Mosfets sind schnelle Schalter, die mit hoher Frequenz Schalten können. Dafür ist die maximale Sperr-Spannung, oberhalb der sie zerstört werden, relativ gering. Sie verursachen geringe Verlustleistungen. Deshalb sind sie die bevorzugten Schalter in der Leistungselektronik. Man greift nur dann auf andere Schalter zurück, wenn große Spannungen geschaltet werden müssen und deshalb keine Mosfets eingesetzt werden können.
NMOS
Wir betrachten zunächst den N-Kanal-Mosfet oder NMOS, Polarität besprechen wir später. Ein Mosfet weist drei Anschlüsse auf. Der Gate-Anschluss ist der Steuer-Anschluss. Dazu gibt es den Source-Anschluss und den Drain-Anschluss, zwischen denen der Widerstand variiert wird. Der Strom fließt beim NMOS immer von Drain in Richtung Source durch den Mosfet.
Die Gate-Source-Spannung UGS zwischen Steuereingang Gate und Stromausgang Source bestimmt den steuerbaren ON-Widerstand zwischen Drain und Source. Übersteigt UGS den Schwellwert UTH, beginnt der Mosfet Strom zwischen seinem Source- und seinem Drain-Anschluss Strom zu leiten. 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 kleiner Hilfs-Wasserspeicher. Je höher die Gate-Source-Spannung ist, desto höher ist der Wasserpegel im Gate-Becken. Ein Schwimmer auf dem Wasser im Becken öffnet oder schließt den Kanal zwischen Drain und Source. Je höher der Gate-Wasserspiegel, desto mehr Wasser kann zwischen Drain und Source fließen. Unterhalb eines Mindestpegels UTH am Gate liegt die Sperre zwischen Drain und Source auf dem Boden des Kanals auf, sie wird erst ab dem Mindestpegel am Gate angehoben.
Für den Schaltbetrieb in der Leistungselektronik interessieren nur die beiden äußeren Darstellungen. Der halb offene Betrieb in der Mitte wird hier nicht genutzt.
Die Halbleiter in einem Mosfet bilden eine ungewollte (parasitäre) PN-Diode. Deshalb leitet jeder NMOS Strom von Source in Richtung Drain, sobald die Flussspannung an der Diode anliegt (oder eine Spule Strom durch die Diode drückt). Für UDS = -UF ≈ -1V leitet diese Diode.
Wenn der NMOS als steuerbarer Schalter arbeiten soll, müssen wir dafür sorgen, dass die Drainspannung größer als die Source-Spannung ist. Das ist der „normale“ Schaltbetrieb eines NMOS, in dem die Diode sperrt.
Ein Mosfet kann Strom in beide Richtungen leiten. Eine Richtung wird von einer parasitären Diode ermöglicht. Die andere Richtung wird über die Steuerspannung am Gate ermöglicht.
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