DK1RM - Hardware - MOSFET-Diode

Oft wünscht man sich als Bastler eine Diode mit möglichst geringer Flußspannung. Die 0.6-0.7V der üblichen Siliziumdioden werden zwar von Schottky-Dioden mit 0.3-0.5V unterboten, aber noch geringere Flußspannungen sind nur mit Germaniumdioden (0.2-0.4V) zu erreichen. Nur leider sind Germaniumdioden heutzutage recht selten/teuer geworden, und auch nur für Ströme von wenigen mA brauchbar. Glücklicherweise gibt es für manche Problemstellungen aber auch Schaltungen, die der Verhaltensweise von Dioden recht ähnlich sind.

In der nebenstehenden Schaltung wird ein P-Kanal-MOSFET verwendet, der durch die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen "A" und "C" gesteuert wird. Die im MOSFET enthaltene Bodydiode würde bei einer Spannung von ca. 600mV leitend werden, aber die Ansteuerschaltung reagiert schon unter 100mV und bringt den MOSFET in einen leitenden Zustand. Danach fallen über dem MOSFET nur noch etwa 40mV ab, was doch eine deutliche Verbesserung gegenüber einer herkömmlichen Diode darstellt, und die Verlustleistung in Grenzen hält. Die hier gezeigte Beispielschaltung ist für Spannungen von etwa 12V und Ströme von etwa 2A ausgelegt. Durch Variation der Bauteile und Bemaßungen kann die Schaltung natürlich auch auf andere Spannungen und Ströme angepasst werden.

Durch die Basis/Emitter-Dioden von Q1 und Q2 sowie R3 fließt ein geringer Strom, sodaß Ub immer ca. 0.6V unterhalb der jeweils höheren Spannung von UA und UC liegt. Solange UA geringer als UC ist, wird Ub also von UC bestimmt, und liegt somit bei UC-0.6V. Dadurch hat Q1 eine Basis/Emitter-Spannung, die geringer als 0.6V ist, und sperrt. Die Basis/Emitter-Spannung von Q2 beträgt jedoch 0.6V, und somit leitet Q2. Damit liegt der Gate-Anschluß des MOSFETs (Uc2) auf etwa der gleichen Spannung wie der Source-Anschluß und der MOSFET sperrt. Steigt nun UA auf einen Wert, der größer ist als UC, fängt die Basis/Emitter-Diode von Q1 an zu leiten, und übernimmt die Versorgung von Ub. Damit beginnt einerseits Q1 zu leiten, aber auch die Basis/Emitter-Spannung von Q2 verringert sich. Demzufolge sperrt Q2, und das Gate des MOSFETs (Uc2) wird von R2 auf 0V gezogen. Durch die nun anliegende Spannung zwischen Gate und Source des MOSFETs beginnt dieser zu leiten. Durch den Spannungsabfall über dem MOSFET (ein paar mV) bleibt UA auch bei leitendem MOSFET immer ein klein wenig höher als UC. Dieser Zustand bleibt so lange erhalten, bis UA wieder geringer wird als UC.

Da das Umschalten zwischen leitendem und gesperrten MOSFET von den sehr geringen Unterschieden der Basisströme durch Q1 und Q2 abhängig ist, sollten Q1 und Q2 möglichst gleiche Eingangskennlinien aufweisen → ggf. ausmessen.

Klar, eine Diode, die nur ein paar Millivolt Flußspannung hat, und auch bei höheren Strömen kaum Verlustleistung erzeugt, hätte wohl jeder gerne, nur die gibt es leider nicht. Diese Schaltung kommt an diese Idealvorstellung schon recht nahe heran, aber diese Vorteile sind auch mit ein paar Nachteilen verbunden, die jedoch je nach Einsatzzweck tolerierbar sind.

Die Schaltung benötigt eine Betriebsspannung, um die Gatespannung zur Ansteuerung des MOSFETs bereitzustellen. Die minimale Betriebsspannung ergibt sich aus der Gate/Source-Spannung, die der MOSFET benötigt, um bei dem geforderten Strom eine genügend geringe Flußspannung zu erreichen. Die maximale Betriebsspannung ist durch die maximale Gate/Source-Spannung des MOSFETs und die maximale Basis/Emitter-Spannung in Sperrichtung von Q1 und Q2 limitiert. Die Beispielschaltung sollte somit im Bereich von ca. 5-15V arbeiten, und bei mehr als 10V auch bei Strömen bis zu 5A noch annehmbar funktionieren.

Um eine Gleichrichtung "um die 0V" mit einer solchen Schaltung zu erreichen, ist es auch denkbar, die Schaltung mit einer "virtuellen Masse" (negative Hilfsspannung) zu betreiben. Das würde jedoch den Schaltungsaufwand deutlich erhöhen.

Die Schaltung benötigt einen Betriebsstrom, der zum Aufbau der Basisspannung Ub notwendig ist. Dieser Strom ergibt sich aus dem Basisstrom (der durch R3 fließt), und dem Kollektorstrom des jeweils leitenden Transistors (der durch R1 oder R2 fließt). Bei der gezeigten Beispielschaltung beträgt dieser Strom ca. 140µA.

Die Schaltung ist nicht "superschnell", und benötigt einige Mikrosekunden zum Ein-/Ausschalten des MOSFETs. Die Beispielschaltung benötigt laut Simulation ca. 300µs um den MOSFET in den leitenden Zustand zu bringen (→ "Zacke" am Einschaltzeitpunkt im Spannungsdiagramm des vorherigen Absatzes). Diese Zeit hängt von der Gate-Kapazität des MOSFETs und den Widerständen R1 und R2 ab (die etwa gleich groß sein sollten). Eine Verkleinerung der Widerstände sollte diesen Vorgang beschleunigen, aber damit auch den Stromverbrauch der Schaltung erhöhen.

Diese Schaltung ist bestimmt kein universeller Ersatz für Dioden, kann aber bei manchen Problemstellungen recht nützlich werden, um die Spannungs/Leistungsverluste mit/an konventionellen Dioden zu verringern. Eine Anpassung an ein bestimmtes Einsatzgebiet ist durch Auswahl und Bemaßung der verwendeten Bauteile in Grenzen möglich. Ich selber verwende diese Schaltung zur Zusammenführung von Betriebsspannungen in unterbrechungsfreien Stromversorgungen und zur Kopplung von Akkumulatoren.