Transistor oder Mosfet

[konservator]

Allgemein: Wann nehme ich einen Transistor statt einem Mosfet, wann umgekehrt ? Wann einen Thyristor ?

[BASTIUniversal]

Hi!
Ein FET ist ein Transistor...und zwar ein "Feldeffekt Transistor".

Bei kleinen Verbrauchern bei denen es auf den Spannungabfall von ~0,7V nicht ankommt (z.B. LED's) bzw. die daraus folgende Verlustleistung egal ist, da nimmt man i.d.R. Bipolare Transistoren (also das was du unter einem "normalen" Transistor verstehst). Bei sehr schnellen Schaltvorgängen im MHz-Bereich sind diese Transistoren auch besser (das Gate des FET's will ja erstmal umgeladen werden).

Die FET's kommen z.B. bei Halbbrücken oder Schaltreglern zum Einsatz. Hier ist der entscheidende Vorteil, dass bei einem kleinen Drain-Source Widerstand relativ wenig Verlustleistung anfällt. Nur wenn das Gate umgeladen wird (also der FET sich zwischen leiten und sperren "befindet") entsteht (je nach Geschwindikeit der Umladeaktion) eine größere Verlustleistung.
Der FET wird manchmal auch als "Ideale Diode" eingesetzt, denn beim FET gibt's kaum einen Spannungsabfall (beim Bipolar Transisor die besagten 0,7V).

MfG

[Jakob L.]

Hallo,

bei bipolaren Transistoren hat man nicht unbedingt einen Spannungsabfall von 0,7V zwischen Kollektor und Emitter. Bei ausreichender Dimensionierung des Transistors und genug Basisstrom ist Uce oft im Bereich von ca. 0,1V. Bipolare Transistoren haben jedoch den Nachteil, dass ein relativ hoher Steuerstrom benötigt wird, was natürlich zusätzliche Verluste bringt. Außerdem können Mosfets schneller geschaltet werden. Daher verwendet man in Schaltnetzteilen heute nahezu ausschließlich Mosfets.

Gruss
Jakob

[konservator]

Bei sehr schnellen Schaltvorgängen im MHz-Bereich sind diese Transistoren auch besser (das Gate des FET's will ja erstmal umgeladen werden).

vs.

Außerdem können Mosfets schneller geschaltet werden.

Dritte Meinung ?

[SprinterSB]

Die Geschwindigkeit, mit der ein FET geschaltet werden kann, hängt wie gesagt davon ab, wie schnell man es schafft, sein Gate zu (ent)laden.

Will man einen FET mit einer Gate-Kapazität von 1nF in 1ns schalten, braucht man pro Volt Gatespannung 1 Ampère. Entscheidend für die Schaltgeschwindigkeit ist also C_G (total Gate Charge), die im Größenbereich von nC liegt.

Selbst wenn man es mit entsprechenden (bipolaren) Treibern schafft, den FET schnell genug zu schalten, hat man dann Verluste in der Treiberstufe.

Generell hast du folgende Unterschiede Zwischen FET und Bipolar-Transistor (BT):

BTs sind stromgesteuert über den Basisstrom, während FETs spannungsgesteuert sind durch die Gate-Source-Spannung. BTs weisen in ihren Kennlinien Bereiche auf, die sehr gut linear sind, wodurch sie sich sehr gut für (lineare) Strom- oder Spannungsverstärkung eigenen. FETs sind idR deutlich schlechter dafür geeignet. Um einen BT leitend zu halten, brauchst du eine Mindestleistung, weil sie stromgesteuert sind. Einen FET kannst du leistungsfrei leitend halten (abgesehen von minimalster Leakage).

[PeterPan]

Hallo,

bei hohen Frequenzen haben die FET's Vorteile. Je höher jedoch der Strom wird um so mehr wirkt sich die geringe Sättigungsspannung bei Bipolaren Transistoren aus.
Das beste aus beiden Welten vereinigt der IGBT.
Bei noch höheren Strömen und Sperrspannungen kommen dann Triacs und schließlich Thyristoren zum Einsatz.

Bis bald,
PeterPan

[Millenniumpilot]

Hallo Johann,

habe bei mikrocontroller.net ein paar IRLU024N bekommen.
Dort steht z.B. für Cg 15nC.
Wie sehen denn die jeweiligen Einheiten in Deiner Rechung aus? Und wie lautet die Formel selbst? Also was fange ich jetzt mit den 15nC an?

Sorry, das ich mich hier als "Dummchen" outen muß? Habe bisher Fets nur in fertig konzeptionierten Schaltungen eingesetzt. Wollte jetzt diese FETs zum Schalten von normalen Lasten (LEDs, Lüfter, Ub von LCD-Modulen usw.) verwenden. Dort wird ja nur in relativ größeren Zeitabständen geschaltet. Trotzdem möchte ich schon wissen, was ich tu

Gruß Dirk

[SprinterSB]

Grob sieht es so aus.

Nehmen wir mal an der FET schaltet eine ohmsche Last R gegen die Versorgungsspannung U.

Für die im FET verbratete Leistung gilt dann

Bild hier  

Die während eines Schaltvorgangs aufgenommene Leistung ΔP erhält man, indem man das über die Schaltzeit Δt integriert. Der Widerstandsverlauf am FET über die Zeit zu modellieren hab ich mal gelassen, was nach Integrieren rauskommt dürfte i.W. proportional sein zur Leistung des Widerstands und der Schaltzeit.

Steuert man das Teil mit der Frequenz f an, hat man 2f Schaltvorgänge pro Sekunde (Die 2 steckt in der Proportionalitätskonstante), die Schalt-Verlustleistung ist also proportional zu Frequenz, Schaltzeit und Schaltleistung. Hinzu kommen die Verluste aufgrund des endlichen On-Widerstands:

Bild hier  

Insgesamt ergibt sich folgende Überschlagsrechnung, wobei k eine FET- und Treiberabhängige Konstante ist:

Bild hier  

Die Verlustleistung ist also proportional zur Schaltleistung.

Für kleine Frequenzen ist der linke Summand zu vernachlässigen, weil fΔt klein ist. Der FET-Verlust ist bestimmt durch seinen R_on.

Für hohe Frequenzen wird der linke Summand immer größer.

Zum Schalten einer LED würd ich allein schon wegen Preis und Bauform nen 0-8-15 Bipolar nehmen wie BC548/BC558, BC316/BC317 oder BC516/BC517, es sei denn es ist ein Luxeon-Brazzel-Teil zu schalten...

Ausserdem tut der Spannungsabfall am Bipolar nicht weh, ansonsten würd die Spannung eben am LED-Vorwiderstand abfallen.

Zum Schalten von Lüfter (wahrscheinlich PWM), Ub und LCD ist ein FET da schon interessanter.

Die Einheit der Ladung ist C = A·s (Coulomb), Formelzeichen ist Q.

I.W. sieht das Gate für den Treiber aus wie ein Kondensator, der zu laden/entladen ist. Und für diesen gilt C=Q/U
C ist Formelzeichen der Kapazität, Einheit ist Farad (F).

[Millenniumpilot]

Hallo Johan,

Dank für Deine Ausführungen. Muß aber noch ein wenig darüber nachdenken Ist schon eine Weile her,....
Mir war halt unklar, auf welche Art man mit 1nF und 1ns auf 1A pro Volt kommt. Und was war eigendlich nC für eine Einheit? Nach Deinen Ausführungen wohl nanoCoulumb? Jetzt wird es etwas klarer. Dachte nicht, das da so hohe Ströme (auch wenn nur kurzzeitig) benötigt werden. Dachte in meinem Leichtsinn, FETs werden nur äußerst hochohmig spannungsgesteuert.
Schalten möchte ich z.B. 100Leds auf einmal (UV-LED Belichter).
Da macht sich ein FET schon ganz gut denke ich.

Gruß Dirk

[SprinterSB]

Ja, nC ist 1e-9 Coulomb.

Sie sind auch hochohmig und spannungsgesteuert, aber es ist eben das Kleinvieh, das den Mist macht beim Schalten. Und wo eine Spannungsänderung ist ist eine Potentialänderung, und um die zu erreichen braucht man Ladungsträger also Strom (zumindest hier).

Wenn du 15nC auf dem Gate hast bei 5V kann man etwa so rechnen, als hätte man 3nF zu laden/entladen. Bei einer Schaltfrequenz von 200kHz entspricht das einer Kapazität von 600µF, was die Treiber pro Sekunde auf das Gate und wieder runterschaufeln müssen. Nun stell dir vor, du (ent)lädst jede Sekunde 600µF über zwei kleine Treibertransistörchen, das macht schon etwas warm... Ist zwar keine exakte Rechnung, macht's aber klarer.

Für die 100 LEDs würd ich auch nen FET hernehmen, für die Belichtung aber eher ne Nitraphot oder so (dann aber nicht über FET )