MOSFETs eignen sich sehr gut, um größere Verbraucher mit einem Mikrocontroller zu steuern. Die einfachste Lösung ist hier ein N-Kanal MOSFET, der direkt zwischen Arduino und den Verbraucher geschaltet wird. Der Nachteil von N-Kanal MOSFETs ist, dass diese den negativen Pol des Verbrauchers steuern. Ist der Verbraucher in einem Metallgehäuse oder Fahrzeug, so befindet sich am Minus-Pol die gemeinsame Masse. Um dann eine PWM-Steuerung oder eine Schaltung über einen MOSFET vornehmen zu können muss der positive Pol dafür herangezogen werden. Dazu werden dann P-Kanal MOSFETs verwendet.

P-Kanal MOSFETs ansteuern

P-Kanal MOSFETs lassen sich im Gegensatz zum N-Kanal nicht ohne weiteres ansteuern. Der Grund liegt am negativen Gate, das eine Minus-Spannung erfordert, um den MOSFET in den leitenden zustand zu versetzen. Jeder Mikrocontroller oder jedes Board liefert auf den digitalen I/O-Pins positive Spannungen. Deshalb wird ein "Konverter" benötigt, der mit den positiven Ausgang des Mikrocontrollers eine negative Spannung schaltet und damit das Gate vom P-Kanal MOSFET steuert. Ein NPN-Transistor wie der BC548 oder ähnlicher ist für diese Konvertierung gut geeignet.

Wie die Schaltung funktioniert

Der Mikrocontroller (Arduino) liefert die Spannung an den NPN-Transistor über den Widerstand R1. Der Widerstand R1 dient als Strombegrenzer für die Basis vom Transistor. Der Transistor ist am Emitter mit der Masse vom Mikrocontroller, der Masse von der Spannungsquelle selbst sowie der Masse vom Verbraucher verbunden. Der Kollektor ist der "Ausgang" vom Transistor, der die Masse vom Gate schaltet. Der MOSFET selbst bekommt die Plus-Versorgung über den Source-Pin und leitet diese bei negativer Gate-Spannung an den Drain weiter. Zwischen Gate und Source befindet sich ein Pull-up Widerstand (R2). Dieser Widerstand zieht den Pegel hoch, damit der MOSFET bei einem Spannungsabfall am Gate auch wieder abschaltet bzw. nicht versehentlich von selbst durchschaltet.

Hitzeentwicklung bei PWM

Wird die Schaltung mit PWM-Signalen angesteuert, so schaltet der MOSFET oft nicht schnell genug. Dadurch wird der MOSFET heiß, weil diese restliche Energie aufgrund des internen Widerstandes in Wärme umgewandelt wird. Abhilfe schaffen hier Gate-Treiber, die den MOSFET mit einen hohen Strom sehr schnell entsprechend umladen.

Ansteuerung vom Arduino

Um die Schaltung mit einem Arduino oder anderen Board ansteuern zu können, muss lediglich der angeschlossene Pin als Output definiert werden und anschließend auf High geschaltet werden. Im Arduino IDE kann dafür der Blink-Beispielcode verwendet werden. Wer schnell die PWM-Ansteuerung testen will, kann dafür das Fading-Beispiel verwenden.