MOSFET - Hilfe bei Schaltplan Hardware für PWM

  • Hallo zusammen,

    ich habe einige Fragen, vor allem an die Elektronik Spezialisten. Vorab: ich weiß es gibt schon unzählige Beiträge zu MOSFETS und Schalten mit GPIO generell, aber ich habe ein konkretes Beispiel und würde gern für die Zukunft klären, ob meine Überlegungen richtig waren.


    Das angehängte Bild zeigt einen Schaltplan, den ich für mein 3D Drucker Gehäuse verwenden möchte. Prinzipiell soll er nachher folgende Funktionen übernehmen:

    1. Interface für einen BME280

    2. Schalten von bis zu 2 induktiven Lasten

    3. Schalten von 2 LED Streifen ca. 1,5A (dimmen über PWM)


    1. Ist nur eine 1:1 Übernahme von Steckern.

    2. Sollte eigentlich auch passen (?)

    3. Hier habe ich einige Fragen zu meiner Auslegung.

    1kOhm Gatewiderstand um den Strom zum Laden des Gate auf 3mA zu beschränken. Dem Raspi zu Liebe. 10k Pulldown.

    Der IRF7401 hat eine input kapazität von 1,6nF. Meine Annahme war jetzt, dass ich den MOSFET in ca. 8 mikrosekunden über den 1k geladen habe, und in ca. 80 mikrosekunden über den 10k entladen kann.

    Jetzt zu meinen eigentlichen Fragen:

    Ich möchte ein PWM Signal mit 1kHz erzeugen. Bei 1000 mikrosekunden, davon ca. 100 Schaltzeit sollte das möglich sein, oder? Die Verlustleistung am MOSFET dürfte bei 1,5A nicht all zu hoch sein.

    Angenommen ich würde die Frequenz auf 10kHz oder 20 kHz anheben, müsste sich doch am MOSFET eine mittlere Spannung einstellen, oder?Wie kann ich in dem Fall abschätzen wie viel Leistung der Mosfet verbrät?


    Passt das überhaupt so, was ich mir da zusaengereimt habe?


    Danke vorab und schöne Nacht.

  • Ich bin jetzt nicht der MOSFET Spezialist, aber ich versuche mal meine Einschätzung zu geben.

    Ich sehe grundsätzlich keinen Fehler in Deinem Schaltplan. Sehr gut auch die Freilaufdioden für die induktive Last. Die könntest Du auch beim LED Streifen vorsehen - schadet nicht und Du kannst ev. doch mal was anderes damit schalten...

    Deine Überlegungen des PWM kann ich noch nicht nachvollziehen. Den 10K finde ich gut, um den Schaltzustand Fet zu definieren, wenn der GPIO hochohmig ist (z.B. beim Booten). Für die Entladung brauchst Du nur die 1K, da der Raspberry aktiv gegen Masse zieht und somit sich das Gate über den 1K viel schneller entlädt als über den 10K. Erstaunlich ist, dass der IRF7401 schon bei 2V UGS schon so gut schaltet - ansonsten wäre der 1K/10K Spannungsteiler sehr schlecht...

    Das mit den 20KHz ist mir nicht ganz klar. Vermutlich basiert Deine Überlegung auf der Entladezeit über den 10K. Wie oben erwähnt, stimmt die nicht ganz... Wenn Du die Verlustleistung "abschätzen" möchtest, musst Du das zeitliche Steuersignal am UGS mit Hilfe des Datenblattes in den UDS Spannungsabfall umwandeln und mit dem Produkt des jeweiligen Stromes integrieren. Ich bevorzuge hier die "Fingermethode": Schaltung aufbauen, Finger auf den FET und abschalten, wenn man ihn runter nehmen möchte.

    Am besten Du baust mal einen Schaltungsteil auf und machst Versuche/Messungen. Falls dabei konkrete Fragen entstehen, kannst Du ja hier wieder fragen. Das hilft Dir die Schaltung besser zu verstehen und Du kannst viele der Fragen selbst klären...

    ...wenn Software nicht so hard-ware ;) ...

    Freue mich über jeden like :thumbup:

  • Hi VeryPrivat,


    vielen Dank für deine Antwort.

    Für die Entladung brauchst Du nur die 1K, da der Raspberry aktiv gegen Masse zieht und somit sich das Gate über den 1K viel schneller entlädt als über den 10K. Erstaunlich ist, dass der IRF7401 schon bei 2V UGS schon so gut schaltet - ansonsten wäre der 1K/10K Spannungsteiler sehr schlecht...

    Dass der 1k natürlich auch gegen Masse liegt, habe ich vergessen. Dann müsste die Entladezeit ja (unmerklich) kürzer als die Ladezeit sein, da ich 10k und 1k parallel gegen Masse und daher knapp unter 1k Gesamwiderstand habe, oder?

    Der Punkt mit dem Spannungsteiler ist super wichtig, danke! Ehrlich gesagt habe ich einen MOSFET gesucht, der bei 3.3V sicher durchgeschaltet ist. Dass tatsächlich nur 3V anliegen, habe ich gar nicht bedacht.


    Ja, die 20kHz beruhen auf der falschen Annahme der Entladezeit. Prinzipiell kann man aber annehmen, dass sich aus der Kapazität des MOSFET und den Widerständen ein Tiefpass bildet, dessen Grenzfrequenz auch die Schaltfrequenz begrenzt?

    Dann werde ich die Schaltung die Woche mal aufbauen.


    Danke und einen schönen Sonntag noch.

  • Dann müsste die Entladezeit ja (unmerklich) kürzer als die Ladezeit sein, da ich 10k und 1k parallel gegen Masse und daher knapp unter 1k Gesamwiderstand habe, oder?

    Ja, das dürfte so sein...

    Prinzipiell kann man aber annehmen, dass sich aus der Kapazität des MOSFET und den Widerständen ein Tiefpass bildet, dessen Grenzfrequenz auch die Schaltfrequenz begrenzt?

    Ja, das genau das stimmt schon. Du wirst aber schon deutlich vor einer allfälligen Begrenzung der Schaltfrequenz das Problem haben, dass der FET ziemlich warm wird, da Du dich ja bei hohen Frequenzen einen relativ großen Teil im linearen Bereich aufhältst und nicht im Schaltbereich. Daran ist auch die Kapazität schuld, da ja keine "schöne" Flanke mehr anliegt, sondern eben durch den Tiefpass verschliffen...

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  • Habe jetzt die Platine dazu bekommen und es funktioniert so weit ganz gut.

    Lediglich Software PWM ist mit den LED Streifen ein Graus. Hardware PWM über PiGPIO funktioniert gut und flackerfrei.

    Danke nochmal, ich werde den Beitrag als erledigt markieren.