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Arduino Uno + MOSFET
26.11.2013, 12:48
Beitrag #1
Arduino Uno + MOSFET
Hallo Leute,

ich bin noch relativ neu hier im Forum und möchte meine Kenntnisse, die ich vor ca. 1 Jahr mit einem Arduino Uno sammeln durfte erweitern.

Dazu möchte ich einen 10,8 V oder 12 V Akku mit einem MOSFET bzw. Digital Pin vom Arduino an das Gate eines MOSFETs schalten. Ziel ist es damit einen Motor zu steuern, der auch mal 6 A ziehen wird.

Ich habe auf der folgenden Seite eine Quelle dazu gefunden, dass es wohl möglich ist:
http://www.cyberniklas.de/workshops/weim...uerung.pdf
(im unteren Teil wird mit einem 12V Akku gearbeitet, im Text wird auf MOSFETs verwiesen wegen der schnelleren Schaltzeiten. Den elektronischen Schalter zur Geschwindigkeitsregelung würde ich entfernen und die Geschwindigkeit und Richtung nur mit PWM an den MOSFETs steuern.)

Nun habe ich auch gelesen (http://www.mikrocontroller.net/articles/...erkungen), dass u.U. MOSFET Treiber eingesetzt werden müssen???

Meine Frage ist nun also: Kann ich meinen Arduino mit Digital Pins (PWM) auch direkt an das Gate eines MOSFETs schließen bzw lediglich noch ein Widerstand zwischen Pin und Gate löten?
Der Arduino liefert an den DigitalPins 5V und 40mA
Welcher MOSFET würde hier in Frage kommen um 10,8V oder 12 V Akkuspannung und evtl. 6A mit einem MOSFET nicht zwingend im ns, aber ms Bereich zu schalten?

Schonmal vorab vielen Dank Smile
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26.11.2013, 17:37
Beitrag #2
RE: Arduino Uno + MOSFET
Hallo rik, ja, das kannst du machen. Im einfachsten Fall nimmst du einen N-Kanal-Anreicherungstyp (meist gebräuchlich) und schaltest den Minuspol. Dabei gilt es zu beachten, dass der Gatewiderstand nicht zu klein werden sollte, um den MCU-Ausgang nicht zu stark zu belasten, aber auch nicht zu groß, weil der Schaltvorgang sonst unnötig lange dauert. Die Leistungs-FETs haben recht ordentliche Eingangskapazitäten und teilweise auch eine ordentliche Rückwirkung des Drainstroms auf das Gate, wie ich festgestellt habe. Der optimale Wert wird irgendwo zwischen 100R und 1k liegen, je nach Typ.

Gruß, Stefan . . . . . . //Wo mein Kölbchen dampft, da bin ich unverkrampft.
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26.11.2013, 18:07
Beitrag #3
RE: Arduino Uno + MOSFET
Hey Stefan,

vielen Dank für deine schnelle Antwort. Smile
Ich habe nun etwas rum gerechnet und mein Akkuschrauber verbraucht möglicherweise auch mal 10 oder 12 A. Sollte so ja auch kein Problem sein einen geeigneten MOSFET zu finden.
Leider habe ich mich mit derartiger Teilebeschaffung (MOSFETs) noch nie beschäftigt.
Ich würde also laienhaft z.B. diesen MOSFET wählen:
http://www.conrad.de/ce/de/product/15133...archDetail

Er verkraftet 50V und 30A, was wohl ausreichend sein sollte für mein Vorhaben (10,8V Akku und der der Motor (Akkuschrauber) verbraucht u.U. 10 oder 12 A)
Worauf ist jetzt weiterhin zu achten, ob ich mit einem Digital Pin direkt bzw mit Widerstand an mein Gate kann?

Liegt es an der Gate Threshold Voltage, die bei 2,1 , 3 bzw max 4 V liegt?
Was sagt das aus? Dass ich mindestens 1 V durch einen Gate Vorwiderstand "wegmachen" muss?

Gibt es auch eine Angabe im Datenblatt, ob meine 40mA Strom vom Digital Pin hier auch ausreichen für das Schalten des MOSFETs? Worauf ist da zu achten?

Vielen Dank im Voraus Smile

(26.11.2013 17:37)Stefan schrieb:  Hallo rik, ja, das kannst du machen. Im einfachsten Fall nimmst du einen N-Kanal-Anreicherungstyp (meist gebräuchlich) und schaltest den Minuspol. Dabei gilt es zu beachten, dass der Gatewiderstand nicht zu klein werden sollte, um den MCU-Ausgang nicht zu stark zu belasten, aber auch nicht zu groß, weil der Schaltvorgang sonst unnötig lange dauert. Die Leistungs-FETs haben recht ordentliche Eingangskapazitäten und teilweise auch eine ordentliche Rückwirkung des Drainstroms auf das Gate, wie ich festgestellt habe. Der optimale Wert wird irgendwo zwischen 100R und 1k liegen, je nach Typ.
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27.11.2013, 09:57
Beitrag #4
RE: Arduino Uno + MOSFET
nein, Spannungsabfall musst du nicht produzieren, aber ihn ordentlich in die Sättigung fahren, du brauchst aber, je nach Charge und Drainstrom eine Gatespannung in dieser Höhe. Dabei wirkt sich die Eingangskapazität ungünstig aus, die im nF-Bereich liegt und dir bei zu hohem Vorwiderstand die Flanken versaut. Den BUZ würde ich nicht empfehlen, das ist ein Uraltteil. Heute liegen wir beim RDS_on deutlich besser. Sieh dir mal den IRF3205 an, der wird viel eingesetzt und kostet auch ca. eine Währungseinheit. Um den anzusteuern brauchst du höchstens 3mA, also keinen zusätzlichen Treiber. Der Gatewiderstand sollte dann so bemessen sein, dass er bei den Flanken unter 40mA bleibt, also min. 150R haben.

Gruß, Stefan . . . . . . //Wo mein Kölbchen dampft, da bin ich unverkrampft.
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27.11.2013, 11:24 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 27.11.2013 11:59 von rik1234.)
Beitrag #5
RE: Arduino Uno + MOSFET
Hey Danke für die Info,

damit hast du mir schonmal sehr viel weiter geholfenSmile

Außerdem würde ich gerne wissen, ob ich auch über einen Pin des Arduinos 2 Gates beschalten kann, wie oben im ersten Post gezeigt auf der Seite:
http://www.cyberniklas.de/workshops/weim...uerung.pdf
Denn Ströme teilen sich ja parallel auf, was zu 6 mA führen würde - also kein Problem. Wenn ich aber mit dem Gatewiderstand auf die minimale Gate Threshold Voltage von 2V hinaus will, muss ich quasi 3V eliminieren. Bei 150R wären das schon 20mA pro Gate - beide parallel und ich wäre damit bei 40 mA und der Stromgrenze des Arduinos? Sind die Gedanken richtig?

Kannst du mir noch sagen wo ich die 3mA im Datenblatt finde bzw. welche Bezeichnung sie trägt?

Mal eine Frage aus Interesse. Ab wann bzw. unter welchen Umständen müsste ich denn einen MOSFET Treiber einsetzen wenn mein Arduino in dem Fall auch am Gate hängt?

Vielen Dank Smile
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27.11.2013, 16:07
Beitrag #6
RE: Arduino Uno + MOSFET
die 3mA wirst du in keinem Datenblatt finden, denn der FET gilt als spannungsgesteuert, einen Gleichstromverstärkungsfaktor wie bei einem bipolaren Kollegen gibt es nicht. Mit derart hohen Gate-Dauerströmen hatte ich nicht gerechnet, sie sind auch nirgendwo angegeben. Zu erklären ist das nur als Rückwirkung des Drainstroms auf die Gate-Source-Strecke, denn dieser Strom steigt, im Gegensatz zum Basisstrom, mit dem Drainstrom deutlich an. Einen Gatetreiber wirst du wohl nur brauchen, wenn du ihn z.B. mit einem OP-Amp ansteuern willst. Die Atmel-MCU-Ports können das im üblichen Laststrombereich < 30A direkt, jedenfalls wenn es nicht auf die allerschnellsten Schaltvorgänge ankommt.

Gruß, Stefan . . . . . . //Wo mein Kölbchen dampft, da bin ich unverkrampft.
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27.11.2013, 23:00 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 28.11.2013 01:34 von rik1234.)
Beitrag #7
RE: Arduino Uno + MOSFET
OK vielen Dank Smile,

Meine folgenden Fragen beziehen sich auf folgendes Datasheet: http://www.produktinfo.conrad.com/datenb...F3205Z.pdf

In dem Datasheet steht auch auf Seite 1 eine für mich wichtige Frage zum Verständnis. Hier sind 3 Id angegeben mit 110 bis 75 A. Hier steht allerdings eine VGS von 10V bei. Heißt das ich muss doch 10V an mein Gate schließen? Mein Arduino liefert wie gesagt nur 5V

Eine weitere Verständisfrage ist, in Fig 1 auf der Seite 3 kann man laut kennlinie mit 8V am Gate wohl 10 V und ca. 500A zwischen Drain und Source schalten - also 5000W. Wenn man bedenkt, dass die Power Dissipation bei 170W liegt müsste der MOSFET doch lange kaputt sein? Macht die Darstellung dieser Kennlinie an der Stelle überhaupt Sinn oder habe ich einen Denkfehler?

Nun hat man mir gesagt, dass ich doch einen MOSFET Treiber verwenden soll(evtl. motiviert durch die dargestellte Kennlinie in Fig.1 und der schaltbaren Leistung bei mehr als 5V am Gate), weil im folgenden Datenblatt auf Seite 3 Fig.3 auch z.B. 8V mit 500 A schaltbar sind.
Stimmt das? Ich meine Id ist ja mit 75 A angegeben.
http://www.produktinfo.conrad.com/datenb...F3205Z.pdf
Ein anderes Beispiel, was allerdings technisch möglich wäre: mit 5,6V Gatespannung 75A schalten laut Fig. 3 - der Arduino liefert aber maximal 5V.
Ich soll nun einen MOSFET Treiber heraussuchen.
Worauf muss ich da achten?


Eine 4. Frage wäre:
Ich habe ausgerechnet, dass ich ein Kühlblech benötige und habe auch die K/W ausgerechnet. Kann ich auch mehrere (in meinem Fall 8 MOSFETs des Typs IRF3205Z an ein Kühlblech montieren? Werden hierbei die K/W der MOSFETs addiert?
Wo kann ich solche Kühlbleche in geeigneter Größe bestellen? Das Gehäuse der MOSFETs ist ein TO-220.

Vielen Dank im Voraus



(27.11.2013 16:07)Stefan schrieb:  die 3mA wirst du in keinem Datenblatt finden, denn der FET gilt als spannungsgesteuert, einen Gleichstromverstärkungsfaktor wie bei einem bipolaren Kollegen gibt es nicht. Mit derart hohen Gate-Dauerströmen hatte ich nicht gerechnet, sie sind auch nirgendwo angegeben. Zu erklären ist das nur als Rückwirkung des Drainstroms auf die Gate-Source-Strecke, denn dieser Strom steigt, im Gegensatz zum Basisstrom, mit dem Drainstrom deutlich an. Einen Gatetreiber wirst du wohl nur brauchen, wenn du ihn z.B. mit einem OP-Amp ansteuern willst. Die Atmel-MCU-Ports können das im üblichen Laststrombereich < 30A direkt, jedenfalls wenn es nicht auf die allerschnellsten Schaltvorgänge ankommt.
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28.11.2013, 12:54
Beitrag #8
RE: Arduino Uno + MOSFET
nein, du brauchst keine höhere Spannung am Gate als 5V. Diese ist aber zulässig und bei höheren Strömen auch notwendig, samt Treiber. Die Affenströme von bis zu 500A sind im Pulsbetrieb durchaus möglich, dann muss aber höllisch aufgepasst werden, um die safe operating area nicht zu verlassen. Mache dir für deinen Anwendungsfall mal nicht allzuviele Sorgen. Ordentlich durchgesteuert fallen da gerade einmal 850mW Verlustleistung an, für die ein ganz kleiner Kühlkörper eingesetzt werden kann - oder auch nicht.

Gruß, Stefan . . . . . . //Wo mein Kölbchen dampft, da bin ich unverkrampft.
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