PWM - darlington vs. mosfet

[harryup]

hi @ alle interessierten,
hab' mal bissl was zusammengeschustert, was den pwm betrieb mit mosfet oder darlington dokumentiert.
last: 12V/20W halogenbirne, freq. 20/50/100KHz, ratio 50%
zur verwendung kamen der TIP122 (darlington) und der IRLZ34N (mosfet)
jeweils mit basiswiderstand 750ohm.
ergebnis: am darlington fallen im on-zustand 0,8v ab, was schon zu einer erwärmung führt, bei 100khz immerhin stolze 66°C, zuzüglich der erengie, die durch die krokoklemmen und den temperaturtastkopf abgeleitet wird (man kann ihm aber immer anfassen!) ausserdem wird deutlich, dass bei zunehmender frequenz das tastverhältnis (nur beim tip122) deutlich verfälscht wird (in ratio 50%, out-ratio ca. 90%).
bei 20KHz verhält sich der tip in sachen coolizität nur wenig schlechter als der irlz, der immerhin nur 32° bei 20KHz und 46° bei 100KHz brachte, was wohl auf den sehr geringen on-widerstand zurückzuführen ist. der tip erwärmt sich bei 20KHz auf 41°C.
die schwingungen am mosfet lassen sich mit besserer ansteuerung sicherlich noch wegbringen, ich persönlich bervorzuge halt die einfachen schaltungen mit wenig aufwand und erachte deswegen den darlington als praxisgerechtes und leicht handlebares bauteil, der mosfet zeigt seine stärken eindeutig, wenn die schaltströme und frequenzen höher werden.
gruss, harry

[Michael]

Hallo harryup,
danke für deinen Beitrag.
Nicht daß du denkst, ich hätte was gegen dich, aber ich finde, du bist mit deiner Messung unfair gegenüber dem Fet.
Ein Fet wird ja bekanntlich über die anliegende Spannung gesteuert.
Ein bipolarer Transistor aber über den Strom.
Oben benutzt aber du für beide Transistoren einen Vorwiderstand.
Der Fet kann also seine Stärke gar nicht beweisen.
Kannst du die Messung für den Fet nochmal ohne Vorwiderstand (@5V PWM) durchführen?
Gruß, Michael

[Manf]

Ich finde es immer schön, auch einfachen Sachen auf den Grund zu gehen und mir gefällt der Beitrag deshalb auch sehr.
(Daß es zu einer Diskussion kommen wird, ist dabei sicher nicht ganz unerwartet.)

Michael spricht die Ecke am Ende der negativen Flanke an, und ich meine auch, daß der Fet ohne den Widerstand oder mit kleinerem Widerstand besser aussieht.

Wie ist es aus mit dem Ende der positiven Flanke: Wo kommt das Überschwingen her? Nicht aus der Lampe und nicht aus dem Fet. Es kommt sicher aus der Induktivität des Schaltungsaufbaus. Der Fet schaltet so schnell, daß die Streuinduktivität nicht entladen ist, bis er den Strom sperrt. Der Transistor ist langsamer und die Streuinduktivität entläd sich während der Schaltzeit.
Ich habe nichts gegen Bipolartransistoren und habe auch die Zeit erlebt als es nichts anderes für den Zweck gab. Das beste von allem ist auch, wenn es funktioniert, nur ich finde der Fet macht die Sache souveräner.

Manfred

[harryup]

hi,
nicht dass das falsch verstanden wird, ich möchte keinesfalls fet's durch darlingtons ersetzen oder den eindruck erwecken, dass der darlington der 'bessere' transistor sei. zugrunde lag die beitrag "Hilfestellung zu PWM" in dem nach einer simplen schaltung zum dimmen einer 20watt lampe gefragt war. ich habe da die empfehlung darlington ausgesprochen, weil man für experimente eben schon mal bauteile braucht, die einiges an spannungsspitzen und 'misshandlungen' verkraften, ohne dass gleich die euros vernichtet werden. jede schaltung kann dann - wenn sie erstmal funktioniert - immer noch verfeinert und perfektioniert werden.
es geht hier um die direkte ankoppelung avr - leistungstransistor ohne viel hokuspokus dazwischen. der gatewiderstand von 750 ohm sollte kein hindernis sein, den mosfet aufzusteuern. sollte tatsächlich kein strom über den gatewiderstand fliessen wird die am gate anliegende spannung auch 5v betragen, am widerstand kann ja nur spannung abfallen, wenn strom fliesst. das tut es auch ein wenig, denn die umladeenergie des gate (gate-kapazität 1600pF, reverse recovery charge 1,3 uC) muss ja irgendwoher kommen.
der widerstand soll lediglich verhindern, das dem avr mehr mA entnommen werden können als der verkraftet. man kann auch 240ohm nehmen, das bild ändert sich trotzdem nicht nennenswert.
ich verstehe 'wilde' diskussionen auch nicht als kritik an der person, vertrete aber durchaus die ansicht, dass menschen neben gelerntem ihr wissen nur durch infragestellen von 'vorgekauten' ansichten erweitern können.
es lebe der versuch, gruss, harry

[AlexAtRobo]

Hallo,

war schon lange nicht mehr im Forum, aber dieser Beitrag ist mir ins Auge gefallen.
Jetzt mal eine kurze Frage: Warum wird beim IRL Bild das Rechtecksignal unten abgerundet (beim Übergang von High auf Low)? Warum ist das beim Tip viel "schärfer"?

lg

Alex

[Manf]

Die große Gateladung muß eingebracht werden bis zur völligen Durchschaltung (und auch noch über einen Widerstand).
Gateladung ggf. im Datenblatt nachschlagen, ist bei Leistungsfets schon recht hoch.
Manfred

[AlexAtRobo]

Ok, wieder was gelernt. Wie berechnet man das? Und vorallem, wie kann man das beschleunigen? Kleinerer Wiederstand ist klar. Wenn man den Fet mit einem AVR ansteuert, darf man aber wohl nicht zu niedrig werden, damit der Port nicht überlastet wird, oder spielt sich dass ganze doch mit so kleinen Strömen ab, dass die Sache unproblematisch ist?
Der "Verschliffene" Bereich ist wohl mit beteiligt an der Erwärmung des Fets, dort hat er ja einen relativ hohen Rds, da wird dann auch mehr Leistung verbraten, oder?

Qg(tot) Total gate charge ID = 30 A; VDD = 44 V; VGS = 5 V - 22.5 - nC

Qgs Gate-source charge - 6 - nC
Qgd Gate-drain (Miller) charge - 11 - nC

lg

Alex

bei 20KHz verhält sich der tip in sachen coolizität nur wenig schlechter als der irlz, der immerhin nur 32° bei 20KHz und 46° bei 100KHz brachte, was wohl auf den sehr geringen on-widerstand zurückzuführen ist. der tip erwärmt sich bei 20KHz auf 41°C.

Bei einem Strom von etwa 5mA kann man die GateLadung von 15nAs in 3µs transportieren. Wenn der Hauppteil der Ladung erst bei UGS=3V oder mehr aufzubringen ist, dann ist der Strom im Gatewiderstand auch schon etwas kleiner. Für die schnelle Ansteuerung ist auch deshalb eine höhere Ansteuerspannung zu empfehlen.

Andererseits ist mit der angegebenen Messung der Temperatur der Verlust sehr gut beschrieben. Sicher gibt es Einsatzfälle in denen man mit einer niedrigeren Chopperfrequenz PWM-Frequenz als 20kHz auskommt die Schaltverluste gehen dabei entsprechend zurück.

Auch die Lösung mit Darligtontransistor ist möglich, sie hat akzeptable Schaltzeiten bei geringen Steuerströmen, ihr Hauptnachteil ist die hohe Sättigungsspannung von über 0,8V die bei hohen Versorgungsspannungen geringer ins Gewicht fällt.
Manfred