Der MOSFET als Schalter

Über den Beitrag

Transistoren werden in der Welt der Mikrocontroller gerne als Schalter eingesetzt. Insbesondere bei hohen zu steuernden Strömen fällt die Wahl dann häufig auf einen MOSFET. Im Prinzip sind MOSFETs sehr einfach zu handhaben, trotzdem gibt es einiges beim Umgang mit ihnen zu beachten. Vor allem stellt sich die Frage, auf welche Parameter man achten muss, um den richtigen MOSFET auszuwählen. Eine andere Frage ist, welche zusätzlichen Bauteile benötigt werden. Brauche ich einen Vorwiderstand am Gate? Brauche ich einen Gate-Treiber? Der Beitrag soll helfen, diese Frage zu beantworten. 

Folgendes kommt auf euch zu:

Was ist ein MOSFET?

TO-220 / TO-92 MOSFET
TO-220 / TO-92 MOSFET

Im Netz findet ihr viele Artikel, in denen der Aufbau und das Funktionsprinzip von MOSFETs erklärt wird, z.B. hier auf Wikipedia. Deshalb werde ich hier nur auf das Notwendigste eingehen.

Die Bezeichnung MOSFET steht für Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor. Der MOSFET besitzt drei Anschlüsse, die als Gate, Drain und Source bezeichnet werden. Mit der Spannung zwischen Gate und Source steuert ihr den Stromfluss zwischen Source und Drain. Normalerweise ist das Gate links, Drain in der Mitte und Source rechts, wenn ihr auf die beschriftete Seite des MOSFETs schaut. 

Es gibt n-Kanal und p-Kanal MOSFETs. Der n-Kanal MOSFET öffnet, wenn das Potenzial an seinem Gate gegenüber seiner Source einen bestimmten positiven Schwellenwert überschreitet. Um den p-Kanal MOSFET zu öffnen, muss hingegen eine Spannung an seinem Gate anliegen, die gegenüber der Source negativ ist. Den n-Kanal MOSFET verwendet ihr auf der GND Seite, den p-Kanal MOSFET auf der positiven Seite der Versorgungsspannung.

n-Kanal vs p-Kanal MOSFET
n-Kanal vs p-Kanal MOSFET

Ich werde mich in meinem Beitrag auf die n-Kanal MOSFETs konzentrieren.

MOSFET vs bipolarer Transistor

Wer von einem Transistor spricht, meint in der Regel einen bipolaren Transistor (BJT = bipolar junction transistor). Da MOSFETs aber auch zur Großfamilie der Transistoren gehören, muss ich sie hier namentlich unterscheiden.

Die BJTs besitzen wie die MOSFETs drei Anschlüsse. Und auch bei ihnen wird der Stromfluss zwischen zwei der Anschlüsse, nämlich Kollektor und Emitter, über den dritten Anschluss, die Basis, gesteuert. Sie unterscheiden sich hingegen (unter anderem) in diesen Aspekten:

  • Im BJT fließt ein Strom von der Basis zum Emitter. Dieser steuert den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter. Der bipolare Transistor ist also stromgesteuert. Im Gegensatz dazu ist der MOSFET spannungsgesteuert.
  • Die Schaltgeschwindigkeit der MOSFETs ist höher als die der BJTs.
  • MOSFETs sind teurer.
  • MOSFETs sind für höhere Ströme geeignet.
  • Der BJT beginnt ab einer Basis-Emitter-Spannung von ungefähr 0.7 Volt zu leiten. Beim MOSFET werden hingegen in der Regel Gate-Source Spannungen von 1 bis 4 Volt benötigt.
  • Der MOSFET besitzt eine nicht unerhebliche parasitäre Kapazität. Dazu später mehr.

Minimalschaltung

Nehmen wir an, ihr wolltet ein Bauteil schalten, dass mit 5 Volt betrieben wird. Weiterhin braucht es einen Strom, der das Limit eines I/O Pin überschreitet. Das wären beispielsweise 20 mA beim Arduino UNO. Andererseits soll der Strom nur so groß sein, dass er über den 5 Volt Ausgang des Mikrocontrollerboards bereitgestellt werden kann. Das sind bei USB Betrieb in der Regel 500 Milliampere, minus 50 Milliampere für das Board und minus dem, was die I/O Pins insgesamt bereitstellen. In diesem Fall kann die Schaltung sehr einfach gestaltet werden: 

Minimalschaltung mit einem MOSFET

Dabei repräsentiert der Lastwiderstand R_L das Gerät, das ihr schalten wollt. Auf die Frage, ob ihr einen Vorwiderstand (Series Resistor) braucht, gehe ich noch ein. Meistens werdet ihr ihn weglassen können. 

Ich habe die Schaltung mit einem IRL520 MOSFET ausprobiert. Als Last kam unter anderem eine 0.2 Watt LED (40 mA) zum Einsatz.

Damit der MOSFET zuverlässig sperrt, muss er auf GND Niveau gezogen werden. Mit der obigen Schaltung ist das möglich, wenn Pin 9 auf OUTPUT/LOW eingestellt wird. Die sicherere Variante ist der Einsatz eines zusätzlichen Pull-Down Widerstandes (47 kΩ).

Bei höherem Strombedarf oder höheren Spannungen müsst ihr die Last mit einer separaten Stromquelle versorgen. Solltet Ihr eine Last einsetzen, die eine Spule besitzt, wie einen Motor oder einen Elektromagneten, dann vergesst nicht die obligatorische Freilaufdiode.

Nicht mehr ganz so minimale MOSFET Schaltung
Nicht mehr ganz so minimale MOSFET Schaltung

Auswahlkriterien für MOSFETs

Es gibt ein riesiges Angebot von MOSFETs, was die Auswahl nicht erleichtert. Zudem sind die Datenblätter für Nicht-Elektroniker recht verwirrend, da die Liste der spezifizierten Eigenschaften lang ist. Im Folgenden gehe ich auf die wichtigsten Kriterien ein.

Logic Level MOSFETs

Datenblattangaben Logic Level MOSFET

Wenn ihr einen MOSFET mit 5 oder gar 3.3 Volt Gate-Source Spannung steuern wollt, dann solltet ihr zu einem Logic Level MOSFET greifen. Ob es sich um einen solchen handelt, steht in der Regel auf der ersten Seite des Datenblattes, so wie in dem Beispiel rechts. Außerdem ist der RDSON-Wert (Erklärung folgt) für die Logic Level MOSFETs bei 5 Volt oder niedriger angegeben und nicht, wie sonst üblich, bei 10 Volt. Ein weiterer Indikator ist eine niedrige „Gate-Source Threshold Voltage“. Das ist die minimale Gate-Source (GS) Spannung, bei der der MOSFET zu leiten beginnt.

Bei Logic Level MOSFETs liegt der Wert häufig zwischen 1 und 2 Volt, sonst sind es eher 2 bis 4 Volt.

Viele MOSFETs haben eine Bezeichnung nach dem Schema „IRFxxx“ oder „IRLxxx“. Bei den „IRLs“ könnt ihr in der Regel davon ausgehen, dass es sich um einen Logic-Level MOSFET handelt. Allerdings ist es nicht sicher, dass ein „IRF“ kein Logic-Level MOSFET ist. Weitere Abkürzungen findet ihr hier auf Mikrocontroller.net.

Maximaler Drain-Strom

Die Datenblätter der MOSFETs spezifizieren den maximalen Drain-Strom ID, so wie hier für den IRL520:

IRL520 Datenblatt: maximaler I Drain

Allerdings ist der maximale ID abhängig von der Gate-Source Spannung. Dazu findet ihr in den Datenblättern Diagramme wie die folgende:

MOSFET Charakteristik: I Drain über V Drain-Source
I Drain über V Drain/Source

Das ist nicht so kompliziert, wie es vielleicht aussieht. Jede der Kurven gibt für eine bestimmte Gate-Source Spannung an, wie sich der Strom ID mit der Spannung zwischen Drain und Source ändert. Der Punkt ist:  Für jede Gate-Source Spannung gibt es einen Sättigungsbereich für ID. Vielleicht ist es so noch verständlicher: Ihr habt in der Schaltung rechts eine bestimmte Gate-Source Spannung eingestellt, bei der MOSFET leitet. Jetzt erhöht ihr kontinuierlich die Spannung Uvar. ID steigt und damit der Spannungsabfall über der Last und über Drain-Source. Kommt ID schließlich in den Sättigungsbereich, bleibt der Spannungsabfall über der Last konstant (U = R ⋅ I) und jede zusätzliche Erhöhung von Uvar fällt über Drain Source ab, ohne dass sich der Strom weiter erhöht.

Durchgangswiderstand RDSON

Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium ist der Durchgangswiderstand RDS(on). Das ist der Widerstand, der über Drain-Source im geöffneten Zustand („on“) abfällt. Ein idealer Schalter hat einen unendlich hohen Widerstand, wenn er aus ist und einen Widerstand von null, wenn er an ist. Insofern ist der MOSFET auch gar kein Schalter, sondern ein regelbarer Widerstand! RDS(On) ist vergleichsweise klein, aber nicht zu vernachlässigen (Angabe wieder für den IRL520):

MOSFET Parameter RDSON - Angabe Datenblatt
Datenblattangabe RDSON (IRL520)

Dabei ist noch zu erwähnen, dass RDS(On) nicht konstant ist, sondern mit sinkender Gate-Source Spannung steigt.

Bei hohen Strömen macht sich RDS(On) durch Leistungsverluste bemerkbar, sprich: Der Transistor wird heiß. Hierzu eine kleine Rechnung: Die Gate-Source Spannung an einem IRL520 betrage 5 Volt. RDS(On) ist damit 0.27 Ohm. Die Stromstärke sei 5 Ampere. Damit beträgt der Leistungsverlust:

P = U_\text{DS}[\text{V}]\cdot I_\text{D}[\text{A}]\; = R_\text{DS(On)}\cdot  I_\text{D}\cdot I_\text{D} = 0.27\cdot 5 \cdot 5 = 6.75[\text{W]} 

Verschlimmernd kommt hinzu, dass RDS(On) mit der Temperatur steigt:

MOSFET IRL520: RDSON vs Temperatur
RDSON vs Temperatur für den IRL520

Damit erhöht sich die Verlustleistung schnell auf das Doppelte oder mehr.

Der RDS(On)-Wert des IRL520 liegt mit 270 mΩ recht hoch. Es gibt MOSFETs mit deutlich geringeren Widerständen. Der IRLB3034PbF beispielsweise befindet sich mit maximal 1.7 mΩ bei 4.5 Volt Gate-Source Spannung am unteren Ende. Entsprechend niedriger ist der Leistungsverlust. 

Weitere Erwägungen

Brauche ich einen Kühlkörper?

Aufgrund der potenziell hohen Leistungsverluste stellt sich die Frage, ob ihr dem MOSFET einen Kühlkörper spendieren müsst. Um das abzuschätzen, sucht ihr im Datenblatt nach dem Wert für RθJA (Thermal Resistance Junction-To-Ambient):

In diesem Fall (IRL520) erhöht sich die Temperatur also um 62 Grad pro Watt. Bei den im obigen Beispiel errechneten 6.75 Watt würdet ihr ohne Kühlmaßnahmen den Super-GAU mit Kernschmelze einleiten!

In den Datenblätter findet ihr die maximal zulässige Temperatur TJ (J = Junction) für den MOSFET. Ein typischer Wert ist 175 °C. Mit der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur TA ergibt sich für den maximal zulässigen Leistungsverlust: 

P_\text{max}=\frac{T_J-T_A}{R_{\Theta J\!A}}

Wie schon erwähnt, ist bei der Berechnung des Leistungsverlustes auch die Temperaturabhängigkeit von RDS(On) zu berücksichtigen. Wenn ihr eure Schaltung in einem Gehäuse verbaut, dann steigt dazu noch die Umgebungstemperatur. Außerdem sollte man nicht dauerhaft bei TJ arbeiten, sondern mindestens 30° darunter bleiben.

Dies sind alles nur Abschätzungen. Ihr seid selbst für die Auslegung verantwortlich – ich übernehme keine Haftung!

Brauche ich einen Vorwiderstand am Gate?

In einigen Schaltungen sieht man Widerstände vor dem Gate des MOSFETs, in anderen Schaltungen nicht. Braucht man sie? Ich habe dazu viele kontroverse Diskussionen auf Microcontroller.net gefunden, z.B. diese hier (sehr unterhaltsam!). Dabei gibt es zwei Aspekte: Das eine sind unerwünschte elektrische Schwingungen, die durch ein schnelles Aufladen des Gates verursacht werden können, das andere ist der Schutz des Mikrocontrollers. Um es vorwegzunehmen, mein Fazit ist: solange man nicht mit sehr hohen PWM Frequenzen in Kombination mit hohen Gatekapazitäten arbeitet, kann man den Vorwiderstand weglassen. Aber eins nach dem anderen.

Basis- versus Gate-Widerstand

Zunächst möchte ich noch auf einmal den Unterschied zwischen dem Gate eines MOSFETs und der Basis eines BJT zurückkommen. Der Basiswiderstand des BJT ist essenziell, da nur ~0.7 Volt zwischen Basis und Emitter abfallen. Höhere Spannungen führen zu praktisch ungebremsten Strömen.

Der MOSFET hingegen ist spannungsgesteuert. Es fließt kein Strom von Gate nach Source. Allerdings hat das Gate eine gewisse Kapazität und verhält sich daher wie ein Kondensator. Und um diesen Kondensator zu laden, fließt ein zeitlich begrenzter Strom.

Experimente zum Gate-Widerstand

Dazu habe ich ein paar Versuche durchgeführt. Ausgangspunkt war diese einfache Schaltung:

Als MOSFET kam wieder der IRL520 zum Einsatz. Die 5 Volt habe ich durch ein Labornetzteil bereitgestellt. Als Last diente ein 10 kΩ Widerstand, also eine sehr geringe Last. Bei dieser Schaltung wird ein Pull-Down Widerstand benötigt, da das Gate sonst ein undefiniertes Potenzial hätte. Den Kontakt zum Gate habe ich angelötet, da Steckverbindungen auf dem Breadboard merkliche Widerstände produzierten. Mit dem Oszilloskop habe ich die Gate-Source und die Drain-Source Spannung beim Schließen des Schalters beobachtet.

MOSFET Versuchsaufbau
Versuchsaufbau

So sah das Ergebnis ohne Vorwiderstand aus:

Ohne Vorwiderstand – Gelb: Gate-Source Spannung, Blau: Drain Source-Spannung

Es brauchte ca. 40 Nanosekunden, bis die Gate-Source Spannung die angelegte Spannung erreicht. Die Drain-Source Spannung fällt, wenn die „Gate-Source Threshold Voltage“ erreicht ist, in weniger als 3.6 Nanosekunden auf ID x RDS(On) ab.

Nun gibt es eine weitere relevante Angabe im Datenblatt, nämlich die „Total Gate Charge“. Das ist die maximale Ladung, die in das Gate fließen muss, um es Gate vollständig aufzuladen. Ich habe zwar nicht die im Datenblatt angegebenen Randbedingungen, aber ich möchte auch nur eine Überschlagsrechnung vornehmen. 

Total Gate Charge des IRL520

Es fließen also bis zu 12 Nanocoulomb in ca. 40 Nanosekunden. Strom ist Ladung pro Zeit, also ergibt sich für den Strom:

I=\frac{12\;[\text{nC}]}{40\;[\text{ns}]}=0.3\;[\text{A}]=300\;[\text{mA}]

Für den Arduino UNO wird ein Limit von 20 Milliampere für die I/O Pins angegeben. Im Datenblatt des ATmega328P ist das absolute Maximum mit 40 Milliampere angegeben. Mit den 300 mA liegen wir also weit darüber.

In einem weiteren Versuch habe ich den MOSFET mit einem Arduino I/O Pin geschaltet. Dafür habe ich das Verbindungskabel direkt an den Arduino-Pin gelötet, um Widerstände möglich kleinzuhalten:

Schaltung ohne Vorwiderstand, aber mit dem Arduino

Das Laden des Gates nimmt in diesem Fall 120 Nanosekunden in Anspruch. Der Arduino Pin kann die Ladungsmenge nicht so schnell bereitstellen wie mein Labornetzteil. Der berechnete Strom liegt bei 100 mA, was immer noch deutlich oberhalb der Spezifikation ist. 

Zerstöre ich also auf Dauer meinen Arduino? Die überwiegende Meinung ist Nein. Wenn sich die Belastung im Nanosekundenbereich abspielt, kommt der Arduino damit klar.

Was passiert bei PWM?

Bei der Pulsweitenmodulation muss der Mikrocontroller Pin das Gate in der PWM Frequenz laden. Die analogWrite() Funktion liefert ein PWM Signal, dessen Frequenz vom Board und vom Pin abhängt. Für die Arduino Boards ist die Frequenz ≤ 1000 Hz. Bei 1000 Hz betrüge der durchschnittliche Strom (immer noch auf den IRL520 bezogen):

I = \frac{12 \cdot 1000\;[\text{nC}]}{1\;[\text{s}]}=12\;[\text{µA}]

Das ist auch kein Problem:

analogWrite gesteuerter IRL520, gelb: Gate-Source Spannung, blau: Drain-Source Spannung

Wenn ihr schnellere PWM Frequenzen benötigt, kann es allerdings irgendwann problematisch werden. Ihr kommt irgendwann tatsächlich in den Bereich, indem ihr auch die Spezifikationsgrenzen für den Dauerstrom erreicht. Bei 1000 kHz liegt der Strom schon bei 12 mA. Und schließlich gibt es auch MOSFETs mit noch deutlich höheren Gatekapazitäten. In solchen Fällen könnt ihr dann einen MOSFET Treiber einsetzen. Aber dazu kommen wir noch.

Was bewirkt ein Vorwiderstand?

Setzt ihr einen Widerstand vor einen Kondensator, dann lädt sich dieser entsprechend langsamer auf. Ich habe das mal mit einem 100 Ω und einem 1 kΩ Widerstand vor dem Gate getestet:

Gate-Vorwiderstand: 100 Ohm
Gate-Vorwiderstand: 1 kOhm

Mit dem 100 Ω Widerstand erhöht sich die Ladezeit des Gates von 40 auf ca. 440 Nanosekunden. Entsprechend geringer ist der bereitzustellende Strom und die Signale sind sauberer. Mit dem 1 kΩ Widerstand liegt die Ladezeit schon bei ca. 3.6 Mikrosekunden.

Wozu Z-Dioden?

In vielen MOSFET Schaltungen sieht man Z-Dioden zwischen Gate und Source und/oder zwischen Drain und Source. Was bringt das?

Eine Z-Diode wirkt in Durchlassrichtung wie eine normale Diode. In Sperrrichtung sperrt sie bis zu ihrer Durchbruchspannung und wird dann zum guten Leiter. Eine Z-Diode ist also eine Art Überdruckventil, nur eben für Spannungen. Sie sind mit einer großen Bandbreite unterschiedlicher Durchbruchspannungen erhältlich. „Z-Diode“ ist übrigens der Oberbegriff für Zener- und für Avalanche Dioden. Die Bezeichnungen werden oft durcheinander geworfen. Details dazu findet ihr z.B. hier.

MOSFETs reagieren allergisch auf Überspannungen am Gate. Sie können dadurch relativ leicht zerstört werden. Deshalb sind Z-Dioden gut geeignet, den MOSFET zu schützen oder auch um Spannungspeaks an Drain zu vermeiden. Die Durchbruchspannungen sind natürlich den Anforderungen des MOSFETs (z. B. max. Gate-Source Spannung) und der Schaltung (z. B. maximal erwartete Drain-Source Spannung) anzupassen.

MOSFET Überspannungsschutz durch Z-Dioden
MOSFET Überspannungsschutz durch Z-Dioden

Hier habe ich beispielsweise eine 5.1 Volt Z-Diode für die Schaltung einer 5 Volt Spannung eingesetzt, um den Spannungspeak zwischen Drain und Source beim Öffnen des MOSFETs abzubauen:

Spannungspeak ohne Z-Diode
Spannungspeak mit Z-Diode

Braucht man also Z-Dioden? Offen gestanden weiß ich nicht, wie häufig MOSFETs tatsächlich einen Überspannungstod sterben. Aber gerade bei aufwendigen Projekten mit unzugänglichen Schaltungen sollte man vielleicht darüber nachdenken.

Gate-Treiber

Wie ihr gesehen habt, ist die Schaltgeschwindigkeit eines MOSFETs begrenzt, wenn das Gate über den I/O Pin eines Mikrocontrollers gesteuert wird. Ebenso kann es bei hohen PWM Frequenzen Probleme geben. Außerdem haben viele MOSFETs bei Gate-Source Spannungen von 5 oder gar 3.3 Volt noch einen hohen RDS(On) Wert und damit einen entsprechend hohen Leistungsverlust.

Um diese Probleme zu beseitigen, werden Gate-Treiber (MOSFET-Treiber) eingesetzt. Die könnt ihr mit wenigen Bauteilen selbst erstellen oder ihr setzt Gate-Treiber ICs ein.

Gate-Treiber Schaltungen

Im einfachsten Fall baut ihr einen Gate-Treiber aus einem bipolaren NPN Transistor und zwei Widerständen. Mit der folgenden Schaltung habe ich einen 12 V / 0.3 A Elektromagneten gesteuert. Als MOSFET kam wieder der IRL520 zum Einsatz, als Transistor diente ein BC547B. Diesmal habe ich auch einen Gate-Vorwiderstand von 100 Ω verwendet.

MOSFET Ansteuerung mit einfachem Gate-Treiber

Zu bemerken ist, dass der MOSFET durchschaltet, solange der Transistor geschlossen ist. Das heißt, dass der Magnet aktiv ist, solange Pin 9 LOW ist. Soll der Magnet abgeschaltet werden, geht Pin 9 auf HIGH. In diesem Zustand fließt ein Basis-Emitter und ein Kollektor-Emitter Strom über den Transistor. Basis- und Kollektorwiderstand sollten deswegen nicht zu klein gewählt werden.

Das MOSFET-Gate wird in dieser Schaltung mit den 5 Volt des Arduino gesteuert. Ich hätte auch die 12 Volt Spannungsversorgung meiner Last nehmen können. Dann jedoch wäre der IRL520 nicht mehr geeignet gewesen, da seine maximale Gate-Source Spannung laut Datenblatt bei 10 Volt liegt.

Trotz des 100 Ohm Vorwiderstandes am Gate ist die Schaltung sehr schnell:

Gate-Source (gelb) Sannung vs. Drain-Source Spannung (blau), MOSFET Schaltung mit Gate-Treiber

Weitere Gate-Treiber Schaltungen findet ihr hier.

Gate-Treiber ICs

Alternativ könnt ihr Gate-Treiber ICs als fertige Lösungen kaufen, wie z.B. den TC4426A oder den IR2117. Am Beispiel des TC4426A zeige ich, wie ihr solche ICs einsetzt.

Pinout TC4426A

Mit dem TC4426A könnt ihr zwei MOSFETs steuern. Er besitzt die folgenden Ein-/Ausgänge:

Gate-Treiber TC4426A
  • NC: Not Connected
  • IN A / IN B: Logik Level Eingang, HIGH-Signal: > 2.4 Volt
  • GND / VDD: Spannungsversorgung 4.5 – 18 Volt
  • OUT A / OUT B: Invertierter Ausgang mit Spannung 0 V / VDD

Beispielschaltung TC4426A

Die Beschaltung ist denkbar einfach:

Beispielschaltung TC4426A
Beispielschaltung TC4426A

Bedingt geeignet: MOSFET-„Treibermodule“

Wer bei Amazon und ähnlichen Online-Shops nach MOSFET-Treibern sucht, stößt auf ein vielfach angebotenes, sogenanntes MOSFET-Treibermodul (siehe unten). Diese Bezeichnung ist irreführend, denn auf diesem Modul treibt nichts! Der Signaleingang ist direkt mit dem Gate des MOSFETs verbunden. Der Pull-Down Widerstand ist mit 1 kΩ recht groß geraten. Bei dem MOSFET handelt es sich um einen IRF520, also keinen ausgesprochenen Logik-Level MOSFET. Zudem sind die Anschlussbezeichnungen etwas verwirrend, da drei Anschlüsse gar nicht benutzt werden. Zur Ehrenrettung der Module muss ich sagen, dass sie mit 5 Volt Signalspannung sicher funktionieren und dass sie mit der LED anzeigen, wenn ein Signal anliegt. Außerdem können die Schraubklemmanschlüsse ganz praktisch sein.

MOSFET-Modul
Schaltbild des MOSFET-Moduls

Welchen MOSFET soll denn nun nehmen?

Ich hoffe, der Beitrag wird euch zustimmen lassen, dass die Antwort lautet: Es kommt darauf an! Wenn ihr den Einsatz von Gate-Treiber vermeiden wollt, dann nehmt vor allem schon einmal einen Logic-Level MOSFET. Bei kleineren Strömen würde ich zu den kleineren MOSFETs in TO-92 Bauform greifen wie dem BS170 oder den 2N7000. Sind große Ströme zu beherrschen, sollte der RDS(ON) klein sein. In dieser Beziehung ist beispielsweise der IRL3803 ziemlich gut. Das sind aber nur einige Beispiele. Eine sehr gute Übersicht über MOSFETs findet ihr hier bei Mikrocontroller.net.

Danksagung

Die Schalter des Beitragsbildes habe ich Joseph V M auf Pixabay zu verdanken.

23 thoughts on “Der MOSFET als Schalter

  1. Damit der MOSFET zuverlässig sperrt, muss er auf GND Niveau gezogen werden.

    Nicht „er“ sondern sein Gate 🙂 evtl auch besser : GND-Potential

    Gruß Volker

  2. Ich benutze den 2N7000 um einen Sensor mit 3.3 V zu versorgen bzw. den Sensor an/ab zu schalten. Allerdings zeigt sich ein seltsames Verhalten. Fasse ich den 2N7000 an, oder kommt die Drahtzuleitung in die Nähe eines anderen stromführenden Drahtes schaltet der 2N7000 durch. Scheint irgendwas kapazitives oder induktives zu sein, was dazu führt, dass der Draht am Gate einen High-Impuls bekommt. Ode die Qualität des MOSFETS ist schlecht ?

    1. Sehr schöne Erklärung … nach nochmaligem Lesen, hat es mir geholfen. Es fehlte der Pulldown-Widerstand am Gate. Jetzt wird „richtig“ abgeschaltet.

  3. Hallo Wolfgang,

    ich schaue regelmäßig auf Deine sehr informative Seite, wo ich mir auch immer ein Stück „mitnehmen“ kann.

    Die Spannungsübehöhung am Drain dürfte aufgrund des geringen Laststromes (10k) und der geschalteten Miller-Kapazität zustande kommen, ähnlich wie man es mit geswitchten Kapazitäten macht (z.Bsp. ICL7660), und sollte nur um max. Vgs(th) möglich sein.
    Ich würde noch herausstellen, daß Vgs(th) der Bereich ist, wo der MOSFET anfängt zu leiten (250µA), und erst nach dem Miller-Plateau (gelbe Linie, bei ca. 2V) im voll durchgeschalteten Zustand ist. Gute Datenblätter geben bei bestimmten Vgs den Rds(on) an ( meistens @ 1.8V / 2.5V / … beim IRL520 4V / 5V).
    Der IRL520 leitet zwar im Bereich von 2V … 4V, aber er ist nicht durchgeschaltet, ein gern genommener Anfängerfehler!
    Als Gatewiderstand nehme ich den kleinstmöglichen, ohne bei einem Kurzschluss den µC zu gefährden, und damit sind auch die Stromspitzen beim umladen des Kondensators begrenzt.

    Gruß André

    1. Hallo André,
      in der Tat war der Peak bei höheren Strömen kleiner. Da habe ich wieder etwas gelernt – vielen Dank!
      VG, Wolfgang

  4. Lieber Wolfgang,
    vielleicht kannst Du bei Gelegenheit Mal auf die Anwendung von MOSFET als Pegelwandler eingehen. Das Wird oft bei I2C verwendet, wenn man einen 3.3 V Schaltkreis verwenden möchte in Kombination mit einem 5V Arduino.
    Ich habe den Link jetzt nicht parat, aber es ist bei QA Stack ( Gibt es einen bidirektionalen 5V 3,3 V Pegel shifter?) Das geht auf ein Philipps Application Note zurück und ist einfach genial die Schaltung. Ich war begeistert als ich das verstanden hatte. Da verwendet man wohl heute den BSS138.

    1. Lieber Christian,
      stimmt, das hätte hier eigentlich gut gepasst. MOSFETs als Pegelwandler findet man häufig auf den guten, aber meist teuren Adafruit Modulen für I2C Bauteile, wenn die nur 3.3 Volt vertragen, so wie hier:
      https://learn.adafruit.com/assets/83292
      Viele günstige Module haben in solchen Fällen zwar einen Spannungsregler für die Versorgungsspannung aber nichts zum Schutz der Datenleitungen.
      Danke für die Anregung!
      VG, Wolfgang

  5. Habe mal versucht, einen MOSFET als Verstärker einzusetzen, also mitten im Bereich der Schaltspannung zu betreiben. Im Prinzip sollte es eine regelbare elektronische Last werdenm, genauer, ein Entladegerät für Batterien, um deren Kapazität zu ermitteln. Ein BJT kam nicht infrage, da es auch im Bereich unter 1V funktionieren sollte. Schließlich liefern Batterien nur 1,5V. Mit einem kleinen RDS-Widerstand kam ich da besser hin als mit den 1,5V, die zwischen Kollektor und Emitter nunmal hängen bleiben. Dachte, das machen andere ja auch (z.B. „DL24 /P“, geniales Gerät). Als Ansteuerung des Gates habe ich einen 16Bit-ADC eingesetzt, das sollte mehr präzise genug sein.
    Nun, was soll ich sagen, es gibt wohl mehr physikalische Effekte als in den Datenblättern zu erkennen sind. Die Regelung durch einen 328p war mehr am Schwingen als am Regeln. Am Ende hat es zwar meinen Anforderungen so gerade genügt, aber ein schöner glatter Strom war nicht zu machen. Gibt es einen Schaltungstrick, um MOSFET so einzusetzen?
    Vermutlich wird deshalb der MOSFET fast ausschließlich als Schalter eingesetzt.

    1. Hallo Thorsten, mit MOSFETs als Verstärkern habe ich absolut keine Erfahrung. Und bevor ich Blödsinn schreibe, schreibe ich lieber nichts!
      VG, Wolfgang

    2. Hallo Thorsten,
      die direkte Ansteuerung des Gates eines MOSFETS über einen D/A- Wandler wird immer „wackeln“, da sich die Steuereigenschaften des MOSFET mit der Temperatur ändern (Eigenerwärmung bei Stromfluss über RDS). Der Schaltungstrick ist, den MOSFET als Stellglied in einem Regelkreis zu verwenden.
      Dabei legt man die Ausgangsspannung des D/A- Wandlers auf den nicht invertierenden Eingang eines OPs (ggf. über einen Spannungsteiler für die Bereichseinstellung). -> Sollwert
      Am invertierenden Eingang des OPs wird die Spannung angelegt, die über einem Shuntwiderstand (richtet sich nach dem Spannungsabfall, den man zulassen möchte, sollte nicht zu klein sein wg. Offset OP) zwischen der Source des MOSFETS und Masse abfällt (am besten auch über einen Widerstand, >= 1k, Bandbreitenbegrenzung). Parallel zum Shunt und dem Rückkoppelwiderstand hängt man dann noch einen Kondensator (so im Bereich ~100pF), um Schwingneigungen in den Griff zu bekommen. -> Istwert
      Der Ausgang des OPs steuert dann den MOSFET (Stellglied) an (über einen Vorwiderstand, ebenfalls Bandbreitenbegrenzung).
      (Oh mann, als einfache Grafik wäre die Beschreibung wesentlich einfacher gewesen… 😉 )
      Für ernsthafte Messungen muss man den Aufbau noch kalibrieren (Toleranzen D/A- Wandler, Shunt und ggf. Eingangsspannungsteiler, Offset OP).
      Bei der Wahl des MOSFETs ist noch zu beachten, dass die meisten der aktuell angebotenen für Schaltaufgaben optimiert sind und solche analogen Schaltungen nur weit unter ihren eigentlichen Leistungsdaten zerstörungsfrei bewältigen können.

      1. Das ist ja mal ne tolle Antwort. Danke.
        Ja, eine Zeichnung … aber im groben und ganzen habe ich das verstanden. Was der OP nun im einzelnen verbessert gegenüber der Regelung mit Prozessor ist etwas nebulös, aber ich habe zumindest eine Ahnung bekommen. Mein Shunt ist ein selbst gewickelter Leistungswiderstand aus Konstantan, dessen Spannungsabfall mit einem ADS1115 gemessen wird. Dein Tip, auch noch parallel zum Shunt ein paar nF Keramik zu schalten, scheint meine Schaltung um einiges verbessert zu haben. Sollte ich die Schaltung nochmal redesignen, werde ich das so probieren, wie du beschrieben hast.

        1. Bei solch empfindlichen Regelungen (die Steuerkennlinie eines MOSFETs ist ja schon reichlich steil) setzte ich grundsätzlich auf eine analoge Regelung, da sie der digitalen zwei Sachen vorraus hat:
          1. Sie hat keine Totzeit in dem Sinne. Eine digitale Regelung hat die immer (Verarbeitung der Daten).
          2. Es gibt keine wirkliche Granularität. Bei einer digitalen Regelung ist man eben grundsätzlich an die Auflösung der A/D- und D/A- Wandler gebunden, und die ist eben nicht beliebig groß.
          Bei relativ langsamen Vorgängen oder flachen Steuerkurven ist eine digitale Regelung durchaus sinnvoll, aber bei schnellen Vorgängen oder steilen Steuerkurven ist sie im Allgemeinen systembedingt überfordert. Da finde ich es dann wesentlich einfacher, den Sollwert durch den µC vorzugeben (im Zweifelsfalle über PWM und Tiefpass 😉 ) und dem analogen Regelkreis die eigentliche Arbeit zu überlassen… 🙂

  6. Ich habe des Öfteren Schsltungen gesehen, bei denen das Gate mit einem Kondensator gegen Maße ‚gesichert‘ wird. Was könnte der Sinn, bzw. die Erklärung sein?

    1. Offen gestanden weiß ich es nicht und kann nur spekulieren. Vielleicht ist bei diesen Anwendungen mit Spannungsschwankungen am Gate zu rechnen, die ausgeglichen werden sollen. Oder das Gate soll langsamer über ein RC Glied ge- und entladen werden?

      1. Dieser Kondensator (i.A. im Bereich ~ 100pF) wird gegen HF- Störungen (EMV) eingesetzt. So eine Beschaltung kommt dann zum Einsatz, wenn die Leitung von der Ansteuerung bis zum Gate relativ lang ist (und die Schaltung durch eine EMV- Prüfung muss 😉 ).
        BTW: Eine langsame Ladung des Gates ist beim überwiegenden Teil der heutzutage erhältlichen MOSFETs keine gute Idee. Wenn es nicht explizit im Datenblatt anderweitig beschrieben ist, sind sie nämlich auf Schaltbetrieb optimiert (Parallelschaltung einiger zig MOSFETs, daher auch der geringe RDSon) und quittieren Analogbetrieb mit einem baldigen Ausfall (Auseinanderdriften der Eigenschaften der einzelnen MOSFETs in der Parallelschaltung in Folge von Erwärmung, daraus folgt dann Kaskadenversagen).

  7. Hallo Wolle,
    beim Schalten von Relais bevorzuge ich eine Z-Diode in Sperrichtung parallel zum Transistor / MOSFET, da eine Freilaufdiode über der Spule des Relais zu einer stark verzögerten Abfallzeit des Relais mit entsprechenden Folgen für die Relaiskontakte führt. Mit der Z-Diode schaltet das Relais deutlich schneller.

  8. Bei der Richtung der Spannungspfeile im Bild n-Kanal vs p-Kanal MOSFET hätte ich was auszusetzen, ansonsten wieder mal sehr gut gemachter Blog!
    Ich schau hier immer gerne rein.

  9. Hi Wolle, sehr schöne Übersicht.
    Vielen Dank.

    Beim BS170 muss man aufpassen, da es auf dem Markt offenbar verschiedene Pin-Belegungen des TO92 gibt, je nach Hersteller und Quelle. Ansonsten sehr gerne genommen, besonders auch der BS250 als komplementärer P-Kanal Typ. Allerdings sind beide nicht für 3.3V geeignet.

    Wenn man in der Gate-Treiber Schaltung einen PNP statt NPN zum Treiben nutzt, vermeidet man die Invertierung, sofern man die SW nicht anpassen will.

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