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Feldeffekt-Transistoren für Anfänger







  1. Der Feldeffekt-Transistor braucht keinen Basis-Gleichstrom
  2. N- und P-Kanal-FETs
  3. Der N-Kanal-FET als Konstantstromquelle
  4. Kennlinie von N-Kanal-FETs
  5. Der N-Kanal-FET in Source-Schaltung
  6. Der N-Kanal-FET in Drain-Schaltung
  7. Zwei N-Kanal-FET in einer Oszillator-Schaltung

1 Der Feldeffekt-Transistor braucht keinen Basis-Gleichstrom

2SK117 N-Kanal-FET Erstens, weil Feldeffekt-Tranistoren gar keinen Basis-Anschluss haben. Und zweitens weil ihr Gate (so heißt die Basis bei Feldeffekttransistoren) gegen die übrigen Anschlüsse von FETs isoliert ist: die Isolation wird von einer sehr dünnen Oxidschicht bewerkstelligt, da kommt nix durch. Nur das am Gate angelegte elektrische Feld wirkt noch auf die beiden anderen Anschlüsse ein: da hat der Feldeffekt-Transistor schließlich auch seinen Namen her.

Was heißt hier kein Strom. Wie jede zwei isolierte Platten, die sich gegenüber stehen, wirkt das Gate wie ein Kondensator. Erhöhungen der Gate-Spannung bewirkt das Laden des Kondensators, Absenken das Entladen. Und so braucht der FET dann am Gate doch Strom: zum Laden und Entladen des Kondensators. Und wieviel Strom ist das jetzt? Nun: bei Gleichstrom fast gar nix, es ändert sich kaum was. Aber bei Wechselstrom schon. Nehmen wir an, die Platten hätten 25 pF Kapazität, das sind 0,000.000.000.025 Farad. Bei einem Wechselstrom von 1 kHz ist dieses Gate ein Scheinwiderstand von
ZC = 1 / 2 / Π / f / C = 1 / 2 / 3,141592654 / 1000 / 0,000.000.000.025 = 6.366.197 Ω = 6,4 MΩ
Und bei 1 MHz sind das dann schon nur noch 6,4 kΩ, also ein erklecklicher (Schein-)Widerstand.

2 N- und P-Kanal-FETs

BF245C N-Kanal 2N3820 P-Kanal Wie bei Siliziumtransistoren gibt es bei FETs auch zwei Sorten: N-Kanal und P-Kanal. Man sieht es sofort am Schaltbild: bei N-Kanal zeigt der Gate-Pfeil zum Silizium hin, bei P-Kanal davon weg. Der im Logo ist daher ein N-Kanal-FET: der Drain-Anschluss kommt an Plus, der Source-Anschluss an Minus. Links ist ein typischer N-Kanal, rechts ein P-Kanal-FET zu sehen. Man sieht sofort, dass die Anschluss-Reihenfolge variiert.

3 Der N-Kanal-FET als Konstantstromquelle

FET als Konstantstromquelle Die allereinfachste Schaltung mit einem N-Kanal-FET ist, wenn man das Gate mit dem Source-Anschluss verbindet, Drain an Plus und Source an Minus. In dieser Schaltung arbeitet der FET als Konstant-Stromquelle: egal wieviel Volt die Betriebsspannung hat, er lässt immer ungefähr gleich viel Strom durch.

Wieviel an Strom das ist, kann man mit den A, B und C hinter der Namensbezeichnung mehr erahnen als wissen. Die Hersteller lassen sich da ziemlich weite Türen offen. Wer einen ganz bestimmten Strom haben will, muss sich 100 Exemplare bestellen und sich einen Passenden davon herausfischen. Hier mal für drei gebräuchliche N-Kanal-FETs aus meiner Bastelkiste ein paar Stromwerte in mA:

Ex-#2SK117BF245BBF256B
13,536,539,34
23,1210,359,04
33,6510,618,49
43,669,317,97
53,429,448,67
63,899,228,22
73,249,748,76
83,82-8,22
93,41-8,97
103,41-9,00
113,52-8,07
123,19-8,13
133,18-8,14
143,84-9,69
152,82-8,32
163,50-8,88
173,50-8,89
183,88--
192,89--
202,93--
213,77--
Durchschnitt3,449,318,64


Fazit: Der 2SK117 eignet sich allenfalls für Niedrig-Strom-LEDs, die beiden anderen sind gut für normale LEDs. Aber Obacht: BF245 und BF256 nur mit B, bei C oder bei gar nix könnte der Strom zu hoch sein, also messen.

4 Die Kennlinie von N-Kanal-FETs

Schaltet man zwischen Source und Minus einen Widerstand, dann fällt an diesem eine Spannung ab. Liegt das Gate an Minus, dann ist die Gate-Source-Spannung nun negativ. Das bremst den Strom zwischen Drain und Source ab.

Kennlinien von N-Kanal-FETs Mit dem Negativ-Machen des Gates gegenüber dem Source-Anschluss reduziert sich der Strom. Je größer der Source-Widerstand, desto negativer das Gate und desto geringer der Strom. Das Diagramm zeigt diese Kennlinien für drei N-Kanal-FET-Typen aus meiner Bastelkiste. Je nach Exemplar kann diese ein bisschen anders sein (siehe oben), aber das ist so etwa das Verhalten der FETs. Legt man das Gate gegenüber dem Minuspol auf positive Spannungen und kompensiert damit die Gate-Source-Spannung, kann man bequem den Strom durch den FET einstellen.

5 Der N-Kanal-FET in Source-Schaltung

N-Kanal-FET in Source-Schaltung Das hier zeigt, wozu ein FET immer gut zu gebrauchen ist: als Umspannwerk von hochohmig in niederohmig.

Die Schaltung liegt mit dem Gate auf Massenpotenzial. Dadurch dass durch den Source-Widerstand etwas Spannung abfällt, liegt das Gate im Vergleich zum Source-Anschluss auf negativem Potenzial. Negative Spannung am Gate verringert aber den Drain-Source-Strom. Die Schaltung stabilisiert sich also selbst, auf einem etwas geringeren Stromniveau als ohne Source-Widerstand.

Die Schaltung hat am Eingang 10 MΩ Gleichstromwiderstand und den schon oben diskutierten Wechselstromwiderstand. Am Ausgang, dem Source-Anschluss, hat er nun aber nur ca. 500 Ω. Da die Schaltung praktisch kaum Verstärkung hat, ist "Umspannwerk" nicht genau der richtige Begriff: was da umgespannt wird ist nicht die Spannung, sondern der Widerstand: was an Spannung reinkommt geht auch so raus, aber mit viel mehr Schmackes.

Und noch etwas bleibt bei der Umspannerei genau so wie vorher: die positiven Wechselspannungsspitzen erhöhen die Spannung am Widerstand, die negativen senken diese Spannung ab. Die Source-Schaltung invertiert daher das Signal nicht.

6 Der N-Kanal-FET in Drain-Schaltung

N-Kanal-FET in Drain-Schaltung Das ist bei der Drainschaltung anders. Bei der Drainschaltung wird zwischen Drain und Plus ein Widerstand geschaltet. Erhöht sich der Drain-Source-Strom in positiven Halbwellen am Gate, dann fällt an dem Drain-Widerstand mehr Spannung ab, der Absolutwert der Spannung am Drain wird dadurch niedriger. Und umgekehrt bei negativen Halbwellen. Die Schaltung kehrt daher den Sinus um bzw. verschiebt ihn um 180°.

N-Kanal-FET zum Symmetrieren Wenn wir den Kondensator am Source-Anschluss weglassen, wodurch natürlich etwas Verstärkung verloren geht, dann hat unsere Schaltung sowohl einen invertierenden (am Drain) als auch einen nicht-invertierenden Ausgang (am Source). Und wenn beide Widerstände gleich groß sind, ist die auch noch symmetrisch.

7 Gemischtes Doppel: Oszillatorschaltung

Oszillator mit zwei FETs in Source-Schaltung Das hier kombiniert nun zwei FETs in Source-Schaltung. Der linke FET hat aber auch noch einen Drain-Widerstand, und an dem steht die invertierte Wechselspannung an. Wenn wir die invertierte Wechselspannung über einen kleinen Kondensator wieder in den Oszillatorkreis am Gate des rechten FETs einspeisen, kriegen wir eine saubere Oszillatorschaltung.

Diese Schaltung wurde von Koster, Waldow und Wolff beschrieben. Sie funktioniert von NF bis VHF und kommt auch mit sehr niedrigen Betriebsspannungen zurecht.

Es kann sein, dass die erzeugte Wechselspannung mit einer sehr hochfrequenten Wechselspannung überlagert ist. Das kann man loswerden, indem man sie mit einem Kondensator an den beiden Source-Anschüssen nachhaltig abtötet. Das verbessert auch die Schwingeigenschaften und die Sinusreinheit der Schaltung, denn der Kondensator von 2n2 steigert die Verstärkung der beiden FETs.

Oszillator mit zwei BF256B fü DCF77 Verwendet man andere FETs als den 2SK117, hier ein BF256B, muss man die Dimensionierung etwas ändern. Man kann den Source-Widerstand kleiner oder größer machen. Schwingt die Schaltung nicht, kann man den Rückkoppelungs-Kondensator von 100 pF größer machen. Übersteuert das Signal am Source-Ausgang (der Sinus wird an der Unterkante platt), kann man die R├╝ckkoppelung niedriger machen oder den Source-Widerstand erhöhen.

Der Aufbau des Oszillators auf dem Breadboard Der produzierte Sinus Das hier ist ein DCF77-Sender, abgestimmt auf 77,5 kHz. Auch wenn die Kamera das etwas verzerrt aufgenommen hat: es ist ein sauberer Sinus.

Viel Spaß und viel Erfolg bei eigenen Experimenten.

©2021 by Gerhard Schmidt