Mosfet. ELEXBO A-Car-Engineering. ELEXBO Elektro-Experimentier-Box MOSFET-Kit. -Aufbau, Funktionen und Eigenschaften der Feldeffekttransistoren.

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1 Mosfet 1 -Aufbau, Funktionen und Eigenschaften der Feldeffekttransistoren. Aufbau und Bauteile J-Fet N-Kanal BF244 J-Fet P-Kanal J175 4 Mosfet N-Kanal sperrend IRLZ24NPBF Mosfet-P-Kanal sperrend STP12PF06 Mosfet-N-Kanal leitend BSP129 4 Widerstände 47kΩ 2 Widerstände 1MΩ und 10 MΩ Gleichstrom-Motor 1 Schalter On-Off-On (Drehrichtung Motor)

2 Inhalt 2 Eigenschaften des bipolaren Transistors... 3 Verlustleistung des bipolaren Transistors... 3 Der Feldeffekt-Transistor... 4 Zusammenfassung der Eigenschaften des Feldeffekt-Transistor... 5 Vereinfachte Funktion des Feldeffekt-Transistor... 6 Der p-kanal-sperrschicht-fet:... 8 Der MOS-FET, die neue Generation von Transistoren Wie funktioniert ein Mosfet. (IRLZ24N) SMD-Technik Die H-Schaltung H-Schaltung Stromverlauf Spezielles: (P-channel-MOSFET-Depletion-Mode) Zusammenfassung der Transistor-Typen Spannungschutzbeschaltung IGBT-MOSFET... 20

3 3 Feldeffekt-Transistoren sind Transistoren mit anderen und vor allem besseren Eigenschaften. Eigenschaften des bipolaren Transistors Dazu sind zuerst nochmal die Eigenschaften des bipolaren Transistors festzuhalten. Bauen Sie dazu diese Schaltung auf. Drehen Sie das Poti so, bis die LED hell leuchtet. Messen Sie nun den Basisstrom Wert: 0.2mA = A Messen Sie nun den Spannungsabfall von Basis zu Emitter: Wert: 0.8V Die Verlustleistung für die Ansteuerung des Transistors beträgt: P= U x I = 0.8 V x A = W = 0.16 mw Verlustleistung des bipolaren Transistors Nun wird die Verlustleistung im Lastkreis gemessen und gerechnet: U x I

4 4 Messen Sie dazu den Strom und den Spannungsabfall am Transistor. I = 37 ma = 0.04 A U Abfall = 0.05 V Die Verlustleistung im Lastkreis beträgt: P= U x I = 0.05 V x 0.04 A = W = 2 mw Die gesamte Verlustleistung beträgt also: P Verlust-Basis + P Verlust-Last = W W = W = 2.2 mw Wieviel beträgt die Verlustleistung in Prozent der geschalteten Leistung? Geschaltete Leistung = P= U x I = 4.5 V x A = 0.17 W = 170 mw Verlust in Prozent = 100% x 2.2 mw = 1.3 % 170 mw Dies erscheint bei einem Transistor als kleine Verlustleistung. In einem IC eines Computers hat es jedoch ca. 1 Milliarde Transistoren die sehr schnell ein und ausschalten, ergibt dies eine extrem grosse Verlustleistung, die dann gekühlt werden muss. Hier gibt es nun eine Verbesserung: Der Feldeffekt-Transistor Ersetzen Sie nun den Transistor mit dem J-Fet-Transistor (siehe Symbol) und bauen diese Schaltung auf: Die Anschlüsse am Feldeffekt-Transistor heissen: Drain (Emitter) Gate (Basis) Source (Collektor)

5 5 Drehen Sie nun langsam am Poti, bis ein LED-Strom von ca. 9mA fliesst. Erkenntnis: -Der Feldeffekt-Transistor funktioniert wie ein bipolarer NPN-Transistor Aber: -Es fliesst kein Gatestrom I GS = 0 ma Die Verlustleistung für die Ansteuerung des Transistors beträgt: P= U x I = 3 V x 0 A = 0 W (keine Leistung ohne Strom) Drehen Sie nun das Potentiometer so, dass die Lampe erlischt. Resultat: Es fliesst kein Strom. Zusammenfassung der Eigenschaften des Feldeffekt-Transistor Es fliesst auf der Ansteuerungsseite kein Strom und damit entsteht keine Verlustleistung Die Verlustleistung im Lastkreis ist bedeutend kleiner Dieser Transistor funktioniert wie ein NPN-Transistor, sperrt ohne Gate-Spannung und heisst n-kanal-sperrschicht FET Drain (Emitter) Gate (Basis) Source (Collektor)

6 6 Vereinfachte Funktion des Feldeffekt-Transistor Den exakten Aufbau und Eigenschaften finden Sie im Internet. Die Elektronen bewegen sich in der Realität vom Minus- zum Pluspol. Alle Schemas und Beschreibungen sind aber so geschrieben, dass der elektrische Strom vom Plus- zum Minuspol fliesst. Dieser Gegensatz macht das Begreifen der wirklichen Funktion äusserst verwirrend so dass hier eine extrem vereinfachte Lösung präsentiert wird. Drain-Anschluss Eine kleine Platte besteht aus n-dotiertem Silizium und hat damit ein Elektron zuviel auf der äussersten Bahn. Gate Die Strecke von Drain nach Source leitet den elektrischen Strom nicht. Deshalb heisst dieser Transistor: n-kanal Sperrschicht-Fet Source Wenn nun eine positive Spannung am Gate wirkt, entsteht im n-dotierten Kanal ein elektrisches Feld, welches nun den Strom fliessen lässt. Es fliesst kein Gatestrom, eine Spannung erzeugt ein elektrisches Feld, welches den Kanal von Drain zu Source leitend macht. Wird die Gate-Spannung zu hoch, beginnt aber auch ein Gate-Strom zu fliessen. Der Widerstand von 1MOhm ist so gross, das praktisch kein Strom mehr fliessen kann.

7 7 Bauen Sie nun diese Schaltung auf. Betätigen Sie den Schalter und drücken einmal den Taster. Resultat: Die LED leuchtet auf. Nach dem Loslassen flackert aber die LED weiter. Bewegen Sie Ihre Hand über die Schaltung: Der J-Fet sperrt nicht gut und schon die Luft kann ihn leitend machen. Ergänzen Sie die Schaltung mit dem 10MOhm Widerstand auf Masse. Resultat: Nach dem Loslassen des Tasters flackert die LED nicht mehr. Nun ist das Gate mit 10MOhm auf Masse gelegt und der J-Fet sperrt eindeutig. Erkenntnis: Das Potential am Gate muss eindeutig sein. Ein nicht angeschlossenes Gate kann dazu führen, dass der Transistor macht was er will. Feststellungen: Die Ansteuerung aufs Gate erfolgt nur mit einer Spannung und verbraucht so keine Leistung. Der Transistor kann variabel bis zur maximalen Stromstärke von 9mA angesteuert werden. Der Aufbau des Transistors bestimmt, wieviel Strom bei einer angelegten Spannung fliessen kann.

8 8 Der p-kanal-sperrschicht-fet: Bauen Sie nun diese Schaltung mit dem p-kanal-sperrschicht-fet: Betätigen Sie den Schalter und Drehen am Poti von Anschlag zu Anschlag. Was passiert? Die LED leuchtet von hell (17mA) bis fast dunkel (2.5mA). Drehen Sie nun das Poti im Uhrzeigersinn bis Anschlag: Erkenntnis: Es fliesst immer noch ein Strom von 2.5mA Drehen Sie nun langsam das Poti im Gegenuhr- Zeigersinn bis der Gatestrom 0.01mA beträgt. Feststellungen: Erkenntnis: Es fliesst 17mA und die LED leuchtet. Die Ansteuerung aufs Gate erfolgt nur mit Minus-Spannung und funktioniert somit wie ein PNP Transistor. Der Transistor kann variabel bis zur maximalen Stromstärke von 17mA angesteuert werden. Der Aufbau des Transistors bestimmt, wieviel Strom bei einer angelegten Spannung fliessen kann. Da die Spannung am Gate zu wenig gross ist (Plus) kann der J-Fet mit dieser Beschaltung nicht vollständig sperren; es fliesst ein Reststrom von 2.5mA. Die Generation der unipolaren Junction-Fet-Transistoren werden selten verwendet. Drain Gate (Basis) Source

9 9 Der MOS-FET, die neue Generation von Transistoren. Bauen Sie diese Schaltung auf: Betätigen Sie den Schalter und Drehen am Poti von Anschlag zu Anschlag. Was passiert? Der Motor dreht von Stillstand bis Höchstdrehzahl Er funktioniert also wie ein bipolarer Transistor. Das Gate wird ohne Vorwiderstand mit einer Spannung von 0 Volt bis 4.5 Volt angesteuert. Ergänzen Sie die Schaltung mit den Messgeräten: Betätigen Sie den Schalter und Drehen am Poti von Anschlag zu Anschlag. Was passiert? Der Gatestrom bleibt immer Null. Der Spannungsverlust über U DS ist bei Höchstdrehzahl 1.5mV bei einem Laststrom von 25mA des Motors. Schliessen Sie nun dazu noch eine Lampe parallel zum Motor Betätigen Sie den Schalter und Drehen am Poti so, dass der Motor ganz langsam dreht Was passiert? Der Gatestrom bleibt immer Null. Die Motordrehzahl bleibt konstant, der Transistor leitet trotz Erwärmung gleich gut (Arbeitspunkt)

10 10 Berechnung der Verlustleistung P Gate = U x I = 4.5 Volt x 000mA = 0 Watt P DS = U x I = Volt x 0.025A = Watt = 37 µwatt Bauen Sie diese Schaltung auf: Betätigen Sie den Taster! Was passiert? Der Motor dreht sofort mit Höchstdrehzahl Oeffnen Sie nun den Taster! Der Motor dreht weiter; der Mosfet leitet weiterhin. Ergänzen Sie die Schaltung mit einem 10MOhm-Widerstand Betätigen Sie nun den Taster! Was passiert? Der Motor dreht sofort mit Höchstdrehzahl Oeffnen Sie nun den Taster! Der Motor stoppt. Der Mosfet braucht zum Sperren ein Minus- Potential. Feststellungen: Das MOS-Fet steuert auf der Gate-Seite ohne Leistungsverbrauch nur über die Spannung Der Spannungsverlust zwischen Source und Drain ist extrem klein, so dass der Mosfet zum Ansteuern von Aktoren am wenigsten Verlustleistung aufweist. Der Arbeitspunkt am Gate ist sehr stabil, da keine Erwärmung die Werte verfälschen kann. Der Mosfet braucht zum Sperren ein Minus-Potential.

11 11 Wie funktioniert ein Mosfet. (IRLZ24N) Aufgrund der Feststellungen ist ein Mosfet eine Weiterentwicklung eines J-Fet. Aufbau: Ein n-dotiertes Plättchen ist der Drain-Anschluss Ein p-dotiertes Plättchen Ist die Grundlage Drain Ein n-dotiertes Plättchen hier ist der Source-Anschluss Source SiO 2 Das Kristall erhält eine Abdeckschicht aus Siliziumdioxid,die hochisolierend ist. Daher der Name MOSFET: Metall-Oxid-Semiconductor Metall-Oxid-Halbleiterbauteil Diese Schicht lässt keine Elektronen durch und ist somit hochisolierend

12 12 Auf diese Siliziumoxidschicht wird nun eine Aluminiumschicht aufgedampft und bildet den Gate-Anschluss Gate Nun wird der Taster betätigt. Die +Spannung am Gate wirkt, dadurch werden die freien Elektronen vom Gate elektromagnetisch angezogen und sammeln sich dort.

13 13 Diese Elektronen bewirken, dass zwischen den n-leitenden Inseln Strom fliessen kann. Wenn der Taster geöffnet wird, bleibt die Strecke leitend. Der Mosfet muss mit einem Massepotential am Gate wieder gesperrt werden. Stromfluss Da hier die beiden Inseln aus n-dotiertem Material bestehen und die Strecke zwischen den Inseln n-leitend wird und ohne +Spannung am Gate sperrt, heisst dieser Mosfet. N-Kanal-MOSFET-Anreicherungstyp Englisch: N-channel-MOSFET-Enhancement-Mode Der MOSFET-Typ IRLZ24N kann bei einer maximalen Spannung von 55V einen Laststrom bis 18A schalten und hat dabei einen ohmschen Widerstand von 0.06 Ohm. Zehnerschutzdiode Der N-Kanal-Anreicherungstyp entspricht in der Funktion dem NPN Transistor.

14 14 Bauen Sie diese Schaltung auf. (STP12PF06) Schliessen Sie den Schalter und drehen am Poti Erkenntnis: Der Motor dreht immer mit Höchstdrehzahl. Betrachten Sie die Symbole zu diesem MOSFET-Transistor Die Zehnschutzdiode ist von Drain nach Source in Durchlassrichtung und der Strom fliesst dauernd durch die Schutzdiode Die Anschlüsse am MOSFET-Transistor müssen ausgetauscht werden. Schliessen Sie den Schalter und drehen am Poti Erkenntnis: Jetzt dreht der Motor von Stillstand bis Höchstdrehzahl. Entfernen Sie das Gatekabel am Poti und halten es mit einem Finger am metallischen Teil. Fassen Sie mit der anderen Hand abwechselnd den Plus und den Minuspol an. Erkenntnis: Der P-Kanal- MOSFET-Anreicherungstyp leitet, wenn das Gate auf Masse ist. Die Funktion entspricht dem PNP-Transistor.

15 15 Bauen Sie nun diese Schaltung auf Schliessen Sie den Schalter Erkenntnis: Jetzt dreht der Motor immer mit Höchstdrehzahl. Der N-Kanal- MOSFET-Verarmungstyp leitet, ohne Ansteuerung des Gates. Der N-Kanal-MOSFET-Anreicherungstyp ist Selbstleitend (Depletion-Mode) Vervollständigen Sie die Schaltung mit dem Poti Schliessen Sie den Schalter und drehen am Poti Erkenntnis: Jetzt dreht der Motor von Höchstdrehzahl, kann aber nicht ganz gestoppt werden. Der N-Kanal- MOSFET-Verarmungstyp beginnt zu sperren, wenn das Gate ein Minus hat. Er sperrt aber nicht vollständig! Ergänzen Sie die Schaltung mit einem 100 Ohm Widerstand Schliessen Sie den Schalter und drehen am Poti Erkenntnis: Jetzt dreht der Motor von Höchstdrehzahl bis Stillstand Der N-Kanal- MOSFET-Verarmungstyp braucht ein tieferes Minus um total zu sperren.

16 16 Dieser Typ wird vor allem für die Sicherung von Ueberspannungen verwendet. Ohne Ueberspannung verbraucht er keine Leistung!! SMD-Technik Herkömmliche Bauteile wurden auf Leiterplatten mit Bohrungen gelötet und damit auch befestigt. surface-mounted device SMD, (deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) bedeutet, dass das Bauteil nur noch auf die Oberfläche der Leiterplatte gelötet wird. Als Beispiel der BSP 129 4=Drain 3=Source 2=Drain 1= Gate Diese Gehäusebauart heisst SOT 223 Steuergerät mit SMD-Technik

17 Die H-Schaltung 17 Bauen Sie diese Schaltung auf: Wichtig: -Schalter mit On Off-On-Funktion verwenden. Funktion: Beim Betätigen des Schalters dreht der Motor in eine Richtung und beim Betätigen des Schalters auf die andere Seite dreht der Motor in umgekehrter Richtung. Anwendungen: -Fensterheber (auf ab), Luftklappen öffnen schliessen etc.

18 18 H-Schaltung Stromverlauf Wenn der Schalter nach oben gekippt wird, erhalten der obere linke Transistor und der untere rechte Transistor Spannung am Gate und leiten (Farbe rot) Der Strom fliesst über den leitenden oberen linken Transistor zum Motor und er erhält link eine positive Spannung. Der Strom fliesst durch den Motor zum unteren rechten Transistor und in den Minuspol. Spezielles: (P-channel-MOSFET-Depletion-Mode) -Der Typ P-Kanal-MOSFET-Verarmung (P-Channel-MOSFET-Depletion-Mode) wird nicht hergestellt.

19 19 Zusammenfassung der Transistor-Typen

20 20 Spannungschutzbeschaltung IGBT-MOSFET Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist ein Halbleiterbauelement, das in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit) und Vorteile eines Feldeffekttransistors (nahezu leistungslose Ansteuerung) vereinigt. Vorteilhaft ist auch eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen, da der IGBT den Laststrom begrenzt. Es gibt in Summe vier verschiedene Grundtypen von IGBTs, welche durch vier verschiedene Schaltsymbole dargestellt werden. Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich n- und p-kanal-igbts herstellen. Diese unterteilen sich jeweils in einen selbstleitenden und einen selbstsperrenden Typ. Diese Eigenschaft ist im Rahmen des Herstellungsprozesses wählbar. In den Schaltsymbolen ist bei selbstleitenden IGBTs, auch als Verarmungs- Typ bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlüssen Kollektor (C) und Emitter (E) gezeichnet. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch Anreicherungs-Typ bezeichnet, unterbrochen dargestellt. Der Gate-Anschluss (G) dient bei allen Typen als Steueranschluss.