Warum MOSFET Treiber manchmal essentiell sind?! | MOSFET Ansteuerung Teil 1 (Treiber, Bootstrapping)

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in der heutigen leistungselektronik sind solche mosfets oder auch metal oxide semiconductor field effect chelsea-stars nicht mehr wegzudenken die gründe sind leicht verständlich sie benötigen lediglich eine bestimmte spannung am gate um hohe spannungen und ströme mit hoher frequenz und wenig verlusten zu schalten das macht sie zum perfekten bauteil für effiziente schaltnetzteile motor stelle oder einfach nur um ein paar leds schnell ein und auszuschalten bzw zu dimmen das problem ist nur dass das ansteuern von mosfets zwar super simpel klingt aber dennoch viele tücken aufweist welche ich in meinen früheren mosfet video mehr oder weniger übergang habe und da ich ständig das kommentar an den kopf geworfen bekommen warum ich denn manchmal einen mosfet treiber ic nutze und manchmal nicht dachte ich mir es ist an der zeit genauer zu erklären wie genau man mosfets ansteuert was eigentlich dieses buch shipping ist und warum man auch manchmal gate reif übertrager braucht [Musik] dieses video wird unterstützt von der wird electronic 1 gruppe als allererstes brauchen wir ein praktisches beispiel dabei habe ich mich für den lz 44n kanal mosfets von infineon entschieden die erste anlaufstelle für informationen über das bauteil findet man natürlich im datenblatt aus diesen können wir entnehmen dass der mosfets maximal 55 volt über seine jane source strecker aus hält er maximal 47 ampere leiten kann und er diese drei pins besitzt welche als kate greene und source bezeichnet werden für mein erstes praktisches schallt beispiel möchte ich nun diese blaue ein bart high power led mittels des mosfets schalten zur verfügung steht mir eine versorgungsspannung von fünf volt die led zieht ein strom von 320 milliarden bei einer vorwärts spannung von 3,12 wolz was bedeutet dass ich ein vor widerstand von 6 uhr benötige welche eine leistung von 0,6 2 watt abführen kann diese widerstand led kombination wird nun an den rangers mosfets angeschlossen während der shows pin direkt mit ground verbunden wird alles was uns nun noch fehlt ist eine passende geld spannung um die mosfets entweder leiten zu schalten oder um ihn sperren zu lassen für dieses problem gibt es im daten platz dieses diagramm welches uns zeigt bei welcher gate source spannung welche trends zur spannung und ströme erreicht werden können nehmen wir an wir verbinden die versorgungsspannung von fünf volt direkt mit unserem geld entsprechend des diagramms müssen wir also ungefähr dieser linie folgen wenn es den mosfet nicht geben würde dann würde ein maximaler strom von 320 milliarden fließen welcher sich sogar noch unter dem anfang unserer linie befindet das bedeutet dass unsere trance spannung einen minimalen spannungsvoll aufweisen wird das ist natürlich vorteilhaft da die trance spannung x dem fließenden strom unsere verlustleistung entspricht und diese so gering wie möglich sein soll also verbinden wir die versorgung spannung nun einfach mal mit dem gates und wie man sieht leuchtet die led ohne probleme bei einem stromfluss von 300 und 30 milliampere betritt die train source spannung 5,8 milliarden und erreicht damit einen widerstand von 17,6 millionen und erzeugt eine verlustleistung von 1,9 milliarden zu merken das wenn meine last beispielsweise einen stromfluss von 20 ampere angetrieben hätte dann würde laut datenblatt diagramms die train source spannung auf ungefähr 0,3 bald ansteigen dies ist zwar nur eine geringe spannungs einbuße erzeugt jedoch durch die 20 ampere eine verlustleistung von sechs welcher als wärme durch ein kühlkörper abgeführt werden muss geschieht dies nicht ordnungsgemäß kann die temperatur des mosfets auf beispielsweise 175 grad ansteigen womit laut des nächsten datenblatt diagramms dj source spannung auf 0,8 volt ansteigt und damit alles nur schlimmer macht und zur zerstörung des mosfets führen kann aber nichtsdestotrotz kann ich die led in meiner ersten beispiel schaltungen nun mittels der ground spannung am gate ausschalten um mittels der 5 volt spannung einschalten natürlich nutzt man einen mosfets in solch einer simplen schaltung eigentlich nie weshalb wir mit einem praktischen beispiel fortführen sollten nehmen wir einfach mal diesen autokino microcontroller dessen p9 ich mit dem geld des mosfets verbinde als erstes programm ihr beispiel schalte ich den pin des auto ein warte eine sekunde schalte ihn aus worte wieder eine sekunde und wiederhole diesen vorgang in der praxis sieht das ganze dann so aus und wir erkennen dass der mosfet noch immer ohne probleme schaltet und der uno den schaltvorgang auch überlebt um jedoch ins detail zu gehen schauen wir uns als nächstes mal die gate source und die trains spannung auf dem oszilloskop an beim ein schaltvorgang erkennt man wie die gate spannung langsam steigt wären die train spannung langsam sinkt und damit der mossad leiten wird sieht erstmal in ordnung aus jedoch ist anzumerken dass der ein schaltvorgang in diesem beispiel ungefähr 300 nanosekunden gedauert hat vergleicht man das nun mit der versorgungsspannung am gate erkennt man dass dieser ein schaltvorgang nur 150 nanosekunden gedauert hat der grund dafür ist der grund allen übels beim aspekt ansteuerung und äußert sich in form von parasitären kapazitäten zwischen gateways und rangers das heißt obwohl man häufig hört das eichsfeld nur eine spannung am gate benötigt umzuschalten fließt tatsächlich auch ein nicht relevanter strom welcher die geld kapazität ständig auf und entlädt diesen input gebeten swertz findet man manchmal im datenblatt des mosfets jedoch nutzt man für rechnungen vielmehr den total gay george in unserem datenblatt beispiel müssen wir also 48 nano klomp in das gate speisen und wieder ableiten um den mord zu schalten da wir wissen dass der durchschnittliche strom der ableitung der ladung über der zeit entspricht können wir unsere werte für die mikrocontroller und dem versorgungsspannung schaltvorgang einsetzen und erhalten somit einen strom von 160 milliarden und 320 milliampere hier sieht man auch dass das labor netzteil den mosfet schneller schalten kann da es viel mehr strom in kurzer zeit zur verfügung stellen kann der microcontroller hingegen übersteigt sogar seinen maximalen ausgangsstrom proben und läuft daher gefahr beim schaltvorgang zerstört zu werden geht man nun einen schritt weiter und programmiert dem microcontroller erneut um einen puls weiten modulierte signal aus zu geben welches die helligkeit der led effizientes dann kann der microcontroller natürlich viel schneller zerstört werden durch die wiederholte überlastung mit einer frequenz von 490 herz eine lösung für solch eine niederfrequente microcontroller mauspad ansteuerung ist das einfügen eines vor widerstandes wie in diesem fall mit einem wert von 200 oben misst man nun die ladezeiten erkennt man dass sich der wert auf 850 nanosekunden erhöht hat und sich damit der mittlere strom auf 56 millimeter verringert hat für eine optimale microcontroller beschaltung kann man auch noch einen pull down widerstand einfügen um sicher zu gehen dass das geld im um definierten fall entladen ist und eine zehner diode um auftretende überspannungen am kinn abzuleiten bei solch einen led beispiel reicht diese schaltung vollkommen aus aber stellen wir uns mal vor dies sei ein schaltnetzteil und wir müssten den mosfet mit einer weitaus höheren frequenz ansteuern als beispiel wählte ich mir eine 250 kilo herzfrequenz dessen programmierung mittels des teil des controllers nicht besonders schwer zu kreieren aber wenn wir die schaltung so belassen wie vorher können wir sehen dass durch die langsame einbringung der ladung der mosfets kaum noch zeit hat zum durchhalten wir brauchen also eine potentere stromquelle um das geld schneller aufzuladen was auch zum vorteil hat dass wir die verlustreichen arbeitsbereiche des mosfets schneller durchlaufen und damit weniger verlustleistung erzeugen aus diesem grund können wir solch eine transistor schaltung nutzen welche man auch als moss betreiber bezeichnen kann ihre aufgabe besteht lediglich darin dass der microcontroller wenig strom liefern muss um schnell viel strom in oder vom geld zuführen da solch eine schaltung jedoch einige bauteile zum aufbau benötigt greift man auch gerne auf einen mosfet treiber ic zurück als praktisches beispiel wählte ich diesen lmg 12 10 von texas instruments welcher nicht nur relativ modernes sondern auch boots trapping unterstützt worauf ich später zu sprechen komme der einzige nachteil des ics war dass er nur als smd bauteile zur verfügung steht also entwarf ich solch eine bracket platin auf welcher ich den treiber ic mit hilfe von loeb pasta und meinen riefler offen verlautete nach dem stand schraubklemmen zur platine hinzufügte habe ich die kapläne kondensatoren zur spannungsversorgung hinzugefügt und den treiber zwischen microcontroller und mosfet gestalten wie man sieht verkürzter treiber die schaltzeiten nun auf gerade mal 70 nanosekunden wenn man sich nun jedoch die spannung über den kondensatoren so anschaut merkt man dass diese weder korrekt positioniert noch dimensioniert sind um solch ein problem zu umgehen folgt man meist den referenzdesign des daten blattes in welche natürlich auch auf die bauteile der würth elektronik eisos gruppe verwiesen wird aber davon abgesehen sollte nun klar sein warum ich manchmal macht vertreiber nutze und manchmal nicht das phänomen des boots trackings tritt nun auf wenn man solch einen inverter entwickeln möchte welcher die last mit der versorgungsspannung und ground verbinden soll bei dieser schemata eine halb brücke erkennt man dass man mindestens zwei mosfets benötigt das problem dabei ist jedoch dass der obere mosfets einem floating around besitzt das heißt obwohl ich 5 volt am gate anleger kann die spannung über der last beispielsweise auch 5 volt betragen und somit entspricht die resultierende spannung am gate 0 volt und der moz pad schaltet nicht durch um das problem zu lösen kann man solch eine bu schaltung aufbauen dessen ziel es ist eine erhöhte geld spannung am oberen mosfet zu produzieren ist der eingang also schaltet der untere moskau durch während der kondensator sich über die diode auflädt ist der eingang dann lohe so sperrt der untere mosfets während das geld des oberen mosfets durch die versorgungsspannung plus der kondensator spannung aufgeladen wird womit dieser nun auch problemlos durchhalten kann dies funktioniert allerdings nur wenn die mosfets im wechsel betrieben werden da der kondensator ja ständig aufgeladen werden muss also schaute ich als nächstes durch das datenblatt meines buchs und muss per treiber ics um mich nicht nur für eine passende boots shipping diode und kondensator zu entscheiden aber auch um die typische beschaltung solch einer schaltung herauszufinden und als ich dann meine eigene buchhaltung mittels des ics realisiert hatte konnte man auf dem oszilloskop erkennen dass alles ordnungsgemäß funktionierte und damit wisst ihr schon eigentlich sehr viel über die ansteuerung von mosfets aber natürlich nicht alles wenn man bedenkt dass man diese auch gerne potenzial frei ansteuert um beispielsweise eine tesla spule zu betreiben für solche anwendungen benötigt man einen gateway übertragung aber das ist ein thema für teil 2 dieser mosfet videoreihe wie immer bedanke ich mich fürs zuschauen vergiss nicht einen like zu geben das video zu teilen meinen kanal zu abonnieren und die glocke zu läuten.

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