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Transistoren gehören zu den wichtigsten Halbleiterbauelementen in der Elektronik – sie sind die Grundlage für die internen Strukturen der meisten integrierten Schaltkreise. Neben integrierten Schaltkreisen gibt es Transistoren jedoch auch in Einzelform als diskrete Bauteile – lernen Sie den IRFZ44N kennen – einen einzelnen n-Kanal-MOSFET-Transistor.
Was ist der Transistor IRFZ44N und wie funktioniert er?
Der IRFZ44N ist ein MOSFET-Transistor (engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), der auch als unipolarer Transistor bezeichnet wird, weil seine Halbleiterstruktur nur einen einzigen Ladungsträgertyp aufweist, nämlich den N-Typ oder den P-Typ. Im Falle des IRFZ44N-Transistors haben wir es mit einem N-Typ-Kanal zu tun, bei dem die meisten Ladungsträger Elektronen sind, im Gegensatz zu P-Typ-MOSFETs, bei denen die meisten Ladungsträger Löcher sind. In einem N-Typ MOSFET ist keiner der Minoritätsträger an der Stromleitung beteiligt. Daher ist die elektrische Ladungsspeicherzeit nach dem Ausschalten vernachlässigbar kurz und MOSFETs werden daher erfolgreich in elektronischen Schaltungen mit hohen Schaltfrequenzen eingesetzt. Ein MOSFET mit einem N-Typ-Kanal wird eingeschaltet, wenn die Gate-Source-Spannung der VGS gegenüber der Masse positiv ist.
In leistungselektronischen Schaltungen fungieren MOSFETs als schnelle Schalter. Die VGS-Spannung muss innerhalb der im Datenblatt angegebenen Unter- und Obergrenzen liegen. Wenn sich der MOSFET im leitenden Zustand befindet, verhält er sich ähnlich wie ein Widerstand. Daher ist die Verlustleistung in einem solchen Transistor proportional zum Quadrat des Drainstroms und des Widerstands zwischen Drain und Source im eingeschalteten Zustand des Transistors. Der Wert dieses Widerstands steigt mit dem Drain-Strom aufgrund des Anstiegs der Sperrschichttemperatur. Dies führt zu einer erhöhten Verlustleistung während der Leitung und schränkt somit die Anwendung in Schaltungen mit hohem Stromverbrauch ein. Niederspannungs-MOSFETs haben einen niedrigen Durchlasswiderstand, so dass es bei gegebenen Spannungsanforderungen besser ist, Leistungs-MOSFETs mit der kleinstmöglichen Nennspannung zu wählen, wobei der Sicherheitsfaktor berücksichtigt wird.
Anwendungsbeispiel für den IRFZ44N MOSFET - akustischer Alarm
Ein Schaltkreisunterbrechungsalarm kann sinnvollerweise mit einem akustischen Alarmschaltkreis verbunden werden, der durch eine Unterbrechung in einem elektrischen Schaltkreis ausgelöst wird. Eine solche Beispielschaltung benötigt für den allgemeinen Betrieb eine Hilfsspannung im Bereich von 9-12 V. Das Funktionsprinzip einer solchen Schaltung ist wie folgt. Wenn die Stromversorgung angeschlossen ist, fließt Strom vom Versorgungsspannungspotential Vcc über einen 33k-Widerstand nach GND. Umgekehrt fließt bei einer Unterbrechung dieser Schaltung Strom vom Vcc-Potenzial zum Gate des MOSFETs. Infolgedessen geht der MOSFET in den leitenden Zustand über – der Strom fließt vom Drain zur Source über die LED und den Buzzer. Eine solche Schaltung kann als Hinweis auf unterbrochene elektrische Leiter verwendet werden, z.B. als Folge einer Beschädigung durch zu starken Stromfluss.
IRFZ44N - Parameter der wichtigsten Komponenten
Der IRFZ44N ist ein beliebter N-Typ-MOSFET-Transistor, der häufig in Anwendungen im Zusammenhang mit Leistungsregelung, Motorsteuerung, Schaltnetzteilen, Audioverstärkern und vielen anderen eingesetzt wird. Zu den wichtigsten Parametern dieses Transistors gehören:
- Gate-Source-Nennspannung (Vgs): Gibt die maximale Spannung an, die sicher zwischen Gate und Source angelegt werden kann, damit der Transistor korrekt funktioniert.
- Nennspannung zwischen Drain und Source (Vds): Die maximale Spannung, die sicher zwischen Drain und Source angelegt werden kann, wenn der Transistor eingeschaltet ist.
- Drain-Strom (Id): Der maximale Strom, der durch einen MOSFET fließen kann, wenn dieser vollständig eingeschaltet ist.
- Durchlasswiderstand (Rds(on)): Bestimmt den Widerstand zwischen dem Drain und der Source, wenn der Transistor vollständig eingeschaltet ist. Je niedriger der Wert, desto geringer die Verlustleistung und desto besser die Leistung.
- Gate-Schwellenspannung (Vth): Die Mindestspannung, die an das Gate angelegt werden muss, damit der Transistor beginnt, Strom zu leiten.
- Nennleistung (Pd): Die maximale Leistung, die ein MOSFET-Transistor ableiten kann, ohne die zulässigen Temperaturen zu überschreiten.
- Schaltzeit (t-on, t-off): Die Zeit, die ein MOSFET-Transistor benötigt, um vom Aus-Zustand (off) in den Ein-Zustand (on) und umgekehrt zu wechseln. Schnelle Schaltzeiten können in einigen Anwendungen, wie z.B. DC-DC-Wandlern, wichtig sein.
- Gate-zu-Source-Kapazität (Ciss): Die Kapazität zwischen Gate und Source, die die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors beeinflusst.
Testen des MOSFET-Transistors
Wie andere elektronische Bauteile und Elemente ist auch der MOSFET-Transistor ein Bauteil, das fehleranfällig sein kann. Um sicher zu sein, dass der Transistor, den wir in unserem Projekt verwenden wollen, funktioniert, lohnt es sich, ihn zu testen. Interessanterweise können wir dafür nicht nur einen multifunktionalen elektronischen Komponententester verwenden, sondern auch ein Multimeter und eine Batterie oder ein Netzteil.
Das Testen eines N-Typ MOSFET-Transistors mit einem Multimeter lässt sich in wenigen einfachen Schritten durchführen. Stellen Sie das Multimeter auf den Widerstandsmessmodus ein. Der Widerstandswert kann je nach MOSFET-Typ variieren, liegt aber in der Regel im Bereich von ein paar hundert Kiloohm.
Legen Sie im ausgeschalteten Zustand die Sonden des Multimeters an die Gate- und Source-Leitungen an. Das Multimeter sollte einen unendlichen Wert anzeigen. Nachdem Sie kurz eine Spannung an das Gate angelegt haben, sollte eine Leitung zwischen dem Source- und dem Drain-Übergang entstehen. Das Multimeter sollte einen niedrigen Widerstand anzeigen. Um die Gate-zu-Source-Spannung zu messen und so die Spannungseigenschaften des MOSFETs zu bestimmen, können wir die Spannung zwischen Gate (G) und Source (S) messen, wenn die Versorgungsspannung an die Source angelegt wird. Bei korrekt angelegter Gate-Spannung sollte der MOSFET vollständig leitend sein. Als nächstes überprüfen wir den Widerstand zwischen Source und Drain, der eine Art ‘Parallelwiderstand’ des MOSFET im leitenden Zustand ist. Der Wert dieses Widerstands sollte relativ niedrig sein, was darauf hinweist, dass der MOSFET im leitenden Zustand ist. Wenn alle aufgeführten Schritte den aufgeführten Annahmen entsprechen, können wir daraus schließen, dass der getestete MOSFET betriebsbereit ist.
