) und die simple
>PWM-Dimmung einiger LEDs (12V  1-2A  1kHz).

Wozu 1 kHz? 100..200 Hz reichen locker.

>Ab und zu hätte ich auch mal bei 12V Lasten in Richtung 6-10A zu
>schalten. Aber dann normalerweise nur an/aus.

BUZ11 ist dein Freund.

MFG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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@Travel Rec:
Logo, Freilaufdiode kommt mit dazu. Welchen Zweck die parasitäre Diode 
im FET hat ist mir noch nicht so ganz klar, aber eine Freilaufdiode ist 
es bestimmt nicht :-)

@Falk Brunner:
Mir wurde von Kollegen geraten eine höhere Frequenz zu wählen. Ich werde 
in der Praxis dann schauen, welche niedrigste Frequenz die besten 
Ergebnisse erzielt. Denke mal, das 250 Hz locker ausreichen werden - 
aber ich will den Rat meiner Kollegen auch nicht ignorieren. Immerhin 
haben die schon mehr gedimmt als ich ^_^

@All:
Ich denke ich werde bei meinen MOSFET-Anwendnungen einen kleinen 
Serienwiderstand von vielleicht 100 Ohm vorsehen, um die Störungen zu 
reduzieren. Bei den kleinen Leistungen, die ich überwiegend schalte, 
sollte das kein Problem sein. Bei großen Lasten verwende ich gerne den 
BTS442 - der ist mehr IC als FET und hat einen TTL-Eingang, den ich 
direkt mit dem AVR verbinden kann.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>Logo, Freilaufdiode kommt mit dazu. Welchen Zweck die parasitäre Diode
>im FET hat ist mir noch nicht so ganz klar,

Zweck hat sie keinen, sie ist ja parasitär.

>Mir wurde von Kollegen geraten eine höhere Frequenz zu wählen.

Mit welcher Begründung? Das ist bestenfalls sinnvoll, wenn die LEDs 
schnell parallel zur Betrachtungsebene bewegt werden, dann ist ein hohe 
PWM-Freqeunz von 1kHz und mehr nötig, um ein FLimmern zu vermeiden.

>aber ich will den Rat meiner Kollegen auch nicht ignorieren. Immerhin
>haben die schon mehr gedimmt als ich ^_^

Und? Das ist KEINERLEI substantielle Begründung. Ein ".. das machen wir 
schon seit Jahren so und basta " ist nur Gefasel alter Leute.

MFG
Falk

Autor: JensG (Gast)
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für den Minispeaker mit 50mA kannste auch einen kleinen Mosi nehmen wie 
den BS170 im TO92 oder SOT23-Gehäuse. Der kann auch schon 500mA, und mit 
5V Gatespoannung erreicht der sogar auch schon seinen Idmax - hat also 
schon LL-Eigenschaften, die sich also solche nutzen lassen. 
Gate-kapazität sind's auch nur wenige 10pF, so daß der auch ohne Gate-R 
nur vernachlässigbare Störungen verursachen dürfte, und für die 
µC-Augänge auch keine relvante Belastung darstellt.

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