PNP Mosfet

  • Hallo Kai,


    vielen Dank für deine große Mühe und den Aufbau der Schaltung.


    Ich habe eine Frage zu deinem Aufbau.

    Sieht das auf dem Bild nur so aus, oder verläuft der 56k Widerstand von VCC ins leere ?


    Werde deinen Aufbau testen und berichten ob es bei mir funktioniert hat.

  • Naja, das war ja in 10 Minuten zusammen gesteckt. Die Fotos zu machen und den Beitrag zu schreiben hat länger gedauert. Ich habe in anderen Projekten BS170 und BS250 (TO92) verwendet. Da habe ich nicht wenige über den Jordan geschickt, weil die sehr empfindlich sind. Sie sind häufig kaputt gegangen, nicht weil ich sie schaltungsmäßig im Grenzbereich betrieben habe , sondern weil sie seeehr empfindlich auf Elektrostatik reagieren.


    Unten dargestellte Schaltung habe ich verwendet um zu testen ob die Teile (also die BS250) noch korrekt funktionieren.


    Mit den IRF9520 funktioniert das auch zuverlässig, zumindest mit allen, die ich bisher so in den Fingern hatte. Sie sind nicht wirklich Logic-Level (LL)... aber bei so einem Spielkram funktional und kaum kaputt zu kriegen. Darum hatte ich den Typ vorgeschlagen.

  • Tja, Kai ich habe es nicht ausprobiert. Lediglich der Hinweis, dass die Led schwach leuchtete, liess mich zum genannten Schluss kommen.


    War da vielleicht ein Arduino mit 3.3V beteiligt oder ein andere Ursache. Auf jeden Fall, und das weiss ich schon länger ist die Erkenntnis, dass eine Schaltung die einmal funktionier hat nie die Garantie darstellt, dass sie es auch bei identischem Aufbau erneut funktioniert.


    Konkret ging es um ein Audion Radio, ein Bausatz der für die Motivierung von Kindern zum Elektronikbasteln benutzt wird. Da wird eine Spannungsstabilisierung mittels einer roten 5mm Led realisiert. Dies funktionierte bei ca 50-80 Bausätzen tadellos, bis dann wieder neue Kit’s zusammen gestellt wurden, die eine andere rote 5mm Led benutzte. Von da an funktionierte ca. jeder dritte Bausatz nicht mehr, weil die Diode eine etwas tiefere Brennspannung hatte.


    Die Frage ist, wie geht man es an, solche Probleme in den Griff zu bekommen? Eine Antwort ist mal sicher: kein Bauelement zu etwas anderem benutzen, zu dem es nicht gedacht war. Eine rote Led ist vermutlich zum Leuchten gemacht.

    Ein weiterer Punkt, nicht an die Grenzen der Bauelemente zu designen (Datenblattwerte und dann genügend Reserven einberechnen).


    Aber Danke Kai, das war sehr hilfreich und wie gesagt, der MOSFET ist kein einfaches Bauelement und vor allem lässt sich ohne Detailkenntnisse des Bauteils sich nicht durch ein anderen Typen beliebig austauschen.


    schönen Abend

    Pius



    PS: ich bin kein Elektroniker .... wer es nicht glaubt den muss ich alleine lassen, weil den Beweis mittels eines fehleden Zertifikates kann ich schlecht erbringen ^^

  • Hallo zusammen,


    nachdem ich Pius Beitrag gelesen habe, habe ich auch mal probiert eine LED (2V Knightbright weiß) mit einem P-Channel MOS-Fet, ebend dem besagtem IRF9520, zum Leuchten zu bringen:


    PNP.jpg


    Die LED leuchtet wie Bolle.


    Hier sieht man von links nach rechts ein blaues Kabel das in der GND-Schiene des Breadboards steckt. Das simuliert den Arduino PIN auf LOW. Das Kabel führt an einen 1K Widerstand, der wiederum mit dem Gateanschluss des P-Channel Mosfets verbunden ist. Pin2 ist Drain. An diesem Pin ist die LED mit einem Vorwiderstand von 150 Ohm angeschlossen. Der Widerstand der oberhalb der LED zu sehen ist, ist als Pullup (56k) mit Pin1 (Gate) des MOS-Fets und V+ (5V) verbunden. Pin 3 des MOS-Fets ist der Source-Anschluss , der direkt mit V+ verbunden ist. Es fließen 13mA in der Schaltung.


    Selbst wenn der FET erst ab -4V anfängt zu leiten, ist er bei -5V weit genug "geöffnet" um die paar mA für eine LED durchzulassen. Nochmal zur Erinnerung -> an Source liegen 5V an (Pin3), das Gate (Pin1) liegt auf GND = -5V.


    Zieht man das blaue Kabel heraus und lässt es frei in der Luft hängen, geht die LED aus, weil der Pullup-Widerstand das Gate auf 5V zieht (also 0V Potentialdifferenz zu Source -> Fet macht zu). Korrekt wäre es, das Kabel zum Ausschalten in die 5V Schiene des Breadboards zu stecken, was beim einem Mikrocontroller dem Pinlevel = HIGH entsprechen würde.


    Hier noch die Anzeige des Netzteils bei diesem Versuchsaufbau:


    Spannung-PNP.jpg


    Die LED leuchtet nur gedimmt, wenn man sie beispielsweise aus Versehen an den Gateanschluss steckt. Das aber auch nur, wenn das blaue Kabel nicht mit GND verbunden ist. Steckt man es in GND, so geht die LED aus. Was logisch ist. Das Glimmen kommt vom Strom des Pullups.


    Es ist für dieses Experiment mitnichten notwendig, einen zusätzlichen Transistor zu verwenden.


    Damit will ich gar nicht in Frage stellen, was Pius geschrieben hat. Da hat er ja vollkommen recht. Er ist mir mit seinem Elektrotechnikwissen um viele, viele Längen voraus.


    Ich wundere mich nur, warum dieser Versuch nicht auch bei Nicole funktionieren soll.

  • Ich schicke nochmals vorweg, dass meine Kenntnisse in Sachen MOSFET minimal beschränkt sind, da ich eher mit Transistoren „alt“ geworden bin. Daher bitte ich darum, man möge mich auf allfällige Fehler hinweisen.


    Nicole hat es ausprobiert und daraus ergaben sich wieder neue Fragen. Sie stellte fest, dass eine Beschaltung P-Fet mit einem NPN Transistor gesteuert, tadellos an einem Arduino Ausgang funktionierte, dass die Beschaltung ohne den zusätzlichen NPN Transistor die Last (eine LED) nur schwach leuchten lässt.

    Ja, auch ein Transistor ist nicht einfach, aber bei FET's stellen sich eben noch andere Hürden ein, die man irgendwie nehmen muss.

    P-FetExample.png


    Dieser Schaltungsaufbau hat funktioniert. Deshalb beginnen wir an dieser Stelle mit den Dingen die zu einem späteren Zeitpunkt mit der Schaltung zu Problemen führen könnten. Es wird sich herauskristallisieren, dass der benutzte P-Channel MOSFET mit seinen Daten entscheidend ist und man kaum eine Lösung mit wenig Aufwand realisieren kann, die mit unterschiedlichen Betriebsspannungen und Belastungen in jedem Fall funktionieren wird.


    Der 1 kOhm R1 gegen + am Fet darf man je nach Anforderungen etwas grösser machen. Bei 1k Ohm fliessen durch den NPN Transistor im eingeschalteten Zustand bereits 14mA. Ein Strom von 1.4mA (bei 10k) reicht vermutlich aus. Kai's Beispiel benutzt gar einen 56k R, was scheinbar noch immer gereicht hat. Wenn Q1 sperrt, dann liegt die Gate Spannung über den R1 an der Versorgung an und der FET sperrt (P-Fet). Wird an der Basis von Q1 ein Strom geliefert (Arduino Pin auf 1), dann schaltet Q1 durch und es fliesst ein Strom durch den R1 gegen Masse ab. Die Gatekapazität des Fet’s entlädt sich in sehr kurzer Zeit und damit sinkt die Spannung am Gate des Fet auf annähernd -14V, oder gegen 0 ab (wenn wir gegenüber dem Massepunkte messen).


    Gemäss dem Diagramm aus dem Datenblatt des IRF9520, benötigen wir ein Gate-Source Spannung von etwas mehr als 4V, damit der MOSFET in einen leitenden Zustand kommt. Das DB spezifiziert die Gate-Source Threshold Voltage zwischen -2V und -4V. Der Herstellungsprozess des Bauteils erlaubt keine genaue Gate-Source Threshold Voltage, aber zumindest wissen wir, dass sie zwischen 2 und 4V liegen muss. Auch aus dem Diagramm ist gut abzulesen, dass der FET in Abhängigkeit des Gate Potentials immer besser leitet (der Strom in der vertikalen Achse steigt an). Weiter liest man aus diesem Diagramm, dass die Gate-Source Spannung bis auf 10V dargestellt wird. Grob gesagt, ist dies sicher der höchste sinnvoll benutzbare Bereich. Ob die Kurve sich nach oben weiter abflacht ist anzunehmen.


    Fig1.png




    Im DB bei den Angaben zu den Absolute Maximum Ratings wird unter der Gate-Source Voltage ein Bereich von +- 20 Volt spezifiziert. Die Angaben unter den Maximum Ratings dürfen nie, in keinem Fall und zu keinem Zeitpunkt überschritten werden. Überschreiten dieser Werte führen zur Zerstörung des Bauteils.


    Der 1k R in der Basis des NPN Transistor ist perfekt. Diesen Widerstand braucht es um den Strom (Plus nach Minus) aus dem Arduino zu limitieren. Bei 5V und 1k belasten wir den Arduino Ausgang höchstens mit 5mA.


    Der Grund, dass eine Beschaltung ohne den NPN Transistor am Arduino nicht funktioniert (oder nur mit kleinen Strömen) liegt beim IRF9520.
    Der IRF9520 spezifiziert eine Gate-Source Threshold Voltage VGS(th) von minimal 2V und maximal 4V (Streuung).
    Da kann der MOSFET kaum richtig leitend werden, wenn im besten Fall 5V aus dem Arduino daherkommen. Das ist ein entscheidender Unterschied zu den Logic-Level MOSFET‘s die eine tiefe VGS(th) besitzen, dies aber auf Kosten anderer Parameter. Nichts ist gratis zu bekommen.

    Stell Dir einen MOSFET nicht als mechanischen Schalter vor, denn selbst ein mechanischer Schalter kann nicht 0 Ohm im geschlossenen Zustand haben. Deshalb ist der Ron als Kriterium beim MOSFET auch so wichtig. Je kleiner dieser Wert ist, umso kleiner wird der Spannungsabfall über dem "Schalter" und damit wird auch die Energie, die der MOSFET in Wärme umgesetzt wird, kleiner.

    Zurück zu der Schaltung:
    das Wichtigste das man da wissen muss ist aber erneut die Spannungsdifferenz Gate-Source. In dieser Schaltung kann diese höchstens 14V betragen (ein bisschen weniger durch die Verluste im NPN). Der benutzte Fet IRF9520 spezifiziert max UGS mit 20V (ja wieder + und -). Damit ist die Schaltung bis knappe 20V Betriebsspannung brauchbar, danach übersteigt die UGS die spezifizierten max. Werte.
    Auch wenn der MOSFET bis auf 100V (VDS) spezifiziert wird, ist er mit der Gate-Source Spannung längst überfordert. Lösungen? klar gibt es die, aber auch hier ist wieder zu erwähnen, dass jede Lösung wieder Nachteile hat und deshalb ist es wichtig, die Anwendung dahinter zu kennen.

    Die 100V (Drain-Source) sind als Durchbruch Spannung beschrieben, was bedeutet, dass auch dieser Wert im Betrieb als Grenze gilt. Insbesondere beim Schalten von Induktiven Lasten (Relais, Motoren) können Spannungswerte schnell mal ein Mehrfaches der Versorgungsspannung überschreiten (kurze Impulse). Selbst Leitungen, die vom MOSFET zum Verbraucher führen stellen Induktivitäten dar, die im Ganzen eine entscheidende Rolle spielen können.

    Aus den genannten Gründen ist es immer sinnvoll, die ganze Anwendung zu kennen und nicht nur die Grenzbereiche des Schalters.

    Zurück zum Problem der Gate-Source Limitierung.

    Die wohl einfachste Lösung wäre, den Widerstand im Kollektor des NPN Transistors so aufzuteilen, dass die Spannung am Gate nie den Wert aus den Abs- Max. Ratings im Datenblatt erreicht. Beim IRF9520 sind da 20V spezifiziert. Noch besser ist die Kurve Fig2. Typical Transfer Characteristics zu betrachten. Dort ist, ohne die Detail genau zu kennen, die Die Gate-to Source Spannung lediglich bis auf 10V eingezeichnet, woraus ich ableite, dass eine höhere UGS als 10V eh keinen Sinn mehr ergeben kann. Demnach kann ich die Spannung auf 10V limitieren. Wenn der gewünschte maximalen Strom der Last bekannt ist, kann man aus dem Diagramm die notwendige UGS vermutlich noch weiter reduzieren.
    Ich hoffe es wird nun deutlicher, dass wir in Anbetracht nicht spezifizierter Grenzwerte (U Versorgung, I-Last) den Spannungsteiler nicht bestimmen können.

    Eine andere Möglichkeit die UGS zu limitieren erreicht man mit einer Zenerdiode.

    Fet3.png

    Bild Quelle


    In dieser Schaltung wird eine Zenerdiode zwischen Gate und Source eingesetzt, die die Spannung auf 10V "klemmt".






  • Hallo Ihr zwei,


    vielen Dank für Eure Mühe.


    Ich mache es genau so wie Kai es gesagt hat.

    Werde mir ein paar unterschiedliche P-Mosfets bestellen und das ganze mal Live testen.


    Einfach damit ich besser verstehen kann wie es genau funktioniert.

    Sobald ich meine Test gemacht habe werde ich mich wieder melden.


    An alle nochmals ein großes Dankeschön für eure große Mühe.


    Viele Grüße

    Nicole

  • Erneut ein Danke an Kai


    er hat es richtig erkannt. Die Zeichnungen sind Theorie und nehmen keinen Bezug zu irgend einer Treiberschaltung. Absichtlich die +7V und die -5V weil die +7 mit - vom Instrument an - und + des Instruments am Gate gemessen wird. Die obere Spannung am Gate hat dann die Referenz (-) an der 12V anliegen.

    Absichtlich auch, die Benutzung von 12V um zu zeigen, dass hier die Gate Spannung bereits zu hoch sein könnte. Die +7V am Gate im leitenden Zustand wüde man mit einem 0 an einem Arduino Ausgang nicht erreichen ergo wäre die Gate Spannung dann beinahe auf -12V.

    Nicole, ich hoffe dass Du verstanden hast, weshalb ich für einfache Schaltaufgaben keinen high-side Schalter (P-Channel) benutze. Der Aufwand um sicher zu stellen dass die Gate Spannung nicht zu gross ist versuche ich zu umgehen. Die Version mit dem N-Channel ist mir lieber. Ähnlich geht es mir bei einem PNP Transitor, auch das bevorzuge ich einen NPN, sofern ich keine zwingenden Gründe für einen PNP Transistor habe.


    schönen Abend

    Pius


    PS: zumindest wurde im Forum wieder etwas Bewegung sichtbar. nische ich lese jeweils alles und dein Post ist interessant kann aber dazu nichts beitragen.

  • Du hast immer +12V an Source. Nur, wenn der MOS-Fet geschlossen ist und kein Strom fließt, muss an Drain bzw. am Lastwiderstand 0 V sein. Eben, weil kein Strom fließt. Am Lastwiderstand kann auch keine Spannung abfallen, weil auch dort kein Strom fließt.


    Wenn der MOS-Fet voll geöffnet ist hat er nur noch einen minimalen Widerstand, der bei den Spannungsangaben in Pius’ Zeichnung nicht berücksichtig wird. Deshalb fallen die ganzen 12V am Lastwiderstand ab.


    Die Vorzeichen hängen vom Bezugspunkt ab. Wenn Du beim Messen einer Spannung mit dem Multimeter den Bezugspunkt herumdrehst , die schwarze Messpitze an V+ hältst, sowie die rote an GND, zeigt dir das Multimeter auch -12V an. Weil du die Bezugspunkte herumgedreht hast. Die Stromquelle liefert aber immer noch +12V. Darum schreibt Pius ja auch von Bezugspunkten und gibt diese auch in seiner Antwort an.


    Eine Spannungsquelle erzeugt nicht plötzlich eine negative Spannung, nur weil ein geschlossener P-Channel MOS-Fet im Stromkreis hängt und dreht ihre Polarität um, wenn er leitend wird.


    In meinem Beispiel wurde die ganze Zeit von 5V Betriebsspannung ausgegangen, also schmeiß das nicht mit Pius‘ Zeichnungen durcheinander. Anscheinend hast Du dir meinen, inzwischen zwei mal geposteten Link, immer noch nicht angeschaut. Auf die Textstelle mit der roten Schrift kann man drauf klicken. Ich habe es noch einmal als Zitat hervorgehoben.


    Ratschlag: Kauf Dir PNP Mosfets z.b. IRF9520 (der ist robust)… die gibts bei eBay für 3Euro im Fünferpack und schalte damit was weiß ich ….. ne LED an und aus.


    Probier es in „Echt“ aus. Vielleicht hilft das ja beim Verständnis.

    Du hast mich mal gefragt warum ich das Sonnenfolgerprojekt gemacht habe…. zum Lernen.


    Mach es doch mal praktisch. Beobachte, Messe, mach Fehler, mach Dir Gedanken…


    Ich habe das Gefühl, dass wir hier mit reiner Theorie nicht wirklich weiter kommen.

  • Vielen lieben dank für Eure große Mühe !


    Es tut mir sehr leid das ich so große Probleme habe das ganze in meinen Kopf zu bekommen :rolleyes:


    Pius vielen Dank für deine Zeichnung.

    Laut deiner Zeichnung bei dem P-Mosfet sieht es für mich so aus.


    Wenn an Source 12 Volt anliegt, habe ich bei ausgeschaltetem P-Mosfet -12 Volt an Source und an Drain 0 Volt.

    Schalte ich den P-Mosfet jetzt durch habe ich +12 Volt am Drain und 0 Volt an Source also genau umgekehrt.


    Bei aus -12 Volt.

    Bei an + 12 Volt.


    Das ist ja fast das gleiche wie ein Kippschalter, ist dieser auf aus 0 Volt ist der Schalter auf ein 12 Volt.


    Habe ich bei ausgeschaltetem P-Mosfet wirklich -12 Volt an Source anliegen wenn ich das mit einem Multimeter messen würde ?

    Oder sagt man das nur so, weil der Strom nicht durchschalten kann.


    Ich habe noch eine Frage zu Pius On P-Mosfet Zeichnung.

    Auf der Linken Seite oben steht -5 Volt das kommt zustande weil er den Arduino Pin auf LOW schaltet.

    Kai schrieb 0V-5V ergibt -5V !


    Und darunter die Berechnung für die 7 Volt müsste dann so sein.

    12 Volt - 5 Volt = 7 Volt.


    Das würde bedeutet, ich muss immer schauen mit welcher Spannung der Microcontroller schaltet.

    Wenn es 3 Volt sind muss ich die 3 Volt für die Berechnung nutzen.

    Sind es 5 Volt muss ich die 5 Volt nutzen.


    Wäre mein Ansatz soweit richtig oder liege ich immer noch absolut falsch.


    Vielen Dank an alle.

  • Danke Kai


    manchmal hilft ein Bild:


    Fet2.png

    Die negative Spannung ergibt sich aus dem Bezugspunkt und dies ist beim Fet die Source. Da der P-Channel Fet mit der Source ans + muss ist die Gatespannung negativ gegnüber der Source. Blau ist der Off Zustand und rot der On.
    Gruss

    Pius


    Aber die Fragen von Nicole gehen noch etwas weiter. Sie hat irgendwo ein Schema gesehen, das einen P-Fet als Schalter benutzt, der am Gate mit einem Transistor geschaltet wurde. Dies ist der Grund, weshalb ich darauf hinwies, dass die Gate Spannung gemäss dem Datenblatt NICHT überschritten werden darf. Der IRML6402 den Nicole nannte spezifiziert in den Grenzdaten (die sollten NIE erreicht werden) VGS +-12V. Wird die Betriebsspannung in meiner Zeichung auf beispielsweise 24V erhöht, dann wird beim Einschalten des P-Fet dieser zerstört, weil die Gatespannung bei 0V eben -24V beträgt. Dies ist der Grund, dass bei high side Schaltern mit dem P-Fet ein zweiter Schalter (z.B: Transistor) benutzt werden muss, um die Gatespannung in einen verträglichen Bereich zu bekommen. Man sihet oft auch beschaltungen, die die Source Gate Spannung mit einer Zenerdiode begrenzen. Dies mit allen neuen Nachteilen im Bezug zum Schaltverhalten des Fet. Der genannte Fet würde aber noch aus einem anderen Grund bei 24V seinen Dienst versagen müssen. Die maximale Spannung VDS liegt bei -20V. Da müsste der Fet bereits im Off Zustand Schaden nehmen.

    Dieses Problem hätte man bei einem N-Channel Fet nicht, da S an Masse liegt. Mit ein Grund, dass ich selbst den low-side Schalter bevorzuge, sofern es möglich ist.

  • Würdest Du Dir die Links, die dir in den Antworten geliefert wurden wirklich mal in Ruhe anschauen, wärst du vielleicht nicht mehr so verwirrt. Deine Fragen wurden schon längst beantwortet. Da ist das mit der „negativen“ Spannung (das Wort „Potentialdifferenz“ passt eigentlich besser), sogar bebildert erklärt. Darum poste ich nochmal einen Auszug aus meiner Antwort:


    Zitat

    Beim P-Channel MOST-Fet ist der Durchgang gesperrt, wenn der Controller-PIN auf HIGH geschaltet ist (weil kein Potentialunterschied zwischen Gate und Source). Strom fließt, wenn er auf LOW geschaltet wurde.


    0V-5V ergibt -5V. Und 5V-5V ergibt 0V. Und 0V ist größer als -0.55V VGGS(TH), während -5V kleiner ist.


    Pin Low ist 0V(-5V Sourcespannung), Pin High ist 5V(-5V Sourcespannung). Am Sourceanschluss liegen immer 5V an.


    Das ist wunderbar in den Bildern zu sehen. Es geht hier um Differenzen.


    Die drei Werte -0.40V, -0,55V uns -1.2V stehen für mindestens, typischer Weise und höchstens. Es wird hier eine Serienstreuung bei der Herstellung der Fets beschrieben. Man kann beim Einsatz des beschriebenen Fets davon ausgehen, dass ab einer Potentialdifferenz von üblicherweise -0.55V der Durchschaltvorgang beginnt, ab -1.2V aber auf jeden Fall.


    Läge am Arduinopin/ Gate eine Spannung von 3.8V an und am Sourceanschluss 5V, wäre das der Fall (weil -1.2V Differenz).


    Dann war da noch die Frage wie man feststellt ob ein MOS-Fet ganz durchgeschaltet hat. Eine Möglichkeit wäre das „Ohmsche Gesetz“. Man misst den Spannungsabfall über dem MOS-Fet. Genau so, wie man es auch mit einem Widerstand macht.


    Dann noch zur max. Gate-Source-Spannung und VGGS(TH). Da will ich zum Vergleich mal ein anderes Bauteil zur Hilfe nehmen. Eine Siliziumdiode hat i.d.R. eine Vorwärtsspannung (Forward Voltage) von 0,7V. Ab da beginnt sie zu leiten. Dass heißt aber nicht, dass man sie nur mit 0,7V belasten darf. BEGINNT ist das Zauberwort.


    Du hast noch das Bild mit dem Transistor gepostet. Schau dir mal die Betriebsspannung an und dann überlege nochmal…

  • Hallo Pius,


    vielen Dank für deine große Mühe.


    Wir können für die Erklärung gerne den Fet Typen von Kai nutzen IRLML6402.

    Das ist laut deinen Kennlinien ein P-Mosfet der selbstsperrend ist richtig ?


    Hier mal das Datenblatt zu Kai seinem Mosfet.

    IRLML6402


    Hier steht:

    VGS(th) Gate Threshold Voltage -0.40 -0.55 -1.2 V


    Ich kann mit den Minus Werten absolut nichts anfangen, wo ist mein Denkfehler ?

    Ich möchte die Plus Leitung schalten und lese nur immer Minus Werte.


    Wenn ich den P-Mosfet durchschalten möchte schalte ich den Arduino Pin auf LOW.

    Ansonsten steht der Arduino Pin auf HIGH und der P-Mosfet wird nicht durchgeschalten.


    Wie erreiche ich die Minus Werte -0.40 -0.55 -1.2 V wenn der Arduino nur 0 kann ?

    Das ist mir bis jetzt noch ein Rätsel.


    Nochmals zum zerstören des P-Mosfet.


    Im Datenblatt steht bei Drain- Source Voltage -20 V das bedeutet das angeschlossene Gerät kann mit Maximal 20 Volt betrieben werden ?

    Somit darf ich bei Source auch nur Maximal 20 Volt anlegen wäre das soweit richtig verstanden ?


    Wenn ich jetzt beim Gate mehr als 20 Volt anlege würde ich den P-Mosfet zerstören ist das soweit richtig ?


    Wie in meinem ersten Beitrag schon geschrieben kenn ich die meisten Schaltungen mit einem P-Mosfet nur mit einem Transistor wie hier zu sehen ist.


    [Blockierte Grafik: https://www.mikrocontroller.net]


    In dieser Schaltung schaltet der Transistor doch auch nur das GND Signal oder verstehe ich das falsch ?

    Ich verstehe einfach nicht, was die ganzen Minus Werte im Datenblatt sollen das ist für mich sehr verwirrend.


    Vielen dank für Eure Mühe.


    Viele Grüße

    Nicole

  • Hallo Nicole

    Leider fehlt von Dir die Angabe des FET Typen. Ich gehe davon aus, dass Du einen p-Mosfet meinst. Ist der Fet selbstleitend oder selbstsperrend? Ein Schemavorschlag dazu würde mir meine Ausführungen vereinfachen.


    Pius du schreibst die Gate-Source Spannung darf niemals höher sein wie im Datenblatt angegeben.

    Ja, weil der FET bei einer zu hohen Gate Spannung zerstört wird.


    Kai sagt, der Wert VGGS(TH) muss so niedrig wie möglich sein damit der Arduino den Mosfet auch 100% durchschalten kann.

    Das ist auch richtig. Damit der FET möglichst gut leitend wird. Trotzdem stimmt die übergeordnete Aussage, dass die Gate-Source Spannung nicht zu hoch sein darf.


    Aber ist nicht VGGS(TH) gleichzeitig auch die Gate-Source Spannung ?
    Bzw. mit dem Widerstand am Gate schütze ich das Gate und auch den Mosfet vor Beschädigung richtig ?

    Nein siehe weiter unten


    Was ich bis jetzt noch nicht wirklich verstehe sind die Minus Wertangaben im Datenblatt.

    Warum gibt es hier Minus Werte ?

    Wie kommen diese Werte aus dem Datenblatt zustande ?


    Schau Dir die unterschiedlichen Kennlinien der Fet’s an. FET_Tietze_Schenk.png

    Quelle: Halbleiter- Schaltungstechnik Tietze/Schenk/Gamm Springer Verlag


    Der Arduino kann doch keine Minus Werte sondern nur GND schalten.
    er kann 0 oder + liefern. Da ich annehme, dass Du aus irgend einem Grund einen p-Fet verwenden willst, muss der Fet aus dem Zustand „selbstleitend“ in „sperrend“ bewegt werden (das ist -). Siehe dazu nochmals den Link und suche nach „Indirekte Methode:“


    Zitat von diesem Link:

    Ausschlaggebend für die Steuerung ist die Gate-Source-Spannung. In dieser einfachen Schaltung ist das also die Spannung am Port des µC minus die Spannung an Source (= VCC). Diese Spannung ist negativ! Wenn diese einen Schwellwert unterschreitet, dann sinkt der Drain-Source-Widerstand (RDSon)schlagartig auf ein Minimum. Übliche Werte liegen bei 0.1Ω, dieser Widerstand ist aber von dem Drain-Source-Strom und der Gate-Source-Spannung abhängig. Der Umschaltpunkt (Spannung und Widerstand) kann im Datenblatt in den "RDSon vs. VGS" Diagramm abgelesen werden.

    Ich möchte ja ein Plus Signal schalten und lese im Datenblatt eigentlich nur immer Minus Werte

    Du meinst einen high-side Schalter. Der ist jeweils aufwändiger als ein low-side Schalter, weil sich der Bezugspunkt zu Masse (im Gegensatz zu +) einfacher und für mich oft logischer darstellt.

    Heißt das es gibt hier keine wirkliche Formel die man nutzen kann ?

    Ich nehme an dass manche Entwickler mit dem Widerstand im Gate den Treiber (Ausgang des Controllers) schützen wollen oder mit diesem Widerstand die Schaltgeschwindigkeit des FET reduzieren wollen. Da jeder FET am Gate eine Eingangskapazität besitzt, muss die Treiber Seite genügend Energie liefern können, um diese Kapazität auf- resp. entladen zu können. Ein Widerstand in Serie mit der Kapazität stellt einen Tiefpass dar, was dazu führt, dass der FET „langsamer“ schaltet und somit im Übergang von Off/On eine längere Zeit verstreichen muss. Der FET arbeitet in diesem Teil der Kurve im Linearbetrieb und muss die Energie in Wärme umwandeln. Da es nie die perfekte Lösung gibt muss man auch wissen, dass umso schneller geschaltet wird, mehr störende Transienten entstehen. Jeder Leiter, auch sei er noch so kurz stellt eine Induktivität dar und je schneller man den FET schalten möchte umso mehr Strom muss der Treiber liefern können.

    Wie kann ich genau feststellen ob der Mosfet 100% durchgeschaltet hat oder nicht ?

    Siehe oben. 100% ist nicht machbar weil immer ein Ron im Spiel ist. Vermutlich meinst Du mit den 100% den grösst möglichen Strom, der fliesst.


    ich hoffe das hilft Dir weiter

    Pius

  • Hallo Hans, Pius und Kai,


    erst einmal vielen lieben Dank für Eure große Mühe und die gute Erklärung.


    Ich denke das dieses Thema auch vielen anderen Helfen kann und wird.


    Pius du schreibst die Gate-Source Spannung darf niemals höher sein wie im Datenblatt angegeben.

    Kai sagt, der Wert VGGS(TH) muss so niedrig wie möglich sein damit der Arduino den Mosfet auch 100% durchschalten kann.


    Aber ist nicht VGGS(TH) gleichzeitig auch die Gate-Source Spannung ?

    Bzw. mit dem Widerstand am Gate schütze ich das Gate und auch den Mosfet vor Beschädigung richtig ?


    Was ich bis jetzt noch nicht wirklich verstehe sind die Minus Wertangaben im Datenblatt.

    Warum gibt es hier Minus Werte ?

    Der Arduino kann doch keine Minus Werte sondern nur GND schalten.


    Wie kommen diese Werte aus dem Datenblatt zustande ?

    Gate Threshold Voltage -0.40 -0.55 -1.2 V.


    Ich möchte ja ein Plus Signal schalten und lese im Datenblatt eigentlich nur immer Minus Werte :/.


    Nochmals zur Berechnung der richtigen Werte für den Widerstand.

    Heißt das es gibt hier keine wirkliche Formel die man nutzen kann ?


    Wie kann ich genau feststellen ob der Mosfet 100% durchgeschaltet hat oder nicht ?


    Vielen Dank für Eure große Mühe.


    Viele Grüße

    Nicole

  • Hallo Kai und Pius,


    ich bin auch kein Fachmann für Halbleiter, aber Eure Beiträge waren sehr informativ für mich.


    Vielen Dank hierfür und noch einen schönen Sonntag.


    Gruß

    Hans

  • Vielen Dank Kai und Hans


    ich bin zwar kein Fachmann für Halbleiter, möchte aber darauf hinweisen, dass es keine NPN oder PNP Mosfets gibt. Es hat Gründe, weshalb die Pfeile in den Symbolen so gezeichnet werden. Also bleiben wir wie Kai es getan hat bei N-Kanal und P-Kanal Typen.


    Wohl der wichtigste Unterschied zwischen Transistoren und Mosfets ist, dass der Transistor mittels eines Stromes (B-E) gesteuert wird und im Gegensatz dazu wird beim Mosfet mittels einer Spannung gesteuert. Natürlich ist es so, dass ohne Spannung kein Strom und ohne Strom keine Spannung ...


    Wird eine Spannung am Gate angelegt, dann fliesst anfänglich ein Strom, der die Gatekapazität auflädt. Sobald die Kapazität aufgeladen ist (der Fet leitet) reduziert sich der Strom auf Werte die den Verlusten geschuldet sind (ganz klein). Soll der Fet wieder ausgeschaltet werden, dann muss die Ladung am Gate zuerst abgebaut werden. Wird nun der Fet periodisch Ein- und Ausgeschaltet, dann muss die Gate Kapazität immer wieder Auf- und Entladen werden was zum einen Zeit, zum anderen Energie kostet. Da liegt der kleine Unterschied, dass bei der Ansteuerung des Fet beide Stromrichtungen entscheidend sind. Wird schnell eingeschaltet (niederohmig die Gatekapazität aufgeladen) aber die Ladung beim Abschalten zu langsam abgeführt, dann schaltet der Fet auch langsam ab. Dies führt dazu, dass im mittleren Bereich der Steuerkurve der Fet als lineare Last arbeitet (der einstellbare Widerstand, wie Kai es beschrieb) und die Energie im Fet in Wärme umgesetzt werden muss.


    Je grösser die Gatekapazität ist, um so mehr muss beim Ein- und Ausschalten ein kurzer aber hoher Strom zur Verfügung stehen (die gesamt Leistung bleibt aber durch die zeitlichen Verhältnisse klein).


    In den Anfängen des Fets bewegten sich die Gate-Source Spannungen im Bereich von 10-15V. Achtung die maximale Gate-Source Spannung ist immer limitiert und wird im Datenblatt bestimmt. Ein auch nur kurzzeitiges übersteigen dieses Werten überführt den Fet in die ewigen Jagdgründe. Deshalb sind beim Schalten grösserer Spannungen Massnahmen zu ergreifen, damit die Gate-Source Spannung die Grenzwerte nie überschreiten kann.


    Fets die zur direkten Ansteuerung mit Logikpegel geeignet sind, werden gerne als Logic-Level-Fet ((LL-FET) bezeichnet.


    Aber wer es genau wissen will schaut zum Start mal hier oder hier.



    Es hat mich zwar Keiner gefragt, aber …


    Durch den sehr kleinen Ron, der sich bei Fet's erreichen lässt, ist der Fet ideal für Schalter mit kleinen Verlusten. Wird der Fet für lineare Anwendungen benutzt (z.B: das Regeln einer Spanung oder eines Stromes) , werden weitere Eigenschaften des Aufbau wichtig. Je kleiner der erreichbare Ron liegt, um so mehr Fet’s werden auf dem Substrat parallel geschaltet und damit übernimmt jeder einzelne Fet einen Teil der Verlustleistung. Logisch, dass der Ron sinken muss und die Gatekapazität ansteigt. Leider ist es aber so, dass die Leitfähigkeit stark von der Temperatur abhängig ist.


    Ausfallursachen im Linearbetrieb (2.Seite)


    Ich habe meine Erfahrungen damit beim Basteln gemacht. Ein BUZ91 im linear Betrieb verabschiedete ich in Bruchteilen einer Sekunde durch Überlastung, ohne dass er spürbar wärmer wurde und ohne dass seine Leistungsgrenze (im Schaltbetrieb).

    Stichwort SOA Diagramm.


    Sollte es jemand im Forum genauer wissen, dann bitte ich darum mich zu korrigieren.

    schönen Sonntag

    Pius


  • Der unten genannte Artikel ist ja recht informativ aber die dort gemachte Aussage, dass man einen P-Channel MOS-Fet nicht direkt über einen Mikrocontroller schalten kann, widerspricht meiner praktischen Erfahrung und ist meines Erachtens falsch.


    Eine Schaltung wie folgende funktioniert durchaus:


    P-Channel-MOSFET.png


    Der Anschluss "L293_Enable" ist ein Pin von einem Atmega88 und über den lässt sich der MOS-Fet wunderbar ansteuern. Ich verwende die Schaltung für eine IR-Fernbedienung in Verbindung mit einem Motor-Poti (Lautstärkeregelung). Da der Motortreiber einen recht hohen Ruhestrom verbraucht, wird er, solange er nicht benötigt wird, über den P-Channel MOS-Fet Q1 abgeschaltet.


    Bei der Nutzung eines MOS-Fet als einfachen AN/AUS-Schalter gibt es nicht viel zu berechnen. Der im obigen Beispiel zu sehende Widerstand R2 dient dazu die kapazitiven Schaltlasten vom Gate des MOS-Fets abzuschwächen und somit den Controller vor Stromspitzen zu schützen. Hier sind Werte von 100Ω-1kΩ gebräuchlich. Der Widerstand R3 ist ein (notwendiger) Pullup-Widerstand. Hier sind Werte von 1kΩ bis 100kΩ gut verwendbar. Je höher die Schaltfrequenz des MOS-Fet sein soll, desto geringer sollte der Pullup-Widerstand sein. Bei einer geringen Frequenz, spielt das aber keine Rolle und man kann einen höheren Wert verwenden um den Stromfluss gering zu halten.


    Beim P-Channel MOST-Fet ist der Durchgang gesperrt, wenn der Controller-PIN auf HIGH geschaltet ist (weil kein Potentialunterschied zwischen Gate und Source). Strom fließt, wenn er auf LOW geschaltet wurde.


    Bei einem N-Channel MOS-Fet ist es genau anders herum (ein Pulldown-Widerstand ist notwendig).


    P-Channel MOS-Fets sind für eine High-Side Schaltung gedacht. Das heißt, sie werden zwischen der Stromquelle und der Last platziert.

    N-Channel MOS-Fets werden für Low-Side Schaltungen verwendet. Hier wird der MOS-Fet zwischen Last und Ground geschaltet.


    Wichtig ist der Wert VGGS(TH). Dieser gibt an, ab welcher Spannung der MOS-Fet beginnt durchzuschalten. Dieser sollte möglichst niedrig sein. Bei dem im obigen Beispiel gezeigten Q1 liegt der Wert bei typ. -0,55V und max -1,2V. Hier ist bei einer 5V Schaltung noch genug "Luft" nach oben, so dass er komplett durchschalten kann. Selbst bei einem 3,3V Controller sollte noch eine gute Funktionalität gegeben sein.


    Der zweite Wert auf den man achten muss ist RDS(on). Das ist der Innenwiderstand des MOS-Fets wenn er vollständig durchgeschaltet ist. Je geringer der Wert ist, desto geringer ist auch die Verlustleistung (Wärme). Im vorliegenden Fall Q1, liegt der Wert bei 0,065Ω.


    Man kann sich MOS-Fets als variablen Widerstand vorstellen. Keine Spannung am Gate -> sehr hoher Widerstand -> kein Stromfluss. Mit steigender Spannung am Gate nimmt der Widerstand solange ab, bis RDS(on) erreicht ist.


    Bei vielen MOS-Fet Modulen die für "Arduino" verramscht werden, ist der VGGS(TH)-Wert so hoch, dass die Module zwar funktionieren, jedoch keine komplette Durchschaltung erfolgt, was einen höheren Innenwiderstand als RDS(on) zur Folge hat. Das kann bei höheren Lasten und/oder sehr schnellen Schaltvorgängen problematisch werden, bzw. es wird eine ordentliche Kühlung benötigt und Energie wird verschwendet.

  • Hallo zusammen,


    ich hätte mal ein paar Fragen zu einem PNP Mosfet.


    Welche Möglichkeiten gibt es einen Logic Level PNP Mosfet mit dem Arduino anzusteuern ?

    Die meisten Schaltungen nutzen zusätzlich noch einen NPN Transistor um den PNP Mosfet zu steuern.

    Ist der NPN Transistor immer notwendig oder gibt es auch noch andere Möglichkeiten ?


    Und wie genau berechnet man den richtigen Gate Widerstand für den Mosfet ?

    Im Datenblatt stehen so viele unterschiedliche Werte =O welcher Wert ist für die Berechnung des Widerstandes gedacht ?


    Gibt es hier eine Formel die man leicht verstehen kann ?


    Vielen dank für Eure Mühe.


    Viele Grüße

    Nicole