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), 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 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?

Referenzen zum Lehrplan

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)