MOSFETS, IGBTs, IGFETs usw. sind bei den Hobby-Bastlern sehr beliebt. Generell ist das Thema Leistungstransistor extrem umfangreich und teilweise auch gerade für Anfänger sehr kompliziert. Dieser Artikel richtet sich primär an Anfänger, wo es um die wichtigsten Unterschiede und Parameter der verschiedenen Typen geht, sowie um die Ansteuerung dieser Bauteile mit Mikrocontrollern wie z. B. dem Arduino Uno.

Wofür werden MOSFETs verwendet?

Ein MOSFET kommt überall da zum Einsatz, wo hohe Ströme und oft auch hohe Spannungen geschaltet werden müssen, was mit einem einfachen Transistor nicht möglich ist. Im Gegensatz zu einem Relais schaltet der MOSFET extrem schnell, hat keinen mechanischen Verschleiß, keine Abschaltspitzen an der Spule und benötigt zum Schalten nur sehr wenig Energie. Außerdem kann der Transistor nicht nur Ein/Aus schalten, sondern sich auch in einem Zustand zwischen ein und aus (halb durchgesteuert) befinden. Und damit wird es damit auch möglich, Leistungen von Lampen, Heizspiralen, Motoren etc. zu steuern.

Die verschiedenen MOSFET-Typen

Grundsätzlich unterteilen sich die MOSFETs in vier verschiedene Typen. Diese Typen teilen sich in zwei Gruppen auf, nämlich in N-Kanal und P-Kanal. Innerhalb dieser zwei Gruppen unterscheidet man dann noch zwischen den Anreicherungstyp (sperrt im Ruhezustand) und den Verarmungstyp (leitet im Ruhezustand). Der Verarmungstyp wird sehr selten benötigt und ist für Anfänger vorerst eher unwichtig.

MOSFET Anschlüsse

Ein FET hat grundsätzlich drei Anschlüsse, die als Source, Gate und Drain bezeichnet werden. Selten gibt es auch noch einen vierten Anschluss, der als Bulk bezeichnet wird. Wenn kein Bulk vorhanden ist, ist dieser üblicherweise bereits intern mit der Source verbunden. Die restlichen Anschlüsse werden wie folgt verbunden:

Source (S): Source ist die Quelle, also der Spannungseingang. Dieser Pin wird je nach Kanal-Typ in einer einfachen Schaltung direkt mit der Masse oder dem Pluspol verbunden.

Drain (D): Der Drain ist der Abfluss. Hier wird die zu schaltende Last angeschlossen. Im geschalteten Zustand fließt also der Strom zwischen Source-Pin und Drain-Pin und geht dann weiter an den Verbraucher.

Gate (G): Das Gate ist die Steuerelektrode. Liegt hier die notwendige Mindestspannung an, fängt der MOSFET an zu schalten. Je nach anliegender Spannung schaltet der FET entweder nicht bis kaum, halb oder ganz durch. Mit der Gate-Spannung wird also auch der Innenwiderstand gesteuert.

Kenngrößen im Datenblatt

Im Datenblatt eines jeden FETs findet man extrem viele Parameter und Kennlinien. Für Anfänger und Hobby-Bastler sind folgende Parameter von relevanter Bedeutung:

V(BR) oder V(DS): Hierbei handelt es sich um die "Breakdown-Spannung", also die maximale Spannungsfestigkeit eines Bauteils zwischen Drain und Source.

RDS(on): Hierbei handelt es sich um den Innenwiderstand des FETs im geschalteten Zustand. In der Regel sind das einige Milliohm. Achtung: Der Innenwiderstand nimmt mit steigender Temperatur zu und ist daher nicht stabil.

VGS(th): Die VGS (Threshold Voltage) gibt die Grenzspannung an, bei der der MOSFET anfängt zu leiten. Achtung: Dieser Wert wird sehr oft falsch verstanden, denn es handelt sich hier nicht um die übliche Schaltspannung, sondern um die kleinste Spannung, bei der der MOSFET anfängt zu leiten. Diese Spannung unterliegt jedoch auch einer großen Toleranz. Bei einem Standard-MOSFET liegt die Gate-Spannung beispielsweise um die 10 Volt und höher, bis dieser voll durchschaltet. Liegt an so einem MOSFET nur die halbe Spannung an, kann dieser möglicherweise auch schon recht gut durchgeschaltet sein. Ein gutes Beispiel ist hier der IRFZ44N, der eigentlich 10 Volt benötigt, um voll durchzuschalten. Trotzdem kann dieser an einem Arduino angeschlossen werden und schaltet bei 5 Volt auch recht gut durch.

Der N-Kanal MOSFET

N-Kanal MOSFETs sind die am häufigsten verwendeten MOSFETs. Sie werden in der Regel im Stromkreis zwischen Verbraucher und Masse platziert. Man schaltet mit einer positiven Spannung die negative Spannung. Wenn nicht anders angegeben, liegt hier die Gate-Spannung bei etwa 10 Volt, bis dieser voll durchschaltet. Die folgende kleine Schaltung zeigt den minimalen Aufbau, der notwendig ist, um einen Verbraucher mittels des FETs zu schalten.

Versuch: Spannungsregler

Wie im YouTube-Video gezeigt, wurde über einen Versuchsaufbau die Durchlassspannung ermittelt. Das Potentiometer bildet hier einen verstellbaren Spannungsteiler, der von fast 0 Volt bis fast auf die volle Speisespannung der Schaltung eingestellt werden kann. Ab einer Spannung von etwa 3 Volt am Gate, fängt der im Experiment verwendete MOSFET (IRFZ44N) an, minimal durchzuschalten. Bei einer Spannung von etwa 5 Volt erreichte die Endspannung am Verbraucher nahezu schon das eingespeiste Maximum. Das ist auch der Grund, warum ein IRFZ44N am Arduino bei 5 Volt am Gate bereits durchschaltet.

Der P-Kanal MOSFET

Oft hat man mit mehreren Komponenten eine gemeinsame Masse. Möchte man hier einen Verbraucher über einen MOSFET schalten, wird das mit einem N-Kanal MOSFET zum Problem. Der P-Kanal MOSFET eignet sich daher zum Schalten von positiven Spannungen bzw. den Pluspol. Hier muss am Gate eine Spannung anliegen, die kleiner ist, als die Spannung auf der Source-Drain Seite. P-Kanal MOSFETs sind meistens minimal teurer als N-Kanal MOSFETs und je nach eingesetzter Schaltung oft aufwendiger, anzusteuern.

Praktischer Versuch: P-Kanal MOSFET

Auch zum P-Kanal MOSFET kann ein Versuch mit dem Potentiometer gemacht werden. Die Schaltung ist recht ähnlich zum ersten Versuch aufgebaut, allerdings wird hier der positive Pol von der Last geschaltet. Liegt am Gate die gleiche Spannung wie auf der Source-Drain Seite an, sperrt der MOSFET. Fällt die Spannung am Gate ab, wird der MOSFET mit abnehmender Spannung leitfähiger. Beispiel: Liegt die Versorgungsspannung bei 12 Volt, reichen etwa 9 Volt aus, damit der MOSFET minimal durchschaltet. Bei etwa zwei Volt wäre der MOSFET dann voll durchgeschaltet. Man erkennt durch dieses Experiment auch, dass nicht zwingend die Masse am Gate anliegen muss, um den P-Kanal MOSFET voll durchzuschalten.

IRL-MOSFET am Arduino

Neben dem IRF gibt es auch IRL-Typen. Hierbei handelt es sich um Logic-Level MOSFETs, die sich sehr gut für Mikrocontroller eignen. Diese MOSFETs sind je nach Typ bereits ab einer Gate-Spannung von 3 oder 5 Volt voll durchgeschaltet und können daher direkt an den digitalen Pin von einem Mikrocontroller angeschlossen werden. Nachfolgend ein Beispiel:

Das Arduino MOSFET-Modul

Für Mikrocontroller wie den Arduino, ESP usw. gibt es ein eigenes MOSFET-Modul. Man bekommt solche fertigen Module für etwa einen Euro pro Stück in sehr vielen Online-Shops. Auf dieser Platine befindet sich ein IRF520 N-Kanal MOSFET, der die Negative Seite vom Verbraucher steuern kann. Auf der Gate-Seite wurde zwischen der Signalleitung und Masse ein Pull-Down Widerstand von einem Kiloohm geschaltet. Außerdem befindet sich auf der Platine eine LED mit entsprechenden Vorwiderstand zur Signalleitung. Diese LED ist praktisch, da man hier den Betriebsstatus und eine eventuelle PWM-Modulation gut beobachten kann. Der folgende Schaltplan zeigt den elektronischen Aufbau von diesem Modul:

P-Kanal MOSFET mit Arduino

Es ist möglich, P-Kanal MOSFETs direkt über Mikrocontroller wie Arduino & Co zu schalten, allerdings mit invertierter Logik. Ist das Gate auf High (5V) geschaltet, sperrt der Transistor. Schaltet der Output auf Low (0V), so schaltet der MOSFET durch. Alternativ kann man auch einen kleinen "Converter" bauen, der die positive Spannung des Ausganges in eine negative Spannung umwandelt. Dazu kann ein einfacher NPN-Transistor (z. B. BC547) verwendet werden, der wiederum die negative Gate-Spannung vom MOSFET steuert. Ein Pull-Up Widerstand (etwa 1 Kiloohm) zwischen Gate und der Versorgungsspannung zeiht den Pegel nach oben, wenn der Transistor die Masse nicht durchschaltet. Dieser Widerstand ist notwendig, damit der MOSFET richtig und schnell abschaltet. Im produktiven Einsatz wird noch ein Basisvorwiderstand und eventuell auch ein Pull-Down Widerstand zur Basis an den Transistor angeschlossen werden. Der Transistor wird im nachstehenden Schaltplan direkt mit dem Pin D9 an den Mikrocontroller (Arduino) angeschlossen. PWM wird ebenfalls unterstützt.

Häufig gestellte Fragen:

Grundsätzlich können mehrere MOSFETs miteinander parallel geschaltet werden. Wichtig ist, dass die volle Durchschaltespannung (Vgs)am Gate anliegt. Bei der Parallelschaltung sollte ein Widerstand am Gate verwendet werden. Werden die Gates über einen Mikrocontroller gesteuert, sollten diese nicht direkt an den Mikrocontroller-Output angeschlossen werden, da dieser meist zu schwach für die Umladevorgänge ist. Es gibt dafür eigene Treiberstufen, die in so einem Fall vorgeschaltet werden sollten. Alternativ kann man sich hier aber mit Transistoren auch eine kleine Vorstufe bauen.

Unter bestimmten Umständen kommt es vor, dass der MOSFET zwischen dem Ein/Aus-Schalten normal funktioniert, aber bei PWM extrem heiß wird. Die Hitze kommt dann zustande, wenn der MOSFET nicht richtig schalten kann und sich dann irgendwo zwischen ein und aus befindet. Die Ursache kann ein nicht vorhandener oder zu großer Pull-Up/Pull-Down Widerstand am Gate sein. Ein weiter Grund könnte eine zu niedrige Gate-Spannung sein, sodass der MOSFET nicht voll durchschalten kann. Auch die PWM-Frequenz spielt eine Rolle, denn diese könnte eventuell zu hoch für bestimmte MOSFETs sein. Grundsätzlich ist dies bei einer normalen PWM-Frequenz von unter 1000 Hz, wie sie von den meisten Mikrocontrollern kommt, für MOSFETs überhaupt kein Problem. Es gibt aber auch High-PWM Frequenzen, welche so hoch sind, dass der MOSFET mit dem Ein/Aus-Schalten nicht mehr nachkommt und dann auch nur "halb" durchschaltet. Nähre Infos über die Schaltzeiten findet man im Datenblatt vom jeweiligen MOSFET.

Standard MOSFETs

Logic Level MOSFET

MOSFET Modul