Bausatz: Ausgangstreiber mit N-Kanal-MOSFET

Dieser Bausatz entspricht einem MOSFET als Schalter, der als Ausgangstreiber für eine digitale Schaltung oder ein digitales Bauteil dient. Digitale Schaltungen eignen sich häufig nicht, um Bauteile oder Geräte mit einem hohen Strom oder eine hohe Spannung zu schalten. Deshalb arbeitet in dieser Schaltung ein MOSFET als spannungsgesteuerter, elektronischer Schalter.

Damit der MOSFET als Schalter funktioniert und als Ausgangstreiber verwendet werden kann, sind zusätzliche Bauteile notwendig.

Widerstand R1 zur Strombegrenzung: Dieser Widerstand dient zur Strombegrenzung für den Ausgang der Signalquelle. Der Widerstandswert mag nicht besonders groß sein, allerdings sorgt er dafür, dass zum Beispiel ein Mikrocontroller-Ausgang durch den MOSFET nicht überlastet wird, die Ausgangsspannung zu klein wird und der MOSFET nicht richtig durchschaltet.

Widerstand R2 als Pull-Down-Widerstand: Da der MOSFET spannungsgesteuert ist, können schon kleinste Spannungen zu einem Schaltvorgang führen. Deshalb muss man schaltungstechnisch dafür sorgen, dass der MOSFET im Grundzustand zuverlässig sperrt. Dafür sorgt der Pull-Down-Widerstand R2, der das MOSFET-Gate auf GND legt.

Freilaufdiode D1: Abhängig davon, was geschaltet werden soll, können beim Abschaltvorgang Induktionsspannungen entstehen (bei Motoren, Relais und Spulen), die den MOSFET zerstören können. Deshalb ist bei diesen Komponenten eine sogenannte Freilaufdiode notwendig und in dieser Schaltung vorgesehen.

Bauteile für N-Kanal-MOSFET BS170 (TO-92)

• 1 x 2er Klemmleiste, blau
• 1 x 3er Klemmleise, rot

• MOSFET1: N-Kanal-MOSFET BS170 (TO-92)
• R1: Metallfilm-Widerstand 470 Ohm (Gelb-Violett-Schwarz-Schwarz-Braun)
• R2: Metallfilm-Widerstand 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange-Braun)
• D1: Diode 1N4007 (als Freilaufdiode)

Alternativen:

• R1: Widerstand 100 bis 470 Ohm
• R2: Widerstand 10 kOhm bis 100 kOhm
• D1: z. B. Diode 1N4148 (als Freilaufdiode)

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Widerstand
• Diode
• MOSFET
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

 

Bauteile für N-Kanal-MOSFET IRLZ34N (TO-220)

• MOSFET1: N-Kanal-MOSFET IRLZ34N (TO-220)
• R1: Metallfilm-Widerstand 470 Ohm (Gelb-Violett-Schwarz-Schwarz-Braun)
• R2: Metallfilm-Widerstand 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange-Braun)
• D1: Diode 1N4007 (als Freilaufdiode)

Alternativen:

• R1: Widerstand 100 bis 470 Ohm
• R2: Widerstand 10 kOhm bis 100 kOhm
• D1: z. B. Diode 1N4148 (als Freilaufdiode)

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Widerstand
• Diode
• MOSFET
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Maximaler Drain-Strom (I_D max): Der maximale Drain-Strom ist der Strom, der maximal durch den Feldeffekt-Transistor fließen darf. Der Stromverbrauch des Geräts, dass geschaltet werden soll, sollte deutlich darunter liegen.

• BS170: 0,5 A
• IRLZ34N: 30 A

Maximale Drain-Source-Spannung (V_DS max): Die maximale Drain-Source-Spannung, ist die Spannung, die maximal geschaltet werden darf.

• BS170: 60 V
• IRLZ34N: 55 V

Gate-Threshold-Spannung (V_GS th): Die Gate-Threshold-Spannung gibt an, ab welcher Spannung am Gate der MOSFET anfängt leitend zu werden. Dabei ist zu beachten, dass der MOSFET erst bei einer höheren Spannung vollständig durchschaltet. Davor fällt ein kleine Spannung am inneren Durchlasswiderstand des MOSFETs ab, der zu einer Wärmeentwicklung durch die verbrauchte Leistung führt.

• BS170: 2 V
• IRLZ34N: 1,5 V

Wenn ein MODFET bei einem Logik-Pegel von 3,3 Volt schalten soll, dann sollte er eine Gate-Threshold-Spannung von weit unter 3,3 V haben.

Maximale Leistungsaufnahme (P_tot): Die maximale Leistungsaufnahme ist ein Produkt aus dem Strom durch den MOSFET und der Spannung zwischen Drain und Source. Dieser Wert darf nicht überschritten werden, weil der MOSFET dabei zerstört wird.

• BS170: 0,35 W
• IRLZ34N: 68 W

Schaltungen mit einem digitalen Ausgang können in der Regel keine Geräte ein- und ausschalten. Dafür verwendet man einen Transistor als Schalter, bei dem es sich um einen Ausgangstreiber handelt. Der Eingang des Ausgangstreibers muss an den Ausgang eines digitalen Schaltung geschaltet sein.

In den folgenden Experimenten werden die Bausätze „Ausgangstreiber mit N-Kanal-MOSFET“, „Taster und Widerstand“ und „LED mit Vorwiderstand“ miteinander kombiniert. Den Bausatz „LED mit Vorwiderstand“ verwenden wir hier als das „Gerät“, dass ein und ausgeschaltet wird.

• Taster mit Widerstand
• LED mit Vorwiderstand

Beim Ausgangstreiber mit N-Kanal-MOSFET ist darauf zu achten, dass die Spannung und der Strom, die der MOSFET schalten kann, nicht überschritten wird.

Bei diesem Experiment verbinden wir den Taster mit Widerstand so, dass der Widerstand als Pull-Down-Widerstand mit GND verbunden ist und der Taster mit VCC. Der Verbindungspunkt von Taster und Widerstand wird mit dem Steuereingang (IN) des Ausgangstreibers verbunden.

Im Grundzustand (Taster offen) leuchtet die Leuchtdiode nicht. Wird der Taster gedrückt, dann geht die Leuchtdiode an. Lässt man den Taster los, dann geht sie aus.

Bei diesem Experiment verbinden wir den Taster mit Widerstand so, dass der Widerstand als Pull-Up-Widerstand mit VCC verbunden ist und der Taster mit GND. Der Verbindungspunkt von Taster und Widerstand wird mit dem Steuereingang (IN) verbunden.

Im Grundzustand (Taster offen) leuchtet die Leuchtdiode. Wird der Taster gedrückt, dann geht die Leuchtdiode aus. Lässt man den Taster los, dann geht sie wieder an.