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Forum: News Der Durchgangswiderstand eines MOSFETS


Autor: Roman Bürkle (roman_b737)
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Basierend auf einem Artikel von Robert Keim, 02. September 2016

Der Drain-to-Source Widerstand RDS(on) ist ein wichtiger Parameter eines MOSFETs. Das Verhalten dieses Durchgangswiderstandes scheint beim ersten Betrachten simpel zu sein. Dabei kann der Widerstand zum einen hochohmig sein und der Transistor befindet sich im Sperrbereich (cutoff region). Zum anderen ist der "on state" Zustand erreicht, wenn der Betrag der Gate-to-Source Spannung VGS größer als die Schwellenspannung Vth (threshold voltage) ist. Dadurch entsteht ein Kanal, der Drain und Source miteinander verbindet. Der Durchgangswiderstand ist dem RDS(on) Widerstand gleichzusetzen. Ist man aber mit dem Verhalten eines MOSFETs vertraut, kommt man unweigerlich zu dem Schluss, dass dieses Modell nicht ganz den Fakten entspricht.

Zu allererst hat der MOSFET keinen wirklichen „on state“. Der Transistor befindet sich, wenn er nicht gerade sperrt, entweder im ohmschen Bereich (ohmic region oder triode region) oder im Abschnürbereich (saturation region). Im Zusammenhang mit Schaltkreisen und Kleinsignalverstärkern, die den Sperr - und ohmschen Bereich nutzen, kann man annehmen, dass der „on state“ dem ohmschen Bereich entspricht. Beispiele dafür wären das Steuern eines Motors oder Relays.

Abb. Drain Source Widerstand beim Steuern eines Relays/Motors
Abb. Drain Source Widerstand beim Steuern eines Relays/Motors

Der ohmsche Bereich eines MOSFETs ist nicht nur ein Widerstand. Im Folgenden die Gleichung:

(Diese Gleichung bezieht sich auf NMOS Transistoren. Für PMOS Transistoren wird anstatt eines μn ein μp verwendet). Man kann die Gleichung vereinfachen, indem man den VDS* VDS Term ignoriert.

Nun hat man eine lineare Beziehung zwischen ID und VDS. Jedoch ist der Widerstand keine Konstante, vielmehr entspricht er:

Das bringt uns zu einer wichtigen Eigenschaft des RDS(on). Die Spannung VGS beeinflusst den Widerstand RDS. Im Folgenden ein Beispiel aus dem Datenblatt des Fairchild’s NDS351AN MOSFET:

Die typische Schwellenspannung für diesen Transistor beträgt 2,1 V. Ein Blick auf die Vth und RDS(on) Spezifikation lässt irrtümlich vermuten, dass man den Transistor mit einem 3,3 V Logiksignal betreiben und die „on state“ Widerstand Performance erreichen kann. Eine solche Handhabe wäre fahrlässig, da das Datenblatt sehr genau die VGS Spannung bezogen auf den RDS(on) spezifiziert. Allerdings vermitteln ein oder zwei RDS(on)/VGS Datenpunkte nicht die extreme Steigung des „on state“ Widerstandes, die bei |VGS| > Vth gilt. Zusammengefasst kann man sagen, dass der „on state“ Widerstand von VGS abhängig ist. Für detaillierte Informationen wird auf die Grafik VGS bezogen auf RDS(on) verwiesen.

Desweiteren ist der „on state“ Widerstand nicht mit dem Widerstand gleichzusetzen, der in der obriger Gleichung dargestellt wird. Der letztgenannte ist der Widerstand des MOSFET Kanals, wohingegen der „on state“ Widerstand andere Quellen, wie den Leitungswiderstand, epitaxial layer etc.., umfasst. Die Eigenschaften des Widerstandes werden von dem Herstellungsprozess und den einzelnen Beträgen der verschiedenen Komponenten des RDS(on) beeinflusst.

Weitere Faktoren, die auf den „on-state“ Widerstand Auswirkung haben, sind die Betriebstemperatur und der Drainstrom. Zum besseren Verständnis sind zwei Diagramme aus dem Datenblatt des NDS351AN entnommen worden.

Aus diesem Grund sollte man ein wenig Zeit in das Lesen von Datenblättern investieren, bevor man sich für einen bestimmten MOSFET entscheidet.


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