25. MOSFET-Transistor als Schalter¶
25.1. Zielsetzung¶
Ein MOS FET (NMOS) Bauelement kann in vielen Schaltungskonfigurationen wie Verstärker, Oszillator, Filter, Gleichrichter oder einfach als Ein-/Ausschalter verwendet werden. Wenn der FET in den Sättigungsbereich vorgespannt ist, arbeitet er als Verstärker oder eine andere lineare Schaltung, wenn er abwechselnd im linearen (Trioden-)Bereich und im Trennbereich vorgespannt ist, dann wird er als Schalter verwendet, der den Strom in anderen Teilen der Schaltung fließen lässt oder nicht. Diese Übung beschreibt den NMOS-Transistor, wenn es als Schalter betrieben wird.
25.2. Anmerkungen¶
In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn Sie sich auf die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab - Board - Hardware beziehen.
Oszilloskope & Signalgeneratoranwendung wird zum Erzeugen und Beobachten von Signalen auf der Schaltung verwendet.
Die für die Spannungsversorgung +5V, -3.3V und +3.3V verwendeten Steckerstifte sind in der Dokumentation aufgeführt.
Bemerkung
Red Pitaya STEMlab-Ausgänge können Spannungssignale mit einem maximalen Ausgangsbereich von \(+/-1\,V\) (\(2\,Vpp\)) erzeugen. Für dieses Experiment werden höhere Signalamplituden benötigt, um den NMOS-Transistor „einzuschalten“ (\(V_{TH}\) - Spannung ). Aus diesem Grund werden wir einen OP484 in der invertierenden Konfiguration verwenden, um die Signalverstärkung von OUT1 / OUT2 zu ermöglichen und einen Spannungshub von \(+4,7\,V\) bis \(-3,2\,V\) zu erreichen. Ein OP484 wird von STEMlab mit \(+5\,V\) und \(-3.3\,V\) Spannung über die Spannungsschienen versorgt. Der Verstärkungsfaktor des invertierenden Verstärkers wird auf \(\approx 5\) gesetzt, wobei für \(R_1 = 2.2\,k\Omega\) und \(R_f = 10\,k\Omega\) eingesetzt werden. Versuchen Sie zu beantworten, warum wir einen OP484 verwendet haben, anstatt z.B. OP27 oder OP97. (Hinweis „Schiene zu Schiene“).
25.3. Hintergrund¶
Schaltstromkreise unterscheiden sich deutlich von linearen Stromkreisen. Sie sind auch leichter zu verstehen. Bevor wir komplexere Schaltkreise untersuchen, beginnen wir mit der Einführung diskreter Halbleiter-Schaltkreise: solche, die auf NMOS-Bauelementen aufbauen.
Ein Schalter besteht aus einem NMOS-Transistor, der abwechselnd zwischen Durchlass- und Trennbereich angesteuert wird. Eine einfache Version des Schalters ist in Abb. 25.1 dargestellt. Wenn der Eingang gleich \(-V_{in}\) ist, ist die Gate-Source-Spannung kleiner als die Schwellenspannung (\(-V_{TH}\)) oder nicht vorhanden, so dass kein Strom im Drain fließt. Dies wird durch die in der Abb. 25.1 dargestellte rote Belastungslinie veranschaulicht. Wenn das NMOS in Abschaltung ist, hat die Schaltung (idealerweise) die folgenden Werte:
Dieser Zustand ist vergleichbar mit einem offenen Schalter. Wenn der Eingang gleich \(V_{TH}\) ist, wird der Transistor leitend und es treten die folgenden Bedingungen auf:
Dieser Zustand ist vergleichbar mit einem geschlossenen Schalter, der den unteren Teil des \(R_D\) mit der Masse verbindet.
Abb. 25.1 NMOS-FET-Schalter und seine Ladeleitung¶
Die Eigenschaften eines Anreicherung Modus NMOS-Schalters gehen davon aus:
\(-V_{in}\) ist niedrig genug, um den Transistor in Abschaltung zu treiben.
\(+ V_{in}\) muss größer sein als \(V_{TH}\) um den Transistor in Triodeden leitenden Zustand zu treiben
Der Transistor ist eine ideale Komponente. Diese Bedingungen können sichergestellt werden, indem die Schaltung so ausgelegt wird, dass:
\(-V_{in} = V_{TH}\)
\(+ V_{in} = V_{TH}\) (\(V_{DD}\) ist ein gutes Maximum)
Bedingung 1 gewährleistet, dass die Schaltung durch den Eingang in den Sperrbereich gefahren wird. Die Bedingungen 2 stellen sicher, dass der Transistor in den Durchlassbereich gefahren wird.
Ein realer NMOS-Schalter unterscheidet sich in mehrfacher Hinsicht vom idealen Schalter. In der Praxis kommt es auch in der Abschaltung zu einem kleinen Ableitstrom durch den Transistor. Auch im Durchlassbereich gibt es immer einen Spannungsabfall über den Innenwiderstand(\(R_{ON}\)) des Transistors. Typischerweise liegt diese zwischen \(0,1\) und \(0,2\,V\) in Durchlassrichtung, abhängig vom Drainstrom und der Größe des Bauteils. Diese Abweichungen vom Ideal sind bei einem richtig dimensionierten Bauteil im Allgemeinen gering, so dass wir bei der Analyse oder dem Design einer NMOS-Schalterschaltung von nahezu idealen Bedingungen ausgehen können.
Abb. 25.2 NMOS-LED-Schalter¶
25.4. Materialien¶
Red Pitaya STEMlab
1x \(10\,k\Omega\) Widerstand
1x \(100\,\Omega\) Widerstand
1x 5mm LED (jede Farbe)
1x Kleinsignal-NMOS-Transistor ZVN211
1x lötfreies Steckbrett
25.5. Verfahren¶
Eine häufige Anwendung für einen NMOS-Schalter (oder einen anderen) ist die Ansteuerung einer LED. Ein LED-Treiber ist in Abb. 25.2 dargestellt. Der in dieser Abbildung dargestellte Treiber(NMOS) wird verwendet, um mit kleinen Strömen eine relativ hochstromigen Teil der Schaltung zu treiben. Wenn der Ausgang des Niederstromkreises niedrig ist (\(0\,V\)), befindet sich der Transistor im Cutoff(Nichtleitend) und die LED ist aus. Wenn am Ausgang des Niederstromkreises eine Spannung (\(V_{TH}\))angelegt wird, wird der Transistor leitend und die LED leuchtet. Der Treiber wird verwendet, da die Niederstromschaltung möglicherweise nicht die Stromfähigkeit hat, um die 20 mA (typisch) zu liefern, die erforderlich sind, um die LED auf volle Helligkeit zu bringen.
Bauen Sie den LED-Schalter-Schaltkreis, der in Abb. 25.2 gezeigt wird, auf Ihrem lötfreien Steckbrett auf. \(R_D\) dient zur Begrenzung des Stroms, der in der LED von der \(+5\,V\) - Spannungversorgungsschiene fließt. Der Schalter wird durch den Spannungsausgang OUT1 gesteuert, der durch den invertierenden Verstärker OP484 verstärkt wird. Der Scope-Kanal IN zeigt die Spannung an der LED an, wie in Abb. 25.2 dargestellt.
Für \(R_D\) nehmen Sie einen 100 \(\Omega\) Widerstand. Für \(R_G\) nehmen Sie \(10\,k\Omega\) Widerstand. Der mit dem GND verbundene Gate-Widerstand ist eine gute Vorgehensweise, um unerwünschte Transistorumschaltungen durch statische Elektrizität zu vermeiden.
Abb. 25.3 NMOS LED-Schalter auf dem Steckbrett¶
Starten Sie die Applikation Oszilloskop & Signalgenerator
Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,5\,V\), den DC-Offset auf \(-0,5\,V\) und die Frequenz auf \(10\,Hz\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü SQUARE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.
Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN1 \(V/div\) auf \(2\,V/div\) und IN2 auf \(1\,V/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikale +/- Regler verwenden).
Setze \(t/div\) Wert auf \(20\,ms/div\) (Du kannst \(t/div\) mit horizontalen +/- Reglern einstellen)
Stellen Sie unter den Menueinstellungen IN2 und IN1 den Messtaster auf x10 und den vertikalen Offset auf 0.
Abb. 25.4 NMOS als Switch-Messungen¶
Aus Abb. 25.4 können wir das Verhalten des NMOS-Transistors beobachten, wenn er als Schalter arbeitet. Wenn die Basisspannung „hoch“ ist, wird der Transistor „eingeschaltet“, so dass der Strom von der \(+5\,V\) - Spannungsschiene durch die Diode zum GND fließt. Wenn der Strom fließt, blinkt die LED. In diesem „eingeschalteten“ Zustand sehen wir eine kleine Spannung an IN2 (LED-Spannung geht nicht auf 0 V). Dies ist der Einfluss der Schwellspannung der LED-Diode und des M1-Transistors. Aus Abb. 25.4 können wir diesen Spannungsabfall messen, der bei \(\approx 1,9\,V\) liegt. Versuchen Sie zu messen, wie viel Abfallspannung von M1 verursacht wird und wie viel von der LED. Wenn die Basisspannung „low“ ist, wird der Transistor „ausgeschaltet“ und der Stromfluss deaktiviert, daher ist die LED-Spannung gleich \(R1\), d.h. \(5\,V\).
Wir können das „Einschaltereignis“ von M1 beobachten, indem wir die TRIANGLE-Wellenform von OUT1 auswählen. Aus Abb. 25.5 können wir sehen, wenn das Gatesignal höher \(V_{TH}\) steigt, wird der Transistor eingeschaltet.
Abb. 25.5 NMOS-Schaltereignis¶
Bemerkung
Die Mehrheit der NMOS-Transistoren haben \(V_ {TH}\) größer als \(2\,V\).
Durch Umschalten der IN2-Scope-Sonde auf den M1 Drain (D)-Stift können wir den Spannungsabfall über dem M1-Transistor messen (Abb. 25.6).
Abb. 25.6 NMOS-Spannungsabfall.¶
Bemerkung
Versuchen Sie aus dem Spannungsabfall M1 den \(R_{ON}\) des NMOS ZVN211 Transistors zu berechnen und die Ergebnisse mit den Werten aus dem Datenblatt zu vergleichen. Hinweis: Berechnen Sie den Strom durch M1, messen Sie den Spannungsabfall auf M1, berechnen Sie den \(R_{ON}\).
Warnung
Transistor - \(R_ {ON}\) - Parameter ist entscheidend in Hochstromanwendungen, da die Verlustleistung des Stromflusses durch den Transistor von \(R_ {ON}\) - Wert abhängig ist.