[scooot]

Hallo,

ich hätte da mal ein paar Fragen bezüglich der Ansteuerung eines N-Kanal Mosfets.Was mein Knowledge angeht bin ich erst im zweiten Semester meines Studiums, da sind Halbleiter leider noch nicht das Thema.

Was habe ich vor?
Ich möchte ein Dimmer für einen RGB-LED Strip auf Basis des ESP8266 Wifi-SoC realisieren, weil ich mit dem schon ein paar gute Erfahrungen gemacht hab.
ESP8266:
-WiFi SoC, kann über die Arduino IDE programmiert werden, I2C, UART, SPI,...
-3.3V Logikspannung (an den GPIOS wird's wohl etwas weniger sein)
-12mA max. pro GPIO als Ausgang
-PWM auf allen GPIO mit 1kHZ Maximalfrequenz.

LED-Stripe:
12V Versorgungsspannung
5A pro Kanal max.

Wo stehe ich?
Mittlerweile weiß ich, das der Drain-Source-Widerstand meines Mosfets in direktem Zusamenhang mit der Ladung auf der Gate steht, sodass ich eine Schwellspannung hab, ab der der Mosfet leitend wird und eine bei der ich den niedrigsten Widerstand( und damit die niedrigste Verlustleistung) zu erwarten hab.

Das ist allerdings nur die halbe Wahrheit, denn beim umladen der Gate während des Amplitudenwechsels meines PWM-Signals habe ich ebenfalls "Schaltverluste" in dem Zeitfenster wo mein Gate ge/entladen wird und der Drain-Source-Widerstand sich in hochohmigen Bereichen befindet. Daraus resultiert, das der Gatestrom I_G im Moment des Umladens möglichst hoch sein soll, eine Treiberschaltung schafft laut diverser Medien dabei Abhilfe.

Was ist mein Problem?
Ich hab das ganze einfach mal mit einem IRL8113 Mosfet ohne Treiberbeschallung, also direkt am yC Ausgang, mit Widerstand zur Spitzenstrombegrenzung, in MultiSim simuliert und bis 10A Last eigentlich ein relativ "gutes" Ergebnis bekommen, was den PWM angeht als auch die Verlustleistung.
( <=1W kann man einem TO-Package ohne großartige Kühlung zutrauen?!)

Anschließend hab ich das auch aufgebaut und festgestellt, das die Mosfets kaum bis garnicht warm wurden und das Ergebnis an der LED zufriedenstellend ist. Oszilloskop würd ich gerne mal dranhängen, hab ich aber leider keinen Zugriff zu.

Deshalb meine Frage: Kann man das so machen? Also.. Da gibt es doch mit Sicherheit noch Aspekte, von denen ich als blauäugiger Tüftler keine Ahnung habe, oder was ich hier im elektrotechnischen Aspekt suboptimal zusammenkonstruiere.

Über eine Expertenmeinung würde ich mich freuen.
Gruß und schönes Restwochenende!

[alfsch]

...man kann schon. is aber eher seltsam...zu dicker Mosfet ohne gate-Treiber...
wenn du direkt auf 3V /CPU Level den mosfet schalten willst...würde ich eher sowas nehmen:
IRLML 6244
13ct bei reichelt, kann 6A / 20V max. , und nur 700pF (das geht wesentlich besser bzw "leichter" zu schalten)
http://www.reichelt.de/IRL-IRFZ-Transist...IRLML+6244

+
ein Gatter würde ich trotzdem als Puffer reinschalten, freut die CPU, falls der mosfet doch mal durch nen kleinen "Fehler" abkratzt
zb
http://www.reichelt.de/ICs-74HC-SMD/SMD-...SMD+HC+245
oder
http://www.reichelt.de/ICs-74LVX-74VHCT-...4LVX+125+D

[voltwide]

Grunsdätzlich gebe ich Alfsch recht.
Die Schaltverluste nehmen proportional mit der Taktfrequenz zu.
1kHz ist da vergleichsweise wenig, so dass man sich da noch einiges erlauben kann, wie das gate direkt aus dem port takten oder einen zu großen MOSFET einsetzen.

[christianw.]

Man sollte bei den Pegeln auch darauf achten, dass die Steuerspannung höher ist, als die Threshhold-Spannung bzw. kann man im Datenblatt den Kurven entnehmen, ob man mit der zur Verfügung stehenden Steuerspannung den FET weit genug aufsteuert, um den zu schaltenden Strom bei genügend kleinem Rds_on schalten zu können. (Ergo, man sollte den linearen Bereich verlassen haben um die Verluste klein zu halten bzw. den Laststrom nicht "künstlich" zu begrenzen.)

[scooot]

Guten Abend,

vielen Dank für die vielen Antworten. Das ging ja wirklich fix!

Zitat:Original geschrieben von alfsch
IRLML 6244
13ct bei reichelt, kann 6A / 20V max. , und nur 700pF (das geht wesentlich besser bzw "leichter" zu schalten)
http://www.reichelt.de/IRL-IRFZ-Transist...IRLML+6244

Bei der Kapazität bin ich ebenfalls etwas gescheitert. Ich nehme an, das Laden und Entladen eines Mosfet kann man mit den üblichen Formeln wie beim Kondensator an Gleichspannung angehen. ich finde in den Datenblättern gleich drei Angaben- C_iss, , und C_rs. C_iss reicht für die Dimensionierung? Ist ja naheliegend.

Zitat:Original geschrieben von alfsch
...man kann schon. is aber eher seltsam...zu dicker Mosfet ohne gate-Treiber...

Grundsätzlich bin ich da voll deiner Meinung. Diskrete Low-Side-Treiber wie hier: https://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber verstehe ich vom Prinzip und finde ich in der Anwendung durchaus angebracht- befürchte aber, das es für einen Newby nicht mal eben so dimensioniert ist.
(Ist es mit Ladestrom berechnen, Transistoren nach Strom anpassen und ein paar Kondensatoren zur Stabilisierung getan? Brauche ich den "schnellen Treiber Typ 2B" oder reicht für meinen einen kHZ ein "Typ 1" Treiber? )

Weiterhin lassen sich die großen 8113 in dem TO220 Package so schön auf eine Lochrasterplatine löten und mit dem Gehäuse zur Kühlung verschrauben

Zitat:Original geschrieben von christianw.
Man sollte bei den Pegeln auch darauf achten, dass die Steuerspannung höher ist, als die Threshhold-Spannung bzw. kann man im Datenblatt den Kurven entnehmen, ob man mit der zur Verfügung stehenden Steuerspannung den FET weit genug aufsteuert, um den zu schaltenden Strom bei genügend kleinem Rds_on schalten zu können. (Ergo, man sollte den linearen Bereich verlassen haben um die Verluste klein zu halten bzw. den Laststrom nicht "künstlich" zu begrenzen.)

Letzten Endes bin ich so vorgegangen. Davon das der FET grade durchgeschaltet ist, ist er ja noch lange nicht Niederohmig. Hab mir bei RS Mosfets mit niedrigem RDS_on und niedriger Schwellspannung rausgesucht um anschließend den Graph U_DS VS I_DS zu vergleichen- da sind ja immer gleich mehrere Verläufe für unterschiedliche V_GS angeben.
Daran hab ich die Verlustleistung im Betrieb festgemacht.
Das große Fragezeichen war bis dahin bekommt der yC den überhaupt bis auf V_GS voll

Übrigens, der ESP8266 yC kostet in China 2-3 Euro und ist für Bastler echt einen Blick wert. Vielleicht etwas für "coole Fundstücke"

[alfsch]

jo, ESP... auch n Fundstück !

+
nein, das Gate eines mosfet ist (leider) nicht einfach ne Kapazität !
die ändert sich dummerweise (auch während der Ansteuerung) dauernd, abhängig von gate-source und gate-drain Spannung...somit eher komplexes Verhalten, womit auch simu-Programme so ihre Probleme haben (wirklich GENAU funktioniert nur ne reale Messung...)

[voltwide]

Das nichtlineare Verhalten der gate-Kapazität wird von den Herstellern beschrieben im gate-charge-diagramm. Grundsätzlich empfehle ich, MOSFET-gates über die Ladung, und nicht über die spannungsabhängige Kapazität zu betrachten. Das ist sehr praktisch, zeigt es doch den Aufbau der gate-Spannung bei Konstantstromspeisung.
Je steiler der Anstieg, desto kleiner die (differentielle) Kapazität.
Und wenn Du das Miller-plateau verstanden hast, bist Du schon ein gutes Stück voran gekommen im Verständnis des Schaltverhaltens.

[kahlo]

Ich würde das jetzt nicht komplizierter machen als es ist. Die Schaltspannung des verwendeten Mosfets ist gering genug (1,35..2,25V), und er erwärmt sich nicht. Alles fein.

Sogar der Gatewiderstand ist in vorauseilendem Gehorsam richtig dimensioniert .
(Mich würde vermutlich der Teufel reiten und zum Weglassen animieren ).

[scooot]

Und hoch damit!

Aktueller Stand: Die direkte Verschaltung yC - Mosfet hat jetzt schon ein paar Stunden unter Last von ca. 8A hinter sich und läuft bisher einwandfrei.

Einwände:
Für Problematisch halte ich allerdings, das mit 3,2 irgendwas Volt Spannung gerade so viel Ladung auf die Gate kommt, das der Mosfet niederohmig genug ist. Soll heißen, sobald ich ein paar hundert Millivolt weniger Spitze an dem Gate ansteuere wird die ganze Schaltung zur Heizung.
Deswegen ist mir das ganze zu unsicher- wer weiß wie sich die Schaltung nach ein paar mehr Betriebsstunden verhält, Spannungsfall am yC kann ich mir definitiv nicht leisten und riskieren das er die Spitzenströme doch nicht so gut verträgt möchte ich deswegen nicht.
Mit einem 5V yC und höherer Stromfähigkeit wie sie Arduino und Konsorten haben würde ich es so lassen.

weiteres Vorgehen:
nochmal mit Mosfets und Transistoren auseinander setzen (Lehrbuch ist besorgt)
und eine vernünftige Beschaltung aufbauen oder einen fertigen Treiber verbauen, gefällt mir an sich auch ganz gut

Grüße

[voltwide]

oder einen MOSFET nehmen, dessen RDson für 2,5V-gate-Spannung spezifiziert ist.
Den kann man ruhigen Gewissens aus einem 3,3V-port ansteuern.

[christianw.]

Highscore-Switch mit integrierter Ladungspumpe.

[voltwide]

Zitat:Original geschrieben von christianw.

Highscore-Switch mit integrierter Ladungspumpe.

Sind das die im Flipper-Automaten?

[christianw.]

Autokorrektur ist schon was feines.

"HighSide-Switch" mit integrierter Ladungspumpe.