MOSFET aansturing, werkt dit?

Geachte digitaal- en MOSFET-kenners,

Ik ben vanuit de modelspoor hoek op zoek naar een manier om twee MOSFETs aan te sturen vanuit een microcontroller of shift register (zoals hier). Voor de MOSFETs denk ik aan de FDD4141 en FDD8447L, beide >5A, >30V, lage weerstand dus. Mijn vraag is, gaat onderstaande (onvolledige, dus principe) schema werken?

Specifieke vragen:
- Zijn R2 en R4 nodig?
- Is R3 nodig?
- Kan ik voor T1 beter wat anders gebruiken?
- Zijn dit verstandige weerstandwaarden?

Alvast bedankt! :)

D'r zitten een aantal "minder handig" en "dat werkt zo niet" dingen in.

Als eerste: Je noemt twee mosfets. 1 bestaat en is een N-fet, de andere kan ik niet vinden: Ik kan dus niet kijken of je het ding voldoende aanstuurt.

De constructie met de tor werkt in princiepe wel, maar die 330 ohm weerstand is veel te groot. Zo vormt ie een 1:4 spanningsdeler met de 1k en krijg je dus maar zo'n 3.6V op de gate van je mosfet. Het makkelijkste is om gewoon een 1k naar de 12V te doen, en dat ook aan de output van je schuifregister te hangen. Wel is het zo dat je dan moet programmeren: 0 is aan, 1 is uit.

De constructie gaat dan lijken op wat je met die andere mosfet van plan bent: Sterker nog je kan de twee gates gewoon aan mekaar hangen.

Binnen chips wordt dit gewoon zo gedaan. 't enige is, binnen chips gaat het om mosfets met een RDSON van ongeveer 1k, en hier zit je onder 10mOhm. Als de ene mosfet sneller aangaat dan de andere uit, dan krijg je zogenaamde shoot-through, beide mosfets geleiden en er loopt een enorme stroom van de voeding door beide mosfets naar GND.

Daarom is het gebruikelijk om iets van een gate-driver te gebruiken. Die kan dan een zogenaamde dead-time introduceren: EERST de ene uit, DAN de andere pas aan. Een IR2184 bijvoorbeeld.

Op 29 januari 2018 11:35:20 schreef HansQ:

Specifieke vragen:
- Zijn R2 en R4 nodig?

Jazeker. Als je die niet plaatst en de FET moet uit, dan laten beide aanstuurcircuits de boel gewoon los. Forceert de spanning NERGENS heen. Die zal dus gewoon "aan" blijven als je geen R2/R4 monteert.

- Is R3 nodig?

Nee, niet echt. Als je echt heelmaal nul ohm doet, dan ZOU het kunnen dat de mosfet zodanig snel AAN gaat dat in plaats van z'n drain naar nul te trekken hij z'n source naar 5V trekt. Maar dan gaat ie weer uit. En weer aan. En weer uit.
Dat gezeik wil je niet. Gewoon 10 ohm monteren ofzoiets.

- Kan ik voor T1 beter wat anders gebruiken?

Nee een bc557 is prima hier. Had ik al gezegd:? waarom hang je dit aan de 5V? Je kan het beter aan de 12V hangen.

- Zijn dit verstandige weerstandwaarden?

Voor een "als de boel nog niet opgestart is" en je wilt de mosfets uithouden, dan is een 10k of 100k wel goed. Maar nu je ook het schakelen wil doen, zou ik inderdaad rond de 1k gaan zitten.

Je vertelt niet wat je voor belasting schakelen. Dat is belangrijk om te beoordelen of je push-pull noodzakelijk is en of deze mosfets de verwachte stroom aankunnen.

[Bericht gewijzigd door rew op 29 januari 2018 12:02:24 (33%)]

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 29 januari 2018 11:55:12 schreef rew:

De constructie met de tor werkt in princiepe wel, maar die 330 ohm weerstand is veel te groot. Zo vormt ie een 1:4 spanningsdeler met de 1k en krijg je dus maar zo'n 3.6V op de gate van je mosfet. Het makkelijkste is om gewoon een 1k naar de 12V te doen, en dat ook aan de output van je schuifregister te hangen. Wel is het zo dat je dan moet programmeren: 0 is aan, 1 is uit.

...gebruikelijk om iets van een gate-driver te gebruiken...

Een gate driver maakt de schakeling complexer en duurder... ik wil de aansturing qua timing in software regelen. En ik moet ze ook beiden tegelijk "uit" kunnen schakelen...

Die 3.6V snap ik niet; met 330/1K wordt de gate van de onderste mosfet door T1 (12+5)/4 = 4,25 V onder het +5 Volt nivo gehaald, dus Vgs is dan 12,25V ? Dan staat-ie toch compleet open?

...waarom hang je dit aan de 5V?

Ehhh... omdat die spanning stabiel (gebufferd, voor de controller) is en +12V en -12V niet in de toepassing die ik voor ogen heb. Dit is nogal en simplificatie...

Klopt. Rew heeft de -12V over het hoofd gezien.
Zolang je alleen maar af en toe aan en uit zet moet het zo wel werken.
Snel PWM-men gaat zo niet.

Op 29 januari 2018 12:15:30 schreef Zonnepaneeltje:
Snel PWM-men gaat zo niet.

Het is de bedoeling om met een resolutie van ongeveer 1 microseconde de combinaties uit/uit, aan/uit en uit/aan te kunnen maken, met een perode van rond de 50 microseconden... is dat te snel? :|

Een driver met hardware dead-time is een stuk veiliger. Als er nu een fout in de aansturing zit en beide fets aan gaan ploft de boel uit mekaar...
En zoals al gemeld is de aansturing met een transistor trager. (meer verlies in de fet)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

Je vertelt niet wat je voor belasting schakelen...

De belasting wordt hoogstens en paar Ampere, maar de zaak moet wel kortsluitvast zijn. Modelspoor... railsectieovegangen, metalen wieltjes... gebruikers zonder veel electronica kennis... inducties... Dus daarom MOSFETs die dik 10A kunnen hebben. De voeding zakt (expres) al bij 3A in elkaar.

te laat
edit, @HansQ hieronder, Dat heet PWM en bij elke keer dat je schakeld wek je warmte op zolang de FET niet geheel open staat, als je nu veel schakeld maar dat wel snel gaat lukt dat nog anders niet.
Dus vooruit en achteruit gaat wel maar met snelheidsregeling (PWM) is een driver een must.

[Bericht gewijzigd door rwk op 29 januari 2018 12:41:44 (95%)]

te laat

Sorry, ik zit nogal te klooien met de opmaak... wennen.. :)

Het is de bedoeling om met een resolutie van ongeveer 1 microseconde de combinaties uit/uit, aan/uit en uit/aan te kunnen maken, met een perode van rond de 50 microseconden... is dat te snel???

[Bericht gewijzigd door HansQ op 29 januari 2018 12:36:56 (18%)]

Exacte tijd is moeilijk te zeggen (die wordt nooit gegeven bij zulke extreem hoge weerstandswaarden als 330 Ohm)
Hangt ook af van de belasting op de drain.

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

... dat heet PWM en bij elke keer dat je schakeld wek je warmte op...

Dit wordt geen PWM maar wel iets wat erop lijkt (DCC: Digital Command Control voor modelspoor), een blokspanning met dutycycles rond de 100 microseconden. Dit zijn MOSFETs die onder de 50 nanoseconden schakelen? Dat gaat dan goed met vermogens van onder de 50W (12V/3A) en wat PCB-koeling?

Lees dit eens door.

Heb ik gedaan, maar ik ben maar een amateur electronicus, dus...

Exacte tijd is moeilijk te zeggen...

Dus als ik die 330 Ohm verander naar 10 Ohm is dat probleem opgelost?
Hoe kan ik berekenen hoe snel de gate van zo'n mosfet "opgeladen" wordt?

Op 29 januari 2018 12:15:30 schreef Zonnepaneeltje:
Klopt. Rew heeft de -12V over het hoofd gezien.

Klopt! :-)

De gate-capaciteit gaat bij het uitschakelen via je 1k weerstand een RC vormen. Met (max) 3nF aan capaciteit op de gate, mag je dus denken aan een RC tijd van zo'n 3 microseconden.

De resolutie van 1 microseconde kan je dan wel een beetje vergeten. De "ON" tijd werkt met een 250 ohm uitgangsimpedantie (330//1k) de OFF met 1k. Hoe snel dat precies gaat worden.... Tja dat zal je moeten weten.

Mijn nattevinger truuk is om er van uit te gaan dat gedurende de RC tijd de volle stroom bij de volle spanning door de mosfet loopt. Dat is dus nu 3A * 24V = 75W. Als dat 3 us duurt, hebben we het over 225 µJ. Doe je dat 100x per seconde, dan gaat het over 22mW. Niets aan de hand, gewoon doen. Maar ga je dat 10000 (100 microseconde repetitie) keer doen... tja. Dan hebben we het over 2.2W. Met het "minimum mounting pad" zit je dan aan ruim 220 graden opwarming: Niet goed!

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

...3nF aan capaciteit op de gate...

Dus met 1K Ohm 3 microseconden, te lang inderdaad, qua timing en qua af te voeren vermogen...

En ik kan dan beter R2 en R4 verlagen naar 100 Ohm ofzo?
Dan wordt het 300 nanoseconden neem ik aan. En 1/10e van het vermogen.

Voor het "aanzetten" via R3 met 10 Ohm wordt het dan 30 nanseconden...

Hoe kom je aan die 3nF? Welke parameter is dat in de specs?

[Bericht gewijzigd door HansQ op 29 januari 2018 13:37:59 (28%)]

...lol... hoe gooi ik dit weg? :)

[Bericht gewijzigd door HansQ op 29 januari 2018 13:41:33 (83%)]

Het staat onder "input capacitance". Men vind dat het in pf moet, dus er staat iets van "max 2785".

De situatie is nog iets zwarter dan je zo zou vermoeden: De lading op de gate moet via die 1k weerstand naar aarde weglekken. Dat gebeurt (voor een deel) bij een spanning van... de threshold spanning. Hier als ik eht goed onthouden heb: minder dan 2V. Dus je kan ook berekenen: 2V -> 2mA en 36nC aan lading, hoe lang duurt het dan?

Nu is die 36nC weer de GEHELE lading die weg moet. Bij het miller plateau hoeft alleen een deel daarvan weg. Ik denk dat ik op 18microseconden kom.

Met een 100 ohm weerstand zit je aan de 170mA nominaal als de boel AAN is. Dat is dan weer te veel voor de BC557.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Kijk hier eens naar Hans:
http://prosje.be/Projects/BelastingSchakelen.html

Die FDD8447L is een mooi ding, daar ga ik eens naar op zoek.

Dat is een N-fet. Daar zijn er duizenden van. Bij farnell kost ie ruim 80 cent bij "minimaal vijf".

kijk dan naar deze en dan zie je dat je voor 3x goedkoper een beter ding kan krijgen. Zo speciaal is ie niet.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

FDD8447L kost via bijvoorbeeld Ebay uit China maar rond de US$ 0,15...

Ik zit nu te kijken naar een ander MOSFET P/N-channel paar, bijvoorbeeld de IRFR120 met de IRFR9024. Allebij minimaal 5A, en meer dan 50V. Helaas een Rds van 0,3 Ohm, maar met stromen van normaliter rond de 1A is dat niet zo'n punt. Maar de interne capaciteit ligt rond de 500pF en de (ont)lading rond de 20 nC dus veel minder dan bij de FDD types.

Heeft iemand suggesties voor een stel MOSFETs met soortgelijke of betere eigenschappen (lage interne capaciteit) maar met een lage Rds in DPAK? :)

Lage Rds en lage gate capaciteit zijn in strijd met elkaar op het punt dat als je de gate oppervlakte groter maakt de Rds omlaag gaat en de capaciteit omhoog, dat is de reden dat er FET drivers bestaan, die kunnen snel de capaciteit op- en ontladen.

Op 30 januari 2018 10:37:45 schreef rwk:
Lage Rds en lage gate capaciteit zijn in strijd met elkaar

Dan zou je een constant product van die twee verwachten. Maar het lijkt me dat "vooruitgang in de techniek" toch ook een verbetering van dat product tot gevolg kan hebben. Daarnaast speelt de max spanning een rol. Als de max-spanning laag is, nemen ze een heel dun laagje tussen het kanaal en de gate -> Hoge capaciteit, lage RDSON.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

OK... ik heb en paar zaken geleerd hier:
- om MOSFETs te gebruiken moet ze laden/ontladen, als een capaciteit
- daar kun je aan rekenen op basis van de maximale Ciss/Coss/Crss waarden
- of op basis van de maximale ladingen Qg, Qgs, Qgd

Als ik uit ga van de 500pf en 330 Ohm (charge) of 1K Ohm (discharge) bij 12V kom ik uit op repectievelijk 0,165 us en 0,5 us, dus dat gaat prima werken bij een duty cycle van 100us. Bij deze waarden blijft het stroom verbuik voor de aansturing van de MOSFETs rond de 10mA dus dat is acceptabel.

Als ik uit ga van 20nC en 40mA (charge, 12V/330) of 12mA (discharge, 12V/1K) kom ik uit respectievelijk op 0,5 us (microseconden) en onder de 2 us. Die laatste is wat minder maar acceptabel. Bij een cycle van 100us dus 2,5% maximale schakeltijd en een maximaal vermogen van 50W (12V/3A) kom ik worst case op 1,25W dissipatie uit?

Ik ga dit maar es testen, ik bn benieuwd naar het resulterende signaal. Als de zaak te warm wordt kan ik van 330/1K Ohm naar 100/330 Ohm voor de weerstanden gaan...