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PMOS

Der Treiber-Aufwand für die Halbbrücke mit zwei NMOS ist recht hoch. Es gibt eine weniger aufwändige Lösung. Insbesondere der HIGH-Side NMOS macht Probleme, weil seine Gate-Spannung auf die veränderliche Ausgangsspannung bezogen ist.

Ein PMOS ist ein Mosfet-Transistor mit umgekehrter Polarität. Ein NMOS leitet Strom vom Drain-Anschluss zum Source-Anschluss. Ein PMOS leitet Strom vom Source-Anschluss zum Drain-Anschluss. Eine parasitäre Diode liegt zwischen Drain und Source. Sie leitet bei positiver Spannung U_DS. Die Ansteuerung erfolgt erneut über die Gate-Source-Spannung. Ein PMOS schließt bei negativer Gate-Source-Spannung. Das Gate muss zum Schließen gegenüber dem Source nach unten gezogen werden.

Schaltzeichen des PMOS (P-Kanal-MOSFET) mit Source oben, Drain unten, U_GS und U_DS

\[ \begin{gathered} \text{PMOS-Betriebsarten} \\[6pt] U_{DS} \textcolor{#c0392b}{\text{ negativ}}\text{, Strom fließt „richtig herum“} \\[6pt] U_{DS} \textcolor{#c0392b}{<} 0\,\mathrm{V} \text{ und } U_{GS} \textcolor{#c0392b}{<} -U_{TH} \rightarrow \text{Schalter geschlossen, } I_D \text{ positiv} \\[6pt] U_{DS} \textcolor{#c0392b}{<} 0\,\mathrm{V} \text{ und } U_{GS} \textcolor{#c0392b}{>} -U_{TH} \rightarrow \text{Schalter offen, } I_D = 0\,\mathrm{A} \end{gathered} \]

\[ \begin{gathered} U_{DS} \textcolor{#c0392b}{\text{ positiv}}\text{, Strom fließt „falsch herum“} \\[6pt] U_{DS} \textcolor{#c0392b}{>} U_{F,\mathrm{Diode}} \rightarrow \text{Diode leitet, Schalter geschlossen, } I_D \text{ negativ} \end{gathered} \]

Die Unterschiede zwischen NMOS und PMOS habe ich in rot hervorgehoben. Einen PMOS erkennen Sie in einem Schaltplan nur am Pfeil, der in die andere Richtung zeigt. Dieser Unterschied der Schaltbilder von NMOS und PMOS ist in der folgenden Abbildung hervorgehoben.

Vergleich der Schaltzeichen von NMOS und PMOS

Die beiden Mosfets sind bereits so orientiert, wie sie in Leistungselektronik-Schaltungen verbaut werden. Der Strom fließt jeweils von oben nach unten und die Dioden sperren von oben nach unten. Setzen wir diesen PMOS als HIGH-Side-Schalter in einer Halbbrücke ein. Der LOW-Side-Schalter bleibt ein NMOS.

Halbbrücke aus PMOS S1 (oben) und NMOS S2 (unten) mit Spule L als Last

Der PMOS schaltet in dieser Schaltung mit einer Spannung U_GS,1 gegen die konstante Source-Spannung U₀. Die Steuerspannung des oberen Schalters ist damit von der sich ständig ändernden Ausgangsspannung entkoppelt. Der Treiber muss nur noch das Gate ein paar Volt unter die Eingangsspannung der Schaltung ziehen um den PMOS zu schließen. Liegt das Gate auf der Eingangsspannung ist der PMOS offen.

Diese PMOS – NMOS – Kombination wird gerne bei geringer Eingangsspannung eingesetzt. Setzen wir als Beispiel U₀ = 5V. Der Mikrocontroller läuft ebenfalls auf 5V Versorgungsspannung, so dass dessen I/O-Pins 0V oder 5V ausgeben.

Ich kürze Mikrocontroller ab jetzt mit in den Grafiken als „MCU“ (microcontroller unit) ab, damit die Grafiken etwas schmaler und damit fürs Smartphone besser optimiert sind.

Halbbrücke aus PMOS und NMOS, angesteuert über zwei Mikrocontroller-Pins

\[ \begin{gathered} \text{Beispiel: } U_0 = 5\,\mathrm{V},\ U_{TH} = 2\,\mathrm{V} \\[6pt] \text{NMOS Low-Side, } S_2 \\[6pt] U_{\mathrm{Pin1}} = 0\,\mathrm{V},\ U_{GS2} = 0\,\mathrm{V} < U_{TH} \rightarrow \text{NMOS offen} \\[6pt] U_{\mathrm{Pin1}} = 5\,\mathrm{V},\ U_{GS2} = 5\,\mathrm{V} > U_{TH} \rightarrow \text{NMOS geschlossen} \\[6pt] \text{PMOS High-Side, } S_1 \\[6pt] U_{\mathrm{Pin2}} = 0\,\mathrm{V},\ U_{GS1} = -5\,\mathrm{V} < -U_{TH} \rightarrow \text{PMOS geschlossen} \\[6pt] U_{\mathrm{Pin2}} = 5\,\mathrm{V},\ U_{GS1} = 0\,\mathrm{V} > -U_{TH} \rightarrow \text{PMOS offen} \end{gathered} \]

Bei dieser Schaltung können wieder beide Ansteuer-Pins zu einem Pin zusammengefasst werden. Werden beide Gates von der gleichen Spannung angesteuert, schalten die Mosfets immer komplementär (einer offen, einer geschlossen).

Halbbrücke aus PMOS und NMOS mit gemeinsamer Ansteuerung über einen Mikrocontroller-Pin

Transistor-Typen

Die oben vorgestellten Mosfets werden in der Leistungselektronik in Brückenschaltungen eingesetzt. Es gibt noch weitere Mosfet-Arten, die ich kurz vorstellen möchte.

Anreicherungstyp: Das ist der klassische Mosfet. Er sperrt ohne Ansteuerung, also bei U_GS = 0V.

Verarmungstyp: Das ist ein eher untypischer Mosfet. Er leitet ohne Ansteuerung, also bei U_GS = 0V.

Anreicherungstyp und Verarmungstyp gibt es in den Varianten PMOS und NMOS.

Junction-Fet: Wird in der Leistungselektronik selten eingesetzt. Nähere Infos (nicht prüfungsrelevant) unter diesem Link

Bipolar-Transistor: Ein Transistortyp für Audioschaltungen, der in der Leistungselektronik aufgrund seiner hohen Verluste gar nicht eingesetzt wird.