Labor. Dokumentation und Auswertung. Kaiblinger, Poppenberger, Sulzer, Zöhrer H Transistor2 MOSFET. Note: Page 1/16

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1 TGM Abteilung Elektronik und Technische Informatik Dokumentation und Auswertung Labor Jahrgang 3BHEL Übung Übungsbetreuer Prof. Bartos Übung am Erstellt am von David Kaiblinger Übungsteilnehmer Gruppe Transistor2 MOSFET Saal H1435 Inhalt Seite 1. Vorausgesetztes Wissen 1.1.Restwiderstand 1.2.Gatekapazität 1.3.Schaltzeiten 1.4.Schwellspannung 1.5.Symbol und Beschriftung eines MOSFET 2. Aufaben 2.1.Schaltzeiten Messschaltung Messergebnisse Oszillogramme Aufbau Sinnvolle Maximalfrequenzen Simulation 2.2.Messung von Kennwerten Schwellspannung Restwiderstand Eingangskapazität Zeitkonstante 3. Erkenntnisse 4. Liste verwendeter Geräte Beurteilung Vollständigkeit (Angabe, Doku, Labornotizen, verwendete Geräte) Schaltbilder, Messschaltungen (inkl. Dimensionierung) Messergebnisse, Tabellen Grafische Darstellung (Diagramme, Oszillogramme) Auswertungen (Interpretation, Erkenntnisse) Simulationen (Schaltungen, Vollständigkeit) Vergleich Messergebnisse Simulationen Form (Gliederung, Übersichtlichkeit, Stil) Summe bis 49% 5 bis 63% 4 (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) ( bis 75% 3 bis 87% 2 ab 88% 1 ) % Note: Page 1/16

2 1 Vorwissen Restwiderstand: Der Restwiderstand RDS(ON) ist der verbleibende Widerstand zwischen Drain und Source eines MOSFETs. Er ist größtenteils abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source. Bei einem N-Ch MOSFET muss das Potential am Gate relativ zur Source positiv sein um den MOSFET in den Durchgeschalternen durchstand zu bringen. Bei einem P-Ch MOSFET muss diese negativ sein um das gleiche zu erzielen. Wenn der MOSFET für den Schaltbetrieb verwendet werden soll ist ein möglichst geringer Restwiderstand erwünscht, um den Leistungsverlust über den MOSFET möglichst gering zu halten. Der Restwiderstand hat meist eine Wert im mω-bereich. Gatekapazität: Die Gatekapazität ist ein parasitärer Effekt der unvermeidbar ist. Ein MOSFET bietet, so wie ein Bipolarer Transistor, eine unerwünschte Kapazität die relative groß bemessen ist. Diese Kapazität befindet sich im Normalfall um 1nF. Die Gatekapazität bestimmt die Schaltzeit sowie die obere Grenzfrequenz. Diese Werte sind dahingehend von der Gatekapazität abhängig, dass eine Schwellspannung am Gate benötigt wird damit der MOSFET durchschaltet. Dadurch, dass ein Kondensator nun parallel dazu geschalten ist benötigt dieser eine gewisse Zeitspanne sich auf die Schwellspannung aufzuladen, bevor der FET überhaupt zu schalten beginnt. Dies bestimmt unter anderen Faktoren die Schaltzeit und somit auch die obere Grenzfrequenz Schaltzeiten: Durch diesen Ausdruck wird die Zeitspanne beschrieben, die ein MOSFET braucht bis er Schaltet. Diese ist in Datenblättern nachzulesen und ist nicht bei allen Stromstärken gleich. Für Informationen zu spezifischen MOSFET-Schaltzeiten ist eine Blick ins Datenblatt nötig. Die Einschaltzeit kann stark von der Ausschaltzeit variieren. Schwellspannung: Die Schwellspannung beschreibt die Grenze an dem eine Diode vom sperrenden Zustand zum leitenden Zustand wechselt. Beispielsweise befindet sich diese Spannung bei einer Germanium-Diode bei 0,3V, während eine Silizium-Diode eine Schwellspannung von 0,7V hat. Bei einem MOSFET handelt es sich dabei um das Gate Potential relativ zum Source Potenzial, ab welchem der MOSFET zu leiten beginnt, also die Drain-Source Strecke niederohmig wird. Page 2/16

3 Symbol und Beschriftung eines MOSFETs: 2 Aufgaben 2.1 Schaltzeiten Schaltzeiten von einem N-Ch MOSFET, Typ: BUZ 11: Die Schaltzeit wurde mit Hilfe der in 2.1 angeführten Schaltung gemessen. a) V2 = 4V, V1= 10V b) V2 = ±4V, V1 = ±10V Messschaltung V2 Funktionsgenerator (Rigol DG1022) V1 Labornetzgerät (Gwinstek GPS-3303) Page 3/16

4 2.1.2 Messergebnisse UGS [V] ID [A] Schaltzeit [ns] max. f. [khz] ± ± a 2.1.-b Werte des Datenblatts: Einschaltzeit MIN [ns] TYP [ns] MAX [ns] buz Ausschaltzeit MIN [ns] TYP [ns] MAX [ns] buz Die gemessenen Schaltgeschwindigkeiten weichen stark von den im Datenblatt angegebenen ab. Es gibt bei den gemessenen Werten keine Unterscheidung zwischen Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit, während das Datenblatt die beiden voneinander differenziert. Die Schaltgeschwindigkeit der unipolaren Spannung liegt zwischen der vom Hersteller angegebenen Einschalt- und Ausschaltzeit. Im Fall der bipolaren Spannung liegt die Schaltgeschwindigkeit deutlich unter beiden angeführten Werten. Wie im Punkt 3 (Erkenntnisse) nachzulesen ist, hat sich die Schaltgeschwindigkeit um 73,333% verkürzt, als die Spannung von unipolar auf bipolar erweitert wurde. Page 4/16

5 2.1.3 Oszillogramme Um die maximale Schaltfrequenz zu ermitteln, mit der man den MOSFET sinnvoll betreiben kann, haben wir die angelegte Frequenz erhöht. Zur gleichen Zeit haben wir mit Hilfe des Oszilloskops festgestellt, dass wir die gemessene Spannung abgesehen der Überschwingungen noch als Rechtecksignal ansehen. Die unten angegebene Messung haben wir als noch sinnvoll betrachtet, da wir die Überschwingungen, die durch den schlechten Aufbau zustande kamen, in unserer beurteilung nicht berücksichtigt haben. Daher ist die Grenzfrequenz bei einer Amplitude von 10V 500kHz. Page 5/16

6 Im Gegensatz zu dem oberen Bild kann man hier deutlich erkennen, dass die Betreibung im Frequenzbereich (700kHz) nicht sinnvoll ist. Weiters haben wir die selbe Schaltung mit einer anderen Amplitude (±4V) betrieben. Dabei ist ebenso eine Grenzfrequenz von 500kHz herausgekommen. Page 6/16

7 2.1.4 Aufbau Die Bilder des Realaufbaus entsprechen der Messschaltung. Page 7/16

8 2.1.5 Sinnvoll mögliche Frequenzen 4V unipolares Rechteck: Die maximal sinnvolle Schaltfrequenz liegt in einem Bereich um 2MHz. In diesem Fall befinden wir uns mit der Frequenz an dem absoluten Grenzbereich. Empfehlenswert ist die Verwendung des MOSFETs nicht für sehr Empfindliche Schaltungen, die auf Genauigkeit beruhen. 10V unipolares Recheck: Die maximal sinnvolle Schaltfrequenz liegt in einem Bereich um 1MHz. Die Überschwingungen sind zwar sehr stark ausgeprägt, jedoch ist das Grundsignal ziemlich nahe an einem Rechteck. Page 8/16

9 4V bipolares Rechteck: Die maximal sinnvolle Schaltfrequenz liegt in einem Bereich um 1MHz. Wie auch im Vorherigen Beispiel ist die Schwingung der Spannung stark, jedoch handelt es sich bei diesem Diagramm um das schönste der Vier. 10V bipolares Rechteck: Die maximal sinnvolle Schaltfrequenz liegt in einem Bereich um ½ MHz. Die Schwingungen sind groß, wie aber auch bei den anderen Diagrammen ist die Grundform eines Rechtecks gut erhalten. Page 9/16

10 2.1.6 Simulation 4V unipolares Rechtecksignal, zu sehen bei einer Frequenz von 500Hz: 10V unipolares Rechtecksignal, zu sehen bei einer Frequenz von 500Hz: Page 10/16

11 4V bipolares Rechtecksignal, zu sehen bei einer Frequenz von 500Hz: 10V bipolares Rechtecksignal, zu sehen bei einer Frequenz von 500Hz: Die Überschwingung der Spannung Uds ist, wie erwartet, bei einem Ugs von ±10V größer als bei einem mit ±4V. Zu sehen ist auch, dass die Überschwingungen der unipolaren Spannung deutlich kleiner ist, dieses Ergebnis wurde erwartet. Page 11/16

12 2.2 Messungen von Kennwerten Schwellspannung Mit Hilfe der unten angegeben Schaltung haben wir die Schwellspannung gemessen. V2 Labornetzgerät - Ch 2 (Gwinstek GPS-3303) V1 Labornetzgerät - Ch 1 (Gwinstek GPS-3303) Es wurde ein Amperemeter zwischen dem Widerstand und der spannungsquelle geschalten. Ebenfalls haben wir eine Spannungsquelle an den Gate und Source Angeschlossen. Im ersten Schritt der Messung wird die Spannungsquelle (in der Schaltung oben V2) auf 0V eingestellt. Dann wurde Potential der Spannungsquelle solange erhöht, bis ein Strom in den Drain-Anschluss floss. Dies geschah bei einer Spannung von 3V, daher entspricht die Schwellspannung 3V. Page 12/16

13 2.2.2 Restwiderstand Um den restwiderstand über den Source und Drain Anschluss zu messen wurde ein konstanter Strom an den Drain Anschluss angeschlossen. Mit einem Amperemeter wurde dieser auf Richtigkeit überprüft. Weiters wurde ein Amperemeter an dem Source und Drain anschluss angeschlossen. Mit der gemessenen spannung konnten wir uns den Widerstand ausrechnen mit hilfe der Formel U = R * I. Diese Messung/Berechnung wurde mit 3 verschiedene Spannungen für V2 gemessen, ebenfalls haben wir I D variiert (1A,0.5A). UGS [V] ID [A] UDS [mv] Restwiderstand [mω] Page 13/16

14 2.2.3 Eingangskapazität Die Eingangskapazität wurde mit Hilfe eines Tiefpasses berechnen. Dafür wurde ein 1MΩ Widerstand für R verwendet, während sich der Kondensator des Tiefpasses aus der Gatekapazität ergibt. Dadurch das eine 10V Eingangsspannung verwendet worden ist und Tau 62,7% der Gesamtspannung darstellt, konnte die Zeit zwischen 0V und 6,27V gemessen werden und in die Formel Zeit/Widerstand=Kapazität einsetzten. Als Ergebnis wurde eine Kapazität von 1,6nF festgestellt, (1,6ms/1MΩ). (Siehe Delta 1,6ms in Diagramm) Page 14/16

15 2.2.4 Zeitkonstante T = ROUT * CGS = 50 * 1.5E-9 = 75 ns => Schaltzeit Angenommen die Schaltzeiten dürfen 50% der Periodendauer verbrauchen. Das entspricht jeweils 25 % für High- & Low Periode. Dann ergibt sich eine max Grenzfrequenz von 1/300 ns = 3.3 MHz Page 15/16

16 3 Erkenntnisse Wie kann man die Schaltzeiten eines MOSFET kurz halten (hohe Schnelligkeit)? Beispiel 2.1 hat gezeigt, dass eine bipolare Frequenz die Schaltzeit des MOSFETs deutlich verringert hat. Die Unipolare Frequenz hat eine Schaltzeit von 60ns vorgewiesen, während die bipolare Schaltzeit bei 16ns gelegen ist. Daraus ergibt sich eine Verringerung von (16*100)/60 = 73,333%. Wie verringert man den Durchlassverlust? Der Durchlassverlust P v=(i^2)*rds ist abhängig von dem Widerstand zwischen Drain und Source, sowie dem dort befindlichen Strom I. Wenn I kleiner wird verringert sich auch Pv. Daraus ist auch ein kleinerer Spannungsabfall an R ds zu beobachten. 4 Liste verwendeter Geräte Typ Hersteller Modellnummer Seriennummer Function Generator Rigol DG1022 DG1D Digital Oscilloscope Tektronix TDS 210 B Lab DC Powersupply Gwinstek GPS-3303 EM Digital Multimeter Gwinstek GDM-8251A EL Page 16/16