Bausatz: Erweiterter Ausgangstreiber mit P-Kanal-MOSFET

MOSFETs sind ideale Bauelemente zum Schalten von Versorgungsspannungen für Geräte und Bauteile. Der in dieser Schaltung verwendete P-Kanal-MOSFET schaltet die Versorgungsspannung (VDD/VCC) und ist somit ein High-Side-Switch. Damit wird ein Stromkreis gegen VCC elektronisch geschlossen oder geöffnet. Manchmal spricht man auch davon, dass da eine Spannung geschaltet wird.

Die Schwierigkeit ist, dass sich die meisten MOSFETs nicht mit kleinen Spannungen ansteuern lassen. Man braucht dafür Logik-Level-fähige MOSFETs von denen es immer weniger bezahlbare Typen gibt, die sich für die Verwendung auf Steckbretter eignen. Zum Beispiel in den Gehäusen TO-92 und TO-220.

Damit ein P-Kanal-MOSFET sicher schaltet, kann man sich mit einem bipolaren NPN-Transistor behelfen, der dem P-Kanal-MOSFET vorgeschaltet ist.

Die Besonderheit bei NPN-Transistoren ist, dass sie schon mit einer Steuerspannung von ca. 0,7 Volt leitend werden. Außerdem kann man damit noch die Schaltlogik umkehren, so dass keine Invertierung in der Ansteuerung erfolgen muss. Das heißt, man kann den Steuereingang dieser Schaltung sowohl mit +3,3 als auch +5 Volt als High-Zustand (Logik-Level) eines GPIOs von einem Mikrocontrollers ansteuern.

Bauteile

2 x 2er Klemmleiste KF301, blau
1 x 3er Klemmleiste KF301, rot
1 x Drahtbrücke

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, BS250 bis maximal 100 mA (TO-92)
TRS1: NPN-Transistor, z. B. BC547 oder PN2222
R1: Metallfilm-Widerstand 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)
R2: Metallfilm-Widerstand 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)
D1: Diode, z. B. 1N4007 oder 1N4148 (als Freilaufdiode)

Alternative Bauteile für:

R1: Widerstand 10 kOhm bis 100 kOhm
R2: Widerstand 1 kOhm bis 10 kOhm

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Widerstand
• Diode
• NPN-Transistor
• MOSFET
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Bauteile

1 x 3er Klemmleiste KF301, schwarz
1 x 3er Klemmleiste KF301, rot

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, FQP27P06 bis maximal 3 A (TO-220)
TRS1: NPN-Transistor, z. B. BC547 oder PN2222
R1: Metallfilm-Widerstand 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)
R2: Metallfilm-Widerstand 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)
D1: Diode, z. B. 1N4007 oder 1N4148 (als Freilaufdiode)

Alternative Bauteile für:

R1: Widerstand 10 kOhm bis 100 kOhm
R2: Widerstand 1 kOhm bis 10 kOhm

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Widerstand
• Diode
• NPN-Transistor
• 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

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