Mosfet - A-Car-Engineering GmbH

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MOSFET-Kit
Mosfet
-Aufbau, Funktionen und Eigenschaften der Feldeffekttransistoren .
Aufbau und Bauteile
J-Fet N-Kanal BF244
Mosfet-P-Kanal
sperrend STP12PF06
4 Mosfet N-Kanal sperrend
IRLZ24NPBF
4 Widerstände 47kΩ
1 Schalter On-Off-On (Drehrichtung
Motor)
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Inhalt
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: .......................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Der MOS-FET, die neue Generation von Transistoren. ............................................................... 8
Wie funktioniert ein Mosfet. (IRLZ24N) .................................................................................. 10
SMD-Technik ............................................................................................................................. 15
Die H-Schaltung......................................................................................................................... 16
H-Schaltung Stromverlauf ...................................................................................................... 17
Spezielles: (P-channel-MOSFET-Depletion-Mode) ................................................................... 17
Zusammenfassung der Transistor-Typen .................................................................................. 18
Spannungschutzbeschaltung ..................................................................................................... 19
IGBT-MOSFET .......................................................................................................................... 19
Umgang und Vorsichtsmassnahmen bei FET ............................................................................ 20
Schutzmassnahmen für MOSFET ............................................................................................. 20
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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 = 0.0002 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 0.0002 A = 0.00016 W = 0.16 mW
Verlustleistung des bipolaren Transistors
Nun wird die Verlustleistung im Lastkreis gemessen und gerechnet:
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Messen Sie dazu den Strom und den Spannungsabfall am Transistor.
I = 37 mA = 0.04 A
UAbfall = 0.05 V
Die Verlustleistung im Lastkreis beträgt:
P= U x I = 0.05 V x 0.04 A = 0.002 W = 2 mW
Die gesamte Verlustleistung beträgt also:
PVerlust-Basis + PVerlust-Last = 0.00016 W + 0.002 W = 0.00216 W = 2.2 mW
Wieviel beträgt die Verlustleistung in Prozent der geschalteten Leistung?
Geschaltete Leistung = P= U x I = 4.5 V x 0.037 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)
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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 IGS = 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)
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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.
Die Strecke von Drain nach Source leitet den
elektrischen Strom nicht.
Gate
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.
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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.
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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 UDS 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)
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Berechnung der Verlustleistung
PGate = U x I = 4.5 Volt x 000mA = 0 Watt
PDS = U x I = 0.0015 Volt x 0.025A = 0.0000375 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 MinusPotential.
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.
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Wie funktioniert ein Mosfet. (IRLZ24N)
Aufgrund der Feststellungen ist ein Mosfet eine Weiterentwicklung eines J-Fet.
Aufbau:
Ein p-dotiertes Plättchen
Ist die Grundlage
Ein n-dotiertes Plättchen ist der
Drain-Anschluss
Drain
Ein n-dotiertes Plättchen hier ist
der Source-Anschluss
Source
SiO2
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
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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.
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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.
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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.
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Bauen Sie nun diese Schaltung auf (Nicht im reduzierten Satz vorhanden)
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.
Dieser Typ wird vor allem für die Sicherung von Ueberspannungen verwendet.
Ohne Ueberspannung verbraucht er keine Leistung!!
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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
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Die H-Schaltung
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.
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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.
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Zusammenfassung der Transistor-Typen
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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 VerarmungsTyp 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.
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Umgang und Vorsichtsmassnahmen bei FET
Um einen Defekt bei der Montage von FET-Transistoren zu verhindern ist Spezielles zu
beachten.
Warum?
Die Silizium-Oxid-Schicht muss sehr dünn
aufgebaut sein damit der Feldeffekt funktioniert.
Wird nun am Gate eine zu hohe Spannung
angelegt, so kann die hohe Spannung die
Sperrschicht durchschlagen und der MOSFET ist
defekt.
Eingebaut ist das Gate mit Widerständen
beschaltet und es sollte nichts passieren.
Montage:
Durch Reibung kann sich unser Körper
spannungsmässig stark aufladen. Wir sehen dies
zum Beispiel beim Knistern, wenn wir einen
Pullover ausziehen.
Wenn nun der Gate-Anschluss berührt wird, kann
sich diese hohe Spannung entladen und den
Mosfet zerstören.
Schutzmassnahmen für MOSFET
Eine metallisch leitende Schutmatte dient
als Unterlage.
Das Verbindungskabel verbindet die
Schutzmatte mit dem Handgelenkband
Das Handgelenkband führt alle
statischen Spannungen aus unserem
Körper ab.
Nur mit dieser Schutzausrüstung sollten
Arbeiten mit MOSFETs durchgeführt
werden.
Diese Sicherheitsvorschrift sollte auch
beim Ersetzen von ICs angewandt
werden.
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