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P-Kanal MOSFETs schalten

Ein Video zum Schalten von P-Kanal MOSFETs gibt's noch nicht

Hinterlasst einen Kommentar, wenn ihr Ideen habt, was in diesem Video gezeigt werden sollte (außer den schon in diesem Kapitel erwähnten Themen).

Übersicht

In diesem Kapitel ist nachzulesen:


Positive Ladungsträger

Dotieren von Halbleitern
Abbildung 1:
Die Leitfähigkeit in Halbleiterbauteilen auf Basis von Silizium wird durch gezielte Einlagerung von Fremdatomen in das Kristallgitter erreicht. Details hierzu gibt's im Kapitel zur Dotierung von Halbleitern. In diesem Kapitel werde ich die elektrischen Eigenschaften von P-Kanal MOSFETs behandeln, bei denen die sogenannten Löcher oder Defektelektronen die Majoritätsladungsträger bilden. Dabei handelt es sich um gedachte positive Ladungsträger, deren Beweglichkeit deutlich geringer als die von Elektronen ausfällt. Im Unterschied zu N-Kanal MOSFETs, bei denen die deutlich beweglicheren Elektronen den Transport elektrischer Ladungen zum Großteil bewerkstelligen, schalten P-Kanal MOSFETs prinzipiell langsamer.

Anschlüsse

N-Kanal und P-Kanal MOSFET
Abbildung 2:
Die Benennung der Anschlüsse eines P-Kanal MOSFETs ist identisch zu der eines N-Kanal MOSFETs. Auch hier lauten die Bezeichnungen Source, Drain und Gate. Hier sind ein IRLZ34N (N-Kanal) und ein IRF9Z34N (P-Kanal) MOSFET abgebildet. Die Belegung der Pins beider Transistoren ist identisch, was aber keinesfalls so sein muss. Ein Blick in das Datenblatt ist unerlässlich, um die Anschlüsse zu identifizieren!
Anschließen eines N-Kanal und eines P-Kanal MOSFETs
Abbildung 3:
Spätestens beim Anschließen eines P-Kanal MOSFETs sind die Unterschiede zum N-Kanal MOSFET zu beachten:
Beim P-Kanal MOSFET wird der Source-Pin an die positive Versorgungsspannung angeschlossen, während der Drain-Pin über einen Lastwiderstand mit Masse verbunden ist. Zur Erinnerung: Beim N-Kanal MOSFET ist der Source-Pin an Masse angeschlossen, während der Drain-Pin über den Lastwiderstand mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist.
In beiden Fällen liegt das Potential am Drain-Pin zu jedem Zeitpunkt irgendwo zwischen 0V und dem Wert der positiven Versorgungsspannung. Im Datenblatt vermerkt ist immer die maximale Drain-Source Spannung (UDS), es wird also in beiden Fällen immer der Spannungsabfall von dem Drain-Pin hin zu dem Source-Pin gemessen. Da der Source-Pin beim N-Kanal MOSFET immer auf Masse, beim P-Kanal MOSFET allerdings auf dem Niveau der positiven Versorgungsspannung liegt, ergibt sich für den N-Kanal MOSFET zu jedem Zeitpunkt ein positiver Wert, für den P-Kanal MOSFET ein negativer Wert für UDS.
Spannungsmessung am P-Kanal MOSFET
Abbildung 4:
Anschaulich wird das, wenn ein Multimeter zur Spannungsmessung verwendet wird. Die rote Tastspitze wird jeweils mit dem Drain-Pin des MOSFETs verbunden, die schwarze Testspitze mit dem Source-Pin. Zu sehen ist, dass bei ausgeschaltetem Transistor (0V an Gate-Source-Strecke) an beiden MOSFETs fast die gesamte Versorgungsspannung von 12V abfällt, der Wert am P-Kanal MOSFET allerdings mit negativem Vorzeichen angezeigt wird.

EIN und AUS schalten

P-Kanal MOSFET ausgeschaltet
Abbildung 5:
Wie beim N-Kanal MOSFET ändert sich auch beim P-Kanal MOSFET der Widerstand der Drain-Source-Strecke in Abhängigkeit zur Gate-Source Spannung. Auch hier ist der Widerstand bei selbstsperrenden Typen maximal, wenn die Potentialdifferenz zwischen Gate und Source 0V beträgt. In dem Fall liegt zwischen Gate und Masse die gesamte Versorgungsspannung an. Am N-Kanal MOSFET links im Bild liegen zwischen Gateanschluss und Masse 0V an und zwischen der positiven Versorgungsspannung und dem Gateanschluss ist die gesamte Versorgungsspannung zu messen. In beiden Fällen sind die Transistoren ausgeschaltet, der Widerstand der Drain-Source Strecke liegt im Bereich von einem Megaohm, womit an den Transistoren, die mit den 1kΩ Widerständen einen Spannungsteiler bilden, mehr oder weniger die gesamte Versorgungsspannung abfällt:
UDS = 12V * 1MΩ / (1MΩ + 1kΩ) = 11.99V
Erneut gilt hier für den P-Kanal MOSFET, dass der Bezugspunkt der Spannungsmessung nicht Masse, sondern die +12V Leitung ist. Entsprechend ergibt sich eine Spannung von -12V an der Drain-Source Strecke.
P-Kanal MOSFET eingeschaltet
Abbildung 6:
Um den Widerstand eines P-Kanal MOSFETs zu minimieren, muss eine negative Spannung zwischen Gate und Source angelegt werden. Analog zum N-Kanal MOSFET ist die Schwellspannung (UGS) der Spannungswert, ab dem sich der Widerstand der Drain-Source Strecke schon bei kleinen Variationen der Gatespannung sehr stark ändert. Der Unterschied liegt darin, dass beim P-Kanal MOSFET die Spannung weiter verringert (also "negativer gemacht") werden muss, um den Widerstand ebenfalls zu verringern. Wie schon im Kapitel zum N-Kanal MOSFET wollen wir uns auf die Verstärkung digitaler Signale beschränken, womit die Gatespannung entweder mehr oder weniger 0V entspricht, oder deutlich oberhalb (N-Kanal) beziehungsweise unterhalb (P-Kanal) der Schwellspannung liegen sollte. Beim MOSFET Typ IRF9540 beträgt die Schwellspannung im ungünstigsten Fall -4V. Bei einer Spannung von -5V kann der Transistor als eingeschaltet betrachtet werden, wenngleich bei dieser Spannung keine hohen Ströme (<1A)geschaltet werden dürfen!
Für die Drain-Source Spannung am N-Kanal MOSFET ergibt sich nun:
UDS = 12V * 1Ω / (1Ω + 1kΩ) = 0.012V ≈ 0V
Es fällt also fast keine Spannung mehr an den Transistoren ab und durch die Bauteile fließt ein Strom von:
IDrain = 12V / (1Ω + 1000Ω) ≈ 12mA
Zu beachten ist, dass der technische Strom (gedachte positive Ladungsträger fließend von Plus nach Minus) beim N-Kanal MOSFET am Drain-Pin in das Bauteil herein fließt, beim P-Kanal MOSFET jedoch das Bauteil am Drain Pin verlässt. Der Wert für den Drain-Strom erhält somit beim P-Kanal MOSFET ebenfalls ein negatives Vorzeichen. Ferner zeigt beim Symbol für einen P-Kanal MOSFET der Pfeil weg vom Transistor, beim N-Kanal MOSFET hingegen hin zum Transistor.

Der "andere" Bezugspunkt

P-Kanal MOSFET an Mikrocontroller mit positiver Versorgungsspannung als Bezugspotential
Abbildung 7:
Üblicherweise ist der Minuspol einer Batterie der Bezugspunkt für Spannungsmessungen (=Masse, engl: Ground, GND), beim P-Kanal MOSFET ist es allerdings in dieser Zeichnung der Pluspol. Somit wird deutlicher, warum beim P-Kanal MOSFET die Werte für UGS und UDS mit negativen Werten im Datenblatt versehen sind.
P-Kanal MOSFET per Mikrocontroller eingeschaltet
Abbildung 8:
Wie ein P-Kanal MOSFET über einen Mikrocontroller angesteuert werden kann, zeigt diese Abbildung. Eine zweite Batterie versorgt den ATtiny Mikrocontroller mit einer Spannung von 5V. Beide Batterien sind an ihren Pluspolen direkt miteinander verbunden und an dieser Leitung liegt das Bezugspotential, also die "Masse" (engl.: Ground, GND) an. Pin 5 des ATtiny ist im Datenblatt mit GND bezeichnet, entsprechend ist der Minuspol der Batterie, welchen diesen Mikrocontroller mit elektrischer Energie versorgt, mit diesem Pin verbunden. Für unser Gesamtsystem ist dies aber nicht die Masse! Pin 8 ist für den Mikrocontroller der Anschluss für die positive Versorgungsspannung (VCC), weshalb dieser mit dem Pluspol von Batterie 1 verbunden ist und hier liegt für unser Gesamtsystem das Bezugspotential (die Masse).
Zwischen Pin 4 und unserer Masse liegt eine Spannung von -5V an. Schaltet der Mikrocontroller nun einen Pin auf LOW (ausgeschaltet), so liegt an diesem (fast) das gleiche Potential wie an Pin 4 an, also in Bezug auf unsere Masse ebenfalls -5V. Die Gate-Source Spannung am P-Kanal Transistor ist negativer als die Schwellspannung, der P-Kanal MOSFET ist bei LOW-Signal am Steuerpin eingeschaltet.
P-Kanal MOSFET per Mikrocontroller ausgeschaltet
Abbildung 9:
Gibt der Mikrocontroller nun ein HIGH-Signal auf den Steuerpin (der Pin ist eingeschaltet), so liegt an diesem (fast) das gleiche Potential an wie an Pin 8 (VCC), was in Bezug auf unsere Masse 0V entspricht (Pin 8 ist mit unserer Masseleitung verbunden). Damit ist der P-Kanal MOSFET bei eingeschaltetem Steuerpin ausgeschaltet.

Minus ist die bessere Masse

P-Kanal MOSFET an 5V Versorgungsspannung, LOW-Level am Eingang
Abbildung 10:
In der Elektrotechnik ist üblicherweise der Minuspol einer Gleichspannungsquelle das Massepotential, wie es auch in dieser Abbildung der Fall ist. Die Schaltung arbeitet mit einer Versorgungsspannung von +5V und der Steuerpin 6 des Mikrocontrollers ist ausgeschaltet. Somit liegen zwischen Pin 6 und Masse 0V an, zwischen Pin 6 und Source des P-Kanal MOSFETs hingegen -5V (für den Transistor ist immer der Source-Pin der Bezugspunkt). Die Spannung ist unterhalb (negativer) von Uth, womit der Transistor bei ausgeschaltetem Steuerpin eingeschaltet ist.
P-Kanal MOSFET an 5V Versorgungsspannung, HIGH-Level am Eingang
Abbildung 11:
Wird der Steuerpin eingeschaltet, so liegen zwischen dem Steuerpin und Masse +5V, zwischen Gate und Source des MOSFET allerdings 0V an. Der P-Kanal MOSFET ist bei eingeschaltetem Steuerpin ausgeschaltet.
P-Kanal MOSFET an 12V Versorgungsspannung, LOW-Level am Eingang
Abbildung 12:
Die Logikspannung des Mikrocontrollers beträgt 5V, genau wie die maximale Eingangsspannung an diesem Bauteil. Die Versorgungsspannung des Ausgangsschaltkreises beträgt in diesem Fall jedoch +12V. Ist der Steuerpin ausgeschaltet, so liegen 0V zwischen diesem und Masse an. Als Spannung zwischen Gate und Source des MOSFETs ergeben sich -12V, was negativer als die Schwellspannung ist, womit der Transistor wie in dem vorherigen Beispiel bei ausgeschaltetem Steuerpin eingeschaltet ist.
P-Kanal MOSFET an 12V Versorgungsspannung, HIGH-Level am Eingang
Abbildung 13:
Wird der Steuerpin eingeschaltet, so liegen zwischen Pin 6 und Masse +5V an. Aufgrund der +12V Versorgungsspannung am MOSFET, verbleibt für die Spannung zwischen Gate und Source eine Potentialdifferenz von -7V, was nach wie vor negativer als die Schwellspannung ist. Auch bei HIGH-Signal am Mikrocontroller ist der Transistor eingeschaltet. Der Mikrocontroller kann den P-Kanal MOSFET nicht ausschalten, wenn die Versorgungsspannung am Ausgangskreis deutlich über dem Logikpegel liegt!

Pegelwandler

P-Kanal Verstärker mit N-Kanal Pegelwandler, Zustand Eingeschaltet
Abbildung 14:
Um einen P-Kanal MOSFET auch bei höherer Versorgungsspannung schalten zu können, muss der Logikpegel auf das Niveau dieser Spannung angehoben werden. Das wird hier durch eine Vorverstärkerstufe bestehend aus einem N-Kanal MOSFET erreicht:
Wird nun ein HIGH-Signal auf den Steuerpin ausgegeben, so liegen +5V zwischen Pin 6 und Masse, als auch zwischen Gate und Source des N-Kanal MOSFETs. Somit ist dieser Transistor eingeschaltet und an dessen Drain-Source-Strecke fällt (fast) keine Spannung ab. Folglich beträgt die Spannung zwischen Gate uns Source des P-Kanal MOSFETs -12V, was ausreicht, um diesen ebenfalls einzuschalten. Zwischen Drain und Source des P-Kanal MOSFETs fällt ebenfalls (fast) keine Spannung ab und es fließt ein Strom von etwa 12mA durch den Ausgangskreis.Bei eingeschaltetem Steuerpin ist auch der P-Kanal MOSFET eingeschaltet. Der HIGH-Pegel des Mikrocontrollers wird im Bezug auf die Gate-Source-Strecke des P-Kanal MOSFETs auf den negativen Wert der Versorgungsspannung des Ausgangskreises gewandelt.
P-Kanal Verstärker mit N-Kanal Pegelwandler, Zustand Ausgeschaltet
Abbildung 15:
Wird nun der Steuerpin ausgeschaltet, ist die Spannung zwischen Pin 6 und Masse (fast) 0V, was auch für die Spannung zwischen Gate und Source des N-Kanal MOSFETs gilt. Dieser ist ausgeschaltet, womit an dessen Drain-Source-Strecke (fast) die gesammte Versorgungsspannung von +12V abfällt. Im Umkehrschluss bleibt für die Spannung zwischen Gate und Source des P-Kanal MOSFETs eine Spanung von (fast) 0V. Dieser Transistor ist somit ebenfalls ausgeschaltet und es fließt (fast) kein Strom durch den Ausgangskreis. Bei ausgeschaltetem Steuerpin ist auch der P-Kanal MOSFET ausgeschaltet. Der LOW-Pegel des Mikrocontrollers wird auf den Wert der Versorgungsspannung des Ausgangskreises und somit auf 0V im Bezug auf die Gate-Source-Strecke des P-Kanal MOSFETs gewandelt.

Maximale Gatespannung

P-Kanal MOSFET mit Zenerdiode
Abbildung 16:
Zum Schutz eines P-Kanal MOSFETs vor Überspannung am Gateanschluss kann eine Zenerdiode verwendet werden. Diese wird zwischen Gate und Source angeschlossen. Zum Schutz der Zenerdiode vor einem zu hohen Strom, wird allerdings ein weiterer Widerstand benötigt, der als Serienwiderstand wirkt, wenn der N-Kanal MOSFET des Pegelwandlers eingeschaltet ist. Ohne diesen Widerstand (10kΩ in der Skizze) würde ein sehr hoher Strom durch Zenerdiode als auch N-Kanal MOSFET fließen, der schließlich eines der beiden Bauteile zerstört!
Der 100kΩ Widerstand, der 10kΩ Widerstand und die Drain-Source-Strecke des N-Kanal MOSFET bilden im eingeschalteten Zustand eine Reihenschaltung für die gilt:
U100k=USupply * 100kΩ / (1Ω + 10kΩ + 100kΩ) ≈ USupply * 0.91
Je höher der Reihenwiderstand der Zenerdiode, um so kleiner der Spannungsabfall an der Zenerdiode. Dieser Spannungsabfall sollte nicht unter den Wert der Zenerspannung fallen. Bei einer Versorgungsspannung von 12V und einer Zenerspannung von 10V ist mit 12V * 0.91 = 10.92V genügend "Luft".
P-Kanal MOSFET mit Zernerdiode ohne Parallelwiderstand
Abbildung 17:
Wird der 100kΩ Widerstand in der vorherigen Schaltung weggelassen, so entsteht eine unbestimmte Situation im ausgeschalteten Zustand des Pegelwandlers:
Drain-Source-Strecke des N-Kanal MOSFETs, 10kΩ Reihenwiderstand und Zenerdiode bilden einen Spannungsteiler. Der Widerstand einer Zenerdiode unterhalb der Zenerspannung ist im Bereich des Widerstandes eines ausgeschalteten Transistors. Somit pendelt sich die Gatespannung am P-Kanal MOSFET irgendwo zwischen 0V und der negativen Zenerspannung ein, der Transistor wird keinesfalls zuverlässig ausgeschaltet!
P-Kanal MOSFET mit Zernerdiode und Parallelwiderstand
Abbildung 18:
Mit einem parallel geschalteten Widerstand ergibt sich bei ausgeschaltetem N-Kanal MOSFET eine definierte Gatespannung am P-Kanal MOSFET:
UZener=USupply * 100kΩ / (100kΩ + 10kΩ + 1MΩ) ≈ USupply / 10
Je kleiner der Wert für den Parallelwiderstand, um so positiver (näher an 0V) die Gate-Source Spannung am P-Kanal MOSFET bei ausgeschaltetem N-Kanal MOSFET. Diese muss deutlich positiver (näher an 0V) als die Schwellspannung des P-Kanal MOSFETs sein.
P-Kanal MOSFET mit Zernerdiode und geringem Serienwiderstand
Abbildung 19:
Bei hoher Versorgungsspannung ist daher ein kleinerer Wert sowohl für den Parallelwiderstand, als auch den (um den Faktor 10) kleineren Reihenwiderstand zu empfehlen. Werden ein 10kΩ und ein 1kΩ Widerstand verwendet, so liegt im Zustand "ausgeschaltet" nur noch ein Hundertstel der Versorgungsspannung am Gate des P-Kanal MOSFETs, was diesen in jedem Fall zuverlässig sperrt.
Zu beachten ist ebenfalls die Verlustleistung am Reihenwiderstand der Zenerdiode bei hoher Versorgungsspannung, die sich wie folgt ergibt:
P = U2 / R = (USupply - UZener)2 / 1kΩ
Bei einer Eingangsspannung von 12V erhalten wir 0.144W, bei 24V bereits 0.576W. Standard-Widerstände für Durchsteckmontage sind für maximal 0.25W ausgelegt!

Alle Maximalwerte beachten!

P-Kanal Verstärkerschaltung mit N-Kanal Pegelwandler und Schutzbeschaltung
Abbildung 20:
Auch für P-Kanal MOSFETs sind die im Datenblatt vermerkten Werte zur maximalen Drain-Source Spannung (UDS), Gate-Source Spannung (UGS) und die Schwellspannung (Uth), genau wie die maximale Verlustleistung zu beachten. Die Details dazu habe ich im Kapitel zu N-Kanal-MOSFETs geschildert.
Als Schutz vor Überspannung ist am P-Kanal MOSFET eine Freilaufdiode in Sperrrichtung zwischen Drain und Masse beim Schalten induktiver Lasten einzuplanen. Ein Pull-Down Widerstand zwischen Gate und Source des N-Kanal MOSFETs ist aus Sicherheitsgründen ebenfalls zu empfehlen.

Beispielschaltung

Beispielschaltung P-Kanal MOSFET mit N-Kanal Pegelwandler
Abbildung 21:
Mit den folgenden Bauteilen kann eine Verstärkerschaltung für Spannungen zwischen 12V und 48V bei bis zu 19A (bei sehr guter Kühlung des P-Kanal MOSFET) aufgebaut werden:
T1 = BS170 N-Kanal MOSFET
T2 = IRF9540 P-Kanal MOSFET
Z1 = Zenerdiode 10V, 0.5W
D1 = Schottkydiode z.B. SB5100
R1 = 1kΩ, 3W, bei Eingangsspannungen von 15V und weniger genügt ein 0.25W Widerstand
R2, R3 = 10kΩ, 0.25W

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