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Anwendungsfälle für N-Channel-FET und NPN-Transistoren N-Channels eignen sich exzellent für sogenannte "Low-Side-Switches". Wer eine Analogie zum P-Channel vermutet, liegt vollkommen richtig. Low-Side-Switches schalten die Masse von der Last weg:
Warum nun ersetzen wir den BUZ11 nicht einmal durch den P-Channel weiter oben ? Wenn wir dies tun, bekommen wir ein Problem: Damit der P-Channel richtig sperrt, muß das Gate ein negativeres Potential als Source haben. Source liegt aber auf Masse... Richtig, wir bräuchten eine noch negativere Spannung ! Ersetzen wir den P-Channel durch einen BUZ11, taucht ein vergleichbares Problem auf: Wir brauchen plötzlich eine Spannung, die noch höher als VCC ist. Wenn man die Wahl hat, sollte man stets Low-Side-Switches verwenden. N-Channel-FET sind billiger als P-Channels und sie haben fast ausnahmslos ein kleineres RDSon. Gerade den Drain-Source-Widerstand sollte man stets im Auge haben: Mit FET einen Strom von 10A zu schalten, ist überhaupt kein Thema. Beide hier gezeigten FET können diesen Strom problemlos ab. Der BUZ11 hat einen Drain-Source-Widerstand von 0,02Ohm - bei 10A und voll durchgeschaltet haben wir an ihm also eine Verlustleistung von I2 * R = 10A * 10A * 0,02 Ohm = 2 Watt. Ergo wird der FET ziemlich warm, kann aber eigentlich noch ohne Kühlkörper auskommen. Nehmen wir einen P-Channel für das gleiche Geld dagegen, hat dieser einen Drain-Source-Widerstand von vielleicht 0,5 Ohm. Nicht wirklich viel mehr oder ? Die Folgen sind drastisch: P = I2 * R = 10A * 10A * 0,5 Ohm = 50 Watt. Den FET kann man nicht mehr ungekühlt lassen und der Kühlkörper wird reichlich groß sein. Auswahl zwischen FET und bipolarem Transistor FETs haben Vorteile, wenn hohe Ansteuerspannungen zu Verfügung stehen und hohe Leistungen geschaltet werden sollen, bei sehr niedrigen Spannungen sind bipolare Transistoren im Vorteil, da es kaum FETs gibt, die unterhalb von 5V noch niedrige Innenwiderstände bieten, beim bipolaren Transistor hat man halt die (weitgehend) stromunabhängigen 0,7V Spannungsabfall, wenn also I*R_DS >0,7V wird, ist der bipolare Transistor besser. FETS hingegen haben noch den Vorteil, dass man sich den Basiswiderstand einspart, da ja kein kontinuierlicher Strom fließt, sondern nur die Gatekapazität umgeladen werden muss, was man wiederum bei hohen Schaltfrequenzen (>100kHz) beachten sollte. Wann ist der Transi nun offen, wann zu ? Ein N-Fet ist bei Masse am Gate vollständig zu. Je höher die Spannung am Gate ist, desto geringer ist sein Widerstand auf der Drain-Source-Strecke - aber er wird nicht Null. Bei FET darf man die maximale Gate-Source-Spannung (UGS im Datenblatt) nicht überschreiten. Ein NPN-Transistor ist bei Masse an der Basis vollständig zu. Erhöht man die Spannung an der Basis, passiert erstmal gar nichts - bis wir 0,7V erreichen. Dann öffnet der Transistor - mehr als 0,7V wird man an der Basis nicht finden, die restliche Spannung fällt am Basiswiderstand ab. Je höher der Strom in die Basis hinein ist, desto höher kann der Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke sein, wenn auch nicht grenzenlos. Es gibt für Basis- (IB und Kollektorströme (IC) Obergrenzen, ebenso für die maximale Spannug zwischen Kollektor und Emitter (UCE). Weiterhin haben alle bipolaren Transistoren einen sog. Gleichstromverstärkungsfaktor, der gemeinhin mit B oder hFE bezeichnet wird. Er gibt an, bei welchem Basisstrom welcher Kollektorstrom maximal möglich ist: B=IC/IB -> IC = B * IB Ein P-Fet ist bei Versorgungsspannung am Gate vollständig geschlossen, bei Masse am Gate offen. Ähnlich der PNP-Transistor: Dieser ist bei VCC an der Basis zu - und bleibt es. Fällt die Spannung an der Basis passiert eine ganze Weile gar nichts. Erst wenn die Spannung an der Basis 0,7V niedriger als am Emitter ist, geht der Transistor auf. Ab hier bestimmt der Basisstrom, alle Grenzen und Formeln für den NPN gelten auch hier. Man sollte beachten, dass der FET bei hohen Strömen und Ansteuerung mit geringen Spannungen (5V) Logic-Level-geeignet sein sollte, sonst kann ein Drain-Source-Widerstand von mehreren Ohm vorliegen (siehe Rechnung weiter oben). Der Zusammenhang zwischen Gatespannung und RDSon ist bei FETs (im Gegensatz zu Basisstrom zu Kollektorstrom bei bipolaren Transistoren) nichtlinear, ab einer bestimmten Spannung beginnt der FET zu leiten, der Widerstand sinkt zuerst stark ab, und wird dann bei weiter steigender Spannung nur noch langsam kleiner. In den Datenblättern zu FETs findet sich eigentlich immer eine Grafik, die diesen Zusammenhang darstellt, meist (Typical) Transfer Characterisics genannt. Damit kann man auch abschätzen, ab welcher Gatespannung ein FET für einen bestimmten Strom geeignet ist, da man sich ja die Verlustleistung aus den angegebenen Daten errechnen kann. Diese Kurve unterliegt einer erheblichen Serienstreuung (BUZ11: 2-4V für den Beginn der Leitfähigkeit) und ist außerdem temperaturabhängig, man sollte also nie versuchen, eine Stromregelung oder ähnliches mit einem FET aufzubauen, ohne eine Rückkopplung vorzusehen. Übliche Transistortypen
Siehe auch: bipolare Transitoren, FETs <<< -02-
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