Version 1.2

Nachdem es ja doch einige gute Guides zu diesen Schaltungen gibt möchte ich doch mal ein paar Worte dazu loswerden, nachdem ich mich intensiv mit diesem Thema beschäftigt habe.

Nehmen wir uns mal die ganz primitive Schaltung mit den zwei Widerständen (100 Ohm und 30kOhm) und dem IRF1404.

Schauen wir uns zuerst einmal die prinzipielle Funktionsweise eines Mosfets an: beim anlegen einer Spannung an das Gate wird die Drain-Source Strecke leitend.
Wie gut leitend der Fet wir hängt von drei Dingen ab: Vom Fet selbst, von der angelegten Spannung und von der Temperatur.

Bei einem Blick ins Datenblatt sehen wir beim IRF1404, dass dieser bei 25°C und einer Gatespannung von 10V einen Widerstand von max. 0,004Ohm besitzt.
Nur wer benutzt schon einen Akku mit 10V ? Typisch sind ja:

Lipo mit 2 Zellen: Nennspannung: 7,2V Ladeschlussspannung: 8,4V Entladeschlussspannung: 6,4V
Lipo mit 3 Zellen: Nennspannung: 11,1V Ladeschlussspannung: 12,6V Entladeschlussspannung: 9,6V
NiMH mit 7 Zellen: Nennspannung: 8,4V Ladeschlussspannung: 9,8V Entladeschlussspannung: 6,3V
NiMH mit 8 Zellen: Nennspannung: 9,6V Ladeschlussspannung: 11,2V Entladeschlussspannung: 7,2V
LiFePo mit 3 Zellen: Nennspannung: 9,9V Ladeschlussspannung: 10,8V Entladeschlussspannung: 7,5V

Da man sich im allgemeinen zwischen Ladeschluss- und Entladeschlussspannung bewegt sieht man, dass die Spannung recht stark schwankt.
Allerdings haben Lipo und Lifepo eine gute Spannungslage und brechen erst gegen Schluss ein wohingegen bei NiMH die Spannung schon früher abnimmt.

Um aber wieder auf das ursprüngliche Thema zurück zu kommen: Da im allgemeinen nach dem Verbau eines Fets auch ein schwächerer Akku verwendet werden kann rechne ich im
folgenden Beispiel mit einem 7 zelligen NiMH.
Nennspannung liegt bei 8,4V unter Last dürfte dieser dank des Innenwidestands etwas einbrechen, sagen wir auf 8V beim Blick ins Datenblatt sehen wir nun Fig. 1.
Das Schaubild zeigt uns wie viel Strom bei 25°C und einer bestimmten Gate- und Drain-Sourcespannung fließen kann. Bei 8V sehen wir dass es 500A sind. mit dem Ohmschen Gesetz können wir den Widestand berechnen:

8V/500A=0,016Ohm also nicht wie oben angegeben 0,004Ohm sondern das vierfache!

Für Fig. 2 (bei 175°) können wir den selben Spaß machen und landen wieder bei 0,016Ohm. Prinzipell steigt bei steigender Temperatur auch der Widerstand des Fets, gleichzeitig sinkt allerdings die Gatespannung die der Fet benötigt.

Das hierbei der gleiche Widerstand für den kalten als auch für den warmen Zustand raus kommt ist Zufall und muss nicht immmer so sein! Wenn man die angegebene Gatespannung von 10V anlegt kann man den Widerstand mit Hilfe des Schaubildes Fig. 4 berechnen.

So nachdem wir den Widerstand abgeschätzt haben kommen wir zu der Strombelastbarkeit: im Datenblatt stehen 202A bei 25°C und einer Gatespannung von 10V aber mit der Anmerkung, dass das Gehäuse den Strom auf 75A limitiert.
Allerdings werden wir auch keine 75A vernünftig schalten können!
Limitierend ist in diesem Fall die Temperatur!!!
Ohne Kühlkörper hat der Fet einen Wärmewiderstand von 62°C/W. Das heißt bei einer Umgebungstemperatur von 25°C können wir max. 2,4W am Fet verbraten (die max. Chiptemperatur beträgt 175°C; 175°C-25°C=150°C; 150°C/62°C/W ergibt ungefähr 2,4W).
Nach P=U*I und der abfallenden Spannung U=R*I folgt daraus P = R*I² nach I aufgelöst: I=sqrt(P/R) für unser Beispiel 12A.
Da manche Leute noch so charmant sind und ihrem Fet nen Schrumpfschlauch spendieren düfte in diesem Fall der Wärmewiderstand noch höher sein und damit der ertragbare Dauerstrom darunter liegen.

Leider ist eine Airsoft ja kein statisches System sondern der Fet muss auch an und aus schalten und an dem Ding hängt ja noch eine induktive Last.

Aber alles nach der Reihe:

Das anschalten: Das Gate besitzt eine Kapazität, wie ein Kondensator. Daraus folgt, dass wir eben diesen Kondensator laden müssen. Allgemein gilt, dass ein Kondensator nach 5Tau aufgeladen ist.
Tau= R*C hier also 100Ohm für C benötigen wir Fig. 6 mit C=Q/U folgt C ungefähr 14nC Tau= 1,4µs heißt das Gate ist nach 7µs geladen in dieser Zeit treten größere Verluste auf, da der Fet noch nicht voll durchgeschaltet hat aber
praktisch den kompletten Strom (der Anlaufstrom eines Motors kann durchaus einem vielfachen des im Betriebs auftretendem Strom betragen) durchlässt. Der 100Ohm Widerstand muss hier eine kurzzeitige Maximalbelastung von 0,64W wegstecken
(zur Erinnerung: es handelt sich meistens um einen 0.25W Widerstand) der dann von manchen noch in einen schönen Schrumpfschlauch gesteckt wird und zwar genau an der Stelle wo er nicht leitet.....

Kommen wir aber nun zu einem viel entscheiderendem Punkt dem Ausschalten:
Hier gilt wieder die Formel Tau=R*C mit einem R von 30000 heißt der Kondenssator ist erst nach 2,1ms entladen.... Die genaue Verlustleistung lässt sich schwer abschätzen, da hier vieles Temperaturabhängig ist,
allerdings lässt sich sagen, dass sie höher als im statischen Betrieb ist.

Was noch hinzu kommt ist die Tatsache, dass es sich bei einem Motor um eine induktive Last handelt. Sprich der Strom will weiterfließen, kann dies aber nicht da der Fet nix mehr durchlässt, da durch entsteht ein Spannungsgefälle
und die im Fet verbaute Diode wird durch den Lawineneffekt leitend und muss die Energie die in der "Spule" vorhanden ist abbauen, dabei entstehen recht große Verlustleistungen im Fet (abhängig vom Strom der zum Ausschaltzeitpunkt fließt).
Die Supressodiode verheizt diese Energie einfach, während die Freilaufdiode die Energie mit minimalen Verlusten den Motor abbauen lässt.

So kommen wir mal zu den Lösungsmöglichkeiten:

Grundsätzlich würde ich behaupten, dass die meisten Fets einen Hitzetod sterben wenn sie denn versagen.
An dieser Stelle könnte man einen Kühlkörper verbauen, selbst ein kleiner Kühlkörper kann da schon einiges an Hitze wegtransportieren. Natürlich kann man den Fet auch iwo gegen den Body verschrauben (eine Glimmerscheibe oder Wärmeleitfolie zur Isolation (elektrisch) würde ich dringend empfehlen).
Eine bessere Mosfetauswahl! Mittlerweile gibt es Fets die dem Irf1404 oder Irf3703 haushoch überlegen sind also diese bitte nicht mehr empfehlen!!!
Im TO220 Gehäuse wären das z.B.:

IRFB 7430pbf

(Momentan mein Favorit in diesem Gehäuse) bei Reichelt auch recht günstig zu bekommen.

AUIRFB8409 (wohl identisch zum IRFB7430pbf aber schwerer zu beschaffen)

PSMN1R5-40PS (Empfehlung für 3+ zellige Lipos)

PSMN1R6-30PL(leider für die Allgemeinheit schwer zu beschaffen, aber bestens geeignet! besonders für 2+ zellige Lipos und NiMH), wenn es noch günstiger sein muss: 

PSMN1R8-30PL (Sieger bei Preisleistung!)

Im To247 Gehäuse:

IRFP7430PBF

Sonstige Gehäuse (für Platinen):

AUIRFS8409-7P (absoluter Favorit)

Weitere Möglichkeit Verluste zu reduzieren ist die Ansteuerung der Fets:
Grundsätzlich sollte der Widerstand am Gate möglichst klein sein, allerdings steigt damit auch der Peak den der Widerstand ertragen muss! Den Widerstand auf Peak aus zu legen macht auch keinen Sinn, da gibts wohl noch etwas Bedarf um das empirisch zu ermitteln.
Zweite Möglichkeit wäre den Widerstand komplett weg zu lassen, dies könnte aber zu EMV-Problemen führen und ist außerdem nur bei Fets mit internem Widerstand (im Datenblatt RG bzw. Internal Gate Resistance; hier bitte darauf achten, dass bei Coditions keine Frequenz angegeben ist ansonsten dürfte es auch nicht möglich sein).
Nachteil ist außerdem, dass die Switch Unit wieder stärker beansprucht wird.

Gleichzeitig sollte man den Widerstand von Gate nach Source verringern. Die 30kOhm halte ich für deutlich zu viel... 5kOhm sollte man als Maximum ansehen. Allerdings sollte man unter diesem Wert (eig. grundsätzlich) eine Freilaufdiode (meine Empfehlung: SBX3040 ; beim großen C zu bekommen und sollte auch dem größten Tuning standhalten)) parallel zum Motor montieren.
Das entlastet die Diode des Fets. Gleichzeitig kann man an dieser Stelle auch noch einen 100nF Kondensator zum entstören des Bürstenfeuers parallel einlöten.
An dieser Stelle ist noch an zu merken, dass der Gate-Source doch deutlich größer als der Gatewiderstand sein sollte, da ansonsten die Schaltung nicht funktioniert.

Königsweg an dieser Stelle ist natürlich ein Mosfet Treiber (Schaltleistung über die Switch minimal, kaum ESD Probleme, allerdings kann es durch die benötigten Kondensatoren zum Lipo Blitz an den Steckern kommen; dem kann mit geeigneten Maßnahmen aber einfach entgegen gewirkt werden). (falls gewünscht gibts dafür auch noch Bauteilvorschläge und einen Schaltplan).

Für den Fall, dass schon im statischen Betrieb die Verluste zu groß sind, kann man natürlich auch Fets paralell schalten, hierbei reduziert sich die Verlustleistung mit dem Faktor (1/n^2) im Vergleich zu einem einzelnen Fet, wobei n die Anzahl der Fets ist.

Puhh ist doch schon etwas länger geworden als gedacht und dabei sind noch nicht alle Informationen drin, die ich drin haben wollte, den Guide werd ich immer mal wieder aktualisieren und dann auch auf die active braking Schaltung eingehen...
Ansonsten immer her mit Kritik und Verbesserungsvorschlägen!

was wäre wenn ich in der Schaltung paar Kondensatoren mit Einbaue um die Anfangsspannung des Akkus gleich zuhalten, also Einbrüchen entgegen zu wirken?

Ich folgende Werte beisteuern um deine Überlegung zur Gatespannung zu stützen:

• 9,6V NiMh, 1,6Ah bricht auf 5V während des Schusses ein.
• 7,4V, 1,4Ah, 20C auf 6V
• 11,1 2Ah 20C auf 7V

Ferner spielt sich die ,,Lastphase" im Bereich von <100ms ab

Ich kann dich gerne mit Oziaufnahmen füttern wenn es Dir zur genaueren Analyse hilft.

Die meisten FETs sterben tatsächlich durch Hitze, allerdings trägt die AS-typische Verabeitung mehr dazu bei, als der Widerstand des FETs ; )

@Edit, deine Betrachtung bezieht sich aber auf eine völlig überholte Schaltung - Mich würde deine Beurteilung des Standard AB-Mosfets interessieren.

Warum überholte Schaltung? habe von AB auf normales Fet gewechselt da ich so eine Federvorspannung habe. andere Wollen kein AB wegen Bürstenfeuer was den Verschleiß/die Verschmutzung erhöht

Allererst mal, Respekt für deine Leistung! Auch wenn es sicherlich nur die wenigsten verstehen werden/wollen, find ich es super das du dir die Mühe gemacht hast!

Ich hätte da noch was, was vielleicht nützlich sein könnten...

(Auch wenn ich nicht mehr weiß was es genau für einem Fet war)
- Einem statischen versuch ergab, das wenn die Spannung am Gate, 1,27 fach höher ist als die zu schaltende Source-Drain Spannung, der Widerstand des Fets auf unter 1mOhm viel (im Datenblatt, waren 5mOhm als Minimum aufgelistet).

Is allerdings etwas schwierig das ganze in ner Airsoft um zu setzen...
Aber sollte nur heißen das es möglich ist auch geringere Widerstandswerte zu erreichen als die die im Datenblatt verzeichnet sind....

@streik:

Das Problem liegt eher nicht darin, dass die Akkuspannung einbricht, sondern darin, dass ein Fet verwendet wird, dass selbst bei Nennspannung noch nicht richtig aufmacht.

Mit einem Kondensator im Stromkreis holste dir wie gesagt das Problem mit dem Kontaktabbrand beim Zusammenstecken von der ASG und dem Akku ins Haus. Zum anderen dürfte es eng werden, einen Kondensator unter zu bringen der den Anlaufstrom aushält und in dem genug Energie gespeichert ist, damit auch wirklich ein Effekt auftritt.

Zum anderen kann man das Geld (und den Platz) dann auch gleich in einen besseren Akku mit kleinerem Innenwiderstand investieren.... bzw. gleich in ein geeignetes Mosfet mit weniger Mehrkosten investieren.

@cipher:

Die Osziaufnahmen wären auf alle Fälle interessant! Wobei da auch wieder das Problem sein dürfte, dass da viel vom Setup abhängt.(Hier wird meiner Meinung nach auch ein Fehler gemacht, der aber einen eigenen Thread wert ist.)

Zur AS-typischen Verarbeitung schrieb ich ja schon was: Zu große Widerstände, keine Freilaufdiode, dann noch alles schön in Schrumpfschlauch eingepackt und natürlich kein Kühlkörper.... [ironie]aber Hitzetechnisch sind die ja nicht tot zu kriegen,das ist der böse ESD[/ironie] schade, dass Niemand das Gate vor statischer Aufladung schützt....

Mit der Statndard AB-Schaltung halte ich vor allem eins: Abstand. Wieso? Nunja mir läuft ein kalter Schauer über den Rücken, wenn ein n-channel und p-channel Mosfet so angesteuert werden.

@Gh0sTk!lL:

Danke, das erste Lob, da freut man sich doch.

Interessant, allerdings ist die Info ohne den benutzten Chip nicht so viel Wert. Bei Dingen die im Datenblatt nicht drin stehen, kann vieles passieren xD...

Eine Schaltung, die die Spannung hoch regelt gehört zu den Basics.... und die Schaltung bringt mich mit der Idee die Spannung mit Kondensatoren oben zu halten auf eine Idee...

@Clamant: Auf theoretischer ET Ebene stimme ich Dir voll zu! Die praktische Anwendung zeigt aber auch das die 0815-AB/4-Bauteilschaltung durchweg überlebensfähig ist - sofern die Bauteile beim Verarbeiten nicht direkt über den Jordan geschickt werden und die Airsoftwaffe funktioniert. Auch wenn ich mit dieser Aussage nur in den eigenen Teller blicke, mir ist noch keins abgeraucht und wir haben nicht gerade wenig Kniften im Team ; )

Es gibt bereits ,,open source Schaltungen" die ET Gesichtspunkte umsetzten. ImHO leider nicht ohne SMDs ordentlich und wirtschaftlich umzusetzten. Eine 50€ Schaltung geht auch nach Hause wenn das Pinion Gear die Leitung abfrisst xD zB: http://extreme-fire.com/SW-AB-LONG-Description.pdf

Du kannst mir gerne deine ,,Lieblingsmessschaltung" zukommen lassen, kann ich dann gerne umsetzten. Bisher genügte mir eine einfache Shuntmessung um ein Gefühl für die Dinge zu bekommen die bei einem Schuss ablaufen.

@cipher:

Mit Fehler meinte ich keinen Messfehler! So anmaßend bin ich nicht ganz im Gegenteil, jemanden der mit einem Oszilloskop umgehen kann halte ich für absolut kompetent.

Mit Setup meinte ich die Abstimmung Akku, Motor und Gears (dann halt doch hier):

Allgemein limitiert die Baugröße das Drehmoment eines Motors.

Elektrisch gesehen ist Die Leitung P=U*I.

Mechanisch gesehen ist die Leistung auch P=M*Omega

dabei entspricht M dem Drehmoment und Omega der Kreisfrequenz.

Bei unseren Motoren gilt: M=k*I (k ist eine Maschinenkonstante)

Daraus folgt, dass mit der Größe des Motors das maximale Drehmoment feststeht.

Meiner Meinung nach wäre die bessere Möglichkeit, größere Tunings um zu setzen, Gears mit größerem Übersetzungsverhältnis und ein schnellerer Motor (größere Spannung, kleinerer Strom) ewin zu setzen. Damit hätte man die gleiche Leistung die elektrischen Komponenten schonen würde....

Prinzipiell ist die AB-Schaltung keine schlechte Idee, allerdings kommt es kurzzeitig zum Kurzschluss (je mehr Strom der Akku liefern kann desto schlimmer ist es). Diesen Effekt kann man mit der richtigen Widerstandswahl minimieren oder sogar eleminieren, aber(!) das müsste man für jeden Akkutyp und für jede Mosfetkombination einzeln machen. Deshalb halte ich von der Schaltung fürs erste Abstand.... Diejenigen die es interessiert haben oben die nötigen Informationen um das selbst zu tun, die anderen müssen sich gedulden oder können mir auch ne PN schicken.

Hi Clamant,

Ich verfolge diesen Thread, wie einen Spannenden Thriller, denn die Standard Mosfet Schaltung ist mir schon länger nicht mehr effizient genug für mein System. Kannst du in diesem Thread mal eine Schaltzeichnung von Dem Standard Mofest mit der Schutzdiode und dem Kondensator hochladen? Ich bin leider noch nicht auf dem technischen Level von dir, daher liegt es mir schwer eine Schaltung aus dem Text zu entwerfen.

Ich danke dir schon einmal im Vorraus :-)

Beste Grüße,

Dennis

So da hätten wir die Schaltung!

Ein großes Danke an mop für die anschauliche Darstellung!

@cipher:

Waren die Akkus zu dem Zeitpunkt vollgeladen?

Die 5V beim NiMH find ich da fast schon kritisch, so kritisch, dass man da besondere Maßnahmen ergreifen sollte:

Eine Möglichkeit wäre, eine Diode (Bat48) an einen Kondensator (mind. 470µF, mind 16V) zu hängen und damit dann das Gate zu schalten. Gegen den Lipoblitz sollten dann solche Stecker vorbeugen(Die Stecker die man dann evtl für mehrere Akkus braucht, sind dann zum Glück deutlich günstiger).

Richtig schockiert haben mich dann aber die 7V vom Lipo, hättest du da noch genauere Infos zu den Setups?

Zur AB-Schaltung: Nunja prinzipiell sollte man auch hier mit den Widerständen runter, damit werden die Zeiten in denen der Kurzschluss besteht kürzer...

Prinzipiell sollte die Schaltung mit einem 7,4V Lipo am Besten harmonieren (Da leiten die beiden Fets nicht (oder sehr schlecht) gleichzeitig.

Wenn man es für die anderen Fälle sauber aufbauen will, kommt man kaum um IC's rum und dann kann man gleich einen Mikrocontoller nehmen, der verbraucht gleich viel Platz aber kann trotzdem mehr....

Edit: Schaltplan gibts erst wieder, wenn ein paar User die Schaltung ausprobiert haben, da das ja alles so fern von der Praxis ist.....

Prinzipiell sollte hier im Thread alles drin stehen um die Schaltung zu verstehn, allerdings versuch ichs nochmal verständlicher zu erklären, wenn du sagst was dir fehlt.

Dann eben Moderativ: Wer die Grundlagen nicht versteht, hält sich hierbei bitte raus oder informiert sich. Die Schaltung von Clamant ist einfach und nachvollziehbar dar- und aufgestellt!

Hey Cipher,

Danke für die Schaltung ich freue mich schon auf das zusammenbauen :-) Lässt sich diese Schaltung noch mit einem P-Kanal Mosfet verbinden...?

Beste Grüße, 

Dennis