Dieser Artikel beschreibt, wie man einen LM393 Komparator als Gate-Treiber für einen p-Kanal MOSFET verwenden kann. Das Prinizp ist für high-side Schalter geeignet. Mein Anwendungsfall ist ein Solar-Shunt-Laderegler. Um die Überladung der Batterie zu verhindern, soll bei einer Batteriespannung über 14,4V der MOSFET das Solarmodul kurzschließen. Da ich für die Erkennung der Batteriespannung sowieso einen Komparator-Baustein LM393 verwende, will ich diesen als MOSFET Treiber verwenden. Der LM393 enthält am Ausgang einen NPN-Transistor mit offenem Kollektor, der das Gate des MOSFET gegen Masse schalten kann. Die ersten Versuche haben zur thermischen Überlastung von mehr als einem MOSFET geführt, weil die Schaltung ins Schwingen gekommen ist und der MOSFET in den sehr häufigen Umschaltvorgängen in einem „analogen“ Zwischenzustand viel Verlustleistung erzeugt hat. Der LM393 liefert (im Gegensatz zu „echten“ MOSFET-Treibern) nicht ausreichend Strom, um den Umschaltvorgang zu beschleunigen.



 
Die Schwingungen kommen wegen des Innenwiderstands der Batterie zustande. Dieser beträgt 35mOhm. Bei 10A erzeugt das einen Spannungsabfall von 350mV. Wenn die Schaltung mehr als 14,4V erkennt schließt der MOSFET das Solarmodul kurz. Dadurch sinkt die Spannung um die 350mV auf 14,05V und der Schalter öffnet wieder. Diese Taktung ist in gewisser Weise auch erwünscht, weil bei fast voller Batterie dann mit einem gemitteltem Strom – wie bei einem PWM-Signal – geladen wird. Nur die Frequenz der Taktung muss begrenzt werden. Dies hat zu folgender Schaltung geführt:


Funktionsbeschreibung der Schaltung:
•         Die Schottky-Diode (D1) dient als Rückfluss-Verhinderung. Sie sorgt dafür, dass bei Nacht kein Strom „rückwärts“ aus der Batterie in das Solarmodul fließt.
•         Der p-Kanal MOSFET IRF4905 schließt das Solarmodul kurz, wenn sein Gate auf Potential „Bat-“ gezogen wird. Dies geschieht durch den im LM393 eingebauten NPN-Transistor.
•         Der IRF4905 hat eine maximale Gate-Source-Spannung von 20V. An Solarmodulen, die höhere Leerlaufspannungen als 20V liefern, müsste ggf. tatsächlich ein R_Gate (R11) verwendet werden, um den Strom durch die Schutz-Zehnerdiode (D3) im Umschaltvorgang zu begrenzen.
•         Die „Total-Gate-Charge“ des IRF4905 ist mit 180nC angegeben. Weil der Ausgang des LM393 maximal 5mA liefern kann, habe ich eine Widerstand (R10) von 3,3kOhm gewählt. Rechnerisch ergibt das eine Ausschaltzeit (Gate wird über 3,3k auf Potential von Source gezogen) von 180nC/4,4mA = 41us. Gemessen habe ich eher 100us.
•         Die Einschaltzeit sollte deutlich schneller sein, weil sie nur durch den NPN-Transistor im Ausgang des LM393 bestimmt ist. Gemessen habe ich etwa 7us.




 
   
(Gelb: Source-Gate; Blau: Source-Drain)

• Wenn also die Schaltzeit bis zu 100us = 0,1ms beträgt, sollte die Schaltung jeden Zustand mindestens 10ms beibehalten. Dann ist der MOSFET in unter 1% der Zeit in einem „analogen“ Zwischenzustand und erwärmt sich nicht zu sehr.
•  Um das zu erreichen, ist der zweite Komperator als Schmitt-Trigger mit einer Hysterese (bei 14V Batteriespannung) von 3,5V bis 11V beschaltet. Die Widerstände R8 und R9 haben denselben Wert und legen den positiven Eingang auf den Mittelwert von 7,5V und der Ausgangsspannung des zweiten Komperators.
• Beim Einschaltvorgang (Batteriespannung steigt über 14,4V) liegen am positiven Eingang anfänglich 11V an. Wenn die Spannung am negativen Eingang (über R6 und R7) auf größer 11V gestiegen ist, geht der Ausgang des Komperators auf „Low“.
  Dadurch fällt die Spannung am positiven Eingang auf 3,5V. Die Zeitkonstante für den Einschaltvorgang ist t = (R6+R7)*C3 = 20kOhm*1uF = 20ms.
• Beim Ausschaltvorgang (Batteriespannung sinkt unter 14,4V) liegen am positiven Eingang anfänglich 3,5V an. Wenn die Spannung am negativen Eingang (über R7) auf unter 3,5 gefallen ist, geht der Ausgang des Komperators auf „High“.
  Dadurch steigt die Spannung am positiven Eingang auf 11V. Die Zeitkonstante für den Ausschaltvorgang ist t=R7*C3=10kOhm*1uF=10ms.
• Eine Diode (D4) könnte noch für eine Angleichung des Ein- und Auschaltvorgangs sorgen.
• Gemessen habe ich eine Einschaltzeit (Kurzschluss) von 10ms und eine Ausschaltzeit (Batterie lädt) von 20ms. Das passt, weil während der Ausschaltzeit der Einschaltvorgang stattfindet und umgekehrt.

• An den angedachten PWM-Eingangsklemmen kann ein PWM-Signalgenerator angebracht werden, um das Taktverhalten bei kleinen Strömen zu untersuchen.
• Wichtig: Das Taktverhalten kann NICHT mit einem Labornetzteil untersucht werden, weil dann die Zeitkonstanten der Strombegrenzung des Labornetzteils hinzukommen. Mit einem Signalgenerator zur Erzeugung der Taktung reicht aber die Beleuchtung des Solarmoduls durch eine starke Lampe, um unter Laborbedingungen testen zu können. Das Schaltverhalten des MOSEFT kann dann auch bei 10mA-100mA gemessen werden. Man hat dann auch kein Risiko der Überhitzung.
• Die Referenzspannung ist exakt die Hälfte der gewünschten Schaltspannung, bei 14,4V also 7,2V. Das ermöglicht eine einfache Einstellung.
• Der erste Komperator vergleicht die Referenzspannung mit der halbierten Batteriespannung. Solange die Batteriespannung unter 14,4V ist, ist der Ausgang „Low“. Der Strom von 1,3mA durch R6 trägt den größten Teil zum Ruheverbrauch (auch während der Nacht) bei.
•  Zusammen mit den anderen (größeren) Widerständen zwischen „Bat+“ und „Bat-“ und dem Verbrauch des LM393 ergibt sich ein Ruheverbrauch von 2mA.
• Wärme-Messungen:
•  Die Schottyk-Diode (D1) ist auf einem Kühlköper mit 25K/W montiert und hat eine Durchlassspannung von 0,4V. Bei 5,5A sind das 2,2W und ich habe 80°C gemessen. Das passt zur Rechnung (25°C + 2,2W * 25K/W = 80°C). Für die maximale Leistung des Solarmoduls von 11A wären es aber 135°C und damit zu hoch. Hier ist also ein größerer Kühlkörper erforderlich.

• Der IRF4905 hat einen Durchlasswiderstand von 20mOhm. Bei 10A entstehen ca. 2W Wärme. Auf der Testschaltung ist ein Kühlkörper mit 25K/W montiert, damit habe ich 70°C gemessen. Das passt zur Rechnung (25°C + 2W * 25K/W = 75°C) und ist unkritsch.
• Für die endgültige Schaltung ist vorteilhaft, dass beide Halbleiter-Gehäuse auf Potential PV- liegen und damit ohne Isolation auf demselben Kühlkörper montiert werden können. Es erwärmt sich ja immer nur einer von beiden. Die Schottky-Diode erwärmt sich wenn die Batterie geladen wird, der MOSFET erwärmt sich wenn das Solarmodul kurzgeschlossen wird.

 
Logging der Spannung über dem Solarmodul während eines sonnigen Tages: Hier war an die Batterie noch ein Verbraucher angeschlossen.



Man sieht, dass die Spannung erst auf einen Wert von ca. 9V absinkt, wenn die Taktung einsetzt. Wenn auch mit dem getakteten Ladestrom die 14,4V erreicht werden, dann wird das Solarmodul kurzgeschlossen. Wenn nach einiger Zeit (hier etwa 5 Minuten), die Last die Batterie unter 14,4V entladen hat, beginnt die Ladung wieder mit voller Spannung.
 
Fazit: Mit der „Taktungsverzögerung“ kann man den MOSFET auch ohne speziellen MOSFET-Treiber ansteuern, ohne den Wäremetot zu riskieren.