MOSFETs helfen bei der Ansteuerung von Aktoren

Zur Ansteuerung von Aktoren kommen meist PWM-Signale zum Einsatz. Da Steuergeräte jedoch keine hohen Ströme schalten können, werden sogenannte MOSFETs vorgeschaltete. Was diese können und was nicht.

Um Aktoren in Kraftfahrzeugen anzusteuern, werden heutzutage überwiegend PWM-Signale verwendet. Bei einer Gebläsesteuerung, die mit Hilfe von Vorwiderständen realisiert wird, erreichen gerade diese Vorwiderstände hohe Temperaturen. Hier treten demnach auch hohe Verluste auf. Lassen sich unterschiedliche Leistungsstufen eines Gebläses auch ohne Vor­widerstände realisieren?

Die Lösung sind PWM-Signale. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Leistung von Lüftern nahezu stufenlos zu regeln. Benötigt wird hierzu lediglich ein Signalerzeuger mit Endstufe. Das PWM-Signal kann jedes Steuergerät erzeugen.

In der Regel sind Steuergeräte aber nicht dazu ausgelegt, hohe Ströme zu schalten. Alternativ wird zwischen Steuergerät und Aktor einfach eine Endstufe geschaltet, welche die benötigten Ströme schalten kann.

Vorteile eines MOSFET

• Der MOSFET kann sehr hohe Ströme schalten.
• Es fließt kein Steuerstrom, somit wird der MOSFET nahezu leistungslos angesteuert.

Die gängigste Endstufenlösung besteht aus einem speziellen Feldeffekttransistor, einem sogenannten Metall-Oxid-­Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET). Auch bei diesem Bauteil handelt es sich um einen vollelektronischen Schalter, der aber gegenüber einem bipolaren Transistor einige Vorteile besitzt.

Es gibt unterschiedliche Arten von MOSFETs. Selbstleitende Transistoren leiten bereits ohne dass sie angesteuert werden. Liegt eine Spannung am Eingang an, so sperren sie vergleichbar mit einem Öffnerrelais. Selbstsperrende MOSFETs schalten erst einen Durchgang, sobald sie entsprechend angesteuert werden. Am häufigsten wird der selbstsperrende MOSFET eingesetzt.

Aus diesem Grund wird das Bauteil nachfolgend näher betrachtet: MOSFETs haben drei Anschlüsse, Gate (G), Drain (D) und Source (S). Wird am Gate eine Spannung angelegt, die höher ist als die Spannung am Source, so schaltet ein selbstsperrender MOSFET die Drain-­Source-Strecke durch. Daraufhin kann ein Strom vom Drain zum Source fließen. Trotz der Spannung, die am Gate angelegt ist, fließt kein Strom vom Gate zum Source. Der Transistor benötigt lediglich eine ­Steuerspannung, um durchzuschalten.

Der selbstsperrende MOSFET besteht aus zwei sogenannten n-­Schichten und einer p-­Schicht. In den n-­Schichten befinden sich mehr negative als positive Ladungsträger. In der p-Schicht sind weniger negative Ladungsträger vorhanden. Drain und Source sind jeweils direkt elektrisch leitend mit den n-Schichten verbunden. Das Gate wird mit einem Isolator von der p-Schicht getrennt. Es hat somit keine elektrische Verbindung. An den Grenzen zwischen einer n-Schicht und einer p-­Schicht entsteht eine Barriere, die von den Ladungsträgern nicht überschritten werden kann.

Prinzip: Aufbau eines selbstsperrenden MOSFETs.

Durchgang: Durch Anlegen einer Spannung entsteht ein leitender Kanal.

Wird nun an den Gate-Anschluss eine Spannung angelegt, so werden im p-Material vorhandene Elektronen vom Gate angezogen. Da hier ein Isolator angebracht ist, sammeln sich die Ladungsträger vor dem Gate und bilden somit einen leitenden Kanal. Es besteht nun ein Durchgang vom Drain zum Source, der Transistor hat durchgeschaltet.

Möchte man nun einen Verbraucher wie einen Lüfter, durch den ein hoher Strom fließt, schalten, so kann dies mit Hilfe eines MOSFETs geschehen. Möchte man die Geschwindigkeit des Lüfters variieren, so muss nur das PWM-Signal entsprechend angepasst werden. Bei hoher Drehzahl erhöht sich die Einschaltzeit und somit das Tastverhältnis. Auf diese einfache Art lässt sich die Geschwindigkeit des Lüfters stufenlos ändern. Es werden keine Vorwiderstände benötigt.

Da der Transistor entweder komplett durchgeschaltet wird oder komplett sperrt, ist die Wärme­entwicklung wesentlich geringer als bei ­einem Widerstandspaket. Mit Hilfe von PWM-Signalen wird mittlerweile die überwiegende Anzahl von Aktoren im Kraftfahrzeug gesteuert. Beispiele sind Schlusslichter, die Innenraumbeleuchtung, diverse Elektromotoren und viele mehr.

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