Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie kommt ein MOSFET in den "Sättigungsbetrieb"


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von Verwirrt (Gast)


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Hallo zusammen,

ich verzweifel gerade an der Mosfet Kennlinie und hoffe, dass hier 
jemand Licht in das dunkel bringen könnte, da der Rest des Internets 
leider mein Verständnis nicht bessern konnte.

Ich bin grad dabei die Funktion von Mosfets zu lernen.
Spontan hätte ich gesagt, dass ich das Prinzip grob verstanden habe:

Lege ich bei einem n-Kanal Mosfet (enhancement type) eine Vgs Spannung 
an, welche größer ist als die Vth Spannung, öffnet sich der Kanal und 
ein Strom Id kann fließen. Ist Vgs hoch schaltet der Mosfet komplett 
durch und der Widerstand Ron des Mosfets beträgt wenige milieohm.

Setze ich also einen Widerstand in den Drain Zweig wird nach 
überschreiten von Vth der Mosfet schalten und ein Strom Id in der Höhe 
von Vsupply/R fließen.
Ich habe das ganze auch mal simuliert, das Ergebnis ist im Anhang zu 
sehen.
Wie vermutet tritt genau das beschriebene Verhalten ein (wie auch bei 
einem npn Transistor)

Sehe ich mir jetzt allerdings die Kennlinie an (beispielsweise hier 
http://www.vishay.com/docs/68214/turnonprocess.pdf (Fig. 3)) scheint 
dieses Verhalten nur für die "resistive Region" zu gelten also dem 
linear Bereich.
Die Formel hierfür lautet: Vgs > Vt und Vds < Vgs - Vt (wikipedia)
Und es wird gesagt, dass der Mosfet in diesem Bereich ein 
Spannungsgesteuerter Widerstand ist.
Hier beginnt bereits die Verwirrung...Da der Mosfet ja durchschaltet 
sinkt Ron auf wenige Milieohm was dazu führt, dass auch Vds auf wenige 
Milieohm sinkt. Daher gilt die linear Bedingung Vgs > Vt und Vds < Vgs - 
Vt, da Vds = ~0V und Vgs - Vt > 0V.

In der nächsten Region soll der Mosfet dann in die "Saturation Region" 
gehen wo der Strom konstant bleibt sich allerdings Vds erhöhen kann.

Hier steige ich völlig aus, wie erhöht sich Vds, wenn der Transistor 
durchgeschaltet ist?
Der Strom wird ja immerhin vom Widerstand oder der Last irgendwie 
begrenzt. Und selbst wenn nicht kann doch nicht einfach ohne Änderung 
von Vgs und Ids die Vds Spannung steigen.
Die Formel für diese Region lautet:
Vgs > Vt und Vds > Vgs - Vt).
Die 2. Bedingung kann meinem Verständnis nach allerdings nie eintreten.

Ich würde mich sehr freuen, wenn mir hier jemand meinen Denkfehler 
erläutern könnte.
In der linear Region ist die Vds Spannung laut Diagramm immer ~0V was 
bei einem spannungsgesteuerten Widerstand ja eigentlich nicht sein kann 
(U = R * I).
Und wenn er einmal den vollen Ausschlag erreicht hat wie kann dann Vds 
wieder steigen?

Ich bedanke mich schon mal vorab für jede Hilfe und verbleibe

mfg
Verwirrt

von Helmut S. (helmuts)


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Du musst die passende Simulation machen um die Bereiche zu sehen.

Ganz links steigt der Strom linear mit Uds - linearer Betrieb.

Dann folgt der Übergang in den Bereich in dem Ids nur noch wenig mit Uds 
ansteigt - gesättigter Bereich.

Die Kurvenschar hat steigende Werte von Ugs=const von 2,5V bis 3V in 
0,1V Schritten.

von MISSFET (Gast)


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Verwirrt schrieb:
> Der Strom wird ja immerhin vom Widerstand oder der Last irgendwie
> begrenzt. Und selbst wenn nicht kann doch nicht einfach ohne Änderung
> von Vgs und Ids die Vds Spannung steigen.

Hängt immer von der Schaltung ab. Einfachstes Beispiel: MOSFET schaltet 
eine Spannungsquelle kurz. Dann liegt als Vds die Spannung der 
Spannungsquelle an. Erfüllt die Spannungsquelle die Bedingung Vds > Vgs 
- Vt, dann landest du im Sättigungsbereich.

Bei deiner Schaltung kannst du es dir so erklären: Nehme einen idealen 
MOSFET an, dessen Rds(on) im eingeschalteten Zustand 0 ist. Dann 
bestimmen R1 und V1 den Strom, der in der Schaltung fließt. Ist dieser 
Strom größer als der Sättigungsstrom (dieser ist abhängig von Vgs), dann 
landest du im Sättigungsbereich. Der MOSFET ist dann eine Stromquelle 
und diktiert den Strom in der Schaltung. Aus diesem Strom kannst du dann 
die Spannungen über dem Widerstand und über dem MOSFET berechnen. Die 
Bedignung Vds > Vgs - Vt wird automatisch erfüllt sein, da über einer 
Stromquelle jede beliebige Spannung abfallen kann und darf. Du kannst 
den Sättigungsbereich also provozieren, indem du den Widerstand R1 
kleiner machst.

von Verwirrt (Gast)


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Hallo zusammen,

ok einer meiner Denkfehler war wohl, dass ich immer der Meinung war, 
dass die Spannung recht konstant bleibt und deshalb höhere Spannungen 
bei eingestellten Strömen mit Widerständen nicht auftreten sollten.

Um zu prüfen ob ich das jetzt verstanden habe, hab ich die Simulation 
nochmal durchgeführt wie MISSFET es beschrieben hatte.
Im Anhang befindet sich das Ergebnis.
Das Datenblatt des Mosfet ist dieses hier
http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-BSC120N03MSG-DS-v02_01-en.pdf?fileId=db3a304313d846880113de761b1d03a5

Bei 3V VGS müsste ja ab 12A circa eine Begrenzung starten und Spannung 
beginnen am Mosfet abzufallen.
Wäre das dann der weiße Punkt in meiner Simulation?

Es kommt mir, falls ja, allerdings immer noch recht steil vor wie der 
Strom noch steigt.
Ist das so korrekt?

VG
Verwirrt

von Helmut S. (helmuts)


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Schau die die Grafik Nr. 7 im Datenblatt an. Die bekommst du mit der von 
mir gezeigten Simulation.
http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-BSC120N03MSG-DS-v02_01-en.pdf?fileId=db3a304313d846880113de761b1d03a5

Noch ein paar Tipps.
1. Du solltest LTspice dazu bewegen in deiner Simulation mehr Punkte zu 
berechnen.
2. Den Widerstand in der Drainzuleitung solltest du wegnehmen damit du 
die gebräuchlichen Kennlinien bekommst.

von MISSFET (Gast)


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Verwirrt schrieb:
> Bei 3V VGS müsste ja ab 12A circa eine Begrenzung starten und Spannung
> beginnen am Mosfet abzufallen.
> Wäre das dann der weiße Punkt in meiner Simulation?

Ja, das wäre ungefähr der Punkt, ab dem der MOSFET in dieser Schaltung 
in den Sättigungsbereich wechselt.

Verwirrt schrieb:
> Es kommt mir, falls ja, allerdings immer noch recht steil vor wie der
> Strom noch steigt.
> Ist das so korrekt?

Wenn du dir das Ausgangskennlinienfeld im Datenblatt anschaust (Nr. 7), 
dann siehst du, dass dort der Strom auch noch recht stark im 
Sättigungsbereich ansteigt. Das stimmt mit deinen Simulationsergebnissen 
gut überein, v.a. da das Datenblatt den Drain-Strom ja nur bis Vds=3V 
angibt. Bei dir geht die Spannung am MOSFET bis Vds=10V hoch.

von Verwirrt (Gast)


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Hallo :)

ok ich glaube so langsam hab ich es dann raus.
Werde noch ein paar Simulationen machen um sicher zu gehen dass ich es 
jetzt verstanden habe.

Aber erstmal vielen Dank euch beiden für die nette Hilfe :)

Wünsche noch ein schönes Wochenende

VG
(Nicht mehr-) Verwirrt

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