Halbleiterschalter (Transistor / MOSFET/usw.) ges

Nutzi · 25. August 2009 um 17:00

Hallo zusammen,
ich suche einen Halbleiterbaustein der als Schalter dient. D.h. ich suche einen „Transistor“ der durch einen Mikrocontroller [Spannung zwischen 3V und 5V (kann auch angepasst werden z.B. durch Spannungsteiler)] angesteuert wird. Dieses Bauelement soll bei Ansteuerung eine Spannung von ca. 120V (laut Datenblatt des anzusteuernden Bauteil 100V bis max. 160V) schalten. Weiter muss der Baustein mit einer Frequenz von 100kHz schalten. Diese Frequenz habe ich aus einer Messung ermittelt, daher wäre es nicht schlimm eine Sicherheit mit ein zu planen.

Leider habe ich keine Erfahrung mit der Auswahl von Transistoren bzw. Halbleiterbausteinen und bin daher auf Hilfe angewiesen. Wie gehe ich am besten vor.
Gerne nehme ich auch Empfehlungen von euch bekannten Bausteinen an. Ein wichtiger Punkt wäre das der Baustein als PSPICE Model existiert (allerdings kann ich mir das Modell im Notfall auch selbst heraussuchen).

Ich bedanke mich und wünsche eine schöne Woche.

MFG
Nutzi

PS.: Für Rechtschreibfehler möchte ich mich endschuldigen, ich leide an einer Legasthenie.

Peter_TOO · 25. August 2009 um 17:59

Hallo Nutzi,

Dieses Bauelement soll bei Ansteuerung eine Spannung von
ca. 120V (laut Datenblatt des anzusteuernden Bauteil 100V bis
max. 160V) schalten. Weiter muss der Baustein mit einer
Frequenz von 100kHz schalten. Diese Frequenz habe ich aus
einer Messung ermittelt, daher wäre es nicht schlimm eine
Sicherheit mit ein zu planen.

Da fehlt noch der Strom, ohne diesen kann man mal gar nichts sagen.

Dann fehlen noch die Angaben ob du AC oder DC schalten willst und ob das Ganze galvanisch getrennt sein muss oder nicht.

Dann wäre da noch der Punkt EMV.
Ein FET ist so schnell, dass du da noch im UHF-Band grobe Störungen verursachen kannst.
Und was für eine Last willst du schalten?
Bei induktiven oder kapazitiven Lasten braucht man noch entsprechende Schutz- und Entstörschaltungen.

MfG Peter(TOO)

Nutzi · 25. August 2009 um 19:03

Dieses Bauelement soll bei Ansteuerung eine Spannung von
ca. 120V (laut Datenblatt des anzusteuernden Bauteil 100V bis
max. 160V) schalten. Weiter muss der Baustein mit einer
Frequenz von 100kHz schalten. Diese Frequenz habe ich aus
einer Messung ermittelt, daher wäre es nicht schlimm eine
Sicherheit mit ein zu planen.

Da fehlt noch der Strom, ohne diesen kann man mal gar nichts
sagen.

Klar stimmt der Strom! Also laut Messung müssen max. 18A geschaltet werden.

Dann fehlen noch die Angaben ob du AC oder DC schalten willst
und ob das Ganze galvanisch getrennt sein muss oder nicht.

Ich möchte DC schalten. Prinzipiell denke ich ist keine galvanische Trennung nötig.

Dann wäre da noch der Punkt EMV.
Ein FET ist so schnell, dass du da noch im UHF-Band grobe
Störungen verursachen kannst.

??? Wie gesagt aus einer Messung herraus Schaltet das Bauteil mit einer maximalen Frequenz von 100kHz. Mehr kann ich dazu leider nicht sagen.

Und was für eine Last willst du schalten?

Es handelt sich um einen Piezo Aktuator der sich Kapazitiv verhält. Er besteht aus Bleizirkonattitanat (PZT) und hat laut Datenblatt eine Typische Kapazität von 3,2µF. Allerdings habe ich auch schon Schaltungsvarianten gesehen bei denen eine Spule zur Strombegrenzung verwendert wird. Diesen wollte ich zunächst nur mit einem Widerstand begrenzen der einfachheit zuliebe ;-D. Ob das natürlich dann funktionier ist die zweite Frage. Zunächst muss ich das ganze erst einmal mit PSPICE simulieren.

Ich hoffe das die Angaben nun follständig sind.

MfG Nutzi

Peter_TOO · 25. August 2009 um 20:10

Hallo Nutzi,

Dann wäre da noch der Punkt EMV.
Ein FET ist so schnell, dass du da noch im UHF-Band grobe
Störungen verursachen kannst.

??? Wie gesagt aus einer Messung herraus Schaltet das Bauteil
mit einer maximalen Frequenz von 100kHz. Mehr kann ich dazu
leider nicht sagen.

Keine Ahnung zu haben, schützt aber nicht vor Strafe !

Du hast da 100V und 18A, macht Spitzenleistungen im Bereich von 1.8kW.

Je steiler die Schaltflanken sind, umso kühler bleibt der FET, aber frag mal bei Herrn Fourier nach den Oberwellen nach!
Spätestens, wenn du z.B. den Polizeifunk lahm legst, bekommst du ganz dicken ärger.

Und was für eine Last willst du schalten?

Es handelt sich um einen Piezo Aktuator der sich Kapazitiv
verhält. Er besteht aus Bleizirkonattitanat (PZT) und hat laut
Datenblatt eine Typische Kapazität von 3,2µF. Allerdings habe
ich auch schon Schaltungsvarianten gesehen bei denen eine
Spule zur Strombegrenzung verwendert wird. Diesen wollte ich
zunächst nur mit einem Widerstand begrenzen der einfachheit
zuliebe ;-D.

Neben EMV, wird dein Problem hauptsächlich die Verlustleistung sein. Ein widerstand macht da eher alles komplizierter als eine Drossel…

Ob das natürlich dann funktionier ist die zweite
Frage. Zunächst muss ich das ganze erst einmal mit PSPICE
simulieren.

Wie soll eigentlich der Kondensator wieder entladen werden?
Bis jetzt hast du nach einem Schalter gefragt, welcher deinen Kondensator nach Masse schalten kann. Der andere Pol des Kondensators ist mit deinen, rund, 100V verbunden. Schaltet nun dein Schalter wieder aus, muss der Kondensator irgendwie entladen werden …

Zuerst brauchst du eine Ahnung von dem was du da machst, die Simulation kommt eigentlich erst als Überprüfung der Berechnungen!

MfG Peter(TOO)

Nutzi · 25. August 2009 um 22:27

Hallo Peter,

Keine Ahnung zu haben, schützt aber nicht vor Strafe !
Du hast da 100V und 18A, macht Spitzenleistungen im Bereich
von 1.8kW.
Je steiler die Schaltflanken sind, umso kühler bleibt der FET,
aber frag mal bei Herrn Fourier nach den Oberwellen nach!
Spätestens, wenn du z.B. den Polizeifunk lahm legst, bekommst
du ganz dicken ärger.

Deshalb möchte ich ja zunächst simulieren. Auf EMV wird dann optimiert wenn ich die Schaltung vom Prinzip her funktioniert. So wurde mir das zumindest vermittelt.

Neben EMV, wird dein Problem hauptsächlich die Verlustleistung
sein. Ein widerstand macht da eher alles komplizierter als
eine Drossel…

In diesen punkten fehlt mir die Erfahrung. Natürlich ist mir bewust das ein Widerstand Energier rein in Nutzlose Wärme verwandelt. Aber mit Strombegrenzung mit Indugtivitäten habe ich noch nie etwas gemacht.

Wie soll eigentlich der Kondensator wieder entladen werden?
Bis jetzt hast du nach einem Schalter gefragt, welcher deinen
Kondensator nach Masse schalten kann. Der andere Pol des
Kondensators ist mit deinen, rund, 100V verbunden. Schaltet
nun dein Schalter wieder aus, muss der Kondensator irgendwie
entladen werden …

Es soll mit einem Hig und nem Lowsigt schalter funktionieren. Der eine Läd den Kondensator der andere entläd ihn mit dem Wiederstand bzw. der Drossel.

Zuerst brauchst du eine Ahnung von dem was du da machst, die
Simulation kommt eigentlich erst als Überprüfung der
Berechnungen!

Naja das mit der Ahnung ist so ne sache, ich hab mich selbst mehr oder weniger ins kalte Wasser geschmissen. Grundlagenkenntnisse sind ja da aber eben wie ich das zu einem großen ganzen zusammenfüge das fehlt mir noch und das möchte ich mir mit dieser Aufgabe erarbeiten.
Ich versteh nicht was ich da berechnen soll zumindest kann man meiner Meinung nach noch nichts berechnen. Ich habe keinen passenden Halbleiter der mir das vernünftig schaltet (=> keine Dimensionierung möglich), ich habe lediglich eine Messung die mir den Strom und Spannungsverlauf am Kondensator zeigt und eine Angabe der Kapazität.

Achso noch eine bemerkungen:
Wer immer tut was er schon kann wird immer sein was er schon ist.
;-D

Aber eigentlich wollte ich doch nur wissen wie ich nen Passenden Transistor bzw Mosfet finde.

Ich möchte mich nochmal echt bedanken das du mir hilfst.

MfG Nutzi

Peter_TOO · 25. August 2009 um 23:55

Hallo Nutzi,

Deshalb möchte ich ja zunächst simulieren. Auf EMV wird dann
optimiert wenn ich die Schaltung vom Prinzip her funktioniert.
So wurde mir das zumindest vermittelt.

bei diesen Leistungen geht das nicht, da muss das Design schon entsprechenden sein.

Bei einem TTL-Signal kannst du mit einer kleinen Drossel und Kondensator etwas ausrichteten, die dabei entstehenden Verluste kann man vernachlässigen.

Wenn man bei einem 2 kW Impuls 10% der Leistung filtern muss, ist das eine andere Dimension

Es soll mit einem Hig und nem Lowsigt schalter funktionieren.
Der eine Läd den Kondensator der andere entläd ihn mit dem
Wiederstand bzw. der Drossel.

Also brauchst du für die Ansteuerung noch einen Levelshifter und die Totzeit beim Umschalten sollte man auch nicht vergessen. Du darfst nicht vergessen, dass du zuerst die Kapazität der FETs umladen musst.

Naja das mit der Ahnung ist so ne sache, ich hab mich selbst
mehr oder weniger ins kalte Wasser geschmissen.

Gut, dann lern schwimmen

Ich versteh nicht was ich da berechnen soll zumindest kann man
meiner Meinung nach noch nichts berechnen. Ich habe keinen
passenden Halbleiter der mir das vernünftig schaltet (=> keine
Dimensionierung möglich), ich habe lediglich eine Messung die
mir den Strom und Spannungsverlauf am Kondensator zeigt und
eine Angabe der Kapazität.

Du hast schon mal die grob maximale Sperrspannung.
Bei LC kreisen, muss man aber immer aufpassen, dass noch schwingungen auftreten können, was u.U. die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit verändert.

Dann brauchst du auch den maximalen Strom, den der Halbleiter überleben muss.

Dann muss man auch die auftretende Verlustleistung einschätzen.

Damit kannst du dann auf die suche nach einem passenden Typ gehen.
als nächstes muss dann das Teil auch noch lieferbar und bezahlbar sein.

Dann kannst du weiter rechnen.

Aber eigentlich wollte ich doch nur wissen wie ich nen
Passenden Transistor bzw Mosfet finde.

s.o.

Und gerade bei so einer Schaltung, wird die Simulation nicht ganz mit der realen Schaltung übereinstimmen !!

MfG Peter(TOO)

Nutzi · 26. August 2009 um 06:36

Hallo Peter,

Es soll mit einem Hig und nem Lowsigt schalter funktionieren.
Der eine Läd den Kondensator der andere entläd ihn mit dem
Wiederstand bzw. der Drossel.

Also brauchst du für die Ansteuerung noch einen Levelshifter
und die Totzeit beim Umschalten sollte man auch nicht
vergessen. Du darfst nicht vergessen, dass du zuerst die
Kapazität der FETs umladen musst.

Ok ich schau zunächst mal was ein Levelshifter ist. Das mit den Todzeiten habe ich zunächst noch garnicht berücksichtigt aber nicht vergessen. Hier kommt es aber auf die Sperrschichtkapazität des FETs an. Ich versteh das so ich such mir mehrere passende FETs raus und schaue dann welcher die kürzeste Totzeit hat.

Gut, dann lern schwimmen

Warum schwimmen wenn man auch fliegen kann

Ich versteh nicht was ich da berechnen soll zumindest kann man
meiner Meinung nach noch nichts berechnen. Ich habe keinen
passenden Halbleiter der mir das vernünftig schaltet (=> keine
Dimensionierung möglich), ich habe lediglich eine Messung die
mir den Strom und Spannungsverlauf am Kondensator zeigt und
eine Angabe der Kapazität.

Du hast schon mal die grob maximale Sperrspannung.
Bei LC kreisen, muss man aber immer aufpassen, dass noch
schwingungen auftreten können, was u.U. die Anforderungen an
die Spannungsfestigkeit verändert.

Diesen Effekt hatte ich schon in der Simulation da dort dan eine Spannung im kV bereich entstanden ist. Allerdings wo setze ich mit der Rechnung an? Resonanz? Oder mit den 100kHz und meinem C und berechne dann L?

Dann brauchst du auch den maximalen Strom, den der Halbleiter
überleben muss.

Das sollten doch dann die 18A sein? Die ich aus einer Messung ermittelt habe.

Dann muss man auch die auftretende Verlustleistung
einschätzen.

Wie mache ich das am besten? Brauche ich da nicht die Schaltverluste des FETs?

Damit kannst du dann auf die suche nach einem passenden Typ
gehen.
als nächstes muss dann das Teil auch noch lieferbar und
bezahlbar sein.
Dann kannst du weiter rechnen.

OK!

Und gerade bei so einer Schaltung, wird die Simulation nicht
ganz mit der realen Schaltung übereinstimmen !!

Das ist mir bewust.

Danke!

MfG Nutzi

Peter_TOO · 26. August 2009 um 07:51

Hallo Nutzi,

Ok ich schau zunächst mal was ein Levelshifter ist. Das mit
den Todzeiten habe ich zunächst noch garnicht berücksichtigt
aber nicht vergessen. Hier kommt es aber auf die
Sperrschichtkapazität des FETs an. Ich versteh das so ich such
mir mehrere passende FETs raus und schaue dann welcher die
kürzeste Totzeit hat.

LOL
Die Gate-Kapazität musst du berücksichtigen.
Wie schnell du die umladen kannst hängt dann aber von der Ansteuerschaltung ab.

Diesen Effekt hatte ich schon in der Simulation da dort dan
eine Spannung im kV bereich entstanden ist. Allerdings wo
setze ich mit der Rechnung an? Resonanz? Oder mit den 100kHz
und meinem C und berechne dann L?

L musst du so auslegen, dass es auf die 18A begrenzt.

Das sollten doch dann die 18A sein? Die ich aus einer Messung
ermittelt habe.

Da können auch noch Schaltspitzen auftreten.

Wie mache ich das am besten? Brauche ich da nicht die
Schaltverluste des FETs?

Klar, die hängen aber wiederum von der Ansteuerung ab
Ich habe ja „schätzen“ geschrieben. Die Grössenordnung brauchst du mal um das passende Gehäuse zu wählen und evtl. für einen Kühlkörper oder nicht.

MfG Peter(TOO)

Nutzi · 26. August 2009 um 16:53

Hallo Peter,

Zunächst ersteinmal finde ich es super wie du mir hilfst. Ich glaube das ich durch deine Tipps echt weiter komme. Dafür Danke!

LOL
Die Gate-Kapazität musst du berücksichtigen.
Wie schnell du die umladen kannst hängt dann aber von der
Ansteuerschaltung ab.

He nicht lollen ;-D
Dann schau ich eben wo die geringste Gate- Kapazität ist.

L musst du so auslegen, dass es auf die 18A begrenzt.

OK hier kümmer ich mich mal um die Berechnungen (Formel usw.). Sehr guter Tipp!

Da können auch noch Schaltspitzen auftreten.

Hmm! Und wie gehe ich mit den Schaltspitzen um oder kann ich das erst nach Aufbauen einer Testschaltung richtig einschätzen?

Klar, die hängen aber wiederum von der Ansteuerung ab
Ich habe ja „schätzen“ geschrieben. Die Grössenordnung
brauchst du mal um das passende Gehäuse zu wählen und evtl.
für einen Kühlkörper oder nicht.

Das ganze ist zunächst als Laboraufbau gedacht gehäuse ist da noch nicht fiel. Aber Kühlkörper ist höchst warscheinlich nötig!

MfG Nutzi

Nutzi · 26. August 2009 um 18:53

Hallo Peter,

Nicht wundern ich habe den Text während meiner Arbeit geschrieben. Imprenzip sind das meine gedankengänge wie ich vor gegangen bin.

L musst du so auslegen, dass es auf die 18A begrenzt.

I= U/R = U/X_L = U/(2*pi*2*f*L) => L = U/(2*pi*f*I)

Ich frage mich aber gerade was ist, wenn die Frequnz nicht die max. 100kHz annimmt dann würde der Strom ja steigen da die Frequenz imm nenner ist. Daraus schliese ich das ich hier die minimal Frequenz einsetzen muß, was ja eigentlich auch logisch ist den je länger ich den „schalter“ an lasse umso höher kann der Strom steigen.

Das würde konkret bedeuten mit 18A, 120V und 50kHz würde eine Indugtifität von 21,2µH heraus kommen.

Allerdings gelten die oben genannten formeln nicht bei einer geschalteten Gleichspannung! In der Simulation mit einer Sinusspannung kann ich auch genau die 18A messen. Aber bei einer geschalteten Gleichspannung kommt immer I = U_eff / R_Ohmisch raus. (PSPICE Simulator braucht einen Wiederstand in Reihe den ich dann mit 1m Ohm gewählt habe, mit einer Spannung von 120V PWM = 50% => U_eff = 60V. Aus den werten ermittelt giebt das einen Strom von 60kA was ich auch so simuliere)

Also brauch ich doch nen Widerstand von R = U / I = 120V / 18A = 6,7Ohm!

Hm ich bin verwirrt! Bzw. bin ich ja froh das mir das selbst auffällt! Aber weiter bin ich jetzt auch nicht.

ohman!

MfG Nutzi

thingstodo_b60bf9 · 30. August 2009 um 10:01

Bei diesen Eckdaten habe ich die Befürchtung, das hier ganz grobes Holz geschnitzt wird. An Deiner Stelle würde ich das Leuten überlassen, die da schon mal dran waren, und zwar aus folgenden Gründen

Du baust einen Sender, der auf unkontrollierbaren Frequenz sendet.
Die Leistungen mit denen Du handierst reichen aus um ein Haus zum brennen zu bringen.
Weisst Du überhaupt was Du machst, ich frage mal deshalb, weil ich denke, das man erstmal über eine vernünftige Dimensionierung der gesamten Schalteinheit nachdenken muss um teueren Schrott zu vermeiden. Die Schaltung die nach try and error Methode diese Leistungen schaltet wird mindestens einmal das Zeitliche segnen, ob sie das lautlos oder mit einem Knall tut sei mal dahingestellt.
Ich habe in der Elektronik schon einiges verbrochen, aber da würde ich mich erstmal sehr gründlich belesen.