Transistor als Schalter

Begonnen von Kenaio, 23. Mai 2016, 19:14:55

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Kenaio

Hallo,

ich habe an meinem Motorrad eine Hupe installiert, die deutlich mehr Strom verbraucht als die alte. Die neue verbraucht lt. Hersteller 12A (vermutlich etwas mehr), während die alte geschätzt circa 4-5A zieht. Damit der Hupenschalter nicht überfordert wird und durchbrennt, habe ich ein Relais installiert. Das wird am Steuerkreis mit dem Schalter geschalten, am Lastkreis wurden extra für die Hupe zwei 1,5mm2 Kabel gezogen, die nur die Hupe versorgen.

Dooferweise ist relativ wenig Platz vorhanden, das Relais ist aber sehr groß. Außerdem habe ich keine Freilaufdiode installiert, die ist zwar lt. Hersteller nicht nötig, aber komplett ohne gefällt mir das nicht wirklich. Nun habe ich auf Youtube gesehen, dass Transistoren inzwischen hohe Ströme schalten können und äußerst klein sind. Für kleine Spannungen bzw. Spannungsverstärkung aber große Stromverstärkung sollen sich MOSFETs anbieten. Analog zur Kollektorschaltung bipolarer Transistoren habe ich mir folgendes vorgestellt:

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         |         o S1                |
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         |               R1   |   ___  |
         |                    '--|___|-o
         |                       R3    |
         |                            .-.
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         |                            | |
         |                            '-'R2
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         R1: Gate-Vorwiderstand
         R2: Hupe
         R3: Widerstand, um Gate auf GND zu ziehen wenn S1 geöffnet
         S1: Hupenschalter


Dabei sind noch folgende Fragen offen:

  • Funktioniert das überhaupt so, wie ich mir das vorgestellt habe? Ich arbeite um ehrlich zu sein zum ersten Mal mit Transistoren...
  • Wie groß sollte ich die Widerstände R1 und R3 wählen? R1 ist zwar grundsätzlich nicht nötig, soll aber "Steuer und Lastkreis entkoppeln". Vorstellen kann ich mir darunter momentan nichts, schaden wird es aber bestimmt auch nicht.
  • Der IRF1405PBF N-Channel MOSFET klingt vielversprechend. Er schaltet bis zu 169A (=> genug Reserve, auch wenn es mal kälter oder wärmer wird) bei einem RDS Widerstand von 5,3 mOhm. VGS(th) liegt zwischen 2V und 4V (=> Logic Level?), also sollte ich den Transistor mit 12V locker sättigen können.
  • Die Verlustleistung, die beim Transistor anfällt, liegt bei ca. P=R*I2=0,0053Ohm*(15A)2=1,2W. Laut Datenblatt kann der Transistor 330W verrichten, aber nur, wenn er gekühlt wird. Wie ermittle ich die maximale Verlustleistung ohne Kühler?
  • Kann so ein kleiner Transistor wirklich diese angegebenen 169A ab? Die Beinchen sind sehr dünn, ein Kabel in dieser Dicke würde doch bei 169A schnellstens durchschmoren?
  • An die Beinchen würde ich die entsprechenden Kabel anlöten, einzeln mit Schrumpfschlauch isolieren und am Ende den ganzen Transistor in Schrumpfschlauch wasserdicht einpacken. An ihn sollte sowieso kein Wasser hinkommen, aber sicher ist sicher. Könnte es dabei Probleme geben?
  • Im Datenblatt wird die Induktivität von Drain und Source angegeben, diese bei 4,5 bzw. 7,5 nH, also sehr klein. Ist diese in irgendeiner Hinsicht wichtig? Wahrscheinlich nur bei hohen Frequenzen, oder?

Ich weiß, es sind einige Fragen, gerne dürft Ihr mich auch auf andere Seiten verweisen, auf denen Informationen zu meinen Fragen stehen. Den Eintrag zum Transistor auf unserer Page habe ich mir schon durchgelesen. ;)

Grüße
Kenaio

RalleBert

Ich habe jetzt auch keine dolle Erfahrung mit Mosfets, aber meinst Du, der Schalter ist so genau dimensioniert? Hast Du die tatsächliche Stromaufnahme der neuen Hupe mal gemessen bzw. wenn möglich mit der alten Hupe verglichen? ~So~ oft wird die ja nicht gedrückt, das Du nach einem Monat den Schalter abgebrannt hast...
Ich hab ein KFZ Relais irgendwo liegen, müßte aber angelötet werden, das ist was größer als ein paar Würfel Zucker (genau kann ich es ausmessen, wenn Du interesse hast und ich es raussuche).
Du könntest auch ein Solid State Rleay nehmen (wahrscheinlich auch zu groß).

Warum ziehst Du zwei Kabel zur Hupe? Rahmen ist doch i.d.R. Masse, dafür brauchst Du kein Kabel. Jedoch wird bei KFZ oft Masse geschaltet, das müßtest Du schauen und danach auswählen, was für einen Transistor/Mosfet Du brauchst, wenn Du es auf die Weise machen willst.

- veni, vidi, ferruminavi -
- ich kam, ich sah, ich l?tete -

Takeshi

Hab jetzt gerade keine Zeit, aber das kann ich dir alles erklären (eventuell heute abend), das ist kein Problem. Vorweg: Ich würde es etwas anders aufbauen, aber im Grunde kannst du das so machen.

Kenaio

@RalleBert: Ich hab nochmal nachgeschaut, die Originalhupe ist sogar nur mit 3A angegeben. Das Kabel und der Schalter sind entsprechend klein dimensioniert, bei 12A kann ich wahrscheinlich zuschauen, was schneller durchbrennt.

Laut Handbuch wird an der Hupe Plus geschaltet, Masse liegt dauerhaft an. Ich hätte auch den Rahmen als Masse verwenden können, aber da eine gute Stelle zu finden ist nicht ganz einfach. Und ein Plus-Kabel muss ich so oder so ziehen, das Minuskabel war kein großer zusätzlicher Aufwand.

Danke für dein Angebot mit dem Relais, ich würde aber erst einmal die Variante mit dem Transistor weiter verfolgen.

@Takeshi: Es drängt nicht :)

Takeshi


Kenaio

#5
R2 ist die Last, in meinem Fall die Hupe. Scroll mal im Code etwas runter, da sind Beschreibungen. Ich habe es testweise als quote eingebunden, da ist die Zeichnung aber verrutscht, als code muss man leider scrollen.

Takeshi

1. Also zunächst einmal würde ich das so aufbauen:



Ich verwende jetzt die Bauteil-Bezeichnungen von meinem Schaltbild.

2. MOSFETs werden mehr oder weniger Leistungslos angesteuert. Das Gate kannst du als Kapazität betrachten, die angelegte Spannung beeinflusst Drain-Source-Strecke (bei Bipolartransistoren der Basisstrom). Das heißt du brauchst zur Änderung des Zustand etwas Leistung (laden und entladen der Kapazität), zum Erhalten jedoch nicht. Der R1 ändert diese Eigenschaft, indem er das Gate permanent entlädt. Öffnest du den Schalter, würde sonst das Gate nur sehr langsam durch Eigenentladung geleert werden, was ziemlich ungünstig für den MOSFET wäre (dazu später). 10 kΩ sind ein Richtwert für so einen Gate-Source-Widerstand, kann auch etwas mehr sein, in deinem Fall aber unnötig.
Ein weiterer Punkt ist statische Aufladung. Hängt das Gate in der Luft, kann sich das Gate unkontrolliert aufladen und der Transistor schalten. Das funktioniert so gut, dass du zur Kontrolle des MOSFETs das Gate mit der Widerstandsmessung eines Multimeters aufladen und anschließend die Drain-Source-Strecke messen kannst, das Gate hält das ziemlich lange. Durch den Widerstand R1 ist das Gate aber immer hochohmig mit Source verbunden und kann sich daher nicht von selbst aufladen.

Da das Gate wie gesagt als Kapazität betrachtet werden kann, verhält es sich wie bei Kondensatoren: Ist die Kapazität entladen und du legst eine Spannung an, dann ist der Strom kurzzeitig unendlich hoch. Der Widerstand R2 begrenzt den Strom etwas. Gerade Operationsverstärker mögen kapazitive Lasten gar nicht, das fängt dann an zu schwingen, denn der Operationsverstärker will die Spannung erhöhen, klappt nicht (da Kapazität halt), er gibt mehr Stoff, die Spannungs steigt dann, mit dem Stoff den er gegeben hat zu hoch, dann zieht er sogar wieder Strom aus der Kapazität, die Spannungs sinkt zu weit ab, und so weiter. Bei dem Schalter ist das hier nicht so wichtig, aber würde den trotzdem setzen. Wie im Bild zu sehen, 5,6 Ω werden da gern genommen.

Damit hast du ungefähre Werte für die beiden Widerstände.

3. Mit einem Logik-Level hat das nichts zu tun. Die Spannung, ab der der Transistor schaltet, schwankt sehr stark abhängig vom Einzelexemplar und der Temperatur. Die liegt daher in einem so weiten Bereich und die Spannung an sich ist technisch bedingt, mit ~0,7 V wie bei Bipolartransistoren geht es nicht. Auch ein Grund, wieso manchmal Bipolartransistoren auch heute noch die bessere Wahl sind.

UGS beträgt in deinem Fall aber nicht 12 V. Die Gate-Spannung gegenüber Masse beträgt 12 V, aber die interessiert den Transistor eher wenig, für ihn zählt nur die Sannung zwischen Gate und Source. An der Last (bei dir R2) sollten ja normalerweise 12 V anliegen, bleibt für den Transistor nicht mehr viel übrig. Deshalb auch die Änderung des Schaltplans.

4. Du brauchst die maximale Silizium-Temperatur (ϑJ), die Summe der Temperaturwiderstände (RthJA = RthjJC + RthCH + RthHA) und die Umgebungstemperatur ϑA.
- ϑJ ist mit 175 °C angegeben.
- RthJA = 0,45 K/W + 0,5 K/W + 62 K/W = 63 K/W
- ϑA ist im ungünstigen Fall 55 °C.
-> Δϑ = 175 °C - 55 °C = 120 °C = 120 K

Ich denke mal, du kennst das thermische Ersatzschaltbild nicht. Das ist analog zum elektrischen Modell aufgebaut, nur entspricht die Temperaturdifferenz der Spannung, die Leistung dem Strom und der Wärmewiderstand dem ohmschen Widerstand. Aus U = R * I wird dann Δϑ = Rth * P.
Du suchst P, also stellst du es nach P um.
P = Δϑ / Rth = 120 K / (63 K/W) = 2 W

Du solltest allerdings bedenken, dass 175 °C die wirklich absolut maximale Silizium-Temperatur ist, die du besser nicht erreichst. Wie du auch siehst, spielt in dem Fall der thermische Widerstand vom Silizium zum Gehäuse kaum eine Rolle im Vergleich zum Gehäuse zur Luft. Mit einem winzigen Kühlkörper, der vielleicht 20 K/W hat, kannst du die Kühlung und damit die maximale Leistung merklich steigern.

5. Ja, der kann 169 A, wenn du es schaffst, dabei das Gehäuse auf 25 °C zu halten, wie es dabei im Datenblatt direkt dabei auch steht. Das ist mit Luftkühlung schon unmöglich. Genau so verhält es sich auch mit den angegebenen 330 W.

Die Stromtragfähigkeit von Leitern ist ja immer nur ein grober Richtwert. Der Strom an sich ist nicht so schlimm für den Leiter, der kann viel mehr, als mit der üblichen Stromtragfähigkeit angegeben. Entscheidend ist die Wärme, die durch den Strom entsteht. Wenn du die irgendwie abführst, sei es nur durch einen Lüfter, der auf die Leitung pustet, oder aber eben ein richtig ausgeklügeltes Kühlsystem, dann kann so ein Leiter direkt viel mehr Strom. Bei den Beinchen an so einem TO220-Gehuse ist das ähnlich. Du kannst ja richtig dicke Leitungen an die dünnen Beinchen anlöten. Die nehmen dann einen Teil der Wärme auf, genau so wie das Gehäuse des Transistors, das ebenfalls gekühlt wird. So was ist nur schwer zu berechnen, weshalb man dafür üblicherweise die Stromtragfähigkeit des Beinchens nimmt und nicht beachtet, dass eventuell auch mehr gehen könnte. Wenn der Strom außerdem nur in kurzen Pulsen fließt, ist das ebenfalls entscheidend. Der Transistor selbst muss den Strom (da mit 680 A angegeben) können, was aber nicht heißt, dass das Beinchen das dauerhaft können muss. Das wird während des Pulses warm (Wärmekapazität des Beinchens), danach kühlt es wieder ab.

Teilweise sind diese Angaben aber auch reines Marketing. Dann steht da auch irgendwo, dass der eigentliche Transistor das kann, das Gehäuse es aber nicht zulässt. Wenn du es also irgendwie schaffst den Strom anders reinzubekommen, dann kannst du das nutzen, was im Datenblatt steht (haha). Da schimpfen viele drüber, aber ich würde das nicht überbewerten. Wer ein wenig weiß, was er tut, der kann sehr schnell aus den offensichtlichsten Angaben ermitteln, wie viel in der eigenen Anwendung wirklich geht.

6. Ja, mit der Kühlung. 1,2 W hast du ja schon ausgerechnet, 2 W kann er maximal, aber nur, wenn er frei in der Luft hängt. Mit Schrumpfschlauch isolierst du ihn aber thermisch.

7. Genau, das ist nur für hohe Frequenzen wichtig bzw. wenn es um Schaltflanken geht. Das ist für dich völlig uninteressant.

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Noch eine Kleinigkeit zu Transistoren allgemein: Die Verlustleistung berechnet sich ja immer aus der anliegenden Spannung zwischen Drain und Source (oder UCE) und dem Drainstrom (IC). Wenn der Transistor aus ist, dann ist der Strom Null, im geschalteten Zustand die Spannung fast Null. In beiden Fällen ist die Leistung dann fast vernachlässigbar. Im Schaltaugenblick ist das aber anders, da steigt der Strom an, während die Spannungs langsam abfällt (oder umgekehrt). Dabei steigt die Leistung stark an. Deshalb ist es wichtig, dass ein Transistor, der als Schalter arbeiten soll, sehr schnell schaltet, sonst wird er warm. Bei MOSFETs heißt das, das Gate muss schnell geladen oder entladen werden. Zum Laden sollte der R2 deshalb nicht zu groß werden. Und wenn das ansteuernde Teil den MOSFET nicht aktiv abschalten kann, dann darf R1 ebenfalls nicht zu groß werden.

Kenaio

Vielen Dank für deine ausführliche und interessante Antwort, eine Frage habe ich dann doch noch:
Zitat von: Takeshi am 25. Mai 2016, 10:16:58UGS beträgt in deinem Fall aber nicht 12 V. Die Gate-Spannung gegenüber Masse beträgt 12 V, aber die interessiert den Transistor eher wenig, für ihn zählt nur die Sannung zwischen Gate und Source. An der Last (bei dir R2) sollten ja normalerweise 12 V anliegen, bleibt für den Transistor nicht mehr viel übrig. Deshalb auch die Änderung des Schaltplans.
Das ergibt Sinn, wenn ich das richtig sehe besteht bei meinem Schaltplan die Gefahr, dass der Transistor nicht voll durchschaltet und sich dabei zu stark erhitzt. Deine Variante umgeht das, sie hat aber das Problem, dass an der Hupe Dauerplus anliegt und Masse geschalten wird. Nun liegt aber Masse u.A. am Rahmen an, sollte sich vor/nach der Hupe mit der Zeit ein Kabel durchscheuern, habe ich entweder einen Kurzschluss oder eine permanent lärmende Hupe ;)
Gibt es eine Möglichkeit die Schaltung so zu verändern, dass die Last an Source bleiben kann?

Ansonsten sollte es helfen, den Widerstand der Hupen (ich muss mich korrigieren: es sind zwei parallelgeschaltete Hupen, die zusammen 12A verbrauchen) zu messen und den Spannungsabfall zu berechnen, oder? Dieser sollte dann bei maximal 8 Volt liegen, damit mindestens UGS=4V zum vollständigem Schalten dem Transistor bleiben.

Takeshi

Du brauchst mindestens 4 V, um sicher zu sein, dass der MOSFET überhaupt einschaltet. Dann ist er aber noch lange nicht "durchgeschaltet", wobei das sowieso Definitionssache ist. Der Widerstand sinkt immer weiter, nur ab einer gewissen Drain-Source-Spannung kaum noch nennenswert. Angegeben wird RDS(on) in der Regel für UGS = 10 V. Du kannst den Wert aber auch aus den Diagrammen entnehmen.

Faktisch ist es ja so, dass bei dir Gate und Drain immer fest verbunden sind, sofern der Schalter gedrückt ist. So verschaltet leitet ein MOSFET "immer", das ist ein fester Betriebspunkt. Steigt die Gate-Spannung, sinkt RDS und damit auch UDS Da UDS aber = UGS, sinkt damit auch wieder die Gatespannung. Das pendelt sich also ein. Weiß nicht mehr ganz genau, wie sich ein MOSFET so verhält, ob da der Strom immer konstant war oder so, aber er leitet immer. Aber ist klar, du brauchst natürlich eine Spannung von mindestens UGS(th), was ja 2 bis 4 V sind. Das liegt dann auch an DS an und bei dem Strom ergibt das immer ordentlich Leistung, würde ich lassen.

Du hast bei der Verschaltung nur die Möglichkeit eine Spannung über 12 V ans Gate anzulegen, damit der MOSFET hart durchschaltet. Die hast du aber nicht, müsstest sie dir erst erzeugen, viel zu viel Aufwand.
Der wohl sinnvollere Weg ist es das alles zu invertieren und einen P-MOS zu verwenden. Die haben aber schlechtere Eigenschaften bzgl. RDS(on), wird also wärmer.

Kenaio

Mit einer Inverterschaltung wird das ganze wahrscheinlich wieder groß und unhandlich. Der N-Kanal MOSFET ist zwar leider nicht "Plug & Play", das sollte aber eine ganz schöne Lösung darstellen. Ich werde später die Teile bestellen und melde mich wieder, wenn es geklappt hat.

Danke für die Hilfe!

Takeshi

Inverterschaltung? Ne ne, da hast du was falsch verstanden, glaube ich. Du drehst einfach alles um. Da, wo jetzt Masse ist, machst du +12 V dran und da, wo vorher 12 V dran war, kommt die Masse dran. Dann liegt die Hupe auf Masse und nicht auf 12 V, du musst nur einen P-Kanal-MOSFET verwenden.

Kenaio

Wenn ich einen P-MOS verwende und die Anschlüsse an Source/Drain tausche, habe ich immer noch die +12V kommend vom Schalter an Gate anliegen. UGS sollte dann 0V sein und der Transistor schaltet garnicht. Ich müsste also die +12V vom Schalter auf -12V invertieren, um den P-MOS verwenden zu können.

Hab ich dich soweit richtig verstanden? In dem Fall würde ich deine Schaltung bevorzugen.

Takeshi



Damit wir nicht aneinander vorbeireden: So sollte es aussehen. Der Schaltungsaufwand ist da kein Stück höher, er ist identisch.

Kenaio

Ach so meintest du das, ich bin davon ausgegangen:

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         |         o S1                |
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         -         '--|___|---o-----||-+
         |               R2   |   ___  |
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         |                       R1    |
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         |                            | |
         |                            | |
         |                            '-'R3
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         |                             |
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(Bezeichnungen von dir übernommen)

Die Position des Schalters ist vom Motorrad fest vorgegeben, an Gate kann ich nur + anlegen. Ansonsten wäre das auch eine gute Möglichkeit.

Takeshi

Ne ne, das funktioniert so nicht. Der Strom muss bei einem P-MOS andersherum fließen, Drain muss also das kleinere Potential haben als Source. Jeder MOSFET hat durch den Aufbau bedingt eine Diodenstrecke zwischen Drain-Source, die bei Verpolung leitend wird. In deinem Beispiel würde also der MOSFET dauerhaft über die Diode leiten. Und wieder würde das Gate nur mit Drain verbunden werden, der steuert also wieder nicht durch.

Dass sowohl der Masseanschluss der Hupe vorgegeben ist, als auch, dass der Schalter an Plus hängt, wusste ich nicht, das macht es natürlich etwas aufwendiger. Dann musst du das Schaltsignal tatsächlich invertieren.



Ist der Schalter S1 offen, dann wird das Gate von T2 durch R4 auf Masse gezogen, der Transistor ist offen/aus. Der R2 zieht seinerseits das Gate von T1 auf 12 V, damit beträgt UGS(T1) 0 V, der Transistor T1 ist auch offen/aus, durch R1 fließt kein Strom.
Schließt du den Schalter S1, ergibt sich die Gatespannung des T2 durch den Spannungsteiler aus R3 und R4. Da R3 << R4, ist die Gatespannung fast 12 V, der Transistor schaltet als ein. Damit ergibt sich ein Spannungsteiler aus R2 und RDS(T2), wobei RDS(T2) << R2, also stellt sich eine Spannung am Gate von T1 von nahezu 0 V ein -> UGS(T1) ist -12 V, der Transistor T1 schaltet ein, durch R1 fließt der Laststrom, die Spannung an R1 ist 12 V. T1 muss ein Leistungs-MOSFET sein, T2 kann ein Kleinsignal-Transistor sein, der schaltet nicht viel. Da geht zum Beispiel so ein Teil wie der BSS123, aber der wäre SMD (SOT23-3). Kannst auch einen mit Beinchen im TO92-Gehäuse verwenden.