MOSFET - Leistungslose Leistung

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
1 BS170
2 Widerstand 470 Ohm  
1 Widerstand 100 kOhm  
1 Trimmpotentiometer 100 kOhm
1 Mikrotaster
2 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm
1 Multimeter  

 

 

Grundlagen

 

In der Familie der Feldeffekttransistoren ist es wohl das wichtigste Element. Der MOSFET. Die Vorteile dieses Bauelements sind unter anderem, dass er nahezu so vielseitig ist, wie ein bipolarer Transistor. Ein MOSFET hat gegenüber eines normalen Transistors aber entscheidende Vorteile. Wie schon im Lehrgang über J-FETs erwähnt ( Feldeffekttransistor - Der Sensible), benötigt auch der MOSFET zum Durchsteuern nur eine Spannung am Steuereingang.

 

Einen weiteren Vorteil entdeckt man, wenn man sich mal die hergestellten MOSFETs ansieht. Es sind Typen gelistet, die problemlos 150A und mehr schalten können. Gegenüber normalen Transistoren, sind MOSFETs aber nur schlecht für hohe Betriebsfrequenzen geeignet. Daher findet man sie meist nur in Schaltsteuerungen oder in NF-Verstärkern. Werden höhere Frequenzen benötigt, haben bipolare Transistoren die Nase vorn.

 

MOSFETs bestehen im Prinzip aus einen Halbleiterkanal auf dem die Steuerelektrode (Gate) mit einem Isolator aufgebracht ist. Dadurch nennt man den MOSFET auch IG-FET (Insolated Gate FET). Der MOSFET zählt zu den Anreicherungs-Typen.

 

Wie auch der bipolare Transistor, ist der MOSFET auch in einem ähnlichen Gehäuse verpackt. Den Typ, der hier verwendet wird, besitzt ein kleines TO92-Gehäuse. Die Anschlussbelegung ist in der Abbildung zu sehen. Für die meisten Versuche hier, verwenden wir den BS170. Als entsprechender  Komplementärtyp kann der BS250 verwendet werden.

Wie auch schon beim J-FET, findet man bei diesen Transistor die 3 Anschlüsse Drain, Source und Gate vor. Gegenüber dem J-FET sollte man hier aber D und S nicht vertauschen. Durch die Produktionsart entsteht parallel zur DS-Strecke eine Diode, die normalerweise in Sperrichtung geschaltet ist.

 

 

Grundfunktion des MOSFETs

 

 

Um den MOSFET durchsteuern zu lassen, muss man den Gate-Anschluss nur mit einer positiven Spannung versorgen, welches bei dieser Schaltung über einen Taster geschieht.

Wird die Schaltung in Betrieb genommen und S1 betätigt, leuchtet die Leuchtdiode D1 auf. Beim loslassen des Tasters verlischt diese wieder. Um den FET durchsteuern zu lassen benötigt man eine recht hohe Spannung. Während ein bipolarer Transistor ca. 0.7 V zum Durchsteuern benötigt, muss man hier mindestens 3 V anlegen, damit dieser die DS-Strecke komplett frei gibt. Dies hängt damit zusammen, das die Gate ein elektrisches Feld aufbauen muss und dieses benötigt eine recht hohe Energie. Man muss aber auch dafür sorgen, dass dieses Feld wieder abgebaut wird, wenn die Steuerspannung entfällt. Dafür ist der Widerstand R1 zuständig. Fehlt dieser, kann das Feld nicht abgebaut werden und der FET bleibt durchgesteuert.

Dies kann man selbst ausprobieren, indem man R1 aus der Schaltung entfernt und dann wiederum den Taster betätigt. Wie zu erwarten, leuchtet D1 hier auch auf. Lässt man nun den Taster aber los, bleibt die LED D1 in Betrieb. Da sich die Energie, die sich am Gate gesammelt hat, nicht abbauen kann, bleibt die DS-Strecke freigegeben. Sobald der Widerstand wieder eingesetzt wird, geht die Leuchtdiode wieder aus.

Das Feld, was sich am Gate aufbaut stellt auch eine Kapazität dar, welches in Schaltungen mit höheren Frequenzen auch gleichzeitig ein Problem darstellt. Dadurch ist der Einsatz von MOSFETs nur in Schaltungen mit niedrigen Frequenzen möglich. Man kann es sich so vorstellen als wäre ein kleiner Kondensator vor dem Gate angeschlossen.

Der Strom, der benötigt wird, um das Gate anzusteuern ist äußerst gering. Beim BS170 liegt dieser im nA-Bereich. So ein geringer Strom lässt sich mit normalen Mitteln gar nicht mehr messen.

 

Wer es dennoch versuchen möchte, kann ja mal eine Messung vornehmen. Selbst ein Messgerät mit einem 2 µA-Messbereich kann bei dieser Schaltung keinen Strom feststellen, wenn der Taster betätigt wird.

Jeder kann sich vorstellen, dass diese Eigenschaft für viele Bereiche in der Elektronik vom Vorteil ist. Dadurch sind Schaltungen möglich, die so wenig Strom verbrauchen, dass sie mit Batteriebetrieb eine sehr lange Laufdauer besitzen. Aus den MOSFETs ist eine ganze Schaltkreisfamilie der Digitaltechnik geworden. Die CMOS-Technik.

 

Ist der FET durchgesteuert besitzt auch er eine Verlustspannung über der DS-Strecke. Wenn wir dies nachmessen, werden wir hier einen Wert von einigen mV feststellen. MOSFETs haben hier aber auch eine besondere Eigenschaft.

Der Widerstand in der DS-Strecke ist ziemlich konstant. Es spielt hier keine Rolle, ob sie den FET nun mit 10 mA oder 200 mA belasten. Wer die Spannung bei unterschiedlichen Strömen misst und dann mit Hilfe des ohmschen Gesetzes den Widerstand von der DS-Strecke ermittelt, wird feststellen, dass dieser bei unterschiedlichen Belastungen immer ziemlich gleich ist.

Um dies zu beweisen, belasten wir den FET hier um das Doppelte.

 

 

Man sollte für die zweite Leuchtdiode die gleiche Leuchtfarbe wählen, da sich sonst ein anderer Strom einstellt welcher die Messung verfälscht.

Wird nun wieder die Spannung über der DS-Strecke gemessen, kann man sofort sehen, dass sich die Spannung verdoppelt hat. Würde der gleiche Versuch mit einem bipolaren Transistor durchführen, käme man zu einem anderen Ergebnis.

Dieser Wert, welcher als RDS(On) bezeichnet wird, ist eines der wichtigsten Kenndaten eines MOSFETs. Bei Leistungs-FETs liegt dieser Wert nur bei einigen mOhm. Beim BS170 ist er relativ hoch und liegt bei einigen Ohm. Relativ zur Impedanz der angeschlossenen Last aber noch ein verschwindend geringer Wert.

 

 

Wie bereits schon erwähnt, benötigt das Gate einige Volt um komplett durch zu steuern. Mit dieser Schaltung soll dies auch noch einmal überprüft werden.

Hier wird eine Spannung von 0V bis hin zur Betriebsspannung an das Gate des MOSFETs gelegt. Wie man hier nachmessen kann, fängt die Leuchtdiode erst bei einer Spannung von weit über 1V an zu leuchten und erreicht mit ca. 3V Gatespannung ihre volle Leuchtkraft.

 

 

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