MOSFET Schaltung Grundlagenfragen

[Flo L. (florian_l)]

Hallo zusammen,

ich möchte mit einer MOSFET Schaltung die Versorgungsspannung für 
einzelne Geräte über einen AVR Schalten. Nachdem ich mich hier durch 
einige Beiträge gelesen habe möchte ich hier meine Schaltung einmal 
Posten und dazu gleich noch ein paar Fragen loswerden. Ich habe mit 
absicht noch keinen Spezifischen MOSFET ausgewählt nur das es ein 
P-Kanal und ein N-Kanal sind steht fest. Zu schalten sind 12V Spannung 
und 5A - 10A Strom. Der N-Kanal MOSFET wird ein Logic-Level MOSFET sein 
damit ich ihn direkt von dem AVR mit 5V ansteuern kann.

Im Anhang habe ich eine Skizze der Schaltung wie ich sie mir Vorstelle. 
Die Funktion habe ich so verstanden: Solange der Mikrocontroller ein LOW 
ausgibt schaltet T2 nicht durch und T1 ist voll durchgeschaltet. Wenn 
der uC nun ein HIGH ausgibt wird das Gate von T1 auf LOW gezogen und T1 
sperrt.

Meine Fragen sind nun:
1) Muss zwischen den uC und das Gate von T2 noch ein Vorwiederstand um 
den Strom zu begrenzen?

2) Durch den Diode im MOSFET fällt eine Spannung ab, V_SD. Ich brauche 
eine Spannung zwischen 12,0V und 12,7V am Ausgang also muss die 
Eingangsspannung = Ausgangsspannung + V_SD sein richtig?


Wie erwähnt habe ich einige Beiträge hier zu dem Thema gelesen nur 
leider wurde nicht wirklich ein Ergebnis am Ende gepostet.

MfG Flo

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Flo L. schrieb:
> Solange der Mikrocontroller ein LOW ausgibt schaltet T2 nicht durch
> und T1 ist voll durchgeschaltet.
Da ist er schon, der Fehler.
In Wirklichkeit ist es so: wenn T2 nicht durchschaltet, dann ist auch 
Ugs vom T1=0V, und mithin wird auch der nicht durchschalten.

> Wenn der uC nun ein HIGH ausgibt wird das Gate von T1 auf LOW gezogen
> und T1 sperrt.
Teil 2 des Fehlers.
Tatsächlich wird, wenn der T2 durchschaltet das Gate vom T1 nach Masse 
"gezogen". Damit bekommt der T1 eine negative Ugs (Gatespannung bezogen 
auf die Sourcespannung) und der T1 leitet freudig...

Flo L. schrieb:
> Meine Fragen sind nun:
> 1) Muss zwischen den uC und das Gate von T2 noch ein Vorwiederstand um
> den Strom zu begrenzen?
Nein.
Aber ich würde zwischen Gate und Source einen Pulldown (47k) machen, 
damit der im Resetzustand nicht zufällig "so halb" durchschaltet...

> 2) Durch den Diode im MOSFET fällt eine Spannung ab, V_SD.
Falsh verstanden. Nochmal nachdenken. Diese Body-(oder Bulk-)Diode ist 
in deinem Fall wirkungslos, weil verkehrt herum gepolt.

> Ich brauche
> eine Spannung zwischen 12,0V und 12,7V am Ausgang also muss die
> Eingangsspannung = Ausgangsspannung + V_SD sein richtig?
Das hätte früher mal für bipolare Transen gegolten...

[Flo L. (florian_l)]

Danke Lothar für die Korrektur meines gefährlichen Halbwissens.

Ich hab die Schaltung jetzt angepasst und auch die MOSFET's rausgesucht. 
Der N-Kanal MOSFET ist jetzt ja nicht so gravierend da er keine Last 
schaltet. Der IRLU024N sollte das ohne Probleme gemeistert bekommen. Nur 
beim P-Kanal MOSFET habe ich gerade wieder eine Frage. Ich habe den 
IRF9Z34N rausgesucht angegeben sind U 55V I 19A und Ptot 68W. Ich möchte 
den FET als Schalter nutzen und nicht mit einer Frequenz steuern. Wenn 
ich jetzt 10A darüber Schalten möchte bin ich laut meiner ganz einfachen 
Rechnung von P = U(12V) * I(10A) bei 120W. Sehe ich das jetzt richtig 
das der MOSFET nicht überlebt? Wenn ja darf ich ja nur maximal um die 5 
A schalten und müsste für höhere Ströme einen anderen MOSFET 
raussuchen...

im Anhang ist die "aktuelle" Schaltung.

Vielen Dank
Grüße Flo.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Flo L. schrieb:
> Wenn ich jetzt 10A darüber Schalten möchte bin ich laut meiner ganz
> einfachen Rechnung von P = U(12V) * I(10A) bei 120W.
> Sehe ich das jetzt richtig
Nein. Das wäre die Leistung, die der Verbaucher verbauchen wird.

Der Mosfet bekommt nur einen kleinen Spannungsabfall zu sehen: den 
über seinen Rdson. Und der Rdson ist ca. 0,14Ohm, und damit der 
Spannungsabfall etwa 1,4V. Aber hoppla: zusammen mit den 10A gibt das 
schonmal 14Watt... :-o
Da gibt es evtl. bessere im Beitrag "Suche besten P-Kanal-FET"

Flo L. schrieb:
> Der N-Kanal MOSFET ist jetzt ja nicht so gravierend da er keine Last
> schaltet. Der IRLU024N sollte das ohne Probleme gemeistert bekommen.
17A maximal! Krass. Ich hätte für die paar mA einen BC337 genommen....

[Flo L. (florian_l)]

hmmm mit einem BC337 würde es dann so bei mir aussehen.

Ich möchte hier aber gleich auf die nächste Problemstellung überleiten! 
Wenn die Schaltung so Theoretisch funktioniert.

Wenn der MOSFET 14W "verheizt" wird er ja ziemlich Warm. Ich habe mir 
nun den Beitrag 
http://www.mikrocontroller.net/articles/K%C3%BChlk%C3%B6rper 
durchgelesen und wenn ich den kleinen jetzt ohne Kühlkörper volle 14Watt 
verheizen lasse komme ich bei dem Junction-to-Ambient wert von 62 K/W 
auf auf 868 K Temperaturanstieg. das ist nicht wirklich gut behaupte ich 
mal!

Wenn ich nun einen Kühlkörper mit 3,5K/W mit Wärmeleitpaste 1K/W an den 
MOSFET schraube Junction-to-Case 2,2K/W komme ich bei 14Watt auf eine 
Temperaturänderung von 93,8K. Das ist immernoch deutlich zu viel, also 
muss ich einen MOSFET suchen der einen geringeren Rdson Wert aufweist 
und dadurch weniger Wärme produziert. Angenommen meine Rechnung hier ist 
richtig.

MfG Flo

PS: ich habe den Wert von °C/W aus dem Datenblatt in K/W geändert da 
eine änderung von 1°C ja ebenfalls einer änderung von 1K entspricht und 
in dem Artikel über Kühlkörper deutlich geschrieben steht das die 
Temperaturänderung in Kelvin angegeben werden.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Flo L. schrieb:
> hmmm mit einem BC337 würde es dann so bei mir aussehen.
Ja, aber ein Pulldown zwischen Basis und Emitter kann nicht schaden...

> Angenommen meine Rechnung hier ist richtig.
Ja, passt.

> ich habe den Wert von °C/W aus dem Datenblatt in K/W geändert
Ist eh' das selbe, wenn es um Differenzen geht. Nur eben Absolut 
nicht... ;-)

> muss ich einen MOSFET suchen der einen geringeren Rdson Wert aufweist
Richtig.

[bobtheworker (Gast)]

Denk daran, dass der Transistor während des Schaltens noch einen höheren 
Widerstand hat, wenn die Last dann schon den vollen Strom zieht bekommt 
der Transistor eine wesentlich höhere Verlustleistung(I^2*R) ab über die 
Schaltdauer.

[Flo L. (florian_l)]

Lothar Miller schrieb:
> Ja, aber ein Pulldown zwischen Basis und Emitter kann nicht schaden...

Könntest du mir den Effekt und Nutzen des Pulldownwiederstandes Zwischen 
Basis und Emiter bitte einmal genauer beschreiben? Und schliße ich ihn 
vor dem Vorwiederstand oder dahinter an?

[bobtheworker (Gast)]

Flo L. schrieb:
> Lothar Miller schrieb:
>> Ja, aber ein Pulldown zwischen Basis und Emitter kann nicht schaden...
>
> Könntest du mir den Effekt und Nutzen des Pulldownwiederstandes Zwischen
> Basis und Emiter bitte einmal genauer beschreiben? Und schliße ich ihn
> vor dem Vorwiederstand oder dahinter an?

wenn der uC Ausgang in einen nicht definierten Zustand steht( nach 
Reset/erster Start). Hält der Pulldown die Transistor Basis definiert 
auf 0V.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Flo L. schrieb:
> Könntest du mir den Effekt und Nutzen des Pulldownwiederstandes Zwischen
> Basis und Emiter bitte einmal genauer beschreiben?
Schon passiert.

> Und schliße ich ihn vor dem Vorwiederstand oder dahinter an?
Eigentlich egal, aber seine Funktion ist, den Transistor sicher 
abzuschalten (auch wenn der R3 kaputt ist). Und wo gehört der 
Pulldown-Widerstand demzufolge hin?

[Flo L. (florian_l)]

So ich habe einen anderen MOSFET herausgesucht einen IRF4905. Der hat 
einen RDS(on) Wert von nur 0,02Ohm.

Ich möchte jetzt hier nochmal kurz zusammen fassen was ich für mich aus 
der inforunde hier gewonnen habe, vielleicht muss dann der nächste nicht 
die gleiche Frage stellen und jemand der möchte kann ggf. meine noch, 
hoffentlich nicht, vorhanden Fehler korrigieren.

Mit einem P-Kanal MOSFET sollen 12V geschaltet werden, mit einem Strom 
von maximal 10A.

Der IRF4905 (T3) ist ein P-Kanal MOSFET der 55V und 74A Verträgt. Er 
beginnt zu Leiten wenn die Gatespannung 2V niedriger ist als die Source 
Spannung. Der Mikrocontroller schaltet auf wunsch nun den Transistor T1 
einen BC337 und das Gate vom T3 wird auf Masse gezogen. Der MOSFET wird 
vollständig leitend.

Wenn nun 10A bei 12V über den MOSFET geleitet werden entsteht eine 
Verlustleistung die sich über den Wiederstand RDS(on) Berechnet.

$$UDS(on) = RDS(on) * I = 0,02Ohm * 10A = 0,2V$$

$$Pver = UDS(on) * I = 0,2V * 10A = 2W$$

Nun noch die Wärmeentwicklung. Wenn der Transistor nicht gekühlt wird 
steigt die Wärme über die Abgabe vom Gehäuse an die Luft. RθJA 
Junction-to-Ambient 62K/W

$$\Delta T = R \theta JA * Pver = 62 K/W * 2W = 124K$$

Ein Themperaturanstieg von 124K ist allerdings zu groß daher wird ein 
Kühlkörper mit einem Wärmewiederstand Rthk = 3,5K/W und Wärmeleitpaste 
Rpas = 1K/W montiert. Bei einem Wärmewiederstand vom Chip zum Gehäuse: 
RθJC Junction-to-Case 0,75.

$$\Delta T = Pver * (R \theta JC + Rthk + Rpas) = 2W * (0,75K/W + 3,5K/W + 1K/W) = 10,5K$$

Ein Anstieg von 10,5K ist vollkommen in Ordnung. Auch wenn beim 
Einschalten nun kurzzeitig der Doppelte Strom Fließen sollte, steigt 
Pver nicht über 4 Watt und die Temperatur dadurch um 21K.

Damit sollte die Schaltung nun funktionieren!

MfG Flo

[Falk B. (falk)]

@  Flo L. (florian_l)

>UDS(on) = RDS(on) * I = 0,02Ohm * 10A = 0,2V

PV kann man direkt über P = I^2 * R berechnen.

>Ein Themperaturanstieg von 124K ist allerdings zu groß daher wird ein
>Kühlkörper mit einem Wärmewiederstand Rthk = 3,5K/W und Wärmeleitpaste

Für 2W braucht man keinen 3,5K/W Kühlkörper, der ist nämlich auch ganz 
schön groß. 100K Temperaturerhöhung sind OK, macht bei 50°C 
Umgebungstemperatur 150°C Chiptemperatur. Das ist OK. Empfindliche 
Naturen gehen noch 10-30K runter.