NMOS
Übersteigt die Spannung zwischen Gate und Source einen Schwellwert, leitet der Mosfet Strom zwischen seinem Source- und seinem Drain-Anschluss. Der Schwellwert wird als Threshold-Spannung UTH bezeichnet. Ist die Spannung zwischen Gate und Source UGS kleiner als UTH, sperrt der Mosfet.
Im Wassermodell ist das Gate ein Wasserspeicher. Je höher die Gate-Source-Spannung ist, desto höher ist der Wasserpegel im Gate-Speicher. Ein Schwimmer auf dem Wasser im Gate öffnet oder schließt den Kanal zwischen Drain und Source. Je höher der Gate-Wasserspiegel, desto mehr Wasser kann zwischen Drain und Source fließen.
Für den Schaltbetrieb in der Leistungselektronik interessieren nur die beiden äußeren Darstellungen. Der halb offene Betrieb in der Mitte wird hier nicht genutzt.
Jeder Mosfet enthält aufgrund seines inneren Aufbaus eine ungewollte (parasitäre) Diode zwischen Source und Drain. Deshalb leitet ein Mosfet über seine Diode immer dann, wenn die Source-Spannung um eine Diodenflussspannung größer als die Drain-Spannung ist. Wenn der Mosfet als steuerbarer Schalter arbeiten soll, müssen wir dafür sorgen, dass die Drainspannung größer als die Source-Spannung ist. Das ist der „normale“ Schaltbetrieb eines Mosfets.
Der Mosfet sperrt als Schalter also nur, wenn UD > US und UGS > UTH gelten. Für UD < US leitet die parasitäre Diode. Der Strom fließt dann von Source in Richtung Drain. Für UD > US und UGS < UTH leitet der Mosfet Strom von Drain in Richtung Source.
NMOS gegen Masse
Betrachten wir zunächst den einfachen Fall, dass der Source-Anschluss eines NMOS auf Masse liegt. Der Transistor öffnet dann, wenn am Gate-Anschluss eine Spannung größer als UTH gegen Masse anliegt. Sie können den Transistor jetzt z. B. über einen I/O-Pin eines Arduinos ansteuern. Dafür verbinden Sie den I/O-Pin mit dem Gate-Anschluss des Transistors.
Sie sollten sicherstellen, dass UTH des Transistors kleiner als die HIGH-Spannung des Arduinos ist. Bei Logic-Level-Mosfets liegt die Schwellspannung im Bereich 1V … 3V. Der Arduino Uno kann an seinen I/O-Pins Spannungen von 0V und 5V erzeugen. Damit sperrt der Transistor bei 0V und er leitet bei 5V.
In einer Brückenschaltung, die erst später erklärt wird, wäre dieser NMOS der Low-Side-Schalter.
Treiber
Betrachten wir den Fall, dass das Source-Potential eines NMOS nicht auf Masse liegt. Bei einer Brückenschaltung wäre das der HIGH-Side-Schalter (später). Dann müssen wir irgendwie dafür sorgen, dass das Gate-Potential um UTH oberhalb des Source-Potentials liegt. Dafür sorgen fertige Schaltungen, die als „Treiber“ bezeichnet werden. Achten Sie bei der Auswahl eines Treibers darauf, dass dieser für Mosfets ausgelegt ist und dass er die richtige Mosfet-Polarität (NMOS oder PMOS) schalten kann.
Der Treiber hat einen Logik-Level Eingang, den Sie direkt an einen Arduino anschließen können. Ein HIGH-Pegel schiebt das Gate-Potential über das Source-Potential. Damit schließt der NMOS als Schalter. Ein LOW-Pegel senkt das Gate-Potential unter das Source-Potential. Damit öffnet der NMOS als Schalter.
Am Treiber- Ausgang wird eine Spannung erzeugt, die um 15V höher oder niedriger als die Source-Spannung liegt – egal welches Potential der Source-Anschluss hat. Das Problem mit dem veränderlichen Source-Potential ist also bereits gelöst, Sie kaufen die Lösung einfach zu.
PMOS
Bei einem PMOS leitet die parasitäre Diode vom Source zum Drain. Sie wirkt also genau anders herum als beim NMOS. Erneut wird die Gate-Source-Spannung zum Schalten genutzt. Die Gate-Spannung muss diesmal aber um UTH unter dem Source-Potential liegen, damit der PMOS als Schalter schließt. Also haben wir folgendes Verhalten:
Ein PMOS wird normalerweise genau anders herum in Schaltungen eingesetzt, deshalb drehe ich ihn in der folgenden Abbildung um:
Der Drainstrom ist in der unteren Darstellung positiv, wenn er von oben nach unten fließt. Das passiert, wenn der Transistor als Schalter arbeitet. Wenn die Diode leitet, ist der Drainstrom negativ, dann fließt er von unten nach oben. Das ist konsistent mit der Darstellung vom NMOS. Oft wird Source mit der positiven Versorgungsspannung verbunden. Das Gatepotential muss kleiner als das Sourcepotential sein, damit der Transistor als Schalter schließt. Die untere Darstellung wird Ihnen häufiger als die obere begegnen.
Sie benötigen auch für die Ansteuerung eines PMOS einen Treiber. Um einen PMOS zu schließen, muss das Gate-Potential um UTH unterhalb des Source-Potentials liegen. Der Treiber bekommt einfach Logik-Pegel am Eingang und schaltet dann den Transistor. Wie beim NMOS zieht ein LOW-Pegel das Gatepotential unter das Sourcepotential. Ein HIGH-Pegel schiebt das Gate-Potential über das Source-Potential. Ein LOW-Pegel schließt einen PMOS als Schalter und ein HIGH-Pegel öffnet diesen. Die Ansteuerung bewirkt genau das Gegenteil zur Ansteuerung eines NMOS.
In der Praxis ist der Betrieb eines Mosfets einfacher als es hier wirkt. Sie werden das später bei Brückenschaltungen erleben. Es ist wichtig zu beachten, in welcher Richtung die parasitäre Diode leitfähig ist. Einen Mosfet als Schalter zu öffnen und zu schließen überlassen Sie den Treibern, die Sie nur mit Logikpegeln ansteuern.
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