Bausatz: Einfacher Ausgangstreiber mit P-Kanal-MOSFET

MOSFETs sind ideale Bauelemente zum Schalten von Versorgungsspannungen. Entscheidend ist jedoch, ob Masse (GND) oder die Versorgungsspannung (VDD/VCC) geschaltet wird. Das hat direkte Auswirkungen auf Funktion und Zuverlässigkeit der gesamten Schaltung.
Der in dieser Schaltung verwendete P-Kanal-MOSFET schaltet die Versorgungsspannung (VDD/VCC) und ist somit ein High-Side-Switch. Damit wird die Spannung geschaltet der ein Stromkreis auf der VCC-Seite elektronisch geschlossen.

Die empfohlene und bewährte Lösung lautet:

1. GND dauerhaft und niederohmig verbinden
2. Versorgungsspannung (VCC oder VDD) schalten

Aber Achtung, diese Schaltung schaltet mit der umgekehrten Logik. Der P-Kanal-MOSFET wird mit GND und nicht mit +VCC geschaltet.

Bauteile

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

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, BS250 bis maximal 100 mA (TO-92)
R1: Metallfilm-Widerstand 470 Ohm (Gelb-Violett-Schwarz-Schwarz-Braun)
R2: Metallfilm-Widerstand 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange-Braun)
D1: Diode, z. B. 1N4007 oder 1N4148 (als Freilaufdiode)

Alternative Bauteile für:

R1: Widerstand 100 Ohm bis 470 Ohm
R2: Widerstand 10 kOhm bis 100 kOhm

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

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

Bauteile

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

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, FQP27P06 bis maximal 3 A (TO-220)
R1: Metallfilm-Widerstand 470 Ohm (Gelb-Violett-Schwarz-Schwarz-Braun)
R2: Metallfilm-Widerstand 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange-Braun)
D1: Diode, z. B. 1N4007 oder 1N4148 (als Freilaufdiode)

Alternative Bauteile für:

R1: Widerstand 100 Ohm bis 470 Ohm
R2: Widerstand 10 kOhm bis 100 kOhm

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

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

Hinweis: Für P-Kanal-MOSFETs gelten dieselben Grundprinzipien wie für N-Kanal-MOSFETs. Allerdings sind die Spannungen am Gate gegenüber der Source negativ. Das Minuszeichen kennzeichnet die gegenüber N-Kanal-MOSFETs umgekehrte Polarität der Spannungen und entspricht den üblichen Vorzeichenkonventionen für P-Kanal-MOSFETs.

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, das geschaltet werden soll, sollte deutlich darunter liegen.

• BS250: −0,18 A
• FQP27P06: −27 A

Maximale Drain-Source-Spannung (V_DS max): Die maximale Drain-Source-Spannung ist die Spannung, die zwischen Drain und Source maximal anliegen darf.

• BS250: −45 V
• FQP27P06: −60 V

Gate-Threshold-Spannung (V_GS(th)): Die Gate-Threshold-Spannung gibt an, bei welcher negativen Gate-Source-Spannung der MOSFET beginnt leitend zu werden. Dabei ist zu beachten, dass der MOSFET bei Erreichen der Gate-Threshold-Spannung noch nicht vollständig durchschaltet. Erst bei einer größeren negativen Gate-Source-Spannung wird der Durchlasswiderstand (R_DS(on)) klein. Andernfalls fällt eine Spannung am MOSFET ab, wodurch Verlustleistung entsteht und sich der Transistor erwärmt.

• BS250: −1 V bis −3 V (typisch −2 V)
• FQP27P06: −2 V bis −4 V (typisch −3 V)

Maximale Leistungsaufnahme (P_tot): Die maximale Leistungsaufnahme ist das Produkt aus dem Strom durch den MOSFET und der Spannung zwischen Drain und Source. Dieser Wert darf nicht überschritten werden, da der MOSFET andernfalls durch Überhitzung zerstört werden kann.

• BS250: 0,83 W
• FQP27P06: 150 W

Die maximal zulässige Verlustleistung gilt nur unter den im Datenblatt angegebenen Kühlbedingungen. Ohne geeignete Kühlung ist die tatsächlich zulässige Verlustleistung meist deutlich geringer.

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 „Einfacher Ausgangstreiber mit P-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 P-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. Wird der Taster gedrückt, dann geht die Leuchtdiode aus. Lässt man den Taster los, dann geht sie an.

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 NICHT. Wird der Taster gedrückt, dann geht die Leuchtdiode an. Lässt man den Taster los, dann geht sie wieder aus.

Wichtig: Für dieses Experiment benötigen wir eine zweite Spannungsquelle. Sofern verfügbar eine mit +5V für die obere Reiche und eine mit +3,3V für die untere Reihe

Der Taster mit Widerstand wird nicht gebraucht. Wir verbinden die gelbe Signalleitung am Eingang des Ausgangstreibers direkt mit GND und +VCC.

1. Verbinde den Eingang mit GND von +5V.
2. Verbinde den Eingang mit VCC von +5V.
3. Verbinde den Eingang mit GND von +3,3V.
4. Verbinde den Eingang mit VCC von +3,3V.

Beobachtung

1. Die LED leuchtet bei GND.
2. Die LED leuchtet nicht bei VCC mit +5V.
3. Die LED leuchtet bei GND.
4. Die LED leuchtet bei VCC mit +3,3V.

Wenn man wie bei Punkt 4 den Eingang mit einer Signalspannung von +3,3 Volt beschaltet, dann würde man erwarten, dass die LED leuchtet, genauso wie bei +5 Volt, oder?

Oder anders gefragt, warum leuchtet die LED nicht, wenn man den Signaleingang mit +3,3 Volt beschaltet? Warum verhält sich der MOSFET bei einer Eingangsspannung von +3,3V genauso wie bei GND?

Erklärung

Soll ein P-Kanal-MOSFET mit einer Logikspannung von 3,3 Volt angesteuert werden und liegt sein Source-Anschluss an der Versorgungsspannung, dann muss das Gate ausreichend weit unter das Source-Potenzial gezogen werden.

• Der Wert der Gate-Threshold-Spannung muss deutlich kleiner sein, als die zur Verfügung stehende Gate-Source-Spannung.
• Zu beachten ist außerdem, dass die Gate-Threshold-Spannung nur den Beginn der Leitfähigkeit beschreibt und nicht die Spannung, bei der der MOSFET vollständig durchschaltet.

Das heißt, in diesem Experiment ist die Differenz zwischen +VCC von 5 Volt und einer Signaleingangsspannung von 3,3 Volt zu gering, damit der MOSFET korrekt schaltet.

Um sicher zu gehen, dass der Ausgangstreiber mit einer möglichst großen Breite der Eingangsspannung von ca. 3 bis 9 Volt arbeitet, sollte eine Erweiterung der Schaltung mit einem bipolaren NPN-Transistor verwendet werden.

• Erweiterter Ausgangstreiber mit P-Kanal-MOSFET