# Messübung Mosfet als High-Side-Schalter

Mosfets werden häufig als Leistungsschalter eingesetzt. Oft muss auch der Plus-Pol einer Last geschaltet werden. Solche High-Side-Schalter untersuchen wir in dieser Übung. Dokumentiere diese Aufgabe in einem Bericht.

- Schwierigkeit: Mittel
- Semester: 4-7
- Material: LED-Streifen weiss (24 V, mindestens 1 A), Mikrocontroller mit PWM-Ausgang (zum Beispiel das [STM32 Moba DevKit](https://github.com/elektronik-ausbildung/STM32-Moba-DevKit)), Mosfet (N- und/oder P-Kanal), Treiber- bzw. Pegelschieberstufe (Transistoren, Widerstände), Labornetzteil, Oszilloskop, Multimeter, Steckbrett
- Abgabe: Dokument (PDF oder Markdown) mit Fragen, Schema, Berechnungen und Messprotokoll

## 1. Repetition Mosfet

Die Grundlagen zum Mosfet hast du in der Aufgabe [Mosfet als Schalter](mosfet-schalter.md) behandelt. Wiederhole sie kurz aus dem Kopf und konzentriere dich danach auf die High-Side-Spezifika. Beantworte schriftlich:

- Was ist ein Mosfet und wie funktioniert dieser?
- Welche Arten von Mosfet gibt es?
- Was ist der Unterschied zwischen einem Low-Side- und einem High-Side-Schalter? Wo liegt die Last bzw. der Schalter in der Versorgungsschiene?
- Welche Vorteile hat ein High-Side-Schalter gegenüber einem Low-Side-Schalter?
- Was wo liegen die Unterschiede zwischen einem idealen und realen Mosfet?

## 2. Schaltung entwickeln

Zeichne eine Schaltung, die einen 24-V-LED-Streifen mit 1 A Stromverbrauch schalten und dimmen kann. Es soll ein Mosfet als High-Side-Schalter verwendet werden. Wähle und dimensioniere die Bauteile.

- Entwickle eine geeignete Schaltung
  - Zeichne ein mögliches Schema inklusive der Ansteuerung des Mosfets durch das 3.3-V-PWM-Signal
  - Bestimme die Anforderungen an den Mosfet
    - Welche Werte sind wichtig zum Auswählen eines Mosfets (U_DS, I_D, R_DS(on), U_GS(th), U_GS max)?
    - Berechne diese Werte
    - Vergleiche N-Kanal- und P-Kanal-Typen aus ihren Datenblättern: Welchen Typ wählst du? Wieso?
  - Berechne die Verlustleistung und die Junction-Temperatur des Mosfets bei 1 A und PWM-Betrieb. Ist ein Kühlkörper nötig?

Besprich deine Schaltung und die gewählten Bauteile mit deinem Berufsbildner, bevor du aufbaust.

## 3. Schaltung aufbauen

- Schreibe ein Programm für das STM32 DevKit, das ein PWM-Signal mit einer Frequenz von 2 kHz erzeugt. Der Duty Cycle wird über ein Poti eingestellt.
- Baue die Schaltung auf dem Steckbrett auf.
- Teste die Schaltung: Kann der LED-Streifen geschaltet und gedimmt werden?

## 4. Messprotokoll

Teste die Schaltung.

- Miss die Slew-Rate des 3.3-V-PWM-Signals und der 24-V-Spannung am LED-Streifen für positive und negative Flanken.
  - Erkläre, wovon die Slew-Rate abhängt und warum sie für EMV und Schaltverluste wichtig ist.
- Miss das Signal am LED-Streifen bei folgenden Duty Cycles: 0 %, 5 %, 30 %, 60 %, 95 %, 100 %.
  - Notiere für jeden Duty Cycle die Spannung U_DS über dem Mosfet und den Strom I. Berechne daraus R_DS(on) = U_DS / I und vergleiche mit dem Datenblattwert.
- Miss U_DS und I durch den Mosfet und berechne die Verlustleistung und die Junction-Temperatur. Vergleiche mit deiner Berechnung aus Abschnitt 2.

## 5. Reflexion

- Wie kann die Schaltung verbessert werden?
- Was hast du gelernt?
- Was hast du gut gemacht?
- Was machst du beim nächsten Mal besser?

```{admonition} Referenzen zum Lehrplan
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Die folgenden Leistungskriterien (LK) und Lernziele (LZ) aus dem Bildungsplan FutureMEM stehen in Bezug zu dieser Aufgabe.

- **HKB 9999 b** – Entwickeln und Fertigen von elektronischer Hardware
  - **HK 9999 b.01** – elektronische Schaltungen dimensionieren und das Schema entwickeln
    - **LK ET b1 06** – Sie dimensionieren elektronische Komponenten. (BFS · Semester 1, 2, 3, 4, 5, 8)
      - **LZ_2011** – Sie beschreiben den Transistor als Schalter in Schaltungen. (Semester 2)
      - **LZ_9035** – Sie wählen passende Leistungshalbleiter wie Thyristor, Triac, Power MOSFET und IGBT's für eine Leistungsendstufe aus. (Semester 8)
      - **LZ_5628** – Sie erklären die grundlegende Funktion und Anwendungen von Z-Dioden, LEDs und Schalttransistoren. (Semester 2)
    - **LK ET b1 07** – Sie erarbeiten klassische Grundschaltungen. (BFS · Semester 1, 2, 3, 4, 5, 8)
      - **LZ_9029** – Sie dimensionieren Grundschaltungen mit Dioden, LEDs, Optokopplern, Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren. (Semester 2)
      - **LZ_4156** – Sie erklären den Begriff elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). (Semester 8)
      - **LZ_4193** – Sie beschreiben Methoden der Leistungssteuerung, wie die geschaltete-PWM, Phasenanschnitt- und Phasenabschnittsteuerung. (Semester 8)
    - **LK ET b1 12** – Sie entnehmen aus technischen Datenblättern die relevanten Eigenschaften von Bauteilen. (üK · Semester 2, 3)
      - **LZ_9062** – Sie suchen aufgrund der Bauteilbezeichnung das vom Hersteller herausgegebene Datenblatt und können damit die grundsätzliche Funktion des Bauteils herleiten. (Semester 3, 2)
    - **LK ET b1 13** – Sie wenden klassische Grundschaltungen an. (üK · Semester 2, 3)
      - **LZ_4148** – Sie dimensionieren Grundschaltungen mit Feldeffekttransistor, Bipolartransistor, linearem Spannungsregler und Operationsverstärker. (Semester 3)
  - **HK 9999 b.04** – Schaltungen in Betrieb nehmen, ausmessen und Fehler beheben
    - **LK ET b4 09** – Sie schätzen den Einfluss von Messgeräten auf Beispielschaltungen ab. (BFS · Semester 1)
      - **LZ_124** – Sie wenden Messgeräte zur Messung von Spannung, Strom und Widerstand an. (Semester 1)
      - **LZ_1948** – Sie führen Strom- und Spannungsmessungen in Stromkreisen durch. (Semester 1)
      - **LZ_1993** – Sie erklären den Einfluss des Innenwiderstandes. (Semester 1)
    - **LK ET b4 04 (üK)** – Sie messen Schaltungen und achten darauf, deren ursprünglichen Funktion nicht zu beeinflussen. (üK · Semester 2)
      - **LZ_11220** – Sie führen mit geeigneten Messmittel die Messung durch. (Semester 2)
      - **LZ_11224** – Sie benennen Einflussfaktoren von Messmitteln auf das zu messende Bauteil. (Semester 2)
- **HKB 9999 c** – Entwickeln von Software
  - **HK 9999 c.01** – Mikrocontroller-Programme entwickeln
    - **LK ET c1 16** – Sie setzen verschiedene digitale oder analoge Schnittstellen an beispielhaften Aufgaben ein. (BFS · Semester 6)
      - **LZ_11193** – Sie realisieren Funktionen mit Hilfe von Timern. (Semester 6)
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