Mittwoch, 11. Januar 2012

Simples MOSFET Tutorial - Infos und Einbau in eine AEG

Version 1.3
Immer wieder wird in der Airsoft-Szene nach MOSFETs gefragt. Dieses Tutorial zeigt euch am Beispiel einer AUG, wie ihr einen Mosfet in eine AEG einbaut. Es erklärt auch die Vorteile eines MOSFETs, Funktion, Bezugsquellen der Teile, etc.

Was ist ein MOSFET?
Wer faul zum Lesen ist, zieht sich einfach dieses Video rein: Transistor / MOSFET tutorial (englisch).
Ein MOSFET (Abkürzung für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein elektronisches Bauteil mit 3 Anschlüssen. Einfach erklärt kann man damit den Strom vom Akku direkt auf den Motor schalten und grenzt den mechanischen Schalter, die SwitchUnit, aus.

Wie sieht der Schaltkreis für den Einbau des MOSFETs aus?
Hier ganz einfach gehalten damit es jeder versteht + benötigte Teile: Mosfet & 2 Widerstände.

Was sind die Vorteile eines MOSFET?



Die SwitchUnit + Kabel dorthin und zurück werden aus dem Versorgungs-Stromkreis genommen. Dadurch sinkt der Widerstand. Die Verlustleistung sinkt, die Akkus halten länger. Die Spannung, die am Motor ankommt steigt. Der Motor dreht schneller, Ansprechverhalten und ROF der AEG steigt. Die SwitchUnit wird geschont.

Die schwarzen Plastikteile hier im Bild werden als SwitchUnit bezeichnet. Der Trigger schiebt einen Kontaktschieber nach vorne. Dieser hat an seiner Spitze einen Metallblock, der einfach zwei Kontakte miteinander verbindet solange er nicht von einem Hebel (COL, CutOffLever) ausgehebelt wird und durch Federkraft zurückschnalzt.
Der grüne Pfeil markiert die Kontakte:

Beim Anlaufen einer AEG gibt es je nach System Stromspitzen von 40 Ampere und mehr. Das führt zu Funkenschlag noch ehe der Metallblock die Kontakte berührt. Früher oder später sieht es in der SwitchUnit dann so aus:

Ein Kontaktplättchen der SwitchUnit hat es komplett durchgeschmorrt:

Auch am Metallblock des Kontaktschiebers gibt es Abbrannt. Folgen: Widerstand erhöht sich, Abzug reagiert später, schlimmstenfalls schalten die Kontakte nicht mehr und eine neue SwitchUnit muss her. Kostet ca. 20-30 EUR (oder man baut die Teile selber).

Mit einer Mosfet wird das verhindert. Noch ein Vorteil: man kann einen Mikroschalter einbauen und damit den Abzugsweg verkürzen. Das geht vorher nicht weil Mikroschalter nur sehr wenig Strom vertragen.

Was sind die Nachteile eines Mosfets?
Eine Fehlerquelle mehr im System (auswechselbarer Einbau empfohlen, später mal mehr dazu).
Kann ein Sicherheitsrisiko darstellen (Info weiter unten).

Was kostet mich dieser MOSFET Einbau etwa?
Zeit und 5-10 EUR.

Welche Teile benötige ich für meine AEG um diese MOSFET einzubauen?
  1. P-Channel Leistungs-MOSFET, einfach bei Conrad, Reichelt, Kessler, Distrelec, RS, Farnell, mercateo,... nach den unten stehenden Nummern suchen.
    Liste gereiht nach Empfehlung:
    IRLB3034 [mercateo], [RS], [Distrelec], [farnell]
    IRF1324
    IRF3703 [reichelt] [conrad]
    IRF1404 [conrad]
    Die "TO-" Kennzeichnung beschreibt die Bauform. Grobe Abmessungen ohne Pins:
    TO-220: 15 x 11 x 5 mm
    TO-247: 20 x 16 x 5 mm. Da diese Bauform größer ist, lässt sich leichter löten und die Kontakte sind weiter voneinander entfernt. Aber nicht jede Mosfet wird so gebaut.
    Falls angegeben: die Buchstaben "PBF" stehen für die neuen bleifreien Versionen
  2. 2 Widerstände, 1x mit 100 Ohm, 1x mit 20-30 KiloOhm. Kohleschicht, Bauform 0207er mit 1/4W  und 5% Toleranz reichen. Quellen: Conrad, Reichelt, Kessler, Distrelec, RS, Farnell... Wer viel bastelt hohlt sich am Besten ein Set der Baureihe E12.
    Hier ein paar rausgesucht Links: [100Ω bei Reichelt], [27KΩ bei Reichelt]; [100Ω bei Kessler], [27KΩ bei Kessler]
  3. Schrumpfschlauch - Baumarkt, diverse Elektro-Onlineshops
  4. dünne Signalkabel - dazu einfach ein Netzwerkkabel auftrennen oder was sonst gerade herumliegt.
  5. weil wir schon beim Löten sind: Dean Stecker, empfehle orignale XT Deans
  6. weil wir schon beim Löten sind: dickere Kabel, so dick wie möglich. 2,5mm² Silikonkabel wären optimal, passt aber nicht überall. Einen Kabelguide schreib ich euch noch.
Welchen Mosfet soll ich nehmen?
Siehe oben - IRLB3034 falls organisierbar, ansonst IRF 3703.

Woher bekomme ich die Teile?
Siehe oben, aus diversen Elektro-Onlineshops: Conrad, Reichelt, Kessler, Distrelec, RS, Farnell, mercateo,...

Wie baue ich die MOSFET ein?
Bauanleitung am Beispiel einer AUG - Hier noch einmal unser Schaltbild. Der MOSFET hat 3 Pins - Gate, Drain, Source.

Die Widerstände sind mit farbigen Ringen codiert. 27KΩ hat Rot-Violett-Orange-Gold.

Wir nehmen den 27KΩ Widerstand her, isolieren ihm mit einem kleinen Schrumpfschlauch und biegen beide Enden um, sieht dann so aus (MOSFET wie hier gezeigt nicht isolieren, wird so für unsere Fullauto-AEGs nicht genügend gekühlt und geht kaputt):

Nun die Enden mit G und S zusammenlöten. Ist ohne "3. Hand" oder sonstigen kleinen Zwingen sehr mühsam. Der MOSFET verträgt nicht viel Hitze, daher sehr zügig Arbeiten (Lötspitze nur 1-2 Sekunden ansetzen).

Dann zwicken wir mit einem Seitenschneider den restlichen Pin vom Gate ab, kürzen den 100Ω Widerstand auf einer Seite und löten ihn an. Wer findet den Fehler hier...
...ja, 27KΩ und 100Ω wegen zu viel Konzentration auf Fotografieren und Story vertauscht. Hier gehört der Braun-Blau-Braun-Goldene Widerstand hin (100 Ohm).

Ein dünnes Signalkabel (hier weiß) mit ca. 10-30cm (ja nach AEG) am anderen Ende des 100Ω Widerstandes anlöten:

Wir nehmen die Gearbox her, hier die Verkabelung der AUG:

Das schwarze Kabel ca. 10cm nach dem Stecker trennen und beide Seiten 3-4mm abisolieren:


Das Kabel vom Motor wird D (Drain; Mitte), das Kabel vom Akku an S (Source; Rechts) angelötet:
 


Sieht dann etwa so aus. Der Kühlkörperanschluss mit der Bohrung ist mit Drain verbunden, kommt aber nicht auf die Idee, das Kabel hier anzulöten. Bis diese Fläche mit dem Lötkolben aufgeheizt ist, ist der MOSFET schon tot. Eine Verbindung mit Kabelschuh + Schraube funktioniert aber. Kann man gleich mit der Fixierung am Kühlkörper verbinden.


Jetzt binden wir noch die SwitchUnit in die Schaltung mit ein. Dazu zwei Bilder:
Verkabelung AUG-Gearbox vorher:

Und Nachher:
Rotes Kabel von Motor Minus zu linken oberen Kontakt auslöten.
Grünes Signalkabel an den Motor und rechten Kontakt anlöten.
Minus vom Akku von oben rechts direkt an Motor anlöten.
Weißes Signalkabel an linken oberen Kontakt anlöten.
Fertig:

Verwendet nicht das dicke ausgelötete Kabel statt dem Grünen hier. Gibt es einen Fehler und es gehen z.B. 10A drüber, dann schmilzt das einfach durch.

Durch biegen der Pins kann man den Mosfet auch "inline" verlöten. Sieht etwa so aus (etwas übertrieben, sind 4mm² Kabeln. Wie oben auch hier mit Schrumpfschlauch über dem Kühlkörper (nicht empfohlen).
Eigentlich ein Pfusch...

Mosfet "Inline" und mit stärkeren Kabeln:

Lässt sich aber nicht so schön verlegen. Normal anlöten ist besser. Nicht gezeigt: Die Mosfet sollte über die Bohrung mit einer Schraube (nicht löten) an einen Kühlkörper gelötet werden. Bei der AUG empfiehlt sich eine gekürzte Retainer-Plate aus Metall. Kleine Kühlkörper findet man z.B. in alten PCs.

Hier nochmal die benötigten Teile + bessere Kabel & Stecker:

Einbau in andere AEGs:
Hier der Schaltplan - damit sollte es leicht sein eine Mosfet auch in anderen AEGs einzubauen.
Anmerkungen:
Dieses Layout funktioniert, aber ist fehleranfällig. Seht euch die Grafik an und überlegt mal, was passiert wenn ein Kontakt bei D und S zustande kommt. Das kann direkt außerhalb des MOSFETs durch schlechte Isolierung, unsauberes Löten, Kontakt mit Metall oder falsche Kühlkörpermontage passieren (der obere Metallteil mit der Bohrung ist mit Drain verbunden). Der MOSFET kann aber auch innen kaputt werden. Und zwar wenn man z.B. die Maximalwerte überschreitet (Hitze, Spannung, ESD...).

In diesem Fall versorgt der Akku den Motor ungestört mit Strom, da hilft auch keine Sicherung - läuft ja alles normal - aber lässt sich durch den Trigger nicht unterbrechen. Steckt ein volles Magazin dran, kann das sehr gefährlich sein. Da hilft nur Akku abstecken, aber bis dahin ist das Magazin schon leer und wenn das dann auch in der Safe-Zone passiert. Klar sollte dort das Magazin abgenommen und die AEG leergeschossen sein... aber es gibt leider genügend Koffer. Kann nicht sein? Doch - genau diesen Fall schon erlebt. Zum Glück nichts passiert.

Eine Freilaufdiode für den Motor wird bei dieser Mosfet empfohlen.

Fazit:
Es bringt einen deutlichen Unterschied. Die AEG wird viel spritziger. Aber das alte Layout ist nicht ganz optimal. Es gibt andere Lösungen. Auf UCA gibt es seit längerem ein neues Layout mit TVS, das ist besser. Dazu gibt es einige fertige Lösungen, die kosten aber auch mehr (20-150 EUR).


Ich bin gerade an einem ProFET Tutorial dran. Ein Bauteil, welches viele Fehler ausgrenzt und nicht wesentlich mehr kostet (ca. 10-15 EUR).

Kommentare:

  1. Hi, ich habe in meinen Airsofts diese hier verbaut:

    http://de.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp?SKU=1684529

    Bezeichnung: IRFP4368PBF
    Ich würde die allerdings modular aufbauen, sprich auswechelbar. Es kann gut vorkommen, dass dir ein Mosfet mal abraucht und dann wars das mit weiterspielen. Sprich in etwa so: http://www.abload.de/image.php?img=3x4olz.jpg . Richtig gut wird das System mit einem Button (habe ich in meinen neuen jetzt verbaut), damit kann man kurz den Stromkreis dauerhaft anstellen (solange man den Button gedrückt hält) und somit einen GB-Jam ohne hin und her beseitigen.

    Gruß Tobi

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  2. HI, Habe jetzt mal nachgebaut, und muss sagen, das es echt richtig was bringt, die ersten Mosfets der Liste hier in Deutschland zu bekommen is echt hard, habe sie jetzt bei distrelec.de gefunden. ich hatte mich aufgeregt, das meine p90 nach dem tuning etwas langsammer geworden is als die ungetunte, trotz stärkerem Motor etc, und dank diesem "kleinkram" isse wieder genauso schnell. Der Arbeitsaufwand war ca. ne halbe Stunde.
    meine XT-Stecker sind leider noch nicht angekommen, also muss ich die nächsten Tage wohl den Lötkolben wieder raus kramen :D

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  3. Schöne Anleitung was mir persönlich fehlt wäre ein Active Braking.
    Vielleicht könntest du für den Bau eines MF mit AB auch mal eine so schöne Anleitung bereit stellen!?

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  4. Antworten
    1. wann und wo :D wenn ich fragen darf
      :D

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  5. Sehr schöner Guide,
    vielen Dank dafür ;)

    An sich ist ein Mosfet ja keine große Herausforderung, wenn nur die Platzprobleme nicht wären.
    Habe eine V2 GB und kann mich schlicht und ergreifend nicht von meinem Vltor Stock trennen, welche Bauteile wären denn zu empfehlen um Sie in der Tube samt 9.6V Stockakku sinnvoll unterzukriegen?

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  6. So godwin Ich hab das MOsfet nachgebaut lief auch gut. Dickes Danke für dies saubere How to.

    kann es sein das ein Kollege sein Mosfet mit verpolung zerstört hat, weil es schaltet dauerhaft durch?

    Hast du in der Richtung irgendwelche Erfahrungen.

    BEi den Tut mit den Aktive Brake wäre es auch schön wenn du da eine diode mit einbindest.

    MfG

    Inselshoot

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  7. Dieser Kommentar wurde vom Autor entfernt.

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  8. brauchen Mosfet s Kühlkörper ? bitte um antwort :/

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    1. Ja, kann dazu nur raten. Funktioniert zwar auch ohne und hängt davon ab, wie schnell und oft getriggert wird, aber ungekühlt kann er beschädigt werden.

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    2. Eigentlich kommt es darauf an, Wie hoch der Innenwiederstand des FET im ON zustand ist, um zu bestimmen, ob es nötig ist, oder nicht. Und der ist zpwzifisch mit einer Tabelle im datenplatt bezüglich der Gate Spannung zu bestimmen ;)

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  9. also Nutze einen 11,1 Lipo S-Aeg
    weil ich am überlegen war meinen Kühlkörper ab zunehmen...(paltzmangel)`?

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  10. hi, ich hab ein prob mit meinem mosfet... ich habs so gemacht wie du oben beschrieben aber nach ein paar schuss wird das ding SO heiß (und ich rede nicht 30 magazine im dauerfeuer sondern 5-6 semi trigger) woran könnt das liegen ??

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  11. Gute Arbeit. Hier versteht man es wenigstens.


    Folgende Links funktionieren nicht oder nicht mehr:

    [100Ω bei Kessler], [27KΩ bei Kessler]

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  12. Gibts schon einen Ausblick auf die Veröffentlichung des ProFET-Tutorials? Wäre cool, dann muss ich nicht doppelt löten. ;) BTW, ich mag löten nicht sonderlich...

    Danke und Gruß
    Sven

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    1. Oh, das muss ich noch abtippen :). Danke für die Erinnerung!

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    2. Super HowTo!

      Aber schließe mich dem S.Geran (will auch nicht doppel löten) an: Hattest du Zeit das ProFET-Tutorial abzutippen?

      Vielen Dank im Voraus :-)

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  13. Ich biite auch ums profet-tut :)

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  14. Ich bitte auch um das Profet tut.
    Und außerdem ist da wohl ein Fehler aufgetreten bei;
    Die angegeben MOSFETS sind N-Channel MOSFETS. Im Artikel ansich steht aber P-Channel.
    Auch in anderen Tuts wurden N-Channels genommen.
    Tippfehler?

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  15. Das ganze ist robuster wenn man den 100er widerstand auf eine platine setzt!

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  16. So, hab heute auch deine Mosfet Schaltung verbaut =) Damit läuft die Magpul Masada ACR noch spritziger und die Gefahr das mir der Microswitch verreckt ist gebannt. Dachte erst ich hab das Fet gekillt weil es durchgeschaltet hat, aber hatte nur Source und Drain vertauscht ich Depp. Verwendet habe ich das IRLB3034, in Verbindung mit einem 9,9V LiFePo. Vielen Dank für das Tutorial, gerne mehr davon ;-)

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  17. [BSF] Matze aka Ghost Rider4. Dezember 2012 um 00:08

    super Anleitung :-)

    hab selbst den IRF1404 verbaut hab kein anderes bekommen :-/
    anstelle der Kohleschichtwiederstände
    hab ich Metallschichtwiederstände verbaut
    (wer nicht bei Conrad und Co bestellen will kann auch zu seinen Fernsehtechniker fragen so wie ich hab dort 7,50€ bezahlt )
    ach ja hab mein Mosfet noch einen Kühlkörper spendiert :-)

    so nun kleines Feedback zu dem ganzen

    hab alles in ein M4 von SRC ( v2 Gearbox )verbaut und muss sagen einfach genial
    bei schnellen triggern könnt man fast denken man schießt voll auto
    mal schauen wie sich das ganze in der Praxis am Samstag macht

    vielen dank für deine mühe :-)

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  18. geht auch ohne kühlkörper?...

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    1. JEIN, längeres, schnelles Einzelfeuer mal nicht. PROFETs sind sicherer.

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  19. Find and buy on http://www.oemsecrets.com

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  20. @ godwin: Danke, für all deine Mühe hier, ich hab deine MOSFET Anleitung anhand einer ARES Tavor TAR-21 umgesetzt, dazu hab ich die alten Kabel rausgerissen und einen neuen LONEX A1 Motor verbaut, dadurch geht die AEG jetzt so schnell und akkurat, wie ich mir das vorstelle. Ich war auch gezwungen die Gears neu zu shimen, aber ich weiß noch nicht, ob ich das nicht "verschlimmbessert" habe XD
    Aber egal, ich bastle eh gern^^

    Greetz

    Ghostwulf, ASCL

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  21. Habs so eingebaut wie beschrieben nur antstatt 27k Wiederstand nen 22k , Akku 8.4V NiMH, funktionierte nach ein paar schüssen aber plötzlich nicht mehr. Jemand ne Idee ?

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