Wir haben bereits gesehen, dass der n-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus (e-MOSFET) mit einer positiven Eingangsspannung arbeitet und einen extrem hohen Eingangswiderstand (fast unendlich) hat, wodurch er mit fast jedem logischen Gate oder Treiber verbunden werden kann, der einen positiven Ausgang erzeugen kann.
Wir haben auch gesehen, dass wir aufgrund dieses sehr hohen Eingangswiderstands (Gate) viele verschiedene MOSFETS parallel schalten können, bis wir die erforderliche Strombelastbarkeit erreichen.
Die Parallelschaltung verschiedener MOSFETS ermöglicht zwar das Schalten hoher Ströme oder hoher Spannungen, ist aber sowohl hinsichtlich der Bauteile als auch des Platzes auf der Leiterplatte teuer und unpraktisch. Um dieses Problem zu lösen, wurden Leistungs-Feldeffekttransistoren (Power FETs) entwickelt.V
Wir wissen jetzt, dass es zwei Hauptunterschiede zwischen Feldeffekttransistoren gibt: den Verarmungsmodus nur für JFETs und den Anreicherungs- und Verarmungsmodus für MOSFETs. In diesem Lernprogramm werden wir uns mit der Verwendung von MOSFETs im Anreicherungsmodus als Schalter befassen, da diese Transistoren eine positive Gate-Spannung benötigen, um „EIN“ zu schalten, und eine Nullspannung, um „AUS“ zu schalten, wodurch sie leicht als Schalter zu verstehen sind und sich auch leicht mit Logikgattern verbinden lassen.
Der Betrieb von MOSFETs im Anreicherungsmodus oder e-MOSFETs lässt sich am besten anhand der unten dargestellten I-U-Kennlinien beschreiben. Wenn die Eingangsspannung ( VIN ) am Gate des Transistors Null ist, leitet der MOSFET praktisch keinen Strom, und die Ausgangsspannung ( VOUT ) ist gleich der Versorgungsspannung VDD. Der MOSFET ist also „AUS“ und arbeitet innerhalb seines „Cut-Off“-Bereichs.
MOSFET-Kennlinien
Die minimale Gate-Spannung im EIN-Zustand, die erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der MOSFET „EIN“ bleibt, wenn er den ausgewählten Drain-Strom führt, kann anhand der obigen V-I-Übertragungskurven ermittelt werden. Wenn VIN HIGH oder gleich VDD ist, bewegt sich der Q-Punkt des MOSFET zum Punkt A entlang der Lastleitung.
Der Drainstrom ID steigt aufgrund einer Verringerung des Kanalwiderstands auf seinen Maximalwert. ID wird zu einem konstanten, von VDD unabhängigen Wert und ist nur noch von VGS abhängig. Daher verhält sich der Transistor wie ein geschlossener Schalter, aber der Kanal-EIN-Widerstand sinkt aufgrund seines RDS(on)-Werts nicht vollständig auf Null, sondern wird sehr klein.
Wenn VIN LOW ist oder auf Null reduziert wird, bewegt sich der Q-Punkt des MOSFET entlang der Lastleitung von Punkt A nach Punkt B. Der Kanalwiderstand ist sehr hoch, so dass sich der Transistor wie ein offener Stromkreis verhält und kein Strom durch den Kanal fließt. Wenn also die Gate-Spannung des MOSFET zwischen zwei Werten, HIGH und LOW, hin- und herschaltet, verhält sich der MOSFET wie ein „einpoliger Umschalter“ (SPST), und diese Aktion ist definiert als:
1. Cut-Off-Bereich
Hier sind die Betriebsbedingungen des Transistors Null-Eingangsgate-Spannung ( VIN ), Null-Drain-Strom ID und Ausgangsspannung VDS = VDD. Bei einem MOSFET vom Anreicherungstyp ist also der leitende Kanal geschlossen und der Baustein ist „AUS“ geschaltet.
Abschaltcharakteristik
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Dann können wir den Aus-Bereich oder „AUS-Modus“ bei Verwendung eines e-MOSFET als Schalter wie folgt definieren, Gate-Spannung, VGS < VTH also ID = 0. Bei einem P-Kanal-Anreicherungs-MOSFET muss das Gate-Potenzial in Bezug auf die Quelle positiver sein.
2. Sättigungsbereich
Im Sättigungs- oder linearen Bereich wird der Transistor so vorgespannt, dass die maximale Gate-Spannung an das Bauelement angelegt wird, was dazu führt, dass der Kanalwiderstand RDS(on) so klein wie möglich ist und der maximale Drain-Strom durch den MOSFET-Schalter fließt. Daher ist beim Anreicherungs-MOSFET der leitende Kanal offen und das Bauelement ist „EIN“ geschaltet.
Sättigungseigenschaften
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Dann können wir den Sättigungsbereich oder „ON-Modus“ bei Verwendung eines e-MOSFET als Schalter als Gate-Source-Spannung definieren, VGS > VTH also ID = Maximum. Bei einem P-Kanal-Anreicherungs-MOSFET muss das Gate-Potenzial negativer als das Source-Potenzial sein.
Durch Anlegen einer geeigneten Ansteuerspannung an das Gate eines FET kann der Widerstand des Drain-Source-Kanals, RDS(on), von einem „AUS-Widerstand“ von mehreren hundert kΩ, der praktisch ein offener Stromkreis ist, bis zu einem „EIN-Widerstand“ von weniger als 1Ω variiert werden, der praktisch als Kurzschluss wirkt.
Wenn wir den MOSFET als Schalter verwenden, können wir ihn so steuern, dass er schneller oder langsamer „EIN“ schaltet oder hohe oder niedrige Ströme durchlässt. Diese Fähigkeit, den Leistungs-MOSFET „EIN“ und „AUS“ zu schalten, ermöglicht es, das Gerät als einen sehr effizienten Schalter mit Schaltgeschwindigkeiten zu verwenden, die viel schneller sind als bei Standard-Bipolartransistoren.
Ein Beispiel für die Verwendung des MOSFET als Schalter
In dieser Schaltungsanordnung wird ein n-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus verwendet, um eine einfache Lampe „EIN“ und „AUS“ zu schalten (könnte auch eine LED sein).
Die Gate-Eingangsspannung VGS wird auf einen geeigneten positiven Spannungspegel gebracht, um den Baustein und damit die Lampenlast entweder „EIN“ zu schalten ( VGS = +ve ) oder auf einen Nullspannungspegel, der den Baustein „AUS“ schaltet ( VGS = 0V ).
Wenn die ohmsche Last der Lampe durch eine induktive Last wie eine Spule, ein Solenoid oder ein Relais ersetzt würde, wäre eine „Schwungraddiode“ parallel zur Last erforderlich, um den MOSFET vor einer selbst erzeugten Gegen-EMK zu schützen.
Das obige Beispiel zeigt eine sehr einfache Schaltung zum Schalten einer ohmschen Last wie einer Lampe oder LED. Wenn jedoch Leistungs-MOSFETs zum Schalten von induktiven oder kapazitiven Lasten verwendet werden, ist eine Form des Schutzes erforderlich, um zu verhindern, dass der MOSFET-Baustein beschädigt wird. Die Ansteuerung einer induktiven Last hat den gegenteiligen Effekt wie die Ansteuerung einer kapazitiven Last.
Ein Kondensator ohne elektrische Ladung ist beispielsweise ein Kurzschluss, der zu einem hohen „Inrush“-Strom führt, und wenn wir die Spannung von einer induktiven Last entfernen, baut sich eine große Gegenspannung auf, da das Magnetfeld zusammenbricht, was zu einer induzierten Gegen-EMK in den Wicklungen der Spule führt.
Dann können wir die Schalteigenschaften sowohl des N-Kanal- als auch des P-Kanal-MOSFET in der folgenden Tabelle zusammenfassen.
| MOSFET Typ | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-Kanal Anreicherung | AUS | AUS | EIN |
| N-Kanal Verarmung | AUS | EIN | EIN |
| P-Kanal Anhebung | EIN | AUS | AUS |
| P-Kanal Verarmung | EIN | EIN | AUS |
Im Gegensatz zum N-Kanal-MOSFET, dessen Gate-Anschluss positiver (Elektronen anziehend) gemacht werden muss als die Source, damit Strom durch den Kanal fließen kann, fließt der Strom durch den P-Kanal-MOSFET aufgrund des Flusses von Löchern. Das heißt, dass der Gate-Anschluss eines P-Kanal-MOSFET negativer als die Source sein muss und erst dann aufhört zu leiten (Cut-Off), wenn das Gate positiver als die Source ist.
Damit der Anreicherungs-MOSFET als analoges Schaltgerät funktioniert, muss er zwischen seinem „Cut-Off-Bereich“ geschaltet werden, in dem: VGS = 0V (oder VGS = -ve) und seinem „Sättigungsbereich“, wo: VGS(on) = +ve. Die Verlustleistung des MOSFET ( PD ) hängt von dem Strom ab, der durch den Kanal ID in der Sättigung fließt, sowie vom „EIN-Widerstand“ des Kanals, der als RDS(on) angegeben wird. Beispiel:
MOSFET als Schalter Beispiel Nr. 1
Angenommen, die Lampe hat eine Nennleistung von 6 V, 24 W und ist vollständig „EIN“, dann hat der Standard-MOSFET einen Kanal-Einschaltwiderstand ( RDS(on) ) von 0,1 Ohm. Berechnen Sie die Verlustleistung des MOSFET-Schaltgeräts.
Der Strom, der durch die Lampe fließt, wird wie folgt berechnet:
Dann ergibt sich die Verlustleistung des MOSFETs wie folgt:
Sie denken jetzt vielleicht: „Na und! aber wenn man den MOSFET als Schalter zur Steuerung von Gleichstrommotoren oder elektrischen Lasten mit hohen Einschaltströmen verwendet, ist der „EIN“-Kanalwiderstand ( RDS(on) ) zwischen Drain und Source sehr wichtig. Beispielsweise sind MOSFETs, die Gleichstrommotoren steuern, einem hohen Einschaltstrom ausgesetzt, wenn sich der Motor zum ersten Mal zu drehen beginnt, da der Anlaufstrom des Motors nur durch den sehr niedrigen Widerstandswert der Motorwicklungen begrenzt wird.
Da die grundlegende Leistungsbeziehung lautet: P = I2R, dann würde ein hoher RDS(on)-Kanalwiderstandswert einfach dazu führen, dass große Mengen an Leistung abgeleitet werden und im MOSFET selbst verschwendet werden, was zu einem übermäßigen Temperaturanstieg führt, der, wenn er nicht kontrolliert wird, dazu führen könnte, dass der MOSFET sehr heiß wird und aufgrund einer thermischen Überlastung beschädigt wird.
Ein niedrigerer RDS(on)-Wert für den Kanalwiderstand ist ebenfalls ein wünschenswerter Parameter, da er dazu beiträgt, die effektive Sättigungsspannung des Kanals ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) über dem MOSFET zu verringern und daher bei einer kühleren Temperatur zu arbeiten. Leistungs-MOSFETs haben in der Regel einen RDS(on)-Wert von weniger als 0,01Ω, wodurch sie kühler laufen und ihre Lebensdauer verlängert wird.
Eine der wichtigsten Einschränkungen bei der Verwendung eines MOSFET als Schaltgerät ist der maximale Drainstrom, den er verarbeiten kann. Daher ist der RDS(on)-Parameter ein wichtiger Anhaltspunkt für die Schalteffizienz des MOSFET und wird einfach als das Verhältnis von VDS / ID angegeben, wenn der Transistor „EIN“ geschaltet ist.
Bei der Verwendung eines MOSFET oder eines anderen Feldeffekttransistors als Halbleiterschaltgerät ist es immer ratsam, einen MOSFET mit einem sehr niedrigen RDS(on)-Wert auszuwählen oder ihn zumindest auf einem geeigneten Kühlkörper zu montieren, um ein thermisches Durchgehen und Schäden zu vermeiden. Leistungs-MOSFETs, die als Schalter verwendet werden, verfügen in der Regel über einen eingebauten Überstromschutz, aber für Anwendungen mit hohen Strömen sind bipolare Transistoren die bessere Wahl.
Leistungs-MOSFET-Motorsteuerung
Aufgrund des extrem hohen Eingangs- oder Gatewiderstands, den MOSFETs haben, sind ihre sehr schnellen Schaltgeschwindigkeiten und die einfache Ansteuerung ideal für Schnittstellen mit Operationsverstärkern oder Standard-Logikgattern. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Gate-Source-Eingangsspannung richtig gewählt wird, denn wenn der MOSFET als Schalter verwendet wird, muss der Baustein einen niedrigen RDS(on)-Kanalwiderstand im Verhältnis zu dieser Gate-Eingangsspannung erhalten.
Leistungs-MOSFETs mit niedrigem Schwellenwert schalten möglicherweise erst dann „EIN“, wenn mindestens 3 V oder 4 V an ihr Gate angelegt wurden, und wenn der Ausgang des Logikgatters nur +5 V Logikspannung beträgt, reicht dies möglicherweise nicht aus, um den MOSFET vollständig in die Sättigung zu treiben. Es gibt MOSFETs mit niedrigerem Schwellenwert, die für die Verbindung mit TTL- und CMOS-Logikgattern entwickelt wurden und einen Schwellenwert von 1,5 V bis 2,0 V haben.
Leistungs-MOSFETs können zur Steuerung der Bewegung von Gleichstrommotoren oder bürstenlosen Schrittmotoren direkt von der Computerlogik oder mit Hilfe von PWM-Steuerungen (Pulsweitenmodulation) verwendet werden. Da ein Gleichstrommotor ein hohes Anlaufdrehmoment bietet, das auch proportional zum Ankerstrom ist, können MOSFET-Schalter zusammen mit einer PWM als sehr guter Drehzahlregler verwendet werden, der einen gleichmäßigen und leisen Motorbetrieb ermöglicht.
Einfache Leistungs-MOSFET-Motorsteuerung
Da die Motorlast induktiv ist, wird eine einfache Schwungraddiode über die induktive Last geschaltet, um die vom Motor erzeugte Gegen-EMK abzuführen, wenn der MOSFET ihn „AUS“ schaltet. Ein Klemmnetzwerk, das durch eine Zenerdiode in Reihe mit der Diode gebildet wird, kann ebenfalls verwendet werden, um ein schnelleres Schalten und eine bessere Kontrolle der Spitzensperrspannung und der Abfallzeit zu ermöglichen.
Für zusätzliche Sicherheit kann auch eine zusätzliche Silizium- oder Zenerdiode D1 über den Kanal eines MOSFET-Schalters gelegt werden, wenn induktive Lasten wie Motoren, Relais, Magnetspulen usw. verwendet werden, um Überspannungsschalttransienten und Rauschen zu unterdrücken und den MOSFET-Schalter bei Bedarf zusätzlich zu schützen. Der Widerstand RGS wird als Pull-Down-Widerstand verwendet, um die TTL-Ausgangsspannung auf 0 V zu ziehen, wenn der MOSFET „AUS“ geschaltet ist.
P-Kanal-MOSFET-Schalter
Bislang haben wir den N-Kanal-MOSFET als Schalter betrachtet, bei dem der MOSFET zwischen der Last und der Masse angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch das Gate-Treiber- oder Schaltsignal des MOSFET auf Masse bezogen werden (Low-Side-Schaltung).
P-Kanal
MOSFET-Schalter
In einigen Anwendungen ist jedoch die Verwendung von P-Kanal-MOSFETs im Anreicherungsmodus erforderlich, bei denen die Last direkt mit Masse verbunden ist. In diesem Fall wird der MOSFET-Schalter zwischen die Last und die positive Versorgungsschiene geschaltet (High-Side-Switching), wie dies bei PNP-Transistoren der Fall ist.
Bei einem P-Kanal-Bauelement fließt der Drain-Strom üblicherweise in negativer Richtung, so dass eine negative Gate-Source-Spannung angelegt wird, um den Transistor „EIN“ zu schalten.
Dies wird dadurch erreicht, dass der P-Kanal-MOSFET „auf dem Kopf“ steht und sein Source-Anschluss mit der positiven Versorgung +VDD verbunden ist. Wenn der Schalter auf „LOW“ geht, schaltet der MOSFET auf „ON“, und wenn der Schalter auf „HIGH“ geht, schaltet der MOSFET auf „OFF“.
Dieser umgekehrte Anschluss eines P-Kanal-MOSFET-Schalters im Anreicherungsmodus ermöglicht es uns, ihn mit einem N-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus in Reihe zu schalten, um ein komplementäres oder CMOS-Schaltgerät zu erzeugen, wie über eine Dualversorgung gezeigt.
Komplementärer MOSFET-Motor-Controller
Die beiden MOSFETs sind so konfiguriert, dass sie einen bidirektionalen Schalter über eine Doppelspeisung erzeugen, wobei der Motor zwischen dem gemeinsamen Drain-Anschluss und der Masse-Referenz angeschlossen ist. Wenn der Eingang LOW ist, wird der P-Kanal-MOSFET eingeschaltet, da sein Gate-Source-Übergang negativ vorgespannt ist, so dass sich der Motor in eine Richtung dreht. Nur die positive +VDD-Versorgungsschiene wird zum Antrieb des Motors verwendet.
Wenn der Eingang HIGH ist, schaltet der P-Kanal-Baustein AUS und der N-Kanal-Baustein EIN, da sein Gate-Source-Übergang positiv vorgespannt ist. Der Motor dreht sich nun in die entgegengesetzte Richtung, da die Klemmenspannung des Motors umgekehrt wurde, da er nun von der negativen -VDD-Versorgungsschiene versorgt wird.
Dann wird der P-Kanal-MOSFET verwendet, um die positive Versorgung des Motors für die Vorwärtsrichtung zu schalten (High-Side-Schaltung), während der N-Kanal-MOSFET verwendet wird, um die negative Versorgung des Motors für die Rückwärtsrichtung zu schalten (Low-Side-Schaltung).
Es gibt eine Vielzahl von Konfigurationen für die Ansteuerung der beiden MOSFETs mit vielen verschiedenen Anwendungen. Sowohl der P-Kanal- als auch der N-Kanal-MOSFET können, wie gezeigt, von einem einzigen Gate-Treiber-IC angesteuert werden.
Um jedoch eine Querleitung zu vermeiden, bei der beide MOSFETs gleichzeitig über die beiden Polaritäten der dualen Versorgung leiten, sind schnelle Schaltvorrichtungen erforderlich, die eine gewisse Zeitdifferenz zwischen dem Ausschalten des einen und dem Einschalten des anderen MOSFETs gewährleisten. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Gates beider MOSFETS getrennt anzusteuern. Dies führt dann zu einer dritten Möglichkeit, den Motor „STOP“ zu schalten, wenn beide MOSFETS „AUS“ sind.
Komplementäre MOSFET-Motorsteuerungstabelle
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Motorfunktion |
| AUS | AUS | Motor angehalten (AUS) |
| EIN | AUS | Motor dreht sich vorwärts |
| AUS | EIN | Motor dreht sich rückwärts |
| EIN | EIN | NICHT ERLAUBT |
Bitte beachten Sie, dass keine anderen Kombinationen von Eingängen gleichzeitig erlaubt sind, da dies zu einem Kurzschluss der Stromversorgung führen kann, da beide MOSFETS, FET1 und FET2 zusammen „EIN“ geschaltet werden könnten, was zu: ( Sicherung = Knall! ), sei gewarnt.
