FET statt Diode

[Mark Ise]

Hallo,

ich habe mir überlegt, dass ich mit MOSFETs ganz gut Dioden ersetzen
könnte, wenn ich ein Netzteil vor Fremdspannungen schützen will.

Ich habe mir etwas zurechtgebastelt, kann das Verhalten der Schaltung
aber nicht nachvollziehen.

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Das linke Drittel soll mein PC-Netzteil inkl. PC-Last simulieren.
In der Mitte befindet sich die "MOSFET-Diode".
Im rechten Drittel habe ich eine externe Last und eine Fremdspannung mit
25V simuliert.
Die Fremdspannung wird bei 0,7s zugeschaltet.


Problem 1:
Ohne Diode D4 funktioniert die Schaltung nicht gescheit. Wenn ich BC von
Q1 kurzschließe, dann fallen zwischen Drain und Source rund 0,6V ab.
Mit der Diode sind es nur 0,2V.


Problem 2:
Wenn V1 ausgeschaltet ist (ab 0,6s) und V2 eingeschaltet wird, dann
steigt die Drainspannung auf über 8V an.
Diese Spannung ist abhängig von R2. Je kleiner R2, desto weiter steigt
die Drainspannung.


Mache ich etwas falsch, oder kann man FETs nicht als vollwertigen Ersatz
für Dioden nehmen?


Bezeichnungen im Diagram:
V(n001) : Drainspannung
V(n002) : Sourcespannung

[Michael Koch]

Hallo,

Post by Mark Ise
Ich habe mir etwas zurechtgebastelt, kann das Verhalten der Schaltung
aber nicht nachvollziehen.

Was soll die Schaltung denn deiner Meinung nach machen?
Soll die "Diode" nichtleitend werden, wenn die Lastspannung grösser als
die Spannung des Netzteils ist?
Woher soll die "Diode" denn wissen, wie hoch die Spannung am Netzteil ist?

Gruss
Michael

[Mark Ise]

Post by Michael Koch

Post by Mark Ise
Ich habe mir etwas zurechtgebastelt, kann das Verhalten der Schaltung
aber nicht nachvollziehen.

Was soll die Schaltung denn deiner Meinung nach machen?

Sie sollte den Strom möglichst verlustfrei in eine Richtung fließen
lassen und in die andere Richtung sperren.

Post by Michael Koch
Soll die "Diode" nichtleitend werden, wenn die Lastspannung grösser als
die Spannung des Netzteils ist?

Jau.

Post by Michael Koch
Woher soll die "Diode" denn wissen, wie hoch die Spannung am Netzteil ist?

Gute Frage. Der NPN hat nur das Gate als Bezug, und merkt nichts vom
Drain. Darauf kann ich aufbauen :-)

[Marcel Müller]

Hallo,

Post by Mark Ise

Post by Michael Koch
Woher soll die "Diode" denn wissen, wie hoch die Spannung am Netzteil ist?

Gute Frage. Der NPN hat nur das Gate als Bezug, und merkt nichts vom
Drain. Darauf kann ich aufbauen :-)

ganz so einfach geht es nicht, da man ja letztlich den Strom messen
will, und nicht die Spannung.

Das mit dem p-Kanal-FET verkehrtherum ist schon mal eine gute Idee.
Die nächste gute Idee wäre, mit dem Spannungsabfall über der
Substratdiode des FETs selbiges durchzuschalten. Problem, dann ist der
Spannungsabfall weg. Die Schaltung muss also selbsthaltend sein.

Damit ergibt sich das nächste Problem: woran merkt man, dass es an der
Zeit ist, das FET wieder auszuschalten? Sprich, wann fließt ein reverser
Strom? Das kann man Versuchen, mit einem Stromdetektor zu machen, der
bei Unterschreitung eines bestimmten Stroms den FET-Treiber zurücksetzt.
Der muss aber eigentlich fast genau bei null Schalten, weil sonst das
Netzteil bei geringer Last seine Nennspannung nicht erreicht.

Daher gibt es einen Kompromiss: wenn das Netzteil konstante
Ausgangsspannung hat und der Ausgang wie üblich nicht Gegentakt ist,
dann kann man eine Überschreitung der Nominalspannung als Signal zum
Abschalten nehmen. Geringfügige überschreitungen würde man tolerieren
und dabei der Regelstufe die Trennung des Stroms überlassen.
Allerdings muss die Ausgangsspannung dazu ziemlich genau bekannt sein.
Sinnvollerweise sollte also diese Überprüfung und die Nennspannung aus
der selben Referenz gespeist werden. Damit hat man die nächste Lösung:
man verwendet eine Übersteuerung der Regelschleife als Signal zum
Abschalten des FETs.

Plan C: man verwendet den Spannungsabfall über Rdson des FETs zum
Schalten. Dazu braucht man nur einen sehr genauen Differenzverstärker.
Sinnvollerweise sollte der ein kleines Offset haben, so dass er erst ab
einer geringen Abweichung das FET durchschaltet. Damit regelt sich Uds
bei kleinen Strömen auf dieses vorgegebene Offset ein und bei großen
Strömen gibt halt Rdson den Takt an.


Marcel

[Günther Dietrich]

Post by Mark Ise
ich habe mir überlegt, dass ich mit MOSFETs ganz gut Dioden ersetzen
könnte

Ja, das geht recht gut.

[...]

Post by Mark Ise
Mache ich etwas falsch, oder kann man FETs nicht als vollwertigen Ersatz
für Dioden nehmen?

Es gibt Leute, die haben sich über dieses Thema bereits Gedanken gemacht
und verkaufen fertige ICs, die entweder nur die Steuerschaltung (z.B.
LTC4412) enthalten, oder zusätzlich auch die MOSFETs (dann meist nur für
3,3V oder 5V, selten auch für 12V zu verwenden).

Ich würde mir, nachdem ich sehr gut funktionierende ICs dafür gefunden
habe, nicht mehr die Mühe machen, das selbst entwickeln zu wollen.



Grüße,

Günther

[Dirk Ruth]

Mark Iseschrieb:
"

Post by Mark Ise
Hallo,
ich habe mir überlegt, dass ich mit MOSFETs ganz gut Dioden ersetzen
könnte, wenn ich ein Netzteil vor Fremdspannungen schützen will.
Ich habe mir etwas zurechtgebastelt, kann das Verhalten der Schaltung
aber nicht nachvollziehen.
http://www.picture-hoster.de/bild.php/5028,temp8672NZ0T.png
Das linke Drittel soll mein PC-Netzteil inkl. PC-Last simulieren.
In der Mitte befindet sich die "MOSFET-Diode".
Im rechten Drittel habe ich eine externe Last und eine Fremdspannung mit
25V simuliert.
Die Fremdspannung wird bei 0,7s zugeschaltet.

Du bist dir im klaren, dass das ein p-Kanal MOSFET ist und der Strom
vom Source zum Drain fließt?

Post by Mark Ise
Ohne Diode D4 funktioniert die Schaltung nicht gescheit. Wenn ich BC von
Q1 kurzschließe, dann fallen zwischen Drain und Source rund 0,6V ab.
Mit der Diode sind es nur 0,2V.

In der Schaltung leitet da nur die Body-Diode von M1.

Post by Mark Ise
Wenn V1 ausgeschaltet ist (ab 0,6s) und V2 eingeschaltet wird, dann
steigt die Drainspannung auf über 8V an.

Jetzt wird der FET leitend.
Es fließen also 8A durch R6. Die 8A passen in etwa zu den 1,3V Ugs (s.
Datenblatt S.3 links unten).

Post by Mark Ise
Diese Spannung ist abhängig von R2. Je kleiner R2, desto weiter steigt
die Drainspannung.

Welche Größenordnung?
Wenn der Strom durch Q1 größer wird, dann steigt auch die
Sättigungsspannung von Q1 (was ist das für ein Transistor?) und damit
die Ugs und damit der Strom durch den FET und damit dir Drainspannung.

Post by Mark Ise
Mache ich etwas falsch, oder kann man FETs nicht als vollwertigen Ersatz
für Dioden nehmen?

Ich verstehe die Schaltung nicht.

Dirk

[Matthias Weingart]

Post by Mark Ise
http://www.picture-hoster.de/bild.php/5028,temp8672NZ0T.png

Die Schaltung unten hat sich bewährt - auch von den Timings her (verschied.
Lasten). Ist zwar für N-Fet's (d.h. klemmt die Masse ab), lässt sich aber
sicher auch auf P-Fets umändern.
Funktion: schaltet bei Verpolung ab und auch bei Überspannung (dann soweit
wie die FET's standhalten)

M.

"protector.asc"

Version 4
SHEET 1 1684 1700
WIRE -64 80 -160 80
WIRE 32 80 -64 80
WIRE 80 80 32 80
WIRE 208 80 80 80
WIRE 432 80 208 80
WIRE 592 80 432 80
WIRE -64 96 -64 80
WIRE 32 112 32 80
WIRE 80 112 80 80
WIRE 432 112 432 80
WIRE 592 128 592 80
WIRE 688 128 592 128
WIRE -160 144 -160 80
WIRE 592 160 592 128
WIRE 208 176 208 160
WIRE 320 176 208 176
WIRE 688 176 688 128
WIRE 32 208 32 176
WIRE 80 208 80 192
WIRE 80 208 32 208
WIRE 432 208 432 192
WIRE 432 208 352 208
WIRE 480 208 432 208
WIRE 208 224 208 176
WIRE 432 224 432 208
WIRE 352 240 352 208
WIRE 80 272 80 208
WIRE 320 272 320 176
WIRE 592 288 592 240
WIRE 688 288 688 240
WIRE 688 288 592 288
WIRE 32 336 32 208
WIRE 480 336 480 208
WIRE -160 384 -160 224
WIRE -48 384 -160 384
WIRE 80 384 80 336
WIRE 80 384 48 384
WIRE 208 384 208 304
WIRE 208 384 80 384
WIRE 352 384 352 304
WIRE 352 384 208 384
WIRE 432 384 432 304
WIRE 432 384 352 384
WIRE 464 384 432 384
WIRE 592 384 592 288
WIRE 592 384 560 384
WIRE -160 400 -160 384
WIRE 208 400 208 384
FLAG 208 400 0
FLAG -160 80 in
SYMBOL res 576 144 R0
SYMATTR InstName Rload
SYMATTR Value .033k
SYMBOL voltage -160 128 R0
WINDOW 123 24 132 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
WINDOW 3 30 85 Invisible 0
SYMATTR Value PWL(-100 12 0 -20 10m 100 20m 12 22m 12 22.001m 100 22.1m 12
23m 12 23.001m -100 23.1m 12)
SYMATTR InstName V2
SYMBOL res 448 96 M0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 22k
SYMBOL res 224 208 M0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res 192 64 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 120k
SYMBOL nmos -48 336 M90
SYMATTR InstName M1
SYMATTR Value FDS3812
SYMBOL nmos 560 336 R90
SYMATTR InstName M2
SYMATTR Value FDS3812
SYMBOL tl431 352 272 M0
WINDOW 3 9 32 Left 0
WINDOW 0 42 2 Left 0
SYMATTR InstName U2
SYMBOL res 448 208 M0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 33k
SYMBOL cap 672 176 R0
SYMATTR InstName Cload
SYMATTR Value 100n
SYMBOL res 64 96 R0
SYMATTR InstName R6
SYMATTR Value 200k
SYMBOL cap 48 112 M0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 10n
SYMBOL zener 64 336 M180
WINDOW 0 24 72 Left 0
WINDOW 3 24 0 Left 0
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value BZX84C12L
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
TEXT -120 296 Left 0 !.tran 25m
TEXT -144 8 Left 0 ;TL431 gut bis 36V; 120k/10k=31.86V; Vgs bis auf 0.9V
runter und max 20V