Um große Ströme schnell ein- und auszuschalten, wurden früher immer Relais oder Schütze verwendet. In vielen Bereichen ist das immer noch so, speziell wenn Wechselspannungen oder wenn sehr hohe Ströme über längere Zeit geschaltet werden sollen.

Im Bereich der Leistungselektronik wird häufig mit Gleichspannungen operiert. Diese Gleichspannungen können auch mit elektronischen Schaltern - den Mosfets - geschaltet werden. Sind die Ströme größer, so spricht man von Leistungselektronik.

Mit einem Mosfet kann beispielsweise ein Motor ein- oder ausgeschaltet werden. Läuft der Motor, so wird der gesamte Strom für den Betrieb über den Mosfet geleitet, wodurch dieser sehr heiß werden kann. Daher sind alle Mosfet mit einem maximalen Dauerstrom als auch einem kurzfristig möglichen Spitzenstrom angegeben.

Man kann Mosfets aber auch anders nutzen. Beim Pulsweitenmodulations-Verfahren (PWM) wird eine feste Spannung einige Mikrosekunden lange geschaltet, dann wieder für lurze Zeit unterbrochen usw. Über das Verhältnis der Zeiten EIN und AUS kann eine mittlere Spannung eingestellt werden. Besonders bei E-Motoren, die über hohe Induktivitäten verfügen, bleibt der Motor aufgrund seiner Trägheit und dem Bestreben, den Strom weiter aufrecht zu erhalten (dazu wird Energie aus dem Magnetfeld entnommen) ruckelfrei am Laufen.

Für diese Anwendung kann ein Mosfet eingesetzt werden. Dieser muss in kurzen Zeiten schalten und sehr schnell reagieren. Mit einem Relais, welches eine hohe mechanische Trägheit besitzt, würde das nicht funktionieren. Daher wird bei Mosfets auch die Schaltgeschwindigkeit angegeben.

Doch was ist ein Mosfet eigentlich? Können nicht auch andere Transistoren dasselbe machen? Im Prinzip ja ... mit dem Unterschied dass ein Mosfet über eine sehr stark geknickte Kennlinie verfügt. Mit einer kleinen Spannungsschwankung am Eingang, kann sehr schnell ein großer Strom ein- und ausgeschaltet werden. Bei normalen bipolaren Transostoren ist die Kennlinie linear ansteigend und der geschaltete Strom stark proportional zur Eingangsspannung. Bei einem Schalter möchten wir keine lineare Kennlinie, sondern es soll schnell der komplette Strom geschaltet werden.

Je nach Auslegung benötigen die MOSFETs aber an ihrem Eingang Spannungen, die höher sind als vielleicht aus einer elektronischen Schaltung zur Verfügung stehen. Denn hier können ja unterschiedliche Ströme und damit Spannungsquellen zum Ein- und Ausschalten als für den Betrieb (Leistungsstufe) verwendet werden.

n-Kanal-MOSFET

Wie funktioniert der MOSFET? Im Prinzip recht simpel: ein großer Strom soll über die Verbindung Drain-Source (D-S) - zu deutsch: Kollektor-Emitter - laufen (Plus an D, Minus an S. Dieser Strom wird von einem kleinen Strom, der zwischen Gate-Source (G-S) - zu deutsch: Basis-Emitter - fließt ein- oder ausgeschaltet. In der Praxis verhält sich ein n-Kanal-MOSFET leitend für den großen Hauptstrom über D-S, sofern zwischen G-S eine bestimmte Spannungshöhe anliegt. Ist die Spannung hier nahe Null oder zumindest unter einem Schwellwert (Threshold-Spannung Uth), so ist der Stromfluss unterbrochen.

Schauen wir uns das typische Kennfeld eines MOSFET an, so sehen wir im Sättigungsbereich einen quasi-flachen Kurvenverlauf. Das bedeutet: Wird die Drain-Source-Spannung (die Spannung den großen Stroms) erhöht, ändert sich dadurch nicht der Strom. Die Spannungshöhe von Gate-Source hat aber sehr wohl einen direkten Einfluss auf die Höhe des großen Stroms.

Bei obigem n-Kanal MOSFET muss eine UGS-Spannung von 4,5V anliegen, um IDS=1,9A zu erhalten. Bei einer UGS-Spannung von 10V wird ein Strom IDS=3,7A eingestellt. Maximal kann eine UGS-Spannung von 20V angelegt werden, um dann 13A einzustellen. Es ist aber auf die Hitzeentwicklung zu achten. Wird der MOSFET nicht speziell gekühlt, so wird er bei solch hohen Strömen als Dauerlast schnell den Hitzetod sterben. Maximal 10V für 3,7A sollten sich für Dauerstromanwendungen bei Raumtemperatur eignen.

Es gibt auch p-Kanal-MOSFETs, die ähnlich funktionieren, nur anders gepolt werden müssen.

p-Kanal-MOSFET

Treiber-Schaltungen vereinfachen vieles

Um auch mit kleinen Spannungen aus ICs oder Mikro-Controllern (die zumeist mit 5V Spannung arbeiten) einen Leistungs-MOSFET zu schalten, gibt es sogenannte Treiberschaltungen. Einen Treiber kann man sich wie eine Hilfschaltung vorstellen, die aus einer kleinen Spannung eine höhere, zum MOSFET passende generiert. Das Gesamtpaket Treiber+MOSFET verhält sich nach außen wie ein normaler MOSFET mit dem Unterschied, dass man sich um die Innereien keine Sorgen zu machen braucht. Auch um den Leistungs-MOSFET schneller zu schalten (also in der Kennlinie vom ungeschalteten Zustand zum maximal geschalteten Zustand zu kommen), können diese Treiberschaltungen Zeitvorteile bringen. Gerade bei hochfrequent zu schaltenden Anwendungen (Spannung über PWM-Regelung) ist dies notwendig.

Eine Treiberschaltung gibt es als fertigen IC, also ein kleiner Chip auf dem alle Funktionen bereits integriert sind. Wir gehen gleich darauf ein, wie dieser angeschlossen werden muss.

Wie wir auf dem Foto sehen, hat unserer Treiber-IC 8 Beinchen (PINs). Wenn wir auf das Datenblatt vom Hersteller schauen, sehen wir links das Prinzip-Bild des Treibers. Ein PIN liegt auf Masse wie auch der MosFET als auch die elektronische Steuerung, die das Signal zum Schalten/Abschalten des Leistungsstromkreises gibt.

Links im Bild sehen wir also 4 relevante PINs, welche für die Treiberfunktion nötig sind:

1. • GND - Masse (Vergleichsbasis für alle Komponenten)
   

2. • IN - die Schaltspannung (logisch 0 oder 1 aus der elektronischen Steuerung ... meistens 0/+5V),
   

3. • VDD - die zu schaltende Spannung für den MOSFET (in unserem Falle max. +10V)
   

4. • OUT - der Eingang zum Schalten des MOSFET
   

Unser Treiber -IC hat sogar 2 unabhängig voneinander nutzbare Einheiten. Sprich: ich kann ihn wie oben beschrieben über INA und OUTA verwenden und damit die Spannung VDD mit einer kleineren Spannung erzeugen. Ich kann ihn aber auch für 2 baugleiche MOSFETs verwenden. Der MOSFET A wird über INA und OUTA angesteuert, der zweite MOSFET B wird über INB und OUTB angesteuert.

Möchte ich ihn für nur einen MOSFET verwenden, so nutze ich die PINs 2,3,6,7. Alle anderen PINs dienen nur zur stabileren Verbindung an die Platine und müssen dann wieder isoliert werden.

Näheres zum Thema Treiberschaltung gibt es hier.