Home ==>
Komponenten ==> Feldeffekt-Transistor
- Der Feldeffekt-Transistor braucht keinen Basis-Gleichstrom
- N- und P-Kanal-FETs
- Der N-Kanal-FET als Konstantstromquelle
- Kennlinie von N-Kanal-FETs
- Der N-Kanal-FET in Source-Schaltung
- Der N-Kanal-FET in Drain-Schaltung
- Zwei N-Kanal-FET in einer Oszillator-Schaltung
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.
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.
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-# | 2SK117 | BF245B | BF256B |
|---|
| 1 | 3,53 | 6,53 | 9,34 |
| 2 | 3,12 | 10,35 | 9,04 |
| 3 | 3,65 | 10,61 | 8,49 |
| 4 | 3,66 | 9,31 | 7,97 |
| 5 | 3,42 | 9,44 | 8,67 |
| 6 | 3,89 | 9,22 | 8,22 |
| 7 | 3,24 | 9,74 | 8,76 |
| 8 | 3,82 | - | 8,22 |
| 9 | 3,41 | - | 8,97 |
| 10 | 3,41 | - | 9,00 |
| 11 | 3,52 | - | 8,07 |
| 12 | 3,19 | - | 8,13 |
| 13 | 3,18 | - | 8,14 |
| 14 | 3,84 | - | 9,69 |
| 15 | 2,82 | - | 8,32 |
| 16 | 3,50 | - | 8,88 |
| 17 | 3,50 | - | 8,89 |
| 18 | 3,88 | - | - |
| 19 | 2,89 | - | - |
| 20 | 2,93 | - | - |
| 21 | 3,77 | - | - |
| Durchschnitt | 3,44 | 9,31 | 8,64 |
|---|
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.
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.
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.
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.
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°.
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.
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.
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 Rückkoppelung niedriger machen oder den Source-Widerstand
erhöhen.
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