Über den Beitrag
Transistoren werden in der Welt der Mikrocontroller gerne als Schalter eingesetzt. Insbesondere bei hohen zu steuernden Strömen fällt die Wahl dann häufig auf einen MOSFET. Im Prinzip sind MOSFETs sehr einfach zu handhaben, trotzdem gibt es einiges beim Umgang mit ihnen zu beachten. Vor allem stellt sich die Frage, auf welche Parameter man achten muss, um den richtigen MOSFET auszuwählen. Eine andere Frage ist, welche zusätzlichen Bauteile benötigt werden. Brauche ich einen Vorwiderstand am Gate? Brauche ich einen Gate-Treiber? Der Beitrag soll helfen, diese Frage zu beantworten.
Folgendes kommt auf euch zu:
- Was ist ein MOSFET?
- Minimalschaltung
- Auswahlkriterien
- Weitere Erwägungen
- Gate-Treiber
- Welchen MOSFET soll ich denn nun nehmen?
Was ist ein MOSFET?
Im Netz findet ihr viele Artikel, in denen der Aufbau und das Funktionsprinzip von MOSFETs erklärt wird, z.B. hier auf Wikipedia. Deshalb werde ich hier nur auf das Notwendigste eingehen.
Die Bezeichnung MOSFET steht für Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor. Der MOSFET besitzt drei Anschlüsse, die als Gate, Drain und Source bezeichnet werden. Mit der Spannung zwischen Gate und Source steuert ihr den Stromfluss zwischen Source und Drain. Normalerweise ist das Gate links, Drain in der Mitte und Source rechts, wenn ihr auf die beschriftete Seite des MOSFETs schaut.
Es gibt n-Kanal und p-Kanal MOSFETs. Der n-Kanal MOSFET öffnet, wenn das Potenzial an seinem Gate gegenüber seiner Source einen bestimmten positiven Schwellenwert überschreitet. Um den p-Kanal MOSFET zu öffnen, muss hingegen eine Spannung an seinem Gate anliegen, die gegenüber der Source negativ ist. Den n-Kanal MOSFET verwendet ihr auf der GND Seite, den p-Kanal MOSFET auf der positiven Seite der Versorgungsspannung.
Ich werde mich in meinem Beitrag auf die n-Kanal MOSFETs konzentrieren.
MOSFET vs bipolarer Transistor
Wer von einem Transistor spricht, meint in der Regel einen bipolaren Transistor (BJT = bipolar junction transistor). Da MOSFETs aber auch zur Großfamilie der Transistoren gehören, muss ich sie hier namentlich unterscheiden.
Die BJTs besitzen wie die MOSFETs drei Anschlüsse. Und auch bei ihnen wird der Stromfluss zwischen zwei der Anschlüsse, nämlich Kollektor und Emitter, über den dritten Anschluss, die Basis, gesteuert. Sie unterscheiden sich hingegen (unter anderem) in diesen Aspekten:
- Im BJT fließt ein Strom von der Basis zum Emitter. Dieser steuert den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter. Der bipolare Transistor ist also stromgesteuert. Im Gegensatz dazu ist der MOSFET spannungsgesteuert.
- Die Schaltgeschwindigkeit der MOSFETs ist höher als die der BJTs.
- MOSFETs sind teurer.
- MOSFETs sind für höhere Ströme geeignet.
- Der BJT beginnt ab einer Basis-Emitter-Spannung von ungefähr 0.7 Volt zu leiten. Beim MOSFET werden hingegen in der Regel Gate-Source Spannungen von 1 bis 4 Volt benötigt.
- Der MOSFET besitzt eine nicht unerhebliche parasitäre Kapazität. Dazu später mehr.
Minimalschaltung
Nehmen wir an, ihr wolltet ein Bauteil schalten, dass mit 5 Volt betrieben wird. Weiterhin braucht es einen Strom, der das Limit eines I/O Pin überschreitet. Das wären beispielsweise 20 mA beim Arduino UNO. Andererseits soll der Strom nur so groß sein, dass er über den 5 Volt Ausgang des Mikrocontrollerboards bereitgestellt werden kann. Das sind bei USB Betrieb in der Regel 500 Milliampere, minus 50 Milliampere für das Board und minus dem, was die I/O Pins insgesamt bereitstellen. In diesem Fall kann die Schaltung sehr einfach gestaltet werden:
Dabei repräsentiert der Lastwiderstand R_L das Gerät, das ihr schalten wollt. Auf die Frage, ob ihr einen Vorwiderstand (Series Resistor) braucht, gehe ich noch ein. Meistens werdet ihr ihn weglassen können.
Ich habe die Schaltung mit einem IRL520 MOSFET ausprobiert. Als Last kam unter anderem eine 0.2 Watt LED (40 mA) zum Einsatz.
Damit der MOSFET zuverlässig sperrt, muss er auf GND Niveau gezogen werden. Mit der obigen Schaltung ist das möglich, wenn Pin 9 auf OUTPUT/LOW eingestellt wird. Die sicherere Variante ist der Einsatz eines zusätzlichen Pull-Down Widerstandes (47 kΩ).
Bei höherem Strombedarf oder höheren Spannungen müsst ihr die Last mit einer separaten Stromquelle versorgen. Solltet Ihr eine Last einsetzen, die eine Spule besitzt, wie einen Motor oder einen Elektromagneten, dann vergesst nicht die obligatorische Freilaufdiode.
Auswahlkriterien für MOSFETs
Es gibt ein riesiges Angebot von MOSFETs, was die Auswahl nicht erleichtert. Zudem sind die Datenblätter für Nicht-Elektroniker recht verwirrend, da die Liste der spezifizierten Eigenschaften lang ist. Im Folgenden gehe ich auf die wichtigsten Kriterien ein.
Logic Level MOSFETs
Wenn ihr einen MOSFET mit 5 oder gar 3.3 Volt Gate-Source Spannung steuern wollt, dann solltet ihr zu einem Logic Level MOSFET greifen. Ob es sich um einen solchen handelt, steht in der Regel auf der ersten Seite des Datenblattes, so wie in dem Beispiel rechts. Außerdem ist der RDSON-Wert (Erklärung folgt) für die Logic Level MOSFETs bei 5 Volt oder niedriger angegeben und nicht, wie sonst üblich, bei 10 Volt. Ein weiterer Indikator ist eine niedrige „Gate-Source Threshold Voltage“. Das ist die minimale Gate-Source (GS) Spannung, bei der der MOSFET zu leiten beginnt.
Bei Logic Level MOSFETs liegt der Wert häufig zwischen 1 und 2 Volt, sonst sind es eher 2 bis 4 Volt.
Viele MOSFETs haben eine Bezeichnung nach dem Schema „IRFxxx“ oder „IRLxxx“. Bei den „IRLs“ könnt ihr in der Regel davon ausgehen, dass es sich um einen Logic-Level MOSFET handelt. Allerdings ist es nicht sicher, dass ein „IRF“ kein Logic-Level MOSFET ist. Weitere Abkürzungen findet ihr hier auf Mikrocontroller.net.
Maximaler Drain-Strom
Die Datenblätter der MOSFETs spezifizieren den maximalen Drain-Strom ID, so wie hier für den IRL520:
Allerdings ist der maximale ID abhängig von der Gate-Source Spannung. Dazu findet ihr in den Datenblättern Diagramme wie die folgende:
Das ist nicht so kompliziert, wie es vielleicht aussieht. Jede der Kurven gibt für eine bestimmte Gate-Source Spannung an, wie sich der Strom ID mit der Spannung zwischen Drain und Source ändert. Der Punkt ist: Für jede Gate-Source Spannung gibt es einen Sättigungsbereich für ID. Vielleicht ist es so noch verständlicher: Ihr habt in der Schaltung rechts eine bestimmte Gate-Source Spannung eingestellt, bei der MOSFET leitet. Jetzt erhöht ihr kontinuierlich die Spannung Uvar. ID steigt und damit der Spannungsabfall über der Last und über Drain-Source. Kommt ID schließlich in den Sättigungsbereich, bleibt der Spannungsabfall über der Last konstant (U = R ⋅ I) und jede zusätzliche Erhöhung von Uvar fällt über Drain Source ab, ohne dass sich der Strom weiter erhöht.
Durchgangswiderstand RDSON
Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium ist der Durchgangswiderstand RDS(on). Das ist der Widerstand, der über Drain-Source im geöffneten Zustand („on“) abfällt. Ein idealer Schalter hat einen unendlich hohen Widerstand, wenn er aus ist und einen Widerstand von null, wenn er an ist. Insofern ist der MOSFET auch gar kein Schalter, sondern ein regelbarer Widerstand! RDS(On) ist vergleichsweise klein, aber nicht zu vernachlässigen (Angabe wieder für den IRL520):
Dabei ist noch zu erwähnen, dass RDS(On) nicht konstant ist, sondern mit sinkender Gate-Source Spannung steigt.
Bei hohen Strömen macht sich RDS(On) durch Leistungsverluste bemerkbar, sprich: Der Transistor wird heiß. Hierzu eine kleine Rechnung: Die Gate-Source Spannung an einem IRL520 betrage 5 Volt. RDS(On) ist damit 0.27 Ohm. Die Stromstärke sei 5 Ampere. Damit beträgt der Leistungsverlust:
P = U_\text{DS}[\text{V}]\cdot I_\text{D}[\text{A}]\; = R_\text{DS(On)}\cdot I_\text{D}\cdot I_\text{D} = 0.27\cdot 5 \cdot 5 = 6.75[\text{W]} Verschlimmernd kommt hinzu, dass RDS(On) mit der Temperatur steigt:
Damit erhöht sich die Verlustleistung schnell auf das Doppelte oder mehr.
Der RDS(On)-Wert des IRL520 liegt mit 270 mΩ recht hoch. Es gibt MOSFETs mit deutlich geringeren Widerständen. Der IRLB3034PbF beispielsweise befindet sich mit maximal 1.7 mΩ bei 4.5 Volt Gate-Source Spannung am unteren Ende. Entsprechend niedriger ist der Leistungsverlust.
Weitere Erwägungen
Brauche ich einen Kühlkörper?
Aufgrund der potenziell hohen Leistungsverluste stellt sich die Frage, ob ihr dem MOSFET einen Kühlkörper spendieren müsst. Um das abzuschätzen, sucht ihr im Datenblatt nach dem Wert für RθJA (Thermal Resistance Junction-To-Ambient):
In diesem Fall (IRL520) erhöht sich die Temperatur also um 62 Grad pro Watt. Bei den im obigen Beispiel errechneten 6.75 Watt würdet ihr ohne Kühlmaßnahmen den Super-GAU mit Kernschmelze einleiten!
In den Datenblätter findet ihr die maximal zulässige Temperatur TJ (J = Junction) für den MOSFET. Ein typischer Wert ist 175 °C. Mit der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur TA ergibt sich für den maximal zulässigen Leistungsverlust:
P_\text{max}=\frac{T_J-T_A}{R_{\Theta J\!A}}Wie schon erwähnt, ist bei der Berechnung des Leistungsverlustes auch die Temperaturabhängigkeit von RDS(On) zu berücksichtigen. Wenn ihr eure Schaltung in einem Gehäuse verbaut, dann steigt dazu noch die Umgebungstemperatur. Außerdem sollte man nicht dauerhaft bei TJ arbeiten, sondern mindestens 30° darunter bleiben.
Dies sind alles nur Abschätzungen. Ihr seid selbst für die Auslegung verantwortlich – ich übernehme keine Haftung!
Brauche ich einen Vorwiderstand am Gate?
In einigen Schaltungen sieht man Widerstände vor dem Gate des MOSFETs, in anderen Schaltungen nicht. Braucht man sie? Ich habe dazu viele kontroverse Diskussionen auf Microcontroller.net gefunden, z.B. diese hier (sehr unterhaltsam!). Dabei gibt es zwei Aspekte: Das eine sind unerwünschte elektrische Schwingungen, die durch ein schnelles Aufladen des Gates verursacht werden können, das andere ist der Schutz des Mikrocontrollers. Um es vorwegzunehmen, mein Fazit ist: solange man nicht mit sehr hohen PWM Frequenzen in Kombination mit hohen Gatekapazitäten arbeitet, kann man den Vorwiderstand weglassen. Aber eins nach dem anderen.
Basis- versus Gate-Widerstand
Zunächst möchte ich noch auf einmal den Unterschied zwischen dem Gate eines MOSFETs und der Basis eines BJT zurückkommen. Der Basiswiderstand des BJT ist essenziell, da nur ~0.7 Volt zwischen Basis und Emitter abfallen. Höhere Spannungen führen zu praktisch ungebremsten Strömen.
Der MOSFET hingegen ist spannungsgesteuert. Es fließt kein Strom von Gate nach Source. Allerdings hat das Gate eine gewisse Kapazität und verhält sich daher wie ein Kondensator. Und um diesen Kondensator zu laden, fließt ein zeitlich begrenzter Strom.
Experimente zum Gate-Widerstand
Dazu habe ich ein paar Versuche durchgeführt. Ausgangspunkt war diese einfache Schaltung:
Als MOSFET kam wieder der IRL520 zum Einsatz. Die 5 Volt habe ich durch ein Labornetzteil bereitgestellt. Als Last diente ein 10 kΩ Widerstand, also eine sehr geringe Last. Bei dieser Schaltung wird ein Pull-Down Widerstand benötigt, da das Gate sonst ein undefiniertes Potenzial hätte. Den Kontakt zum Gate habe ich angelötet, da Steckverbindungen auf dem Breadboard merkliche Widerstände produzierten. Mit dem Oszilloskop habe ich die Gate-Source und die Drain-Source Spannung beim Schließen des Schalters beobachtet.
So sah das Ergebnis ohne Vorwiderstand aus:
Es brauchte ca. 40 Nanosekunden, bis die Gate-Source Spannung die angelegte Spannung erreicht. Die Drain-Source Spannung fällt, wenn die „Gate-Source Threshold Voltage“ erreicht ist, in weniger als 3.6 Nanosekunden auf ID x RDS(On) ab.
Nun gibt es eine weitere relevante Angabe im Datenblatt, nämlich die „Total Gate Charge“. Das ist die maximale Ladung, die in das Gate fließen muss, um es Gate vollständig aufzuladen. Ich habe zwar nicht die im Datenblatt angegebenen Randbedingungen, aber ich möchte auch nur eine Überschlagsrechnung vornehmen.
Es fließen also bis zu 12 Nanocoulomb in ca. 40 Nanosekunden. Strom ist Ladung pro Zeit, also ergibt sich für den Strom:
I=\frac{12\;[\text{nC}]}{40\;[\text{ns}]}=0.3\;[\text{A}]=300\;[\text{mA}]Für den Arduino UNO wird ein Limit von 20 Milliampere für die I/O Pins angegeben. Im Datenblatt des ATmega328P ist das absolute Maximum mit 40 Milliampere angegeben. Mit den 300 mA liegen wir also weit darüber.
In einem weiteren Versuch habe ich den MOSFET mit einem Arduino I/O Pin geschaltet. Dafür habe ich das Verbindungskabel direkt an den Arduino-Pin gelötet, um Widerstände möglich kleinzuhalten:
Das Laden des Gates nimmt in diesem Fall 120 Nanosekunden in Anspruch. Der Arduino Pin kann die Ladungsmenge nicht so schnell bereitstellen wie mein Labornetzteil. Der berechnete Strom liegt bei 100 mA, was immer noch deutlich oberhalb der Spezifikation ist.
Zerstöre ich also auf Dauer meinen Arduino? Die überwiegende Meinung ist Nein. Wenn sich die Belastung im Nanosekundenbereich abspielt, kommt der Arduino damit klar.
Was passiert bei PWM?
Bei der Pulsweitenmodulation muss der Mikrocontroller Pin das Gate in der PWM Frequenz laden. Die analogWrite() Funktion liefert ein PWM Signal, dessen Frequenz vom Board und vom Pin abhängt. Für die Arduino Boards ist die Frequenz ≤ 1000 Hz. Bei 1000 Hz betrüge der durchschnittliche Strom (immer noch auf den IRL520 bezogen):
I = \frac{12 \cdot 1000\;[\text{nC}]}{1\;[\text{s}]}=12\;[\text{µA}]Das ist auch kein Problem:
Wenn ihr schnellere PWM Frequenzen benötigt, kann es allerdings irgendwann problematisch werden. Ihr kommt irgendwann tatsächlich in den Bereich, indem ihr auch die Spezifikationsgrenzen für den Dauerstrom erreicht. Bei 1000 kHz liegt der Strom schon bei 12 mA. Und schließlich gibt es auch MOSFETs mit noch deutlich höheren Gatekapazitäten. In solchen Fällen könnt ihr dann einen MOSFET Treiber einsetzen. Aber dazu kommen wir noch.
Was bewirkt ein Vorwiderstand?
Setzt ihr einen Widerstand vor einen Kondensator, dann lädt sich dieser entsprechend langsamer auf. Ich habe das mal mit einem 100 Ω und einem 1 kΩ Widerstand vor dem Gate getestet:
Mit dem 100 Ω Widerstand erhöht sich die Ladezeit des Gates von 40 auf ca. 440 Nanosekunden. Entsprechend geringer ist der bereitzustellende Strom und die Signale sind sauberer. Mit dem 1 kΩ Widerstand liegt die Ladezeit schon bei ca. 3.6 Mikrosekunden.
Wozu Z-Dioden?
In vielen MOSFET Schaltungen sieht man Z-Dioden zwischen Gate und Source und/oder zwischen Drain und Source. Was bringt das?
Eine Z-Diode wirkt in Durchlassrichtung wie eine normale Diode. In Sperrrichtung sperrt sie bis zu ihrer Durchbruchspannung und wird dann zum guten Leiter. Eine Z-Diode ist also eine Art Überdruckventil, nur eben für Spannungen. Sie sind mit einer großen Bandbreite unterschiedlicher Durchbruchspannungen erhältlich. „Z-Diode“ ist übrigens der Oberbegriff für Zener- und für Avalanche Dioden. Die Bezeichnungen werden oft durcheinander geworfen. Details dazu findet ihr z.B. hier.
MOSFETs reagieren allergisch auf Überspannungen am Gate. Sie können dadurch relativ leicht zerstört werden. Deshalb sind Z-Dioden gut geeignet, den MOSFET zu schützen oder auch um Spannungspeaks an Drain zu vermeiden. Die Durchbruchspannungen sind natürlich den Anforderungen des MOSFETs (z. B. max. Gate-Source Spannung) und der Schaltung (z. B. maximal erwartete Drain-Source Spannung) anzupassen.
Hier habe ich beispielsweise eine 5.1 Volt Z-Diode für die Schaltung einer 5 Volt Spannung eingesetzt, um den Spannungspeak zwischen Drain und Source beim Öffnen des MOSFETs abzubauen:
Braucht man also Z-Dioden? Offen gestanden weiß ich nicht, wie häufig MOSFETs tatsächlich einen Überspannungstod sterben. Aber gerade bei aufwendigen Projekten mit unzugänglichen Schaltungen sollte man vielleicht darüber nachdenken.
Gate-Treiber
Wie ihr gesehen habt, ist die Schaltgeschwindigkeit eines MOSFETs begrenzt, wenn das Gate über den I/O Pin eines Mikrocontrollers gesteuert wird. Ebenso kann es bei hohen PWM Frequenzen Probleme geben. Außerdem haben viele MOSFETs bei Gate-Source Spannungen von 5 oder gar 3.3 Volt noch einen hohen RDS(On) Wert und damit einen entsprechend hohen Leistungsverlust.
Um diese Probleme zu beseitigen, werden Gate-Treiber (MOSFET-Treiber) eingesetzt. Die könnt ihr mit wenigen Bauteilen selbst erstellen oder ihr setzt Gate-Treiber ICs ein.
Gate-Treiber Schaltungen
Im einfachsten Fall baut ihr einen Gate-Treiber aus einem bipolaren NPN Transistor und zwei Widerständen. Mit der folgenden Schaltung habe ich einen 12 V / 0.3 A Elektromagneten gesteuert. Als MOSFET kam wieder der IRL520 zum Einsatz, als Transistor diente ein BC547B. Diesmal habe ich auch einen Gate-Vorwiderstand von 100 Ω verwendet.
Zu bemerken ist, dass der MOSFET durchschaltet, solange der Transistor geschlossen ist. Das heißt, dass der Magnet aktiv ist, solange Pin 9 LOW ist. Soll der Magnet abgeschaltet werden, geht Pin 9 auf HIGH. In diesem Zustand fließt ein Basis-Emitter und ein Kollektor-Emitter Strom über den Transistor. Basis- und Kollektorwiderstand sollten deswegen nicht zu klein gewählt werden.
Das MOSFET-Gate wird in dieser Schaltung mit den 5 Volt des Arduino gesteuert. Ich hätte auch die 12 Volt Spannungsversorgung meiner Last nehmen können. Dann jedoch wäre der IRL520 nicht mehr geeignet gewesen, da seine maximale Gate-Source Spannung laut Datenblatt bei 10 Volt liegt.
Trotz des 100 Ohm Vorwiderstandes am Gate ist die Schaltung sehr schnell:
Weitere Gate-Treiber Schaltungen findet ihr hier.
Gate-Treiber ICs
Alternativ könnt ihr Gate-Treiber ICs als fertige Lösungen kaufen, wie z.B. den TC4426A oder den IR2117. Am Beispiel des TC4426A zeige ich, wie ihr solche ICs einsetzt.
Pinout TC4426A
Mit dem TC4426A könnt ihr zwei MOSFETs steuern. Er besitzt die folgenden Ein-/Ausgänge:
- NC: Not Connected
- IN A / IN B: Logik Level Eingang, HIGH-Signal: > 2.4 Volt
- GND / VDD: Spannungsversorgung 4.5 – 18 Volt
- OUT A / OUT B: Invertierter Ausgang mit Spannung 0 V / VDD
Beispielschaltung TC4426A
Die Beschaltung ist denkbar einfach:
Bedingt geeignet: MOSFET-„Treibermodule“
Wer bei Amazon und ähnlichen Online-Shops nach MOSFET-Treibern sucht, stößt auf ein vielfach angebotenes, sogenanntes MOSFET-Treibermodul (siehe unten). Diese Bezeichnung ist irreführend, denn auf diesem Modul treibt nichts! Der Signaleingang ist direkt mit dem Gate des MOSFETs verbunden. Der Pull-Down Widerstand ist mit 1 kΩ recht groß geraten. Bei dem MOSFET handelt es sich um einen IRF520, also keinen ausgesprochenen Logik-Level MOSFET. Zudem sind die Anschlussbezeichnungen etwas verwirrend, da drei Anschlüsse gar nicht benutzt werden. Zur Ehrenrettung der Module muss ich sagen, dass sie mit 5 Volt Signalspannung sicher funktionieren und dass sie mit der LED anzeigen, wenn ein Signal anliegt. Außerdem können die Schraubklemmanschlüsse ganz praktisch sein.
Welchen MOSFET soll denn nun nehmen?
Ich hoffe, der Beitrag wird euch zustimmen lassen, dass die Antwort lautet: Es kommt darauf an! Wenn ihr den Einsatz von Gate-Treiber vermeiden wollt, dann nehmt vor allem schon einmal einen Logic-Level MOSFET. Bei kleineren Strömen würde ich zu den kleineren MOSFETs in TO-92 Bauform greifen wie dem BS170 oder den 2N7000. Sind große Ströme zu beherrschen, sollte der RDS(ON) klein sein. In dieser Beziehung ist beispielsweise der IRL3803 ziemlich gut. Das sind aber nur einige Beispiele. Eine sehr gute Übersicht über MOSFETs findet ihr hier bei Mikrocontroller.net.
Danksagung
Die Schalter des Beitragsbildes habe ich Joseph V M auf Pixabay zu verdanken.
Guten Morgen Herr Ewald.
Ihr Beitrag hier hat mir meine Entscheidungshilfe schon deutlich vereinfacht. Sehr verständlich erklärt und gut geschrieben. Ich freue mich jedes Mal sehr, wenn sich jemand heutzutage noch die Mühe macht.
Bei einen Punkt bin ich mir weiterhin unsicher. Welchen Gatetreiber und welchen Mosfet könnte ich nutzen, wenn ich eine Spule mit mehr als 10kHz antakten möchte? Das Taktsignal für den Gatetreiber wird von einen Funktionsgenerator erzeugt. Die Spannung an der Spule soll zu Testzwecken zwischen 12 und 50V liegen. Die Spule selbst hat 200 – 400 Wicklungen mit 0,5mm² Querschnitt.
Gruß Jan
Kleiner Nachtrag: Bei meiner Recherche habe ich in der Zwischenzeit herausgefunden, dass der Gate Treiber LTC7004 optimal wäre. Die Spule bzw. Spulen wollte ich mit einer eigenen Spannungsversorgung über den Mosfet steuern. Der Gate Treiber würde dann eine separate Versorgung erhalten um den Mosfet zu öffnen. Zufälligerweise habe ich noch 2 IRFP460A hier liegen. Ich teste mal dieses „Paar“.
Hallo Jan,
ja, dann probiere erst einmal mit den Teilen, die du hast. Viel Erfolg dabei.
VG, Wolfgang
Lese bei dir, dass der Gate-Widerstand optional sei. Wenn ich die Spezifikation z.B. des BC170 lese, steht dort bei Gate-Threshold-Voltage max=3V. Kann ich den BC170 wirklich trotzdem ohne Widerstand an einen 3.3V MC oder gar 5V MC anschließen oder sollte man nicht doch lieber per Spannungsteiler auf die als „Typisch“ spezifizierten 2.0V runter geteilt werden?
Gruß Rainer
Habe mich nochmals weiter eingelesen und kann mir die Frage jetzt selber beantworten ;-)):
Die Vgs(th) oder Gate-Threshold-Voltage ist ja die Spannung bei der der MOSFET sicher durchschaltet und nicht der einzuhaltende Spannungsbereich des Gates an sich.
Will man den MOSFET als Schalter benutzen (wie ich), sollte die Gate-Voltage auf jeden Fall über dem maximalen Gate-Threshold-Voltage Wert liegen, da man erst da ganz sicher ist, dass der MOSFET voll durchschaltet. Beim meinem Beispiel mit den 3.3V des ESP8266 mit den 3.3V als eigentlich perfekt.
Hi,
der BC170 wäre ein npn-Transistor, der BS170 ein N-MOSFET:
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mmbf170-d.pdf
Der BS170 leitet zwar ab ca. 3V, aber im SCHALTbetrieb ist dieser erst bei ca. 10V!
Gruß André
Danke, André.
@Rainer: Die gate threshold voltage ist nicht die Spannung, bei der der MOSFET „durchschaltet“, sondern es ist die Spannung, ab der überhaupt ein Drain-Source-Strom fließt. An diesem Punkt hat der MOSFET einen noch signifikanten Widerstand, der abhängig von der Stromstärke zur Überhitzung führen kann.
VG, Wolfgang
Hi Andre, vielen Dank für die Info. Sorry, das mit dem BC170 war ein Schreibfehler sorry, es sollte BS170 heißen.
Was ich dann aber nicht verstehe, wenn ich mir den BS170 als Logic Level MOSFET oder auch andere anschaue, schalten diese oft erst bei Spannungen >5V (oft 10V) voll durch. Ich dachte, dass die Eigenschaft eines Logic Level MOSFET gerade die Eigenschaft wäre, dass diese bei 3.3V oder 5V durchschalten. Gibt es solche, die sich bei 3.3V als Schalter einsetzen lassen denn überhaupt?
Gruß Rainer
Hi,
der BS170 ist kein Logic Level MOSFET. Und ja es gibt LL MOSFETs für 3.3V und niedriger, aber oft nur in SMD-Ausführung. Ich nehme gern AO3400/AO3401 in SOT23.
Eine Liste, in der Zeile Bemerkungen auf „LL“ achten:
https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht
Gruß André
Hallo Wolle, eine sehr verständliche Darstellung der Thematik.
Vielen Dank.
Ich danke fürs Feedback!
Vielen Dank für diesen sehr guten Beitrag über MOSFETs. Jetzt konnte ich endlich meine Schaltung für meine Projektarbeit realisieren. Besonders den Hinweis mit den Logic Level MOSFETs hat mir bei der Auswahl extrem geholfen.
Freundliche Grüsse
Malbun
Vielen Dank!
Hallo Wolfgang,
ich brauche schon wieder deine Hilfe. Ich habe hier eines dieser Mosfet Schaltmodule (https://www.amazon.de/dp/B09XZTDRSJ?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details), die meine Verbraucher ein und ausschalten. Mein Problem:
Das Moduls lässt bei PWM 0 und einem Arduino pro mini 3,3v im pow_down modus von 8,4V ca. 5V durch. Selbst wenn ich den Steuerpin abziehe, lässt das Mosfet sptrom durch. Woran kann das liegen?
eigentlich dürfte doch kein Strom durchgelassen werden, solange keine Spannung am Mosfet anliegt. Oder verstehe ich das falsch?
Hallo Sven, was hast du denn an welche Pins angeschlossen? Wenn deine Module so aufgebaut sind wie meine, dann müsste Arduino-GND and Modul-GND, Arduino-PWM-Pin an SIG und das würde dann ggf. V- zu GND freischalten. Und kannst du erkennen, was auf dem MOSFET steht?
VG, WOlfgang
Hallo Wolfgang,
hier noch der Code:
//============= Einstellung der Mosfets =============
#define MOT_motoren 10
#define MOT_sensoren 5
int mosfetlevel = 255;
Im Setup:
//============= Einstellung der Mosfets =============
pinMode(MOT_motoren, OUTPUT);
pinMode(MOT_sensoren, OUTPUT);
Im Loop:
void motor_on() {
analogWrite(MOT_motoren,mosfetlevel); // Motoren an über pwm
delay(2000);
}
void motor_off() {
analogWrite(MOT_motoren,0); // Motoren an über pwm
delay(2000);
}
Auf den drei Pins, wo Stecker angebracht werden können, steht:
GND, VCC, SIG
Ich habe es so auch an den Arduino angeschlossen.
Ob der Verbraucher angeschlossen ist oder nicht, spielt leider keine Rolle. An den IN Eingängen ist meine 8V Versorgung dran, an den OUT ist dann die Treiberkarte des Schrittmotors dran.
Hallo Sven, das Modul hat mehrere völlig sinnlose Anschlüsse. Z.B. endet der VCC-Anschluss im Nichts. Lies dir bitte den Abschnitt „Bedingt geeignet: MOSFET-Treibermodule“ durch, denn da beschäftige ich mich ja damit. Das Schaltbild sollte es klar machen. Der Mosfet schaltet die Verbindung V- zu GND. In meiner ersten Antwort hatte ich VIN geschrieben, sorry.
Ich kann natürlich nicht garantieren, dass diese Module alle gleich sind. Aber so wie abgebildet, hat es mit meinen Modulen geklappt. VG, Wolfgang
Hallo Wolfgang,
Ich denke, da ich mit 3,3V arbeite und die Spannung ca 4 V sind, die das Modul bekommt, ist es wohl ungeeignet. Schade.
Ich teste es nochmal direkt an den GND Pins, aber habe schon andere bestellt.
Bei manchen Produkten wundert man sich nur.
Nun wird es mysteriös.
Ich habe nun „xy mos“ im Betrieb. Die zeigen das gleiche Verhalten. Sie lassen 5,8V durch.
Schalte ich den Arduino ab, lassen Sie sogar messtechnisch alles durch.
Die MOS sind an die Treiberplatinen ULN2003 angeschlossen und liegen auf dem 5-12V Pin. Der Jumper ist gesetzt.
Ziehe ich nun die ULN2003 Platinen ab, lässt der XY Mos keine Spannung durch.
Was ist hier los?
Ich bin es nochmal. Das Ziel ist, so viel Strom wie möglich zu sparen.
Daher sollen die Motoren stromlos geschaltet werden. Das versuche ich über einen Mosfet.
Die Schrittmotoren sind 28BYJ-48 mit der Treiberkarte.
Wenn ich die Eingänge der Treiberkarte auf LOW schalte, dürfte doch eigentlich sehr viel Energie gespart werden, denn die LED sind dann ja alle aus und der ULN dürfte, da er nicht verwendet wird, auch keinen Strom verbrauchen.
Sehe ich das richtig?
Durch die Induktionsspulen sollte, um die Treiber nicht zu beschädigen, doch eh nicht die Versorgungsspannung der Treiberkarte verwendet werden. Ist diese Annahme auch richtig?
Hi Sven, mir ist noch nicht ganz klar, was du genau wie verbunden hast. Mir ist auch noch nicht ganz klar, was du damit meinst, dass der Mosfet 5,8 V „durchlässt“. Und dann weiß ich leider auch nicht, was du damit meinst, dass man nicht die Versorgungsspannung der Treiberkarte verwenden soll. Die Dinger haben doch nur einen Spannungseingang. Mit dieser Spannung werden die vier Spulen betrieben. Der ULN2003 ist ein Darlington Array. D.h. da sitzen pro INx Eingang zwei hintereinandergeschaltete Transistoren, die, wenn der Eingang INx High ist, die Leitung von der Spannungsversorgung zur Spule x freischalten. Ich wüsste nicht, wie du den Schrittmotor anders mit Strom/Spannung versorgen willst. Und das ist an sich auch schon sehr stromsparend. Wenn die INx Zugangänge LOW sind, sind die Spulen spannungs- bzw. stromlos und auch der ULN2003 verbraucht (praktisch) keinen Strom. Ich weiß nicht, warum du noch einen Mosfet einbauen willst und wo. Der Aufbau müsste eigentlich aussehen wie hier:
https://funduino.de/nr-15-schrittmotor
Vielleicht wechseln wir an dieser Stelle lieber auf E-Mail? Dann kannst du mir auch Photos oder Schaltpläne schicken (wolfgang.ewald@wolles-elektronikkiste.de).
VG, Wolfgang
Vielen Lieben Dank für die Ausführung. Das ist genau was ich gebraucht habe. Gerade bastle ich an einem Klasse-E Verstärker für das 475kHz Amateurfunk Band.
Was mich noch interessiert hätte, wie sehr verbessert sich die Ansteuerung (Steilflankigkeit) wenn man ein fertiges Modul nutzt, gegenüber die Ansteuerung mit dem Transistor?
Wie schnell ein Gate Treiber Modul im Vergleich zu einem Transistor als Treiber schaltet habe ich nicht probiert.
Hallo, erstmal Danke für den tollen Artikel.
Ich baue gerade eine einfache Schaltung, mit 5V Stromversorgung, einer LED mit 100 Ohm Vorwiderstand, einem IRLZ44N Mosfet (N-Kanal, Logic-Level) und einem PIR Bewegungssensor.
Schaltung im Prinzip genauso aufgebaut wie im Artikel beschrieben.
Mein Problem ist, dass die LED super dunkel leuchtet, weil keine 5V ankommen, sondern 2,7 V.
Vom Source des Mosfet zum Ground messe ich ca. 0,7 V.
Was mache ich falsch?
Hallo Pat,
wenn du die Schaltung wie im Artikel beschrieben aufgebaut hast, dann kannst du keinen Spannungsabfall zwischen Source und und GND messen, da Source direkt mit mit GND verbunden ist. Meinst du vielleicht Drain? Das hieße, dass der MOSFET noch einen recht hohen Drain-Source Widerstand hat, was auf eine nicht ausreichende Gate-Spannung schließen lässt. Nutzt du das PIR Ausgangssignal für das Gate? Aus dem PIR kommen nur 3.3 V. Das kann schon mal knapp werden um einen MOSFET zu öffnen. Und was heißt: es kommen nur 2.7 V an der LED an? Über was misst du die 2.7 V? Nur über der LED oder LED + Vorwiderstand? oder LED + Vorwiderstand + MOSFET? Letzteres sollte ja die Gesamtspannung ergeben. Du müsstest noch einmal genauer beschreiben, wie deine Schaltung aussieht und welche Spannungen du wo angelegt hast bzw. misst, damit ich helfen kann. Wenn du Fotos hast, auf denen man die Schaltung erkennen kann, dann kannst du sie an wolfgang.ewald@wolles-elektonikkiste.de schicken.
VG, Wolfgang
Danke für die schnelle Antwort!
Ich fürchte auch, dass die 3,3 V des Ausgangssignals des PIR nicht ausreichen. Wenn ich testweise 5V an das Gate anlege, hat die LED die normale Helligkeit. Dann muss es ja daran liegen, oder?
Kannst du ein Mosfet empfehlen, das bei 3,3V schon sicher schaltet?
Ich habe es gerade mal mit einem 2N7000 und einem BS170 probiert und beides klappte sehr gut. Wenn du einen von denen nimmst, dann musst du aber wg. der Pinbelegung aufpassen (jeweils von vorne gesehen von links nach rechts):
2N7000: S,G,D
BS170: D,G,S
Hallo Wolle.
Ich möchte gerne meinen Lüfter am Raspberry Pi via PWM regeln.
Es ist ein Noctua NF-A8 5V ( ….://noctua.at/en/nf-a8-5v/specification), Stromaufnahmen max 0,15A also 0,75Watt Leistung.
Ich habe nun noch einen J310 (für HF Anwendungen …) hier herumliegen, der ist für die Aufgabe „PWM schalten“ nicht gerade prädestiniert.
Klappt das (eine Widerstands-Sortimentbox hab ich auch noch hier), oder muss ich doch noch nen NPN-Transistor kaufen?
Vielen Dank für ein evtl. Feedback!
vG
Stephan
Hi Stephan, mit JFETs habe ich leider keine Erfahrung, deswegen kann ich dir keine verlässliche Auskunft geben. Ich glaube aber, dass der Strom zu hoch ist. Ich müsste mich damit etwas intensiver auseinandersetzen, bevor ich dir fundiert antworten könnte. VG, Wolfgang (Wolle)
Danke für die Antwort, es ist auch gar nicht dringend, also nicht meinetwegen nachforschen – ich kaufe mir einfach bei nächster Gelegenheitnen NPN 🙂
– Stephan
Hallo Wolfgang,
vielen Dank für diese tolle Einführung in die Welt der MOSFET. Ich bin generell begeistert von Deinen Erklärungen und habe bereits die ein oder andere Erklärung gut umsetzen können. Vielen Dank!
Nun möchte ich eine kleine Wetterstation bauen, die Lora basiert ist (nicht im TS eingebunden). Die Schaltung ist soweit fertig und funkt auch brav die Wetterdaten zu meinem Empfänger. Allerdings benötigt der ATmega328P trotz deep-sleep-mode noch relativ viel Strom.
Auch die angeschlossenen Komponenten (LoRa-Modul SX1276 und BME280/680) benötigen einen ziemlich hohen Ruhestrom.
Ein ATTiny85 unterstützt leider aufgrund der geringen Pin-Zahl die BMEs nicht zeitgleich mit dem LoRa-Modul, weshalb ich leider einen größeren Microcontroller nutzen muss.
Lange Rede, kurzer Sinn:
Ich möchte einen ATtiny(13?) als „Stromspartimer“ einsetzen, der nach Ablauf einer bestimmten Zeit alle Geräte mit Spannung versorgt, sodass sie einmal ihr Programm abarbeiten können und sich anschließend wieder abschalten.
Dies möchte ich über einen MOSFET als Schalter realisieren.
Ich habe tatsächlich noch einen BS170 bei mir rumfliegen, den ich dafür gerne nutzen möchte.
Meine Frage: reicht eine Anschaltung des Gates an einen Pin des ATtiny aus, oder muss dort noch ein Wiederstand rein? Wie kann ich diesen richtig dimensionieren?
Ich freue mich über eine Antwort und einen Tip!
Viele Grüße Michael
Hallo Michael, der Gatewiderstand ist nur dann zwingend erforderlich, wenn bei hoher Schaltfrequenz die Kapazität des MOSFETs zum Tragen kommt. Davon bist du weit entfernt. Wenn du einen 100 Ohm Widerstand dazu nutzt, machst du aber auch nichts verkehrt. Viel Spaß & Erfolg mit der Wetterstation!
VG, Wolfgang
Du kannst Sensoren auch separat abschalten, wenn Du einen weiteren Pin zur Verfügung hast. Der Atmega328 braucht im DeepSleep ja nur <10µA. Die BMEs eigentlich auch keine Unmenge.
Ich habe das für meine Datalogger auch gerne gemacht, z.B. kann man so auch SD-karten abschalten.
Bei I2C muss man evtl (kommt bisschen auf die Sensoren an) neu initialisieren, wenn man die Sensoren "hart" abschaltet.
Weiterhin muss man evtl. die beiden I2C-Lines abschalten. Ob es ohne geht, sieht man schnell wenn man den Strom misst.
Meine Empfehlung: Power Distribution Switches wie der SY6280. Geht aber auch mit Mosfets…
Hallo Wolfgang,
wieder ein sehr informativer Artikel, den ich nicht zum ersten mal lese. Beim ersten mal lesen bin ich so dran verzweifelt, dass ich dann einen anderen Weg gegangen bin. Nun habe ich einen 775er Motor mir 24v zu schalten und benötige die theoretisch im Anlaufen 150Watt auch wenn der Bedarf im Betrieb nachher deutlich geringer sein dürfte. Zusätzlich zu Deinem Artikel habe ich mit noch diese Seite angeschaut: https://arduinodiy.wordpress.com/2012/05/02/using-mosfets-with-ttl-levels/
Ich sehe hier drei mögliche Wege für mich:
1) Ich habe noch RFT’s liegen die ich mit genung Gatespannung nehmen kann. Also die Gate-Treiberschaltung zusammen mit einem odentlich Dimensionierten MOSFED. Für die Gatespannung müsste ich diese jedoch von 24v Stromkreis des Lastwiderstandes entnehmen (um die Maximale Gatespannung nicht zu überschreiten dachte hier an einen Spannungsteiler). Ich nehme an, ich kann notfalls auch zwei MOSFED parallel betreiben um den benötigten Strofluß zu bekommen wenn es zu heiß wird? Ich würde dann ggf. auch PNP statt NPN nehmen wie Detelf vorschlug…Frage: Dann rückt der PNP an die Stelle wo sich in Deiner Schaltung der 10k Kollektorwiderstandes befindet und die Verbindung zur Massen entfällt, bzw läuft durch den Gatewiderstand und dann durch den 47k Pulldown?
2) Ein leistugsfähigerer Logic Level MOSFET wie der IRLZ44 erspart mir die ganze Treiberschaltung. Den habe ich nicht liegen – geht also erst nach den Feiertagen.
3) Ich habe noch einige „D4184 MOS Modul MOSFET Steuermodul Feldeffektmodul“ rumliegen. Wenn ich diese Module richtig begreife, dann haben sie nicht den Nachteil des hier voregestellten Teibermoduls, sehe ich das richtig, dass meine Module bei ausreichend Drain-Source Spannung voll durchschalten, während der das PWM Signal lediglich den Optokopler durchschalten muss?
VG und vielen herzlichen Dank!
Hallo Leif,
zu 1) kann ich nicht so viel sagen, da mir RTFs nicht wirklich geläufig sind. Zu 2: ja – ist doof, wenn man sich gesulden muss, nicht wahr? Aber mit dem MOSFET sollte es gehen. Zu 3: sieht auch gut aus. Allerdings können 2 und 3 in der Tat keine 24 V vertragen.
VG, Wolfgang
Danke nochmals. Übrigens hat mir auch die Berechnung des Gate-Stromes in „was passiert bei PWM“ sehr gefallen.
Das 24v Problem löse ich per Spannungsteiler. Bei der Spannung wird mir erstmals bewusst, dass ich auch die 0,25 Watt Grenze meiner Widerstände durchaus beachten sollte auch wenn es noch nicht kritisch wird.
Ich habe mich zur zeitlichen Überbrückung erstmal für einen Darlington TIP120 entschieden (der theoretisch nicht ganz ausreicht in der Praxis ist der Motor aber genügsamer) und den IRLZ44 in einen großen Olineauktionshaus bestellt.
Von der Treiberschaltung bin ich abgekommen da sie einfach zuviel Strom verbraucht. Ich möchte die Versorgung des MCU mittels Thyrisor durch unterschreiten des Haltestroms Spannungsfrei bekommen. Das funktioniert nicht, wenn eine Treiberschaltung bei ausgeschalteten Motor ständig etwas zieht. Die Idee habe ich auch von Dir! Ist wirklich eine Goldgrube was Du hier zur Verfügung stellst! VG
Hallo,
Ich möchte mit einem MOSFET eine Photovoltaik – Anlage, (6Module ergeben ca. 238V Gleichspannung im Leerlauf; der Laststrom darf 9,5A sein) schalten.
Alle „Temperatur“- Kontakte sind nur für Wechselstrom (meistens 16A AC ) und brennen bei DC ab ( weil der Lichtbogen nicht bei DC gelöscht wird)
Kannst Du mir helfen mit einer fertigen Schaltung bzw. dem Nachweis für ein fertiges Modul?
Hallo, bei diesen Spannungen und Stromstärken halte ich mich mit Empfehlungen ganz bewusst zurück, da ich kein gelernter Elektriker oder Elektroingenieur bin. Da gehe ich kein Risiko ein. Ich hoffe du verstehst das!
VG, Wolfgang
Damit der MOSFET zuverlässig sperrt, muss er auf GND Niveau gezogen werden.
Nicht „er“ sondern sein Gate 🙂 evtl auch besser : GND-Potential
Gruß Volker
Stimme zu!
Ich benutze den 2N7000 um einen Sensor mit 3.3 V zu versorgen bzw. den Sensor an/ab zu schalten. Allerdings zeigt sich ein seltsames Verhalten. Fasse ich den 2N7000 an, oder kommt die Drahtzuleitung in die Nähe eines anderen stromführenden Drahtes schaltet der 2N7000 durch. Scheint irgendwas kapazitives oder induktives zu sein, was dazu führt, dass der Draht am Gate einen High-Impuls bekommt. Ode die Qualität des MOSFETS ist schlecht ?
Sehr schöne Erklärung … nach nochmaligem Lesen, hat es mir geholfen. Es fehlte der Pulldown-Widerstand am Gate. Jetzt wird „richtig“ abgeschaltet.
Hallo Wolfgang,
ich schaue regelmäßig auf Deine sehr informative Seite, wo ich mir auch immer ein Stück „mitnehmen“ kann.
Die Spannungsübehöhung am Drain dürfte aufgrund des geringen Laststromes (10k) und der geschalteten Miller-Kapazität zustande kommen, ähnlich wie man es mit geswitchten Kapazitäten macht (z.Bsp. ICL7660), und sollte nur um max. Vgs(th) möglich sein.
Ich würde noch herausstellen, daß Vgs(th) der Bereich ist, wo der MOSFET anfängt zu leiten (250µA), und erst nach dem Miller-Plateau (gelbe Linie, bei ca. 2V) im voll durchgeschalteten Zustand ist. Gute Datenblätter geben bei bestimmten Vgs den Rds(on) an ( meistens @ 1.8V / 2.5V / … beim IRL520 4V / 5V).
Der IRL520 leitet zwar im Bereich von 2V … 4V, aber er ist nicht durchgeschaltet, ein gern genommener Anfängerfehler!
Als Gatewiderstand nehme ich den kleinstmöglichen, ohne bei einem Kurzschluss den µC zu gefährden, und damit sind auch die Stromspitzen beim umladen des Kondensators begrenzt.
Gruß André
Hallo André,
in der Tat war der Peak bei höheren Strömen kleiner. Da habe ich wieder etwas gelernt – vielen Dank!
VG, Wolfgang
Lieber Wolfgang,
vielleicht kannst Du bei Gelegenheit Mal auf die Anwendung von MOSFET als Pegelwandler eingehen. Das Wird oft bei I2C verwendet, wenn man einen 3.3 V Schaltkreis verwenden möchte in Kombination mit einem 5V Arduino.
Ich habe den Link jetzt nicht parat, aber es ist bei QA Stack ( Gibt es einen bidirektionalen 5V 3,3 V Pegel shifter?) Das geht auf ein Philipps Application Note zurück und ist einfach genial die Schaltung. Ich war begeistert als ich das verstanden hatte. Da verwendet man wohl heute den BSS138.
Lieber Christian,
stimmt, das hätte hier eigentlich gut gepasst. MOSFETs als Pegelwandler findet man häufig auf den guten, aber meist teuren Adafruit Modulen für I2C Bauteile, wenn die nur 3.3 Volt vertragen, so wie hier:
https://learn.adafruit.com/assets/83292
Viele günstige Module haben in solchen Fällen zwar einen Spannungsregler für die Versorgungsspannung aber nichts zum Schutz der Datenleitungen.
Danke für die Anregung!
VG, Wolfgang
Habe mal versucht, einen MOSFET als Verstärker einzusetzen, also mitten im Bereich der Schaltspannung zu betreiben. Im Prinzip sollte es eine regelbare elektronische Last werdenm, genauer, ein Entladegerät für Batterien, um deren Kapazität zu ermitteln. Ein BJT kam nicht infrage, da es auch im Bereich unter 1V funktionieren sollte. Schließlich liefern Batterien nur 1,5V. Mit einem kleinen RDS-Widerstand kam ich da besser hin als mit den 1,5V, die zwischen Kollektor und Emitter nunmal hängen bleiben. Dachte, das machen andere ja auch (z.B. „DL24 /P“, geniales Gerät). Als Ansteuerung des Gates habe ich einen 16Bit-ADC eingesetzt, das sollte mehr präzise genug sein.
Nun, was soll ich sagen, es gibt wohl mehr physikalische Effekte als in den Datenblättern zu erkennen sind. Die Regelung durch einen 328p war mehr am Schwingen als am Regeln. Am Ende hat es zwar meinen Anforderungen so gerade genügt, aber ein schöner glatter Strom war nicht zu machen. Gibt es einen Schaltungstrick, um MOSFET so einzusetzen?
Vermutlich wird deshalb der MOSFET fast ausschließlich als Schalter eingesetzt.
Hallo Thorsten, mit MOSFETs als Verstärkern habe ich absolut keine Erfahrung. Und bevor ich Blödsinn schreibe, schreibe ich lieber nichts!
VG, Wolfgang
Hallo Thorsten,
die direkte Ansteuerung des Gates eines MOSFETS über einen D/A- Wandler wird immer „wackeln“, da sich die Steuereigenschaften des MOSFET mit der Temperatur ändern (Eigenerwärmung bei Stromfluss über RDS). Der Schaltungstrick ist, den MOSFET als Stellglied in einem Regelkreis zu verwenden.
Dabei legt man die Ausgangsspannung des D/A- Wandlers auf den nicht invertierenden Eingang eines OPs (ggf. über einen Spannungsteiler für die Bereichseinstellung). -> Sollwert
Am invertierenden Eingang des OPs wird die Spannung angelegt, die über einem Shuntwiderstand (richtet sich nach dem Spannungsabfall, den man zulassen möchte, sollte nicht zu klein sein wg. Offset OP) zwischen der Source des MOSFETS und Masse abfällt (am besten auch über einen Widerstand, >= 1k, Bandbreitenbegrenzung). Parallel zum Shunt und dem Rückkoppelwiderstand hängt man dann noch einen Kondensator (so im Bereich ~100pF), um Schwingneigungen in den Griff zu bekommen. -> Istwert
Der Ausgang des OPs steuert dann den MOSFET (Stellglied) an (über einen Vorwiderstand, ebenfalls Bandbreitenbegrenzung).
(Oh mann, als einfache Grafik wäre die Beschreibung wesentlich einfacher gewesen… 😉 )
Für ernsthafte Messungen muss man den Aufbau noch kalibrieren (Toleranzen D/A- Wandler, Shunt und ggf. Eingangsspannungsteiler, Offset OP).
Bei der Wahl des MOSFETs ist noch zu beachten, dass die meisten der aktuell angebotenen für Schaltaufgaben optimiert sind und solche analogen Schaltungen nur weit unter ihren eigentlichen Leistungsdaten zerstörungsfrei bewältigen können.
Das ist ja mal ne tolle Antwort. Danke.
Ja, eine Zeichnung … aber im groben und ganzen habe ich das verstanden. Was der OP nun im einzelnen verbessert gegenüber der Regelung mit Prozessor ist etwas nebulös, aber ich habe zumindest eine Ahnung bekommen. Mein Shunt ist ein selbst gewickelter Leistungswiderstand aus Konstantan, dessen Spannungsabfall mit einem ADS1115 gemessen wird. Dein Tip, auch noch parallel zum Shunt ein paar nF Keramik zu schalten, scheint meine Schaltung um einiges verbessert zu haben. Sollte ich die Schaltung nochmal redesignen, werde ich das so probieren, wie du beschrieben hast.
Bei solch empfindlichen Regelungen (die Steuerkennlinie eines MOSFETs ist ja schon reichlich steil) setzte ich grundsätzlich auf eine analoge Regelung, da sie der digitalen zwei Sachen vorraus hat:
1. Sie hat keine Totzeit in dem Sinne. Eine digitale Regelung hat die immer (Verarbeitung der Daten).
2. Es gibt keine wirkliche Granularität. Bei einer digitalen Regelung ist man eben grundsätzlich an die Auflösung der A/D- und D/A- Wandler gebunden, und die ist eben nicht beliebig groß.
Bei relativ langsamen Vorgängen oder flachen Steuerkurven ist eine digitale Regelung durchaus sinnvoll, aber bei schnellen Vorgängen oder steilen Steuerkurven ist sie im Allgemeinen systembedingt überfordert. Da finde ich es dann wesentlich einfacher, den Sollwert durch den µC vorzugeben (im Zweifelsfalle über PWM und Tiefpass 😉 ) und dem analogen Regelkreis die eigentliche Arbeit zu überlassen… 🙂
Ich habe des Öfteren Schsltungen gesehen, bei denen das Gate mit einem Kondensator gegen Maße ‚gesichert‘ wird. Was könnte der Sinn, bzw. die Erklärung sein?
Offen gestanden weiß ich es nicht und kann nur spekulieren. Vielleicht ist bei diesen Anwendungen mit Spannungsschwankungen am Gate zu rechnen, die ausgeglichen werden sollen. Oder das Gate soll langsamer über ein RC Glied ge- und entladen werden?
Dieser Kondensator (i.A. im Bereich ~ 100pF) wird gegen HF- Störungen (EMV) eingesetzt. So eine Beschaltung kommt dann zum Einsatz, wenn die Leitung von der Ansteuerung bis zum Gate relativ lang ist (und die Schaltung durch eine EMV- Prüfung muss 😉 ).
BTW: Eine langsame Ladung des Gates ist beim überwiegenden Teil der heutzutage erhältlichen MOSFETs keine gute Idee. Wenn es nicht explizit im Datenblatt anderweitig beschrieben ist, sind sie nämlich auf Schaltbetrieb optimiert (Parallelschaltung einiger zig MOSFETs, daher auch der geringe RDSon) und quittieren Analogbetrieb mit einem baldigen Ausfall (Auseinanderdriften der Eigenschaften der einzelnen MOSFETs in der Parallelschaltung in Folge von Erwärmung, daraus folgt dann Kaskadenversagen).
Vielen Dank für die kompetente Antwort!
Hallo Wolle,
beim Schalten von Relais bevorzuge ich eine Z-Diode in Sperrichtung parallel zum Transistor / MOSFET, da eine Freilaufdiode über der Spule des Relais zu einer stark verzögerten Abfallzeit des Relais mit entsprechenden Folgen für die Relaiskontakte führt. Mit der Z-Diode schaltet das Relais deutlich schneller.
Hi Stefan,
vielen Dank für den Hinweis!
VG, Wolle
Bei der Richtung der Spannungspfeile im Bild n-Kanal vs p-Kanal MOSFET hätte ich was auszusetzen, ansonsten wieder mal sehr gut gemachter Blog!
Ich schau hier immer gerne rein.
Da muss ich noch mal schauen… aber vielen Dank!
Hi Wolle, sehr schöne Übersicht.
Vielen Dank.
Beim BS170 muss man aufpassen, da es auf dem Markt offenbar verschiedene Pin-Belegungen des TO92 gibt, je nach Hersteller und Quelle. Ansonsten sehr gerne genommen, besonders auch der BS250 als komplementärer P-Kanal Typ. Allerdings sind beide nicht für 3.3V geeignet.
Wenn man in der Gate-Treiber Schaltung einen PNP statt NPN zum Treiben nutzt, vermeidet man die Invertierung, sofern man die SW nicht anpassen will.
Vielen Dank für Feedback und Hinweis!