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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie Versorgungsspannung mit FET schalten?


Autor: Joern DK7JB (moin)
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Momentan sehe ich den Wald vor lauter Bäumen nicht. Ein eigentlich 
einfaches Problem (das immer mal wieder auftaucht) verwirrt mich:
Ich möchte einzelne Teile einer Schaltung (incl. der zugehörigen 5V 
Versorgung) abschalten können um Strom zu sparen. Die Teilschaltung kann 
bis zu 500mA ziehen. Das Abschalten soll durch einen ATMEGA (5V) 
erledigt werden, der durch einen anderen Stromkreis versorgt wird.

Kann die abgebildete Schaltung mit dem P-Channel FET funktionieren?
Welcher FET ist für mich die beste Wahl? Kann ich einen IRF7406 oder 
IRLML6302 oder BSP171 nehmen und ihn direkt über einen Widerstand mit 
dem µC ansteuern?
IRF7406: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir...
IRLML6302: 
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir...
BSP171: 
http://crio.mib.infn.it/wig/electronics/Componenti...

Welchen FET würdet ihr nehmen, wenn die Schaltung nur 100mA ziehen 
würde?

Vielen Dank schonmal für eure Ideen.
moin

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Nein, so funktioniert das nicht. Bei deiner Schaltung kommst du am Gate 
nur bis auf 5V rauf, und dann hast du immer noch eine 
Gate-Source-Spannung von 2-4V, so dass der FET nicht sicher sperrt.
Du musst noch einen Widerstand zwischen Gate und Source schalten (z.B. 
10k), und zum Abschalten des FET den µC-Ausgang dann nicht auf High 
schalten, sondern hochohmig machen.

Autor: Gabriel Wegscheider (gagosoft)
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Für diese Anwendungen verwende ich immer einen P-FET zum schalten (10k 
Widerstand zwischen Gate & Source) und einen N-FET der den Gate des 
P-FET gegen GND schaltet, der Gate vom N-FET wird dann vom µC 
angesteuert

Autor: Andi (Gast)
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Ich habe diese Schaltung bereits mehrmals eingesetzt. Was das MOSFET 
angeht, du kannst jeden von dir genannten Typen nehmen. Es muss keine 
besonderen Eigenschaften haben, als bei 7V Batterie-Spannung den 
gewünschten Strom liefern. Ist halt nur eine Preisfrage.

Autor: Lupin (Gast)
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Stefans Lösung funktioniert nur mit Betriebsspannungen die nahe bei Vcc 
des AVR liegen, da die internen Schutzdioden des AVRs greifen würden und 
die Spannung am Gate nicht ganz auf die Betriebsspannung heran kommt 
(trotz pull up widerstand).

Autor: Wolfgang (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe die hier genannten Schaltungen ähnlich aufgebaut und habe damit 
ein Problem:

An die Anschlussklemme oben im Bild ist ein 3 Stufenschalter
angeschlossen!
Bei 2 Stufen, soll der Teil hinter dem P Kanal MOSFET eingeschaltet und
bei der dritten Stufe ausgeschaltet sein.
Steht der Schalter auf der dritten Stufe (aus), fällt die Spannung um
ungefähr 1 Volt und die Schaltung dahinter läuft relativ uneeindruckt
weiter! (unter anderem ein kleiner Motor, d.h. es wird auch Strom
gezogen)

Kann es sein, dass aus irgendeinem Grund nicht dauerhaft ausgeschaltet
bleibt und daher eine Art PWM erzeugt wird (anders kann ich mir das kaum
erklären)

Bitte um Hilfe! :)

danke

Autor: Joern DK7JB (moin)
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Vielen Dank für die bisherigen Antworten.
Ich habe euch so verstanden, dass wenn die Batteriespannung von ca 8V 
geschaltet werden soll nur die Schaltung von Andi funktionieren kann. 
Wenn aber nur innerhalb eines 5V-Systems die Versorgungsspannung 
geschaltet werden soll, auch die Variante von Stefan sicher 
funktionieren müsste.
Ist das so richtig?

Wie wählt man die FETs aus? Stimmen meine Kriterien?
Vds: Muss größer als die max. Batteriespannung sein
Vgs: zwischen -0,1V und -4V   ??????

Autor: Gabriel Wegscheider (gagosoft)
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Ja, ist soweit richtig.
Du kannst statt des NPN-Transistors auch einen FET verwenden, dann 
kannst Du R4 und R5 sparen. Wenn die Spannung maximale Gate-Source 
Spannung des P-FET es zulässt kannst Du auch noch R2 sparen.

Autor: Joern DK7JB (moin)
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@Gabriel
Muss ich dann einen N-Channel Fett als Transistorersatz nehmen?

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Erstmal sorry für meinen falschen Rat, an die Clamping-Dioden hatte ich 
peinlicherweise nicht gedacht.
Bei Fall II musst du allerdings den Wert von R6 noch deutlich 
reduzieren. Bei R7=10k sollte R6 höchstens 1k haben.

> Vds: Muss größer als die max. Batteriespannung sein
> Vgs: zwischen -0,1V und -4V

Du meinst hier eigentlich Vgs(th), passt aber schon so.
Id ist dann natürlich noch wichtig.

> Muss ich dann einen N-Channel Fett als Transistorersatz nehmen?

Ja.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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@ Joern B. (moin):

Fall1:
R3 verkleinern, so etwa 1k.
R2 weglassen
R5 muss wahrscheinlich erhöht werden, kommt auf die Ansteuerspannung an.


Fall2:
R6 weglassen, R5 lieber verkleinern. (1k)

Das zulässige max. Vgs sollte man beim Schalten weitestgehend ausnutzen, 
wenn man schon "genug" Betriebsspoannung hat.

Autor: Gabriel Wegscheider (gagosoft)
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Ja so beschalte ich solche "Stromparer".
Den Spannungsteiler 10k-10k brauchte ich, da es sich um 24V 
Schaltspannung handelte und der FET eine maximale UGS von 20V aushält. 
Für kleinere Spannungen kann R2 entfallen.
BS250 kann allerdings nur 0.25A (0.5A Peak)

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo,


ich habe vor, aus mehreren Quellen (0-6V z.B. Batterie), einen 
DC/DC-Wandler wahlweise anzusteuern. Die Ab- und Zuschaltung soll über 
einen yC (3.3V) geschehen.

Kann es bei der N/P-MOSFET Variante Probleme geben wenn die Spannung am 
P-Kanal Source (die Batteriespannung) unter die yC Spannung fällt (wenn 
zugeschaltet oder abgeschaltet) oder sogar noch unter den 
Gate-Source-Treshold (wenn abgteschaltet) fällt ?


Grüße,

Karl

Autor: kosmopompas (Gast)
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Anfängerfrage: und wie viel Spannung fällt denn nun über den leitenden 
FET ab ?

Autor: Gabriel Wegscheider (gagosoft)
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Probleme kann es geben, wenn die Sourcespannung unter die Drainspannung 
fällt, da hier die Schutzdioden einen Strom vom Verbraucher (bzw einer 
anderen SpgQuelle) zum Erzeuger schicken. Im schlimmsten Fall kannst Du 
mit einer alternativen Spg-Quelle die Alkalibatterie laden, das mag die 
aber nicht so richtig. Kann aber durch eine Diode gelöst werden.
Bedenke bei Deiner Idee die Frage ob der DC-DC Wandler womöglich die 
fehlende Spannung durh höheren Strom kompensieren will.
Eigentlich sollte es sonst keine Probleme geben, denke ich auf die 
schnelle.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Hallo zusammen,

sorry dass ich mich hier so dazudränge, ich hab aber in einem sehr 
ähnlichen Bereich ein Problem! Ich möchte mit einem Kippschalter, einen 
MOSFET ansteuern, der dann die restliche Schaltung lahmlegt!

Das Problem is aber, dass wenn der Schalter auf der dritten Stufe (aus) 
steht, die Spannung um ungefähr 1 Volt fällt und die Schaltung dahinter 
läuft relativ uneeindruckt weiter! (unter anderem ein kleiner Motor, 
d.h. es wird auch Strom gezogen)

Fällt euch irgendwas auf?!?

der FET ist ein NDT452AP

besten dank

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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@ Wolfgang:
Du hast den MOSFET wahrscheinlich verkehrt herum drin.

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Gabriel,


die Drainspannung wird auf jeden Fall höher sein können als die 
Sourcespannung da leere Batterien abgeschaltet werden und "frische" 
zugeschaltet werden die sich entladen.

Es treten also 3 Fälle auf:

1er Fall:
Drain : 0V (leere Batterie)
Source: 6V (volle Batterie wird entladen)

2er Fall:
Drain : 6V (volle Batterie)
Source: 6V (volle Batterie wird entladen)

3er Fall:
Drain : 6V (volle Batterie)
Source: 0V (leere Batterie wird abgeschaltet)


Am Drain befinden sich volle oder leere Batterien und am Source befindet 
sich eine Batterie die entladen wird. Batterien sollen jetzt nur ein 
Beispiel sein.



Grüße,

Karl

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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kosmopompas wrote:
> Anfängerfrage: und wie viel Spannung fällt denn nun über den leitenden
> FET ab ?

Hängt vom Strom und dem Rds(on) des MOSFET ab. Die Drain-Source-Strecke 
verhält sich praktisch wie ein Widerstand, wobei der Wert dieses 
Widerstandes von der Gate-Source-Spannung abhängt.

Autor: Gabriel Wegscheider (gagosoft)
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@Karl R
 hmmm Deiner Beschreibung kann ich nicht ganz folgen, meine Vorstellung 
Deiner Beschaltung sieht in etwa so aus. hier sind die Dioden wichtig, 
da die meisten FET eine Schutzdiode zwisch D und S haben, die leiten 
würde wenn zB
G1 leer und G2 eingeschaltet.
FET sind in meiner Schaltung wahrscheindlich zu klein und die Betterie 
ist symbolisch zu sehen....  GS-Widerstand vergessen einzuzeichnen

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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@ Gabriel Wegscheider (gagosoft):

>meisten FET eine

ALLE FETs haben die konstruktionsbedingt drin!


Die PuzllUps für Gates fehlen noch!

Du brauchst ein ordentlichen High/Low Signal am Gate, nach Masse ziehen 
reicht NICHT!

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Gabriel,


die Dioden erzeugen da einen Spannungsabfall der sich dort extrem 
störend auf die nutzbare Energie auswirkt. Es gibt zwar gute Dioden, 
aber der mögliche "forward current" liegt bei diesen Dioden im Keller.


Grüße,

Karl

Autor: Gabriel Wegscheider (gagosoft)
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@Karl R.:
> die Dioden erzeugen da einen Spannungsabfall der sich dort extrem
> störend auf die nutzbare Energie auswirkt. Es gibt zwar gute Dioden,
> aber der mögliche "forward current" liegt bei diesen Dioden im Keller.
Das ist mir soweit klar, aber eine leere Batterie saugt Dir sonst die 
volle aus... das ist genau das, was ich mit der Skizze darstellen 
wollte.
@ Matthias Lipinsky:
Du hast recht, auf die Pullups hab ich in der Skizze vergessen.
FET-Diode... war ich mir nicht sicher, doch da lass ich mich auch gerne 
eines besseren belehren  ;)

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Karl R. wrote:
> die Dioden erzeugen da einen Spannungsabfall der sich dort extrem
> störend auf die nutzbare Energie auswirkt.

Ersetze die Diode durch einen zweiten "verkehrt herum" eingesetzten 
MOSFET, quasi als überbrückbare Diode.

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo,


könnte man durch mehrere MOSFETs den rückwerts fließenden Strom 
verhindern ? Gibt es evtl. eine andere Kompination die ~1.5A Peak 
schalten kann (DC/DC Wandler beim einschalten und sehr geringe 
Spannungen) und einen geringen Spannungsabfall hat ?

TI hat z.B. diesen Autoswitcher TPS2115. Leider muss bei dem auf einem 
Eingang mindestens 2.5V anliegen (ich hatte ja schon nach analogen 
Schaltern im Forum gefragt).


Grüße,

Karl

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Was mir gerade auffällt, du willst ja auch kleine Spannungen schalten. 
Dann hast du natürlich auch noch das Problem, ein vernünftiges Vgs zum 
Einschalten zu bekommen.

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Stefan,


handelt es sich um die "antiseriell" geschalteten MOSFETs ?

z.B.:

Beitrag "MOSFET antiseriell"

Da wird dann auf Low Site geschaltet so wie ich das sehe.


Gibt es evtl. auch einen anderen Begriff für diese Beschaltung damit ich 
mich da mal etwas einlesen kann ? Ich hatte hier im Forum schon einen 
anderen Beitrag darüber gelesen. Leider war dort nichts näher (für 
Laien) beschrieben.




Grüße,

Karl

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Stefan,


> Was mir gerade auffällt, du willst ja auch kleine Spannungen schalten.
> Dann hast du natürlich auch noch das Problem, ein vernünftiges Vgs zum
> Einschalten zu bekommen.

Das ist dann nur die Wahl des richtigen MOSFETs. Es gibt da mehrere die 
bei diesen kleinen Spannungen schalten können (VGS -0.4V bis -1.0V). 
Obwohl die N-Typen noch besser da stehen ...



Grüße,

Karl

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Karl R. wrote:

> handelt es sich um die "antiseriell" geschalteten MOSFETs ?

Ja genau, aber nicht so wie in dem anderen Thread.
Ich hänge mal ein Bild an, wie ich das meine.

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Kleiner Zusatz:
Den unteren Widerstand ersetzt du dann natürlich durch einen N-MOSFET.

Autor: Joern DK7JB (moin)
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Um auf meine Eingangsfrage zurückzukommen, habe ich die 
Schaltungsvarianten nochmals zusammengefasst. Zu jeder Variante habe ich 
noch einige Fragen, da von euch verschiedene Vorschläge gemacht worden 
sind:
Zu Fall I
-Was passiert, wenn ich R2 weglasse?
-Was passiert, wenn ich R3 verkleinere auf z.B. 1k oder 4k7?
 (Die 10k gefallen mir am besten, da sonst auch der Verbrauch sich 
erhöht?
-Sind R4 und R5 richtig dimensioniert, wenn der µC mit 5V betrieben 
wird?

Zu Fall Ia oder Fall II
Gleiche Fragen wie bei Fall I

Eure Tipps helfen mir enorm weiter - vielen Dank
moin

Autor: kosmopompas (Gast)
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noch mal Anfängerfrage:

Wie viel Spannung fällt denn nun über den leitenden FET ab?
Reicht die noch für einen TTL Baustein?

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo kosmopompas,


schau mal dort:

Beitrag "MOSFET als Schalter"



Grüße,

Karl

Autor: Winfried (Gast)
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>Zu Fall I
>-Was passiert, wenn ich R2 weglasse?

Im Einschaltmoment kann durch kapazitive Umladung ein größerer Strom 
fließen. Ist aber bei einem BC847 nicht wirklich problematisch, kannst 
du weglassen. Evtl. wird er in Sachen EMV interessant.


>-Was passiert, wenn ich R3 verkleinere auf z.B. 1k oder 4k7?

Vergrößere ihn lieber auf 100K - 1M, spart Strom. Wenn du ihn zu stark 
verkleinerst, sinkt die Gatespannung immer weiter, bis gar nicht mehr 
durchgeschaltet wird. Wenn du zu groß wirst, dann gibt es Probleme mit 
Störungen aus dem Umfeld (EMV).


> (Die 10k gefallen mir am besten, da sonst auch der Verbrauch sich
>erhöht?

100K sollte auch funktionieren, selbst in rauen Umfeldern.

>-Sind R4 und R5 richtig dimensioniert, wenn der µC mit 5V betrieben
>wird?

Da hast du weiten Dimensionierungsspielraum. Rechne es dir am besten 
aus, ist ja eine Transistor-Grundschaltung. Auch hier kannst du z.B. 
100K für R5 nehmen und 10-100K für R4. Ich würde so dimensionieren, dass 
10-100 mA Kollectorstrom fließen können.

>Zu Fall Ia oder Fall II
>Gleiche Fragen wie bei Fall I

Auch hier darf R8 ggf. entfallen, R9 darf größer sein, R1 ebenso. 
Insofern du Strom sparen willst.

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Stefan,


ich werde die Schaltung mal simulieren. Spice Modelle für die MOSFETs 
habe ich schon gesehen.


Danke erstmal.



Grüße,

Karl

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Stefan,


ich habe deine Schaltung erstmal so gelassen und am 2ten Widerstand 
einen N-Fet zum Schalten angeschlossen.
Am eigentlichen Ausgang sind ein paar Kondensatoren um die Spannung zu 
halten und Peaks zu verringern (10nF,100nF,100uF).

Das funktioniert in der Simulation soweit auch ganz gut. Ich sehe in der 
Simulation aber einige Strompeaks beim Schalten des N-Fets. Gibt es eine 
Möglichkeit das irgendwie zu blocken ?


Grüße,

Karl

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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> Das funktioniert in der Simulation soweit auch ganz gut. Ich sehe in der
> Simulation aber einige Strompeaks beim Schalten des N-Fets. Gibt es eine
> Möglichkeit das irgendwie zu blocken ?

Kommt darauf an, welche Peaks genau du meinst.

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Stefan,

anbei ein Bild.

Durch C11 und C12 habe ich es etwas verbessern können. Den Strom habe 
ich am roten Punkt gemessen.

Also:

V2 : 2V (links VDD)
V7 : 3.3V (digitales Signal schaltet NMOS)
V10: 5V (musste hier mit einer Diode arbeiten, da ich nur eine 
Studentenversion von PSPICE habe)
R10: kleiner Verbraucher


bei Punkt 1 (400ms):

V10 wird abgeschaltet und zeitgleich V7 eingeschaltet (ich denke dadurch 
kommt der große Peak in der Simulation ?!)

bei Punkt 2 (600ms):

V7 wird abgeschaltet und ein kleiner Peak ist dort zu sehen. Warum ?

bei Punkt 3 (625ms):

V10 wird eingeschaltet und verursacht einen Peak. Warum ?



Grüße,

Karl

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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Erst mal was Grundsätzliches:
Jeder FET hat an seinem Gate eine gewisse Kapazität, die bei jedem 
Schalten umgeladen werden muss. Genauer gesagt, das Umladen der 
Gate-Kapazität IST der Schaltvorgang. Es fließt also kurz ein Strom ins 
(bzw aus dem) Gate.

> bei Punkt 1 (400ms):
> bei Punkt 2 (600ms):
> bei Punkt 3 (625ms):

Die kleinen Peaks werden durch die parasitäre Kapazität am Drain-Pin von 
M16 verursacht.
Der Große bei Punkt 1, siehe oben.

C11 und C12 sind eher kontraproduktiv, ich würde die weglassen.

Warum machst du dir überhaupt Sorgen wegen der winzigen Peaks?

PS: Wenn ich das richtig verstanden habe, dann ist links die 
Batterieseite, und rechts der Verbraucher. Die ganze Reihe Kondensatoren 
auf der linken Seite hat dann keinen so großen Sinn.

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Stefan,


links ist die Batterie die über die MOSFETs eingeschaltet wird. Rechts 
ist der Verbraucher und rechts davon eine andere "Batterie" die 
zugeschaltet wird wenn die linke Batterie abgeschaltet wird. Ich bin bei 
den Bauteilen etwas begrenzt, deswegen dort die Diode und Pulser.
Dort soll dann der gleiche Aufbau mit den MOSFETs nochmal sein.

Eine einfache Batterieumschaltung halt.


Bei den Peaks ging es mir um die Schaltung. Ich dachte da ist noch etwas 
faul.




Grüße,

Karl

Autor: Hagen Re (hagen)
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reduziere mal R7 auf 1K oder weniger. Grundsätzlich kannst du den sogar 
weglassen, wenn der N-MOSFET zb. ein BSS138 ist der durch seinen Ri von 
6Ohm eh den Strom begrenzt. Du entlädst ja darüber nur die Gatekapazität 
der MOSFETs und das nicht im Interval wo es EMV technisch Proleme 
bereiten würde.

Bei den Caps gebe ich Stefan Recht, sind überflüssig, auch die an der 
Batterie.

Und zweitens habe ich die Erfahrung gemacht das solche Peaks die durch 
die Simulationssoftware theoretisch vorhergesagt werden oft in der 
Praxis garnicht auftreten.

Gruß Hagen

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo Hagen,


durch die Verkleinerung von R7 zeigt die Simulationssoftware größere 
Umschaltpeaks und aus diesem Grund hatte ich den dort so groß gewählt. 
Bei 200k ~48uA und bei 1 Ohm ~600mA.
Das werde ich dann in der  aufgebauten Schaltung nachmessen.


Grüße,

Karl

Autor: Hagen Re (hagen)
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Das ist auch richtig. Du musst dir halt bewusst sein das mit 100k Gate 
Widerstand und ~1nF Gatekapazität die darüber entladen werden soll die 
Umschaltzeiten der MOSFET im unsicheren Betriebsbereich stark verlängert 
werden. Wenn also der Verbraucher von Anfang an kräftig Strom zieht dann 
erhöhen sich überproportional die Schaltverluste in den MOSFETs im 
Vergleich zu den Umschaltverlusten in den Gatekapazitäten. MOSFETs 
sollte man im allgmeinenen möglichst schnell schalten lassen und das 
geht eben nur indem man die Gatekapazität schnell leerräumt.

Das ist aber auch abhängig wie oft und schnell man die MOSFET schalten 
lassen möchte. In deinem Anwendungfall ist das eher unkritisch, solange 
dein Verbraucher nicht sofort und viel Strom zieht.

Ich kenne PSpice nicht, arbeite nur mit LTSpice. Da kann man die 
verbratene Verlustleistung der MOSFETs anzeigen lassen. Wenn das mit 
PSpice auch geht dann schaue dir mal den Unterschied in der 
Verlustleistung in dem MOSFETs an wenn du mit 100k oder 0 Ohm 
Gatewiderstand umschaltest. Natürlich sollte der Verbraucher auch 
kräftig Strom ziehen damit man diesen Unterschied auch sieht. Diese 
Leistung wird im MOSFET in Wärme umgesetzt, sprich in der Praxis wird er 
schön heiß.

Die 600mA beim direkten Entladen des Gate sind normal. Schau dir mal die 
Zaitspanne an und rechne das um in Leistung, dann siehst du das das 
schlimmer aussieht als es ist.

Deshalb würde ich auch den 1MOhm Widerstand auf maximal 470k 
verkleinern. Strom sparen ist zwar nett aber mit 1MOhm kommt man in den 
Bereich in dem EMV Probleme macht und davon abgesehen machen die MOSFETs 
dann nur extrem langsam dicht.

Gruß Hagen

Autor: Karl R. (Gast)
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Hallo,


die Beschaltung der MOSFETs nennt sich übrigens "back-to-back".



Grüße,

Karl

Autor: andi (Gast)
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@Joern B.
Warum verwendest du keinen Spannungsregler mit Enable-Pin?

Autor: Joern DK7JB (moin)
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@andi
Weil ich bei Reichelt oder CSD keinen low-drop Spannungsregler mit 
Enable-Pin gefunden habe.

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