Unipolarer Transistor

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1 SZ für Elektrotechnik resden Fachschule für Technik nipolarer Transistor r.-ing. we Heiner Leichsenring Gliederung Grundtypen und Funktionsweise Grundschaltungen 3 Kennlinien und Arbeitspunkt 4 Vor- und Nachteile gegenüber bipolaren Transistoren 5 Feldeffektgesteuerte ipolar-leistungstransistoren 6 Technische Parameter, auformen und Einsatzgebiete 7 eispielaufgaben

2 Grundtypen und Funktionsweise er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET zeichnet sich dadurch aus, dass der Verstärkungseffekt nur durch eine Ladungsträgerart hervorgerufen wird (Ladungsträger einer Polarität - unipolar),... besteht aus einem Kanal, dessen Leitfähigkeit durch ein senkrecht zum Stromfluss wirkendes elektrisches Feld steuerbar ist - deshalb Feldeffekt- Transistor... erlaubt die Verengung oder Verbreiterung dieses Kanals - das verschlechtert oder verbessert die Kanalleitfähigkeit... wird nur durch den Auf- oder Abbau eines elektrischen Feldes nahezu leistungslos gesteuert - der fließende Strom ist gleich Null oder vernachlässigbar klein (deshalb keine Angabe einer Stromverstärkung v i ) Grundtypen und Funktionsweise er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET besitzt folgende Anschluss- sowie Spannungs- und Strombezeichnungen: Gate G Ι S rain S Source Es gilt: S = G + und = Ι S, da kein Gate-Strom fließt

3 Grundtypen und Funktionsweise Typen Sperrschicht-FET (J-FET = Junction-FET) Kanal-Typ P N Ladungsträger Löcher Elektronen Leitfähigkeit selbst- selbstbei = 0 leitend leitend Schaltbild inkl. Richtung der äußeren Spannungen G - S G S S S Steuerung > 0 < 0 führt zum Absinken des Stroms = 0 (Ausschalter bzw. Öffner) Grundtypen und Funktionsweise Typen Isolierschicht-FET (IG-FET = Isolated-Gate-FETund MOS-FET = Metall-Oxid-FET) Anreicherungstyp Verarmungstyp Kanal-Typ P N P N Ladungsträger Löcher Elektronen Löcher Elektronen Leitfähigkeit selbst- selbst- selbst- selbstbei = 0 sperrend sperrend leitend leitend Schaltbild inkl. Richtung der äußeren Spannungen G - S G S G - S G S S Steuerung < 0 > 0 > 0 < 0 ermöglicht Strom führt zum Absinken d. Stroms (Einschalter bzw. (Ausschalter bzw. Öffner), Schließer), sonst kein < 0 > 0 Strom führt zur Vergrößerung von S S S 3

4 Grundtypen und Funktionsweise er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET ermöglicht, mit einer Spannung einen Strom zu schalten oder zu steuern bzw. mit einer kleinen Spannung eine größere Spannung S zu schalten oder zu steuern: I S = S... Steilheit v u = S v u... Verstärkung v u = I S S Grundschaltungen er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET hat drei Anschlüsse, deshalb muss einer immer gleichzeitig für Ein- und Ausgang genutzt werden dieser gibt den Transistorschaltungen ihren Namen: Kriterium Source-Schaltung rain-schaltung Gate-Schaltung Stromlaufplan Stromlaufplan mit Signalweg und Transistoranschluss für Einund Ausgang 4

5 Grundschaltungen er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET hat drei Anschlüsse, deshalb muss einer immer gleichzeitig für Ein- und Ausgang genutzt werden dieser gibt den Transistorschaltungen ihren Namen: Kriterium Source-Schaltung rain-schaltung Gate-Schaltung -Verstärkung v u groß (z.. 00) klein (ca. ) mittel (z.. 5) Eingangs- groß (z.. MΩ) groß (z.. MΩ) klein (z Ω) widerstand Ausgangs- groß (z.. 0 kω) klein (z Ω) groß (z.. 0 kω) widerstand Phasenlage gegenphasig, 80 gleichphasig gleichphasig a zu e Anwendungs- NF-Verstärker, Impedanzwandler, HF-Verstärker, beispiel HF-Verstärker, ICs ICs Impedanzwandler, ICs 3 Kennlinien und Arbeitspunkt Kennlinienfeld (selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET) Abschnürgrenze Ι = f( ) S ohmscher oder linearer ereich = = = Abschnür- oder Sättigungsbereich 3 Ι = f(s ) = = = = = /V S /V Übertragungskennlinie Ausgangskennlinie 5

6 3 Kennlinien und Arbeitspunkt Kennlinienfeld (selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET) eschreibung der einzelnen ereiche / Quadranten Mit zunehmender negativer Gate-Source-Spannung sinkt die Leitfähigkeit des selbstleitenden FETs immer weiter ab. ie größte Leitfähigkeit liegt deshalb bei = 0. Sinkt unter einen bestimmten Wert, sinkt auch die Leitfähigkeit des FETs auf Null und es fließt kein rain-strom mehr. ei einer bestimmten Gate-Source- Spannung bzw. Leitfähigkeit ist der rain-strom natürlich um so größer, je höher die treibende rain-source-spannung S ist. eshalb liegen die Kurven für höhere rain-source-spannungen S über denen für niederigere Werte von S. ie von der Gate-Source-Spannung abhängende Leitfähigkeit des FETs zwischen rain und Source wird auch in diesem Quadranten des Kennlinienfeldes sichtbar. Eine betragsmäßig kleine Gate-Source-Spannung verringert die Leitfähigkeit des FETs nicht oder nur kaum der Transistor leitet zwischen rain und Source gut und der rain-strom erreicht die höchsten Werte. Eine negativere Gate-Source- Spannung verringert die Leitfähigkeit, wodurch auch die erreichbaren Größen des rain-stroms kleiner ausfallen. eshalb liegen die Kurven für negativere Werte von unter denen für höhere Werte. 3 Kennlinien und Arbeitspunkt Kennlinienfeld (selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET) eschreibung der einzelnen ereiche / Quadranten Im ohmschen ereich arbeitet der FET als elektrisch steuerbarer Widerstand. ie ezeichnung resultiert aus dem mstand, dass die Kennlinien wie bei einem ohmschen Widerstand nahezu linear durch den Koordinatenursprung verlaufen. er Widerstandswert kann durch die anliegende Gate-Source-Spannung gesteuert werden. 3 Im Abschnürbereich nimmt der rain-strom trotz wachsender rain-source- Spannung S kaum noch zu, was an der Einschnürung des leitenden Kanals im FET liegt. In diesem ereich kann der FET als spannungsgesteuerte Stromquelle betrieben werden. er fließende Strom ist fast nur von der steuernden Gate- Source-Spannung, nicht aber von der anliegenden rain-source-spannung abhängig S. 6

7 3 Kennlinien und Arbeitspunkt er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET benötigt für seinen Einsatz die Festlegung eines Arbeitspunktes auf einer Arbeitsgeraden. as obere Ende der Arbeitsgeraden schneidet die -Achse beim schaltungsbedingt maximal möglichen rain- Strom, d. h. bei Kurzschluss im FET zwischen rain und Source z.. max = /R, wenn R S = 0. /V S /V as untere Ende der Arbeitsgeraden schneidet die S -Achse bei der schaltungsbedingt maximal möglichen rain- Source-Spannung S, d. h. bei vollkommen sperrenden FET zwischen rain und Source z.. Smax = (FET im Leerlauf, = 0). 3 Kennlinien und Arbeitspunkt er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET... /V A S /V Soll der Transistor eine (Kleinsignal-) Wechselspannung verarbeiten, muss dem Arbeitspunkt die Möglichkeit eingeräumt werden, zwischen einer höheren und einer niedrigeren rain- Source-Spannung S zu schwingen. Auch der rain-strom pendelt dadurch um einen Mittelwert. Anordnung des Arbeitspunktes für A-etrieb im mittleren ereich auf der Arbeitsgeraden A-etrieb ist gekennzeichnet durch hohe Verlustleistung P v = S und damit einen schlechten Wirkungsgrad. 7

8 3 Kennlinien und Arbeitspunkt er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET darf im etrieb nicht überhitzen. ie maximale Verlustleistung P v = S darf deshalb nicht größer werden, als die Kühlung des Transistors erlaubt. Im Kennlinienfeld entsteht dadurch folgender Sperrbereich: P v = S zu groß! A /V S /V 3 Kennlinien und Arbeitspunkt er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET benötigt als Wechselspannungsverstärker die Einstellung seines Arbeitspunktes die zugehörigen aten sowie S und lassen sich aus dem Kennlinienfeld ablesen (Einstellung Arbeitspunkt Index A für Arbeitspunkt): A A /V A SA S /V 8

9 3 Kennlinien und Arbeitspunkt er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET benötigt die Einstellung seiner Gate-Source-Spannung (Einstellung Arbeitspunkt): a) mit Gate-Spannungsteiler bei selbstsperrenden FETs Spannungsteiler unbelastet, da kein Gate-Strom fließt. C entkoppelt den Spannungsteiler von eventuellen Gleichspannungen am Eingang. 3 Kennlinien und Arbeitspunkt erechnung des Gate-Spannungsteilers bei selbstsperrenden FETs und R S = 0 R + = = R R R = R + R (R + R ) = R + R = R R R = R R = R R = R ( ) R R ( ) R = 9

10 3 Kennlinien und Arbeitspunkt erechnung des Gate-Spannungsteilers bei selbstsperrenden FETs und R S > 0 R + R) [ ( + RS )] = R R [ ( + RS )] = R R [ ( + RS )] [ ( + RS )] R = R [ ( + RS )] R ( + ) = R [ ( + )] (R ( + RS RS ( + RS ) R = R + R R R = ( + R = R + R R ) = R + R + RS = R ( + RS ) RS RS RS ) 3 Kennlinien und Arbeitspunkt er nipolar-transistor = Feldeffekt-Transistor = FET benötigt die Einstellung seiner Gate-Source-Spannung (Einstellung Arbeitspunkt): b) mit Source-Widerstand bei selbstleitenden FETs ( im nicht angesteuerten oder Ruhezustand ruft Spannungsabfall in R S hervor, womit sich Gate-Spannung je nach Richtung von von der Source-Spannung unterscheidet) R S wirkt nur für die Einstellung des Arbeitspunktes, da C S Wechselströme passieren lässt, R G nur für die Ableitung elektrischer Ladungen. 0

11 3 Kennlinien und Arbeitspunkt erechnung des Source-Widerstand bei selbstleitenden FETs = R S Ι Ruhe 4 Vor- und Nachteile gegenüber bipolaren Transistoren Vorteile stromlose Steuerung im statischen ereich bzw. geringere Ansteuerleistung bei niedrigen Frequenzen geringe urchgangsverluste bzw. Spannungsabfälle als Schalter insbesondere bei Typen für kleine Spannungen und hohe Ströme (automotive bzw. Automobilbereich) höhere Integrationsdichte niedrigere Maskenzahl bei der Herstellung - geringere Kosten Leistungs-MOSFET sind ipolartransistoren hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Verlusten insbesondere bei Spannungen bis ca. 500 V überlegen Nachteile geringere Steilheit als ipolartransistoren im Allgemeinen niedrigere Schaltgeschwindigkeiten als bipolare Transistoren bei gleicher Chipfläche geringere Treiberfähigkeit Empfindlichkeit gegenüber statischen Aufladungen beim Handling (Transport, Handhabung und Montage) Leistungs-MOSFET haben höhere Chipfläche als ipolartransistoren, insbesondere bei höheren Sperrspannungen

12 5 Feldeffektgesteuerte ipolar-leistungstransistoren Isolated-Gate-ipolar-Transistoren IGT besteht aus zwei Transistoren: a) die sehr großen Ausgangsspannungen und -ströme (über 000 V und 600 A) werden durch einen ipolartransistor mit Kollektor- und Emitteranschluss geliefert b) die Steuerung des asisstroms erfolgt quasi leistungslos durch einen vorgeschalteten MOSFET, dessen Gate-Anschluss die Steuerelektrode der Gesamtanordnung bildet Verknüpfung der Vorteile von ipolartransistoren (gutes urchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit) mit denen von Feldeffekttransistoren (leistungslose Steuerung) auch hier nterscheidung von selbstleitenden und selbstsperrenden sowie N-Kanalund P-Kanal-Typen eispiel Schaltsymbol: (selbstleitend P-Kanal) C Einsatzgebiete: G E Hochleistungsschalter, Gleich- und Wechselrichterschaltungen, Antriebstechnik, Schaltnetzteile, SV-Anlagen, immer 6 Technische Parameter, auformen und Einsatzgebiete Weitere wichtige Größen P tot = S Smax max = maximale Verlustleistung = zulässige Sperrspannung = maximaler rainstrom

13 6 Technische Parameter, auformen und Einsatzgebiete - FETs für alle Einsatzgebiete - Isolierschicht-FET eher in der igitaltechnik - Sperrschicht-FETs eher in der Hochfrequenztechnik - in Schaltnetzteilen und Schaltreglern - mit integrierten Schutzschaltungen versehene Leistungsschalter im Automotive-ereich weit verbreitet - HF-Leistungsverstärker - Klasse--Audioverstärker arbeiten mit MOSFET in den PWM- Schaltstufen 7 eispielaufgaben. Worin unterscheiden sich selbstleitende und selbstsperrende Feldeffekttransistoren?. Woran erkennt man am Schaltzeichen, ob es sich um einen selbstsperrenden oder einen selbstleitenden IG-FET handelt? 3. Welche Möglichkeiten der Gate-Vorspannungserzeugung gibt es bei Feldeffekttransistoren? eschreiben Sie deren Funktionsweise. 4. Wie steuert man die sechs verschiedenen FET-Typen an - welches Vorzeichen hat die Spannung jeweils? 5. Wozu dienen die Koppelkondensatoren am Signalein- und -ausgang aller FET- Verstärkerschaltungen? 6. Welche Funktion erfüllt der Kondensator zwischen Source-Anschluss des FET und Masse in den FET-Source-Schaltungen? 3

14 7 eispielaufgaben 7. Gegeben ist die folgende Grundschaltung. erechnen Sie die fehlenden Angaben in der folgenden Tabelle. 7 eispielaufgaben Fortsetzung Aufgabe 7: /V /V S /V R /Ω R /Ω R 3 /Ω R 4 /Ω Ι R /ma Ι R /ma Ι R3 /ma Ι R4 /ma a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) k n) k o) k p) k

15 7 eispielaufgaben 8. Aus einem atenblatt wird für den J-FET F 45 ein Gate-Source-Reststrom von Ι = -3 na bei einer Gate-Source-Spannung von = -5 V angegeben. erechnen Sie den Gate-Source-Widerstand (Eingangswiderstand) R des J-FET. 9. Ein Feldeffekttransistor hat einen rainwiderstand R = kω, einen Sourcewiderstand R S =,5 kω bei = 4 V. Welche rain-source-spannung stellt sich bei = 0,7 ma ein? 0. Ein J-FET in Sourceschaltung hat einen rainwiderstand von R = 4,7 kω und eine etriebsspannung von = 4 V. Wie groß ist die Gate-Source-Spannung, wenn sich ein rainstrom von =, ma bei S = V einstellt?. er Arbeitspunkt eines N-Kanal-MOS-FET soll mit Hilfe eines Spannungsteilers eingestellt werden. ie etriebsspannung beträgt = 5 V, der Querstrom im Spannungsteiler ist Ι q = 0,8 ma und der rainwiderstand R = 6,8 kω. amit sich ein rainstrom =,5 ma und die rain-source-spannung S = 5,5 V einstellen, muss = 3 V betragen. erechnen Sie die Widerstände des Spannungsteilers. 7 eispielaufgaben. Ein selbstleitender IG-FET mit N-Kanal liegt an einer Spannung von = 5 V. er rainwiderstand R beträgt, kω, der Widerstand R = 0 kω. Zur Arbeitspunkteinstellung ist R als einstellbarer Widerstand ausgeführt. Für den Arbeitspunkt muss S = 0 V, = ma und = -,5 V betragen. Für den Arbeitspunkt sind S = 5 V, = 4 ma und = +, V einzustellen. erechen Sie a) die Widerstandswerte R S und R für den Arbeitspunkt und b) den Wert für R im Arbeitspunkt. 5