High Side N-Kanal Mosfet Schalter - bisschen Langsam beim ausschalten

Hallo,

für meine Heizung brauche ich um die Glühkerze mit 8V und 8,5A zu Schalten und zu regeln einen Mosfet Schalter. Meine Idee (siehe Schaltplanfoto unten) funktioniert schon nur wird der Mosfet mit einem kleinen Kühlblech nach einigen Minuten doch sehr warm. Nach meinen Messungen braucht die Schaltung zum ausschalten des Mosfet etwa 150us was doch recht viel ist. Schaltfrequenz ist ca 1Khz.

Ich bin mir jetzt nicht sicher ob man diese Schaltung noch Optimieren kann?

Oder muss ich das mit zwei Halbbrücken machen eine dann an 3,3-5V des MC und die andere dann an der 24V Schaltspannung?

Grüße
Alexander

Bild hier  

Hallo Alexander,
ich weis jetzt nicht genau wo ich anfangen soll, aber da sind so einige Dinge:
Fangen wir an mit dem Mosfet Transistor selbst:

Der kann laut Datenblatt 34 Ampere.
Das klingt erstmal richtig gut, aber man muss die Verlustleistung betrachten.
Bei "guter" Ansteuerung des Gates hat er einen maximalen Übergangswiderstand
zwischen D(Drain) und S(Soure) im Datenblatt "RdsOn" von 32mOhm.

Wenn 8,5 Ampere Strom fließen, dann fallen an diesem RDson U=I*R ==> 8,5*0,032Ohm = 0,272 Volt ab.
um nun auf die Verlustleistung zu kommen nehmen wir die 0,272 Volt und multiplizieren mit dem Strom 8,5 Ampere.
Das sind dann 2,312 Watt. Und das ist eine "ganze Menge" Wärme die abgeführt werden muss.
Fazit:
Egal, wie Du die Schaltung der Ansteuerung auch änderst, es gilt 2,3 Watt zu verheizen.
Mit einem entsprechenden Kühlkörper sollte das dennoch ohne Probleme möglich sein.

Einen N-Channel als High Side Schalter (Last liegt an Source nach Masse) zu verwenden ist eher ungünstig
da Du Probleme bekommst das Gate entsprechend hoch zu ziehen.
Daher vermutlich auch deine zusätzlichen +24 Volt, die ich Anfangs garnicht verstanden hatte.
Ich vermute jedoch das hast Du gemacht, da die Glühkerze mit einem Pin fest auf Masse (Chassis) liegt.
Da wäre dann eher P-Channel Mosfet angesagt, die haben jedoch meist einen noch höheren On Widerstand.
Aber auch hier gibt es recht niederohmige.

Deine beiden Transistoren BC516 und BC517 sind Darlington Typen, diese haben extrem hohe Stromverstärkungen
und gehören normalerweis da nicht rein. Funktionieren aber auch.

Die Gatespannung bei deiner Schaltung für den Mosfet liegt meiner Meinung nach ausserhalb des erlaubten Bereichs.
330 Ohm zu 1K an 24 Volt, da müssen so ca. 18 Volt dann am Gate liegen, laut Datenblatt dürfen es aber nur 10 Volt sein.

Ich würde die Schaltung eher wie folgt aufbauen:
Anhang 34414

für den P-Channel Mosfet SUB75P03-07 gibt es sicher auch andere Alternativen, hatte nur grad diesen "niederohmigen" gefunden.
Du kannst auch den IRF4905 nehmen (mit Kühlkörper) oder auch 2 Stück parallel schalten um die Leistung zu verteilen.
Parallelschalten kannst Du im übrigen auch mit deinem Mosfet.

Siro

Danke für die ausführliche Erklärung.

Das mit dem N-Kanal war schon Absicht ich wollte mal so eine Schaltung bauen um zu sehen wie das funktioniert. Deshalb auch kein fertiger IC. Ich würde das an andere Stelle auch noch brauchen dann aber als Halbbrücke mit zwei N-Kanal Mosfet. Die Transistoren waren gerade die einzigen die ich da hatte ... ich dachte die hohe Stromverstärkung würde beim Schalten nicht schaden.

Das mit der Verlustleistung stimmt schon mir kommt es aber so vor das er wärmer wird als mit den 2,3 Watt zu erwarten wäre. Deshalb habe ich angenommen es würde an dem langsamen ausschalten liegen.

Die 24 Volt kommen von einem Schaltregler der die aus den 12 Volt macht die kann man einstellen. Ja das mit der Gate Spannung stimmt die ist zu hoch das ist mir auch schon aufgefallen. Ich habe da aber nur 11 Volt gemessen. Muss man da nicht die 8 Volt Spannungsabfall an der Last noch abziehen? Das dann noch 11 übrig bleiben liegt an der aktuellen Ansteuerung die Spannung an der Glühkerze ist im Moment nur 7 Volt. Ich habe da erst mal ein bisschen Abstand als Sicherheit gelassen und die glüht auch so gut.

Moin Alexander,

Zitat:

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Muss man da nicht die 8 Volt Spannungsabfall an der Last noch abziehen?

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Ja, da hast Du recht, weil die Last ja in deiner Schaltung im Sourcezweig liegt, mein Fehler...

Die hohe Stromverstärkung tut nicht weh, ich wunderte mich nur.

Pro Watt erwärmt sich der Transi (ohne Kühlung) um rund 60 Grad wenn ich das richtig gelesen habe.
Bei 2,5 Watt würde er ohne Kühlung das nicht lange überleben.
Ein Problem kommt noch dazu: je wärmer er wird desto schlechter leiter er und schiebt sich quasi selbst ins Nirwana.

Es ist also ratsam Mosfets mit sehr geringem RDSon zu verwenden, dann brauchst Du eventuell nichtmal einen Kühlkörper.

Warum das jetzt langsam schalten soll, kann ich mir momentan nicht erklären, der Mosfet könnte zumindest wesentlich schneller schalten.
Das passiert eigentlich nur wenn die Gatekapazität nicht schnell genug auf bzw. entladen wird.
Je niederohmiger die Mosfets werden, desto höher wird leider die Gatekapazität.
Dieser Kondensator (Gate) läd sich ja über die Vorwiderstände auf und während er irgendwann "langsam" leitend wird (der Kondi voll wird)
hat er noch einen sehr hohen Widerstand zwischen Drain und Source, der dann erst langsam immer niedriger wird.
Genau in dieser Phase fällt da natürlich wesentlich mehr Spannung zwischen Drain und Source ab, was ihn aufheizt,
Das gleiche passiert beim Ausschalten, je schneller er das Gate aufl/entaden kann desto besser.
Da benötigt man teilweise sogar richtige Gatetreiber damit die Umladung schnell genug erfolgen kann,
wobei jetzt 1 KHz nicht die Welt ist.

Siro

Für meinen Geschmack sind die Widerstände am Gate etwas zu dolle.

Aber warum er langsam schalten soll verstehe ich auch nicht, jedenfalls nicht anhand der Zeichnung. Bist du dir sicher, daß du das auch genaus so verdrahtet hast? Und woher weißt du, daß er langsam schaltet? Hast du das oszillographiert?

Mit den Widerständen habe ich ein wenig Experimentiert das war bisher das beste Ergebnis. Was ich noch machen muss die 24V etwas niedriger weil wie oben Siro richtig bemerkt hat ist die Spannung am Gate noch ein bisschen hoch. Wobei wenn die Glühkerze eingeschaltet ist die Spannung 12V ein bisschen zusammenbricht. Dann ist die Spannung am Gate auch nicht mehr zu hoch. Die Basis Vorwiderstände sollten so ca. 5mA Strom fliesen lassen. Ich dachte das wäre nicht falsch weil die Transistoren ja nicht so arg viel Strom schalten müssen.

Ja gemessen. Ist ja nicht so schwierig. 200us pro Kästchen und die Ausschaltflanke am Mosfet braucht fast eins.

Ja das ist so verdrahtet habe ich schon mehrmals kontrolliert.

Zitat:

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Zitat von alexander_ro

. Ich habe da aber nur 11 Volt gemessen. Muss man da nicht die 8 Volt Spannungsabfall an der Last noch abziehen?

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Die Spannung, um die es geht heißt Ugs, lang gesprochen "Spannung zwischen Gate und Source". Damit ist klar, wo man messen muß, zwischen Gate und Source. Was kann da im Extremfall passieren? Der FET ist aus, an beiden Anschlüssen der Glühkerze liegen 0V, damit auch an der Source des FETS. Jetzt wird das Gate auf 24V angehoben, damit liegenn in diesem Moment 24V zwischen Gate und Source. Da reicht Worstcase weniger als eine µs um den FET zu killen.

Die zusätzliche Spannung zu Ansteuerung des N-FETs muß also an die Source des FETs und nicht an die positive Versorgung angekoppelt werden. Dann ist garanitiert, daß unabhängig vom Schaltzustand des FET bzw. dem Strom durch die Last der FET immer sauber angesteuert wird. Ein normaler Aufwärtswandler leistet das aber nicht, dessen Ausgang bezieht sich auf GND. Fertige FET-Treiber verwenden daher eine Bootstrapschaltung oder eine gegen GND schwebende Ladungspumpe.

Zitat:

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Das mit dem N-Kanal war schon Absicht ich wollte mal so eine Schaltung bauen um zu sehen wie das funktioniert. Deshalb auch kein fertiger IC

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Dieser Ansatz ist natürlich ehrenwert.

Ich nehmen für solche Anwendungen integrierte High-Side-Switches wie den IR3314 oder seine moderneren Brüder. Der nimmt einem nicht nur die nicht ganz triviale Ansteuerung ab, sondern schützt sich auch noch selbst gegen Übertemperatur und Überstrom.

MfG Klebwax

TO: Wo hast Du eigentlich gemessen? Gate vom FET oder an der Glühkerze?

@Klebwax: jo, das habe ich auch noch garnicht bedacht.
Im Einschaltmoment liegen da wirklich 24 Volt zwischen Gate und Source.

zum IR3314:
Die Protected Fets sind natürlich super, ich habe auch schon ähnliche Typen eingesetzt.
Meine BSP75 waren wirklich so ziemlich unkaputtbar. Wobei das "Low Side" waren

Leider trat dann ein Problem in Erscheinung, dass sie für PWM Ansteuerung ungeeignet sind.
Durch die Schutzbeschaltung sind sie leider relativ langsam.

Mit 1KHz kannst man diese Teile nicht mehr betreiben.
Beim IR3314 wird 200 Hz angegeben
bei meinem BSP Typ waren es sogar nur 100 Hz

Wenn ich das richtig verstanden habe, möchte Alexander mit 1 KHz eine Regelung programmieren.
Da muss man dann genau schauen welcher Typ noch geeignet ist.

Siro

Das Messgerät sagt was anderes es liegen nur die schon oben genannten 11 V maximal am Mosfet Gate an. Auch zu viel ist mir bekannt und muss ich noch ändern. Der Mosfet ist auch nicht der Meinung das er in us kaputt sein möchte. Soweit widerspricht die Realität der Theorie. Weder der PNP noch der Mosfet schalten in unendlich kurzer Zeit. Daher steigt mit dem steigen der Spannung am Gate die Spannung an der Glühkerze und somit erreicht man nie den Zustand das da wirklich 24 Volt anliegen würden.

Ich nehme keinen IC weil die High Side Treiber alle die gefunden habe keine 100% ein können. Ausserdem möchte ich mal wissen wie das geht.

Zitat:

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Zitat von Siro

@Klebwax: jo, das habe ich auch noch garnicht bedacht.
Im Einschaltmoment liegen da wirklich 24 Volt zwischen Gate und Source.

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Und das wird noch übler, wenn man eine solche Ansteuerung mit einer höheren Spannung als 12V betreibt. Man braucht immer die typischen 10 bis 15V für eine harte, schnelle Ansteuerung relativ zur Source und das z.B. bei einer 3-Phasenbrücke auch noch 3 mal. Schalten auf der High-Side ist immer blöd, manchmal leider nicht zu vermeiden. Am Ende landet man dann bei den typischen Bootstrapschaltungen oder selbstgetakteten Ladungspumpen, wenn man 100% Einschaltzeiten erreichen will.

Zitat:

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zum IR3314:
Die Protected Fets sind natürlich super, ich habe auch schon ähnliche Typen eingesetzt.
Meine BSP75 waren wirklich so ziemlich unkaputtbar. Wobei das "Low Side" waren

Leider trat dann ein Problem in Erscheinung, dass sie für PWM Ansteuerung ungeeignet sind.
Durch die Schutzbeschaltung sind sie leider relativ langsam.

Mit 1KHz kannst man diese Teile nicht mehr betreiben.
Beim IR3314 wird 200 Hz angegeben
bei meinem BSP Typ waren es sogar nur 100 Hz

Wenn ich das richtig verstanden habe, möchte Alexander mit 1 KHz eine Regelung programmieren

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Für eine Glühkerze braucht man keine PWM mit 1 kHz, da reichen auch 10Hz. Aber bei Schaltzeiten im dreistelligen µs Bereich braucht man wegen der Schaltverluste über PWM Frequenzen im kHz Bereich gar nicht nachzudenken.

Wenns wirklich schneller sein muß, nehme ich BTS7960. Selbst wenn man nur in einem Quadranten steuern will, spart man sich bei induktiven Lasten gleich die Freilaufdiode.

MfG Klebwax

Ich habe da aber nur 12V also eher nicht wichtig für mich. Im übrigen ist das hier wie oben beschrieben kein Problem weil ihr von einem Idealem Transistor und einem Realen Mosfet sprecht. Gibt nur keine Idealen Transistoren.

Ja wegen der Schaltzeiten hatte ich ja gefragt aber leider fällt keinem was Produktives dazu ein ...
Man merkt aber das du so was nie gemacht hast die 10 Hz sind totaler Blödsinn. Wo willst Du die Energie her nehmen. Die Einschaltzeiten verlängern ... ja nur Dumm das Du dann die 8V an der Glükerze überschreitest. 500 Hz geht so gerade noch aber die Glühkerze brauch da schon viel länger bis sie richtig glüht.

Danke für die vielen Vorschläge die nichts mit dem Thema zu tun haben. Ich wollte wissen wie man die gezeigte Schaltung verbessern kann. Oder ob man schnelleres ausschalten nur durch die Verwendung von Halbbrücken erreichen kann.

[?]
Den Widerstand von 1000 Ohm gegen GND verkleinern (100 Ohm bis 200 Ohm). Dazu die Glühkerze von S nach D verlegen.
Und/oder: einen zweiten BC517 mit Basis an Basis von BC516 anschließen - Kollektor an G und Emitter an GND.
[/?]

MfG

Tja, vielleicht sollte man zuerst einmal den FET abklemmen und den Ausgang der Ansteuerung inklusive 1k-Widerstand auf Anstiegs-/Abfallzeiten mit dem Oszi untersuchen (mit der auf 1 nF gerundeten Gatekapazität kommt hier keiner auf ein schlüssiges Ergebnis). Infos über den Aufbau (Lochraster/Steckbrett/Platine, Zuleitungen, bei 8A speziell auch die Masseführung) wären auch nicht schlecht.

Alles andere ist Glaskugellesen - insbesondere, wenn ich lese, dass bei halbierter Frequenz eine andere Wirkung eintritt.

Die Glühkerze verlegen geht nicht die ist mit Masse verschraubt im Gehäuse. Ich hätte das nicht so gemacht wenn es nicht sein müsste.

Den 1K Widerstand noch kleiner machen probiere ich mal.

Ja eine Halbbrücke ist mir auch schon eingefallen ... ich wollte aber erst mal wissen ob das so nicht auch geht.

Da hast Du nicht richtig gelesen wo steht das bei halber Frequenz etwas anderes passiert. Die Fallende Flanke des Rechtecks ist immer gleich langsam. Die steigende liegt bei wenigen ns.

Lochraster die Last hängt direkt an den Pins des Mosfet und die Masse ist mit dickerem Schaltdraht auf kurzem Weg zum Akku Anschluß. Der Schaltdraht ist etwas dicker als die Mosfet Pin ich weiß nicht welcher Querschnitt.

Zitat:

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Zitat von alexander_ro

Da hast Du nicht richtig gelesen wo steht das bei halber Frequenz etwas anderes passiert.

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Zitat:

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Zitat von alexander_ro

500 Hz geht so gerade noch aber die Glühkerze brauch da schon viel länger bis sie richtig glüht.

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Das meinte ich. Bei gleichem Tastverhältnis aber unterschiedlicher Frequenz sollte sich da erst mal gar nix wesentliches tun.

Um festzustellen, woran es denn nun hapert, solltest Du als nächstes einmal mit dem Oszi Deine Versorgung überprüfen, d.h. Du misst Masse an der Quelle gegen Masse auf der Platine, das gleiche noch mit den 12V und den 24V, anschließend Versorgung (Masse gegen 12V) auf beiden Seiten. Wenn's da schon spukt (Ripple > 1V), kannst Du alle bisherigen Messungen/Berechnungen in die Tonne treten. Wahrscheinlich hast Du dann auf dem Oszi gesehen, wie sich die Masse über nen Elko gesiebt nach wegnehmen der Last langsam wieder nach unten zieht.

Mit Last Ugs messen. Daran hapert es? Ok, dann miss mal bitte Ug gegen Masse.

Danach Last (Glühkerze) ab und Ug noch mal messen.

Wenn der Rechteck am 1k vor dem Gate immer noch bescheiden aussieht, das Gate vom FET abtrennen.

Immer noch Mist? Spannungsteiler am PNP-Bipolar ändern.

Dann wissen wir vielleicht auch mal, wo der Fehler sitzen könnte.

Wenn ich die Frequenz ändere muss ich das Tastverhältnis ändern. Weil sonst die 8V an der Glühkerze überschritten werden. Macht man die Frequenz kleiner wird bei gleichem Tastverhältnis ja die Einschaltdauer länger. Die Spannung benötigt aber nur die Zeit x um an der Glühkerze die 8V zu überschreiten. Daher darf ich eine gewisse Zeit ton nicht überschreiten. Deshalb geht das nicht mit 10Hz.

Den Rest den Du vorgeschlagen hast muss ich erst noch ausprobieren. Wenn ich mich recht erinner hatte ich einige Millivolt Divergenz zwischen Masse Akku und Masse Platine aber ich Messe das auch nochmal nach um sicher zu gehen.

<Edit>
Ich habe den Spannungsteiler des 24V Reglers so geändert das es nur noch 20V sind. War ja etwas zu hoch.
Ich habe auch bisher schon immer alles mit der Orginal Last (Glühkerze) gemessen.
Masse (Akku) - Masse (Platine) = 150 mV (An Verschiedenen stellen auf der Platine gemessen. 12 und 24V haben die gleiche Masse.)
Ugs = 6V (Die fallende Flanke hat gegen Ende eine sehr Runde Ecke.) Seit der Änderung von 24 nach 20V nur noch 100us lang.
Ug-Gnd = 12V

Ohne Last weiß ich nicht ob das gut ist wenn S in der Luft hängt. Ich habe mal eine kleine Glühbirne 21W mit den 8V betrieben und dann gemessen. Das ändert nichts an der Runden Ecke mit den 100us. Das wird ohne Mosfet auch nicht besser. Scheinbar bereits der PNP der langsam ausschaltet.
</Edit>

Das Sterben der Glühwendel hängt doch nicht von der Peak-Spannung ab, sondern von der durchschnittlich zugeführten Leistung. Ob Du nun also 1kHz mit 40% oder 500Hz mit 40% fährst, sollte doch erst einmal Latte sein. Wie weit man mit der Frequenz heruntergehen kann, hängt einzig davon ab, wie schnell die Temperatur an der Glühwendel steigt.

Für mich sieht das wie eine Milchmädchenrechnung aus: Bei 8V fließen gut 8A, d.h. der Widerstand des Glühdrahtes liegt bei knapp einem Ohm. Um die Sache mit 12V zu betreiben, muss man die nominal zuzuführenden 64W über das Tastverhältnis knappe 50% (Bei einem Ohm und 12V fließen 12A=> 144W) an der PWM begrenzen.

Im Durchschnitt ist das richtig aber Du verursachst halt Leistungsspitzen die machen die Glühkerze nicht sofort kaputt das hält die eine weile aus aber Du reduzierst damit die Lebenserwartung. Das was ihr vorschlagt würde funktionieren wenn eine Speicherdrossel vorhanden wäre die gross genug ist um bei 10Hz in aus Zeiten den Strom zu halten. Die ist aber mächtig gross wenn die Reglerfrequenz nur 10Hz ist.

Ist denn das Ausschaltgeschwindigkeit jetzt ausreichend? - Du hast das doch immerhin schon von 150µs auf 100µs reduziert.
Und hat sich das positiv auf die Wärmeentwicklung ausgewirkt?

MfG

@Moppi: Das mit den 100us ist noch zu langsam wird nicht mehr ganz so warm aber immer noch mehr als er sollte. Ich wollte dann Deinen Vorschlag probieren den 1K am Mosfet kleiner zu machen deshalb habe ich den ausgelötet. Dabei ist mir der auseinander gefallen das fand ich merkwürdig. Also einen neuen 1K gesucht und wieder eingebaut jetzt hat es ungefähr 25us noch. Damit funktioniert es jetzt der Mosfet bleibt fast kalt. Man kann den auch nach 5 Minuten noch gut mit der Hand anfassen ohne das es sich unangenehm anfühlt. Ich würde sagen besser geht das mit dieser Schaltung nicht mehr die untere Ecke beim ausschalten ist nur noch leicht Rund. Anschneiden hatte der Widerstand eine Macke war ja auch ein gebrauchter ... :)

Ugs = 6V (laut Oszi und damit immer im Rahmen des erlaubten) Da der Mosfet ein Logiclevel ist kommt der mit den 6V gut zurecht der Strom den er Schalten muss ist ja auch nicht so arg hoch.

Schön ... danke für eure Hilfe.

Noch eine letzte Frage: Welche Schaltfrequenz erreicht jetzt Deine Schaltung?


MfG


PS: Dann wars ja richtig, dass der 1K zu gross im Widerstand war ;)

Kein Problem wer fragen hat darf gerne Fragen. Die Schaltfrequenz ist immer noch ein Kilohertz. Was mit der Schaltung maximal möglich ist habe ich nicht ausprobiert. Gewählt hatte ich das defekt ja nun nicht und 1K ist er immer noch.

Nein, hast Du sicher nicht ausgesucht :) Hatte der kaputte überhaupt einen Widerstand - hast Du nicht vielleicht gemessen?

Mir ist beim auslöten auf einer Seite der Draht mit einem kleinen bisschen vom Widerstand abgefallen. Also ohne das ich grob gezogen oder gebogen hätte. Gemessen habe ich den dann nicht mehr ich kann nicht sagen ob der noch Durchgang hatte. Könnte man zwar testen in dem man den jetzt weg lötet und nochmal misst aber ich will jetzt nicht wirklich mit meiner endlich funktionierenden Schaltung experimentieren.

Hmmm, nimmst Du 1/4W Kohleschicht? Da wäre der 1k nominal schon am Ende.

Ich glaube schon das es 1/4 Watt ist ich weiss das aber nicht genau. Also warm werden tut er nicht.

Kannst ja mal Beinchen durchknipsen und Strom messen, das Beinchen hinterher wieder zusammenlöten. Aber wenn er nicht mal warm wird, sollte alles i.o. sein.

Ich habe mal den Spannungsabfall mit dem Oszi am Widerstand gemessen. Danach reichen das 1/4 Watt von dem Widerstand aus. Den Strom direkt Messen kann ich nur mit einem Multimeter das ist aber für das eine Khz Schaltfrequenz zu langsam. Dauerhaft Einschalten darf ich ja nicht weil sonst die Glühkerze kaputt geht.

Wer weiß, bei welcher Gelegenheit der alte Widerstand einen mitbekommen hat...

Wie oben schon mal angedeutet war es ein gebrauchter Widerstand. Vielleicht wurde der in dem Gerät wo er ausgebaut wurde Elektrisch oder Mechanisch nicht so gut behandelt. Ich habe das aber nur extrem selten das Widerstände kaputt sind. Deshalb komme ich auch immer erst gar nicht auf die Idee ... :)