Tutorial zur MOSFET Auswahl

[Euler]

Das Tutorial bezieht sich vorallem auf normalsperrende N-Kanal MOSFETs.





(Grundlegende Erklärung wird noch ergänzt)





Schritt 1 Berechnung des RMS Stromes



Der RMS Strom ist der durchschnittliche Stromverbrauch. Diesen zu kennen ist unverzichtbar für die Auswahl der richtigen MOSFETs.



Meist geben die Hersteller von Motoren den Stromverbrauch an, dann kann man direkt zu Schritt 2 gehen.



Wenn nicht dann kann man diese Formel anwenden:



(((Fps/3)^2)*0.001*dps)/(U)=I



Fps=Dartgeschwindichkeit

dps=Darts pro Sekunde

U=Spannung der Batterie

I=Strom der Maximal auftritt



Für alle diese Werte Sollte man das maximal mögliche einsetzen.

Ich habe jetzt mal eine Effizienz von 0.5 angenommen, da ich das für realistisch halte, ich lasse mich aber auch gerne eines Besseren belehren.



Erklärung der Grundlegenden Begrifflichkeiten eines MOSFETs



Folgende Fachbegriffe sollten bekannt sein, um Missverständnisse zu vermeiden.



Gate Spannung:

Auch Vgs genannt steht es für die Spannung zwischen dem Gate und dem Source Anschluss.



RDSon:

Der RDSon ist der Widerstand den der MOSFET darstellt, wenn er durchgeschaltet ist. Typischerweise wird er für eine Gate Spannung von 15V angegeben. Je höher Vgs ist desto geringer ist der RDSon.



Id:

Der Maximale Strom den der MOSFET aushält bei Maximaler Kühlung, und typischerweise bei Vgs=15V. In manchen Datenblättern steht „Limited by Terminals“, das heißt der Maximale Strom den der MOSFET aushält ist größer als der Strom den die Beinchen aushalten, allerdings ist dieser Strom so hoch das er bei Flywheelern keine Rolle spielt.



Verlustleistung:

Einfach die Leistung die ein Widerstand in Wärme umwandelt, in diesem Fall ist der Widerstand der MOSFET.



Die Bauform:

Ihr kennt eigentlich nur TO-220, es gibt aber auch noch viele weitere die hier aber egal sind. Es ist einfach die Verpackung in der sich der Chip befindet.





Schritt 2 Erste Auswahl eines MOSFETs



Erstmal sollte man die Kurzschlussstrome aller Motoren die von MOSFET geschaltet werden addiert werden, das Ergebnis nennten wir Imax.



Dann sollte man sich erstmal einen vielleicht passenden MOSFET heraussuchen, ich würde das mal an der Suchfunktion von Farnell zeigen, nicht um Werbung zu machen sondern weil ich sie relativ gut finde.



Als erstes ruft man mal die Website auf, das sieht dann so aus:



Dann gibt man in die Suchzeile „MOSFET“ ein und sucht, dann sollte das kommen:



Für unseren Zweck klickt man dann auf „Einfache MOSFETs“, dann sollte es so aussehen:



Dann klickt man auf „Suchergebnisse einschränken“, und kommt zu diesem Menü:



Als erstes sollte man bei „Dauer-Drainstrom Id“ als minimalwert den am Anfang dieses Schrittes Imax auswählen, dazu klickt man auf „Dauer-Drainstrom Id“, und dann auf „Min“, dann scrollt man runter bis der Imax wert kommt und klickt diesen dann an.



Zur groben Abschätzung des nötigen RDSon würde ich diese Formel zu Rate ziehen:



R=1/(I*I*2)



R=der Widerstand den der MOSFET ungefähr minimal haben sollte, jedoch muss dieser Wert nicht zwingend der richtige sein, weshalb man das Tutorial unbedingt zu Ende führen sollte.



I= der in schritt 1 ausgerichtete Strom



Dann kann man im Filter auch für den RDSon den minimalen Wert einsetzen. Analog zum Schritt oben, mit einem Unterschied man muss hier nicht mit min sondern mit max aussortieren:





Hat man auch das erledigt, so muss man nun entscheiden ob man auch SMD Bauteile löten will oder nur welche in TO-220 (oder TO-247)



Falls nur welche im TO-220 sollte man hier „Durchsteckmontage“ auswählen.





Dann kann man auf „Ergebnisse anzeigen“ klicken und sich einen aussuchen, welchen bleibt einem selbst überlassen.



Schritt 3 Eignet sich der MOSFET?



Hat man sich nun für einen entschieden, sollte man berechnen ab sich dieser überhaupt eignet.



Dazu braucht man das Datenblatt. Das findet man so:



Man ruft erstmal die Seite der spezifischen MOSFET auf:



Dann scrollt man runter und klickt auf „Technische Dokumente“.



Wenn man auf den Link zu Datenblatt klickt sollte es ungefähr so aussehen:



Uns Interessiert das typischerweise erste Diagramm auf Seite 3:



Das Diagramm dann: (wenn es nicht an erster stelle steht ist es sicherlich woanders zu finden)



(Aufmerksame Leser werden merken das die beiden letzten Bilder nicht zu denen drüber passen, das ist jedoch egal)





Dann sollte man die Kurve finden deren angegebene Vgs Spannung am nächsten unter der Spannung der Batterie ist. Wenn man die Kurve gefunden hat schaut man sich an, welche Spannung bei dem Ganz oben in Schritt 1 berechneten Strom anliegt, ich habe das mal für einen Strom von 50A und Vgs=15V (bzw Batterie hat 15V) in lila eingezeichnet.



Wenn man das hat multipliziert man den Strom mit der anliegenden Spannung, ist das Ergebnis kleiner als 1 sollte der MOSFET passen, ist es das nicht nicht. Dann geht man wieder zu Schritt 2 und sucht mit einem RDSon der so Viel kleiner ist als der dort berechnete wie das Ergebnis hier größer als 1 ist. Alternativ kann man auch so viele MOSFETs parallel schalten wie das Ergebnis größer 1 ist oder einen kleinen Kühlkörper nutzen.



Schutz und Sicherungen



Noch ein kurzer Satz zur Schutzbeschaltung:

Man sollte Schnelle Dioden wie die UF4007 direkt an den Motoren verbauen, um die MOSFETs zu schützen.



Sicherungen:

(Wird bald ergänzt)



Schluss



Ich hoffe mal das hilft bei der Auswahl des richtigen MOSFET, ich kann gerne auch Fragen beantworten.



Kritik und Verbesserungsvorschläge sind natürlich erwünscht.

 

[Dominik]

Wusste gar nicht, dass Farnell auch an Privatkunden verkauft.

(Fps*3*0.001*dps)/(U)=I

Du verwendest dort eine Formel für die Beschleunigungsarbeit um den Strom zu errechnen, was die aber nicht berücksichtigst ist die Verformungsarbeit des Darts im Cage (Crush) und die Beschleunigungsarbeit der Flywheels beim Anlaufen.

Der Crush ist abhängig von der verwendeten Technik und in der Hauptsache verantwortlich für die größten Stromstöße im Betrieb, danach kommen die Anlaufströme und dann erst die Beschleunigungsarbeit der Darts an sich.

 

[Euler]

Die Stromstöße beim anlaufen oder nach jedem Dart sind für die Temperatur des MOSFETs nicht direkt relevant, da die Termische Impedanz des MOSFETs immer noch nicht so klein ist das die Stromstöße Temperaturspitzen erzeugen können, denn die Temperatur wird vor allem durch den RMS Strom und den Wärmewiderstand vom MOSFET zur Umgebung bestimmt.

Ich habe eine Effizienz von 0.5 angenommen, das sollte, glaube ich, die Verformungsarbeit der Darts mit einschließen.

Welche Formel würdest du nutzen?

 

[Actionandi]

Können wir das einmal an einem konkreten Beispiel "durchrechnen"? Ich lese das alles, aber brauche immer ein praktisches Beispiel .

Einfaches Stryfe Setup 2S:
+ Meishel 2.0
+ Worker Clear 42,5 Clear Cage
+ Smooth FW
+ FPS grob 135
+ Semi Auto

Wie wäre konkret die Berechnung des Mosfets, damit der originale Schalter beibehalten werden kann?
Welches Mosfet würde man hier wählen? DANKESCHÖN

 

[Hoeni]

IRFZ44N, 1N5400 Diode, 10k pulldown Widerstand am mosfet (gerne 1w, aber 0,25w geht auch). Fertig. Die Konstellation mit Meishels läuft seit… sechs Jahren mindestens bei mir in einer zweistelligen Anzahl von Blastern. Bisherige Ausfälle: zwei. Jedes Mal nen gefaketer mosfet die während Corona massig versendet wurde. Leider.

Ich fänd das aber auch sehr gut, wenn man das hier mal anhand ‚typischer‘ konstellationen wie Actionandi nachgefragt hat, durchrechnet und man dann die bekannten und gebräuchlichen Details aufschlüsselt, ob die überhaupt gehen.


Mir würde da dann auch noch was einfallen - wie siehts aus mit vier fang revamps und einem Valkyrie an 3s? Also sowas wie ner Woozi. Sprich kleine worker hurricane wheels und passender crush.

Oder drei krakens an 3s? Nehmen wir auch mal den verbreiteten 425er Cage, smoothies und der dritte Kraken als überteuerter pusher. Nen Valkyrie wäre ausreichend aber so wird die Berechnung sicherlich einfacher.

So ein paar typische Setups eben wo man mosfets einsetzen möchte statt mukroschalter.

 

[Dominik]

Welche Formel würdest du nutzen?

Gar keine.
Du müsstest jeden einzelnen Blaster für jede möglicherweise verwendete Dartsortsorte durchrechnen, oder du nimmst einfach den schlimmsten Fall des Blockierstromes an.
Und interessant wird es dann bei den seltenen Multistage-Blastern wie sie @Hoeni oben beschreibt. Jeder Cage mit einem einzelnen Mosfet wobei in der zweiten Stufe der Dart schon eine Anfangsgeschwindigkeit hat und teilweise von der ersten Stufe in die zweite Stufe gedrückt wird.

Ich bin ausgebildeter Elektroniker für Betriebstechnik mit einem vorhergehenden abgebrochenen Maschinenbaustudium. Was ich während meiner Berufslaufbahn nicht gelernt habe ist selbst angelesen.
Entsprechend ist mein Vorgehen praxisorientiert und garantiert nicht fehlerfrei, ich verbaue z.B. bisher weder Sicherungen noch einen Killswitch.

Ich nutze das belastbarste Mosfet das preiswert erhältlich ist, sorge dafür dass der Akku die Spitzenlast aushalten kann und hoffe dass mir nichts durchbrennt.

Es gibt hier Mitglieder wie z.B. @medusa oder @Joshi die aus verschiedensten Gründen wissenschaftlich an die Sache herangehen, sei es um die größte Präzision, die kompakteste Bauweise oder die leichteste Bedienung zu erzielen.
Ihre Ergebnisse geben ihnen meistens Recht, aber dem Rest von uns fehlen oftmals schlicht die Kenntnisse oder die Geduld dafür.

Die meisten von uns sind da in fließenden Anteilen eher mit den Prinzipien Hoffnung oder Vertrauen unterwegs, weil dann meistens irgendwo ein Schaltplan heruntergeladen wurde der nachgebaut wird.
Da ist es oft wichtiger dass das Geschwindigkeitslimit mit gemischten und gebrauchten Pool-Darts eingehalten wird und der Blaster dauerhaft mechanisch wie elektrisch durchhält.
Gelegentlich kommen dadurch auch so Blüten zustande wie jemand der einen 6V-Blaster mit einem 9V-Block betreibt und sich wundert dass die Batterie heiß wird.

 

[battle-axolotl]

Also ich arbeite auf der Arbeit nicht wirklich mit Motoren, daher kann ich dafür nicht mit einer Formel dienen.
Aber die Aussage, dass die Verlustleistung des Mosfets hauptsächlich von Rdson und Irms bestimmt wird, ist problematisch: die Leistung berechnet sich mit P = R×I×I
Dadurch dass der Strom quadratisch in die Formel eingeht, ist doppelter Strom über die Hälfte der Zeit eine deutlich höhere Verlustleistung als einfacher Strom konstant

 

[Euler]

Das ist schon klar, aber die kurzen Spitzen in denen viel (mehr) Leistung umgesetzt wird erzeugen keine Temperaturspitzen, da die thermische Impedanz des MOSFETs auch nicht so klein ist.

Desweiteren ist der Irms definiert als der konstante Strom der in einem Widerstand die gleiche Leistung umsetzt wie der dazugehörige nicht Konstante, es ist also nicht nur der Durchschnitt.

Ich kann später mal ein Beispiel vorrechnen, jetzt nicht Internet zu schlecht.

@Dominik

Ich hab mal die Verformungsarbeit für eher härteren Schaumstoff in einem High Crush setup berechnet: einige 100 uJ also vernachlässigbar.

 

[medusa]

Ich möchte nur anmerken, dass Motoren eine "induktive Last" sind. Das könnte auch Auswirkungen haben.
Ich weiß das nur, weil ich mir mit einem Motor mal ein Labornetzteil zerstört habe. Bin jetzt keine Expertin in Elektrotechnik.

 

[battle-axolotl]

Bei mir auf der Arbeit werden Mosfets zwar häufig danach ausgewählt, welche wir in der Schublade haben (wir machen in der Regel Reparatur oder Einzelstück-Entwicklung), aber beim überprüfen, ob ein gewählter Mosfet für die Schaltung in Frage kommt, wird beim Drain-Strom nicht mit einem Mittelwert, sondern dem im Regelbetrieb maximal möglichen Strom gearbeitet, das wäre hier realistisch gesehen der Anlaufstrom (der übrigens in der Regel länger auftreten dürfte als die kurzen - höheren - Stromspitzen beim Dartdurchgang)
Und ja, Irms (auf deutsch auch als Effektivwert des Stroms bezeichnet) ist nicht einfach der Durchschnitt. Allerdings ist Irms soweit ich weiß über Urms definiert, nicht direkt über den Gleichstrom der in einer ohmschen Last die gleiche Leistung umsetzt.
Sollte zwar in der Theorie auf das gleiche rauskommen, wollte es jedoch erwähnen, da ich mir nicht sicher bin, ob das in der Praxis nicht in bestimmten Fällen doch einen Unterschied machen könnte.
Außerdem ist auch der Effektivwert kein zwingend konstanter Wert, je nach Frequenz und Zeitverhältnis der Spitzen zum Rest des Signals kann der gemessene (!) Effektivwert durchaus schwanken. Erst recht bei nicht hundertprozentig cyclischem Signal.
Außerdem können Mosfets nicht nur kaputt gehen, wenn ich Ptot überschreite, sondern auch wenn ich unabhängig davon den maximalen Drain-Strom oder den maximalen Peak-Drain-Strom überschreite. Letzteres ist zwar in der Regel deutlich größer als wir selbst mit dem Blockadestrom der Motoren kommen können, aber die Zeitspanne, für die der Mosfet diesen hohen Strom ab kann, könnte durchaus kürzer sein, als die Dauer der Stromspitzen beim Dartdurchgang - da bräuchte ich tatsächlich empirische Messdaten, wie lange diese Stromspitzen dauern, um das näher einschätzen zu können.

Ich hab mal die Verformungsarbeit für eher härteren Schaumstoff in einem High Crush setup berechnet: einige 100 uJ also vernachlässigbar.

Bedenke, das härteste an einem Dart ist bei seitlichem Druck (wie von den Flywheels) der Kopf, nicht der Schaumstoff. Ich nehme an, dass kurzzeitig ein Wert wie beim Anlaufen bis knapp unter Blockadestrom fließt.

Und induktive Lasten "mögen" keine Änderung des Stromflusses, könnte mir daher durchaus vorstellen, dass die Stromspitzen beim Dartdurchgang zeitlich verzögert auftreten und/ oder länger anhalten, verglichen mit dem tatsächlichen Dartdurchgang. Genauso gut könnte ich mir aber auch vorstellen, dass das durch Kopplung des Magnetfeldes mit mechanischer Arbeit nicht der Fall ist. An dieser Stelle kenne ich mich zu wenig mit Motoren aus.

Und ich bin noch immer skeptisch, rein über die Energie zu rechnen um den Strom zu bestimmen.
Aber das werde ich am 1.9. meine Berufsschullehrer fragen, die haben mehr Praxiserfahrung mit der Kombination Mosfet und Motor/ induktive Last als meine Ausbilder, da auf meiner Arbeit Motoren wenn eher über Relais/ Schütze oder über ein SPS-Modul geschaltet werden und nicht über Mosfets.

Edit: und Id komplett zu ignorieren würde ich auch nicht machen, zumindest bei LogicLevel-Mosfets kann der durchaus in einem Bereich sein, wo 2 Stromhungrige Tuningmotoren im Fehlerfall (Jam) dran kommen können.
Und zu deiner Formel fallen mir noch 2 Fragen ein: wo in der Formel hast du die von dir angenommene Effizienz von 0.5 berücksichtigt? Und hast du berücksichtigt, dass 2 parallele Motoren nötig sind, damit der Dart nicht einfach beschleunigt sondern in eine bestimmte Richtung geschossen wird?
Selbst wenn deine Formel stimmen sollte, ist sie in meinem Augen nicht nachvollziehbar. Klar ist es einfacher, eine Formel anzuwenden, deren Konstanten bereits eingesetzt und miteinander verrechnet sind, aber zum Verständnis ist das eher kontraproduktiv.

 

[Euler]

Hatte man mein Tutorial gelesen wüsste man das Id größer als der Blockierstrom aller MOSFETs sein soll. Aber den Termischen Grenzstrom nach dem Blockierstrom auszulegen ist eindeutig übertrieben. Im Blockierfall sollte eine passend ausgewählte Sicherung den MOSFET vom termischen Tod schützen, wie man die auswählt werde ich dem Tutorial noch hinzufügen.

Ich habe auch mal die Verformungsarbeit für den Dartkopf ausgerechnet: ca 0.1J also nicht viel bedeutsamer.

Zur Formel:

Dartenergie:

((Fps/3)^2)*0.001*1/2 (ja ich hab im original die Umrechnung falsch angegeben und das Quadrat vergessen)

Leistung ist dann ((Fps/3)^2)*0.001*1/2*dps und noch mal 2 für Effizienz von 0.5

((Fps/3)^2)*0.001*1/2*dps*2 1/2 und 2 kürzen sich raus.

Dann noch durch die Spannung teilen und man hat den Strom.

Beispiel morgen auf der langen Autofahrt.

 

[medusa]

Ich bin von Deinen Rechnungen ja nicht betroffen (bin Springer-Fan), aber rein physikalisch würde mir Dein Ansatz eher gefallen, wenn Du für die Größen gleich SI-Einheiten nehmen würdest und die auch mit hinschreibst. Also Geschwindigkeit in m/s und nicht fps. Der Umrechnungsfaktor ist übrigens nicht 1/3, sondern 0.308.
Es wäre auch übersichtlicher, wenn Du das als geschlossene Gleichungen hinschreiben würdest. Also E = ..., P = ... etc.
Die Annahme des Wirkungsgrades von 0.5 (von @battle-axolotl richtig angemerkt) ist auch noch nicht begründet.
Auf dem Übungszettel damals in der Uni hätte ich Dir dafür Punkte abgezogen, nur so nebenbei.

Ich hab für meine Dart-Ballistikprogramme eine Reihe von Simulationen geschrieben und kann Dir versichern, Du suchst ewig lange den Fehler in den Gleichungen, wenn Du es nicht tust. Für den Computer sind das nur Zahlen. Du musst hinterher aber wissen, ob die Zahl, die er ausgibt, Milliwatt, Watt oder Kilowatt (oder Quadratpfund mal Erg pro Kubikinch) sind.

 

[Kiwi]

Selbst wenn ich kein Fan von imperialen Einheiten bin, finde ich es an dieser Stelle ausnahmsweise angebracht die Formel mit fps zu verwenden. Fps ist nun mal die bevorzugte Einheit für die Dart-Geschwindigkeit, die sich eingebürgert hat und international verstanden wird. Eventlimits werden fast ausschließlich in fps angegeben, Chroni Werte international werden meist in fps verglichen, Blastertime listet Federkombinationstabellen in fps und OOD schreibt zu den eigenen Motoren Richtwerte in fps aus. Nur um einige Beispiele zu nennen. Hier auf die Verwendung von m/s zu bestehen, nur weil es wissenschaftlicher ist, finde ich nicht nur etwas überflüssig es verkompliziert in Summe auch das Ganze, da man sämtliche Richtwerte aus dem Internet zunächst einmal umrechnen muss.

Daher meine Meinung: Bleib lieber bei fps. Ist schließlich ein Tutorial und Tutorials sollten möglichst unkompliziert sein.

 

[Actionandi]

IRFZ44N, 1N5400 Diode, 10k pulldown Widerstand am mosfet (gerne 1w, aber 0,25w geht auch). Fertig.

Das dues funktioniert, glaube ich zu 100%. Ich nutze dieses Setup auch schon ewig, aber halt mit 15A Schaltern und OHNE Mosfet und Co.

Daher wäre es halt echt prima, wenn wir hier zusammen mal "rechnen " könnten. Simple anfangen und dann gern steigern. Danke an alle!