Stromeinstellung mit Mosfet

[Um G. (um_g)]

Moin,

ich bin noch ein ziemlicher Laie, was die Halbleitertechnik betrifft.
Vor einiger Zeit hatten wir in der Berufsschule eine Aufgabe. Dort 
mussten wir einige Versuche mit dem Mosfet machen. Leider hat es bei mir 
nicht ganz gekalbt, denn wir mussten mit einem Mosfet den Strom 
einstellen. Dies ist eine Vorarbeit, zum Thema E-Last.

Ich habe den Schaltplan mit beigefügt.

Mein Problem ist, dass der Strom nicht einzustellen ist. Ständig ist er 
am steigen oder am sinken. Bedeutet, wenn ich den Strom aufdrehen 
möchte, so steigt er, obwohl ich den Potentiometer nicht mehr drehe. 
Umgekehrt ist es auch so. Zudem habe ich zwei separate 5V Quellen.

Kann jemand mir sagen, wo mein Denkfehler ist?

[Sebastian W. (wangnick)]

Im Schaltbild sind GND und Masse nicht verbunden :)

Nein, ernsthaft: Was begrenzt denn in deiner Schaltung den Strom? Ich 
sehe da gar keine Last ...

LG, Sebastian

[Falk B. (falk)]

Um G. schrieb:
> Kann jemand mir sagen, wo mein Denkfehler ist?

Der Arbeitspunkt ist so ohne weiteres nicht thermisch stabil. Bau eine 
Konstantstromquelle mit OPV, dann wird das was.
Alternativ kann man gepulst messen. D.h. das Gate wird mit einem 
Funktionsgenerator angesteuert und der Strom mittels Shunt und 
Oszilloskop gemessen. Dadurch bleibt die Erwärmung minimal und die 
Arbeitspunkte / Messpunkte sind deutlich stabiler.

[Falk B. (falk)]

Sebastian W. schrieb:
> Nein, ernsthaft: Was begrenzt denn in deiner Schaltung den Strom?

Durch die Gatespannung sowie die Abschnürung des Kanals im MOSFET.

> Ich
> sehe da gar keine Last ...

Gibt auch keine, braucht man für die Messung auch nicht.

[Um G. (um_g)]

Ich glaube, dass der Mosfet als eine Art "einstellbarer Widerstand" 
fungieren sollte (Wie ich es verstanden habe). Die Last soll dann 
zwischen dem Mosfet und dem Amperemeter angeschlossen werden.

[Andreas M. (elektronenbremser)]

Um G. schrieb:
> mit dem Mosfet machen. Leider hat es bei mir nicht ganz gekalbt

Das wird schwierig, ich glaube aus einem Mosfet wirst du wohl kein Kalb 
herausbekommen!

[Michael B. (laberkopp)]

Um G. schrieb:
> Kann jemand mir sagen, wo mein Denkfehler ist?

Bauteile sind nicht ideal.

Ihe Leistungsdaten und Kennwerte ändern sich z.B. mit der Temperatur.

Während deine Schaltung im Prinzip funktioniert, wenn man die 
Gate-Spannung nicht aus Versehen zu hoch einstellt, ist die halt keine 
stabile Stromquelle, sondern der MOSFET wird warm und der Strom ändert 
sich. auch wenn du die Drain-Spannung änderst.

Wenn der Strom konstant gehalten werden soll, braucht man eine REGELUNG 
mit einem shunt-Widerstand an dem der Strom einen messbaren 
Spannungsabfall produziert und einem OpAmp der die Gate-Spannung 
nachregelt damit der gewünschte Strom fliesst.

[Paul L. (paul_l861)]

Falk B. schrieb:
> Um G. schrieb:
>> Kann jemand mir sagen, wo mein Denkfehler ist?
>
> Der Arbeitspunkt ist so ohne weiteres nicht thermisch stabil.

Doch. Ab einem gewissen Mindeststrom nimmt der Strom bei Erwärmung 
wieder ab. Sollte eigentlich schon funktionieren die Schaltung. Ich 
würde mal die Gate Source Spannung messen.

[Um G. (um_g)]

Es geht Spezial um eine Konstantstromquelle. Während ich so schreibe, 
denke ich, dass mich mein Lehrer "Hobs" genommen hat. 
Höchstwahrscheinlich, wollte er mir damit zeigen, das ich mich mit dem 
Potentiometer dumm und dämlich regeln würde. Also würde ich ohne einen 
Amp nicht auskommen?

Aber wieso schwankt der Mosfet so. Liegt es daran, dass der Mosfet 
"eigentlich" wie ein Kondensator ist? Damit meine ich, das er so ständig 
am schwanke ist wegen der Ladung, oder?

[Um G. (um_g)]

Michael B. schrieb:
> Während deine Schaltung im Prinzip funktioniert, wenn man die
> Gate-Spannung nicht aus Versehen zu hoch einstellt, ist die halt keine
> stabile Stromquelle, sondern der MOSFET wird warm und der Strom ändert
> sich. auch wenn du die Drain-Spannung änderst.



Bei mir ist der Strom gestiegen, obwohl die Temperatur am steigen war. 
Müsste es nicht umgekehrt sein?

[Michael B. (laberkopp)]

Um G. schrieb:
> Aber wieso schwankt der Mosfet so

Wärme dehnt aus und macht beweglicher.

Wenn es in einer bestimmten Stellung des Potis wirklich von alleine 
schwankt, also der Strom von alleine immer höher und niedriger wird, ist 
das thermisches Oszillieren, oder wie der Ami sagt motorboating.

Ja, man braucht die Regelung, die du gezeigt hast, wenn der Strom stabil 
bleiben soll. Die braucht aber 12V (kein IRL mehr sondern IRF, und der 
OpAmp will auch noch 1.5V mehr).

[Falk B. (falk)]

Um G. schrieb:
> Es geht Spezial um eine Konstantstromquelle. Während ich so schreibe,
> denke ich, dass mich mein Lehrer "Hobs" genommen hat.
> Höchstwahrscheinlich, wollte er mir damit zeigen, das ich mich mit dem
> Potentiometer dumm und dämlich regeln würde. Also würde ich ohne einen
> Amp nicht auskommen?

Ja

> Aber wieso schwankt der Mosfet so.

Der schwankt nicht, wohl aber dessen Arbeitspunkt! Die Gate-Source 
Spannung hat einen Temperaturkoeffizienten von ca. -5mV/K. D.h. wenn der 
MOSFET durch den Drainstrom * Drain-Source Spannung warm wird, 
verschiebt sich die Kennlinie und es fließt mehr Strom, sodaß er noch 
wärmer wird. Das kann man passiv nur kompensieren, wenn man einen 
ausreichend großen Widerstand in die Sourceleitung einfügt. Das ist aber 
für die Messung unpraktisch, denn der Spannungsabfall daran muss reletiv 
hoch sein, so um die 1-2V.

> Liegt es daran, dass der Mosfet
> "eigentlich" wie ein Kondensator ist?

Nein.

> Damit meine ich, das er so ständig
> am schwanke ist wegen der Ladung, oder?

Nein.

[Εrnst B. (ernst)]

Um G. schrieb:
> Aber wieso schwankt der Mosfet so.

Schau dir die Kennlinien im Datenblatt an.
die ist in deinem Bereich zum einen sehr, sehr steil, d.H. kleinste 
Änderungen der Gate-Spannung bewirken eine große Änderung im 
Drain-Strom. Und zum anderen auch sehr Temperaturabhängig.
(Achtung: Y-Achse ist logarithmisch! Ist also alles noch viel viel 
schlimmer, als es auf den ersten Blick erscheint)

[Paul L. (paul_l861)]

Und wo nimmt der Strom jetzt zu? Der nimmt ab mit steigender Temperatur! 
Der Strom wird etwas schwanken, sollte aber nicht thermisch instabil 
sein.

[Εrnst B. (ernst)]

Paul L. schrieb:
> Der nimmt ab mit steigender Temperatur!

Ganz grob aus dem Graphen:
4V am Gate: 250mA bei 25°, 1500mA bei 175°?
Was nimmt da ab?

[Falk B. (falk)]

Paul L. schrieb:
> Und wo nimmt der Strom jetzt zu?

Bei Drain und Source.

> Der nimmt ab mit steigender Temperatur!

Nö. Der MOSFET arbeitet im Linearbetrieb und da wirkt der positive 
Temperaturkoeffizient vom R_DS_ON NICHT!

> Der Strom wird etwas schwanken, sollte aber nicht thermisch instabil
> sein.

Ist er aber.

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#Linearbetrieb_von_MOSFETs

[Paul L. (paul_l861)]

Εrnst B. schrieb:
> Paul L. schrieb:
>> Der nimmt ab mit steigender Temperatur!
>
> Ganz grob aus dem Graphen:
> 4V am Gate: 250mA bei 25°, 1500mA bei 175°?
> Was nimmt da ab?

Bei 3A ist er aber vermutlich RECHTS VOM SCHNITTPUNKT und das ist er 
thermisch stabil

[Falk B. (falk)]

Paul L. schrieb:
> Bei 3A ist er aber vermutlich RECHTS VOM SCHNITTPUNKT und das ist er
> thermisch stabil

Er will aber nicht nur bei 3A und mehr messen.

[Rainer W. (rawi)]

Paul L. schrieb:
> Bei 3A ist er aber vermutlich RECHTS VOM SCHNITTPUNKT und das ist er
> thermisch stabil

Das Lesen von logarithmische Graphen solltest du mehr üben. Mit 
Vermutungen kommst du da nicht weiter. Der Schnittpunkt liegt bei über 
7A.

[Manfred P. (pruckelfred)]

Um G. schrieb:
> Ich glaube, dass der Mosfet als eine Art "einstellbarer Widerstand"
> fungieren sollte

Genau das tut ein solcher in meinem Akkutester.

Michael B. schrieb:
> Während deine Schaltung im Prinzip funktioniert, wenn man die
> Gate-Spannung nicht aus Versehen zu hoch einstellt, ist die halt keine
> stabile Stromquelle, sondern der MOSFET wird warm und der Strom ändert
> sich. auch wenn du die Drain-Spannung änderst.

In gewissen Grenzen hilft ein Widerstand Source nach Gnd, nennt sich 
Gegenkopplung.

Paul L. schrieb:
>> Der Arbeitspunkt ist so ohne weiteres nicht thermisch stabil.
>
> Doch. Ab einem gewissen Mindeststrom nimmt der Strom bei Erwärmung
> wieder ab.

Nee. Er nimmt ab, wenn man im Schaltbetrieb voll aufgesteuert ist. 
Davor, im analogen Bereich, steigt er mit der Temperatur.

Um G. schrieb:
> Bei mir ist der Strom gestiegen, obwohl die Temperatur am steigen war.
> Müsste es nicht umgekehrt sein?

Nein, in Analogbereich nimmt er zu.

Falk B. schrieb:
> Nö. Der MOSFET arbeitet im Linearbetrieb und da wirkt der positive
> Temperaturkoeffizient vom R_DS_ON NICHT!

Richtig, eine Gemeinheit der MOSFETs.

[Paul L. (paul_l861)]

Manfred P. schrieb:
> Paul L. schrieb:
>>> Der Arbeitspunkt ist so ohne weiteres nicht thermisch stabil.
>>
>> Doch. Ab einem gewissen Mindeststrom nimmt der Strom bei Erwärmung
>> wieder ab.
>
> Davor, im analogen Bereich, steigt er mit der Temperatur.

Falsch. Wurde bereits geklärt. Lies erstmal den Thread durch bevor du 
schreibst

[Um G. (um_g)]

Danke für die ausführlich Aufklärung! Hat mir weitergeholfen. Werde 
mich, wohl oder übel, mit den Kennlinien im Datenblatt beschäftigen 
müssen.

[Georg M. (g_m)]

https://en.wikipedia.org/wiki/Safe_operating_area#MOSFET_thermal_runaway_in_linear_mode