Was ist ein 4N60 Leistungs-MOSFET?
Der 4N60 ist ein Hochspannungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der für Leistungsanwendungen konzipiert wurde. Dieses dreipinige Halbleiterbauteil besteht aus Drain (D), Gate (G) und Source (S) und zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, bestimmte Leistungspegel zu verarbeiten. Der 4N-60 wurde speziell entwickelt, um hervorragende Eigenschaften wie schnelle Schaltzeiten, geringe Gate-Ladung und niedrigen Einschaltwiderstand zu bieten, während er gleichzeitig über robuste Avalanche-Charakteristiken verfügt.
Einführung in den 4N60
Der 4N60 gehört zur Familie der Leistungs-MOSFETs und wurde für anspruchsvolle Schaltanwendungen konzipiert. Als N-Kanal-MOSFET mit einer Spannungsfestigkeit von 600V eignet er sich besonders für industrielle Anwendungen und Stromversorgungsschaltungen. Die Bezeichnung „4N60“ gibt wichtige Hinweise auf seine Eigenschaften: „4“ steht für den typischen RDS(on)-Wert von etwa 4 Ohm, „N“ kennzeichnet ihn als N-Kanal-MOSFET und „60“ verweist auf die maximale Drain-Source-Spannung von 600V.
Im Vergleich zu bipolaren Transistoren bietet der 4N-60 mehrere Vorteile, insbesondere im Hochfrequenzbereich. Da er ein spannungsgesteuertes Bauteil ist, benötigt er im eingeschalteten Zustand keinen kontinuierlichen Steuerstrom. Dies führt zu einer deutlich geringeren Leistungsaufnahme in der Ansteuerung. Zudem ermöglicht die MOS-Technologie sehr kurze Schaltzeiten im Nanosekundenbereich, was den 4N60 für Hochfrequenzanwendungen prädestiniert.
Die robuste Konstruktion des 4N-60 sorgt für eine ausgezeichnete Temperaturstabilität und Zuverlässigkeit auch unter schwierigen Betriebsbedingungen. Er kann Avalanche-Ereignisse überstehen, bei denen die Drain-Source-Spannung kurzzeitig die maximale Spannungsfestigkeit überschreitet, ohne Schaden zu nehmen. Diese Eigenschaft macht ihn besonders wertvoll für Anwendungen mit induktiven Lasten, bei denen Spannungsspitzen häufig auftreten können.
4N60 Pins & Pin-Funktionen
Der 4N60 verfügt über drei wesentliche Anschlüsse, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Die korrekte Identifizierung und Anwendung dieser Pins ist entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion des Bauteils in elektronischen Schaltungen.
Der Gate-Anschluss (G) dient als Steuereingang des MOSFETs. Durch Anlegen einer positiven Spannung zwischen Gate und Source wird ein leitfähiger Kanal zwischen Drain und Source gebildet. Die Gate-Spannung steuert somit den Stromfluss durch den MOSFET. Wichtig ist, dass das Gate durch seine isolierende Oxidschicht praktisch keinen DC-Strom aufnimmt, sondern nur beim Laden und Entladen der Gate-Kapazität während des Schaltvorgangs.
Der Drain-Anschluss (D) bildet in der typischen Anwendung den Hochstromanschluss des MOSFETs. Bei N-Kanal-MOSFETs wie dem 4N60 liegt am Drain in der Regel das höhere Potential an. Der Hauptstrom fließt von Drain zu Source, wenn der MOSFET eingeschaltet ist.
Der Source-Anschluss (S) dient als Referenzpunkt für die Gate-Spannung und als zweiter Anschluss für den Hauptstrompfad. In den meisten Anwendungen ist Source mit Masse oder dem niedrigeren Potential verbunden.
| Pin-Nummer | Pin-Name | Funktion |
|---|---|---|
| 1 | Gate (G) | Steuereingang, der den Stromfluss zwischen Drain und Source regelt |
| 2 | Drain (D) | Hauptstromanschluss, normalerweise mit höherem Potential verbunden |
| 3 | Source (S) | Referenzpunkt für Gate-Spannung und zweiter Hauptstromanschluss |
4N60 Pinbelegung
Die korrekte Pinbelegung des 4N60 ist entscheidend für die Entwicklung funktionierender Schaltungen. Der 4N60 wird typischerweise im TO-220-Gehäuse angeboten, das sich durch seine gute Wärmeableitung und einfache Montage auszeichnet. Bei Betrachtung des Bauteils von vorne (mit der Metallfläche nach hinten) befindet sich der Gate-Anschluss (G) links, der Drain-Anschluss (D) in der Mitte und der Source-Anschluss (S) rechts.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Metallfläche auf der Rückseite des TO-220-Gehäuses elektrisch mit dem Drain verbunden ist. Dies ist bei der Montage auf Kühlkörpern zu berücksichtigen, da gegebenenfalls eine isolierende Zwischenschicht erforderlich ist, um elektrischen Kontakt zwischen dem Drain und dem Kühlkörper zu vermeiden. In einigen Anwendungen kann diese Verbindung jedoch auch gezielt genutzt werden, um eine effizientere Wärmeableitung zu erreichen.
4N60 Gehäuseformen
Der 4N60 MOSFET ist in verschiedenen Gehäuseformen erhältlich, die jeweils unterschiedliche Vorteile für spezifische Anwendungsbereiche bieten. Die Wahl des richtigen Gehäuses hängt von Faktoren wie thermischen Anforderungen, Platzbedarf und Montagemöglichkeiten ab.
Das am häufigsten verwendete Gehäuse für den 4N60 ist das TO-220-Gehäuse, das eine ausgezeichnete Wärmeableitung bei moderaten Kosten bietet. Es eignet sich besonders für Anwendungen mit mittleren bis hohen Leistungen und ermöglicht eine einfache Montage auf Kühlkörpern. Für Anwendungen mit geringeren Leistungsanforderungen ist der 4N60 auch im platzsparenden TO-252 (DPAK) oder sogar im SMD-SOT-23-Gehäuse erhältlich, die sich besonders für oberflächenmontierte Anwendungen eignen. Bei höchsten Leistungsanforderungen kann das TO-247-Gehäuse verwendet werden, das eine noch bessere Wärmeableitung ermöglicht.
| Gehäusetyp | Abmessungen (mm) | Maximale Verlustleistung (W) | Montage | Anwendungsbereich |
|---|---|---|---|---|
| TO-220 | 10,2 × 15,0 × 4,4 | 50-75 | THT/Kühlkörper | Standard für Mittel- bis Hochleistungsanwendungen |
| TO-252 (DPAK) | 6,6 × 9,9 × 2,3 | 25-45 | SMD/Kühlpad | Platzsparende Anwendungen mit mittlerer Leistung |
| TO-247 | 15,9 × 20,9 × 5,1 | 80-150 | THT/Kühlkörper | Hochleistungsanwendungen |
| SOT-23 | 2,9 × 2,8 × 1,3 | 5-10 | SMD | Niedrigleistungsanwendungen, kompakte Schaltungen |
4N60 Schaltplan
Eine typische Anwendung für den 4N60 MOSFET ist eine einfache Niederspannungs-Schaltschaltung, die es ermöglicht, höhere Lasten mit einem niedrigen Steuersignal zu schalten. Die folgende Schaltung demonstriert, wie der 4N60 zum Schalten eines 12V-Motors verwendet werden kann, wobei die Steuerung durch ein 5V-Mikrokontroller-Signal erfolgt.
Für die dargestellte Schaltung werden folgende Bauteile benötigt:
- 4N60 MOSFET: Dient als Hauptschaltelement, um den Motorstrom zu steuern
- 10kΩ Pull-down Widerstand: Sorgt dafür, dass der MOSFET sicher ausgeschaltet ist, wenn kein Steuersignal anliegt
- 1kΩ Lastwiderstand: Begrenzt den Strom durch den Motor und dient als Schutz
- Freilaufdiode (1N4007): Schützt den MOSFET vor Spannungsspitzen, die entstehen, wenn der induktive Motor abgeschaltet wird
- 12V DC-Motor: Die zu steuernde Last
- 5V und 12V Spannungsversorgung: Steuerspannung und Lastspannung
In dieser Schaltung wird der 4N60 als elektronischer Schalter verwendet. Wenn am Gate eine positive Spannung von 5V angelegt wird, schaltet der MOSFET ein und ermöglicht den Stromfluss vom Drain zum Source, wodurch der Motor aktiviert wird. Die Freilaufdiode parallel zum Motor schützt den MOSFET vor induktiven Spannungsspitzen, die entstehen, wenn der Motor abgeschaltet wird. Der 10kΩ-Widerstand zwischen Gate und Source sorgt dafür, dass der MOSFET sicher ausgeschaltet ist, wenn kein aktives Signal anliegt.
4N60 Leistung – Strom & Spannung
Der 4N60 MOSFET ist für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen konzipiert und bietet eine beeindruckende Kombination aus Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigkeit. Die maximale Drain-Source-Spannung von 600V macht ihn ideal für Anwendungen in Netzgeräten, Schaltnetzteilen und industriellen Steuerungen. Bei der Auslegung von Schaltungen mit dem 4N60 sind die Leistungsgrenzen sorgfältig zu beachten, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten.
Ein wichtiger Parameter ist der Drain-Strom, der kontinuierlich fließen kann, ohne dass der MOSFET überhitzt. Dieser Wert hängt stark von der Kühlungssituation und der Umgebungstemperatur ab. Mit ausreichender Kühlung kann der 4N-60 Ströme von mehreren Ampere verarbeiten. Bei der Berechnung der maximal zulässigen Verlustleistung ist zu beachten, dass der Einschaltwiderstand RDS(on) mit steigender Temperatur zunimmt, was zu höheren Verlusten führen kann.
| Parameter | Symbol | Wert | Einheit | Bedingungen |
|---|---|---|---|---|
| Drain-Source-Spannung | VDSS | 600 | V | VGS = 0V |
| Gate-Source-Spannung | VGSS | ±30 | V | – |
| Kontinuierlicher Drain-Strom | ID | 4 | A | TC = 25°C |
| Drain-Strom (gepulst) | IDM | 12 | A | Pulsbreite ≤ 10µs |
| Maximale Verlustleistung | PD | 45 | W | TC = 25°C |
| Einschaltwiderstand | RDS(on) | 4 | Ω | VGS = 10V ID = 2A |
| Betriebstemperaturbereich | TJ | -55 bis +150 | °C | – |
4N60 Eigenschaften
Der 4N60 MOSFET bietet eine Reihe herausragender Eigenschaften, die ihn für verschiedene Anwendungen attraktiv machen. Seine schnellen Schaltzeiten ermöglichen den Einsatz in Hochfrequenzanwendungen, während seine robuste Konstruktion für Zuverlässigkeit auch unter schwierigen Betriebsbedingungen sorgt.
Ein besonderes Merkmal des 4N-60 ist seine verbesserte dv/dt-Fähigkeit, die ihn resistent gegen unbeabsichtigtes Einschalten bei schnellen Spannungsänderungen macht. Dies ist besonders wichtig in Schaltnetzteilen und anderen Anwendungen mit induktiven Lasten. Darüber hinaus bietet der 4N60 eine hohe Avalanche-Energie-Spezifikation, was bedeutet, dass er kurzzeitige Überspannungen ohne Schaden überstehen kann.
| Eigenschaft | Beschreibung | Vorteil |
|---|---|---|
| Hohe Schaltgeschwindigkeit | Typische Einschaltzeit: 30ns, Ausschaltzeit: 50ns | Ermöglicht Hochfrequenzanwendungen mit minimalen Schaltverlusten |
| Geringe Gate-Ladung | QG = 25nC bei VGS = 10V | Reduziert Ansteuerleistung und vereinfacht die Treiberschaltung |
| Niedriger RDS(on) | 4 Ohm bei VGS = 10V | Minimiert Leitungsverluste und Erwärmung im eingeschalteten Zustand |
| Verbesserte dv/dt-Fähigkeit | >50V/ns | Verhindert unbeabsichtigtes Einschalten bei schnellen Spannungsänderungen |
| Hohe Avalanche-Energie | EAS = 150mJ | Kann induktive Energieentladungen ohne Schaden überstehen |
| Thermisch optimiertes Gehäuse | RθJC = 3,5°C/W (TO-220) | Effiziente Wärmeableitung für höhere Leistungsdichte |
| Gate-Schwellenspannung | VGS(th) = 2-4V | Kompatibel mit gängigen Logiksignalen und Mikrocontrollern |
4N60 Anwendungen
Der 4N60 MOSFET findet aufgrund seiner vielseitigen Eigenschaften in zahlreichen elektronischen Anwendungen Verwendung. Seine Kombination aus hoher Spannungsfestigkeit, moderatem Stromvermögen und schnellen Schaltzeiten macht ihn zu einer ausgezeichneten Wahl für eine Vielzahl von Schaltungsdesigns.
Besonders weit verbreitet ist der Einsatz des 4N-60 in Schaltnetzteilen, wo er als primärseitiger Schalter dient. Hier kommt seine Fähigkeit zum Tragen, hohe Spannungen zu sperren und gleichzeitig schnell zu schalten, um die Effizienz zu maximieren. In Motor- und Relaissteuerungen wird der 4N60 oft als elektronischer Schalter verwendet, um induktive Lasten mit niedrigen Steuerspannungen zu schalten.
Die wichtigsten Anwendungsbereiche des 4N60 MOSFET umfassen:
- Schaltnetzteile (SMPS) und DC/DC-Wandler
- LED-Treiberschaltungen für Hochspannungs-LEDs
- Motorsteuerungen für kleine bis mittlere DC-Motoren
- Elektronische Lastschalter und Relais-Ersatz
- Solenoid– und Ventilsteuerungen
- Überspannungsschutzschaltungen
- Ausgangsschaltungen für Wechselrichter
- Hochspannungs-Konstantstromquellen
- Leistungsfaktorkorrekturschaltungen (PFC)
- Induktive Heizsteuerungen
4N60 Äquivalent & Alternativen
Je nach Anforderungen der spezifischen Anwendung können verschiedene MOSFETs als Alternativen zum 4N-60 in Betracht gezogen werden. Die Wahl eines geeigneten Ersatzes hängt von Parametern wie maximaler Spannung, Strom, Einschaltwiderstand und Schaltgeschwindigkeit ab.
Bei der Auswahl einer Alternative sollte besonders auf die Drain-Source-Spannung (VDSS), den maximalen Drain-Strom (ID) und den Einschaltwiderstand (RDS(on)) geachtet werden. Auch die Gate-Ladung und die thermischen Eigenschaften spielen eine wichtige Rolle für die Leistung in der jeweiligen Anwendung.
Gängige Alternativen zum 4N60:
- STP4NK60Z: Verbesserte Version mit niedrigerem RDS(on) von 3 Ohm und besseren Schaltzeiten
- IRF840: Höherer Drain-Strom (8A) bei gleicher Spannungsfestigkeit, etwas höherer RDS(on)
- SiHF640: Sehr niedrige Gate-Ladung für besonders schnelle Anwendungen bei ähnlichen Spannungs- und Stromwerten
- FQPF4N60C: Logic-Level-Variante mit niedrigerer Gate-Schwellenspannung für direkte Ansteuerung durch 3,3V-Logik
- STW4N60: Version mit integrierter Schutzdiode für verbesserte Robustheit gegen Spannungsspitzen
- SPP4N60C3: SuperMESH-Technologie für besseres Verhältnis zwischen RDS(on) und Gate-Ladung
- 2SK2645: Japanischer Äquivalenttyp mit vergleichbaren Leistungswerten und Gehäusevarianten
Zusammenfassung
Der 4N60 ist ein vielseitiger N-Kanal-Leistungs-MOSFET mit einer beeindruckenden Spannungsfestigkeit von 600V und moderaten Stromtragfähigkeiten von bis zu 4A bei Raumtemperatur. Seine speziell optimierten Eigenschaften, darunter schnelle Schaltzeiten, geringe Gate-Ladung und niedriger Einschaltwiderstand, machen ihn ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, von Schaltnetzteilen über Motorsteuerungen bis hin zu elektronischen Lastschaltern. Die robuste Konstruktion mit hoher Avalanche-Energie-Spezifikation und verbesserter dv/dt-Fähigkeit sorgt für Zuverlässigkeit auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.
Mit verschiedenen verfügbaren Gehäusevarianten, von Standard-TO-220 für maximale Leistung bis hin zu platzsparenden SMD-Versionen für kompakte Designs, bietet der 4N-60 Flexibilität für unterschiedliche Designanforderungen. Bei der Auslegung von Schaltungen mit dem 4N60 ist besonders auf eine ausreichende Kühlung zu achten, um seine volle Leistungsfähigkeit auszuschöpfen. Für spezielle Anforderungen stehen verschiedene Alternativen und weiterentwickelte Varianten zur Verfügung, die jeweils bestimmte Eigenschaften wie RDS(on), Schaltgeschwindigkeit oder Gate-Schwellenspannung optimieren.
4N60 Datenblatt
Weitere Informationen gibt es in dem 4N60 Datenblatt zum Download.