MOSFET leicht gemacht: Dein Schlüssel zur Elektronik-Power
Was ist ein MOSFET?
Das ist ein vollwertiger Auszug aus dem Buch Elektronik und Heimautomation DIY.
Ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein vielseitiges elektronisches Bauteil, das in elektronischen Schaltungen als Schalter für höhere Leistungen oder als Verstärker eingesetzt wird.
Der MOSFET besteht aus einem dotierten Siliziumsubstrat, das mit einer dünnen Siliziumdioxid-Schicht (Oxid) bedeckt ist. Auf dieser Isolationsschicht liegt eine Metallschicht (Metall-Gate), die als Steuerelektrode dient. Das Gate ist durch die Oxidschicht elektrisch vom Substrat getrennt.
Die Funktionsweise eines MOSFET hängt von der Spannung zwischen Gate und Source (VGSGS) ab. Diese Spannung (meist zwischen 1 und 4 Volt) steuert, wie viel Strom zwischen Drain und Source fließen kann. Im Vergleich zu bipolaren Transistoren (BJT) bieten MOSFETs eine höhere Schaltgeschwindigkeit, sind jedoch in der Regel etwas teurer.
Die Anschlüsse eines MOSFETs haben spezifische Bezeichnungen:
- Gate (G): Die Steuerelektrode, vergleichbar mit der Basis beim BJT.
- Drain (D): Der Abfluss, über den der Strom aus dem MOSFET fließt, ähnlich dem Kollektor beim BJT.
- Source (S): Die Quelle, durch die der Strom in den MOSFET eintritt, vergleichbar mit dem Emitter beim BJT.
Um einen MOSFET zu aktivieren (einschalten), muss die Spannung zwischen Gate und Source größer als die Schwellenspannung (Threshold Voltage, Vthth) sein. Diese Schwellenspannung gibt an, bei welcher Spannung der MOSFET blockiert (ausschaltet). Eine überschwellige Spannung am Gate sorgt dafür, dass der MOSFET leitend wird. Die genaue Schwellenspannung eines spezifischen MOSFETs kann dem Datenblatt entnommen werden.



Funktion von einem n-Kanal MOSFET? (Anreicherungstyp)
Bei einem n-Kanal MOSFET sind Drain und Source stark dotierte n+ Bereiche, während das Substrat aus einem p-leitenden Material besteht.
Wenn eine positive Gate-Spannung angelegt wird, werden die positiven Ladungsträger (Löcher) unter der Oxidschicht in das Substrat gedrückt. Gleichzeitig zieht das Gate die negativen Ladungsträger (Elektronen) aus dem p-leitenden Substrat an. Dadurch bildet sich ein elektronenreicher Kanal zwischen Source und Drain, der den Stromfluss ermöglicht.
Die Leitfähigkeit des Kanals wird durch die Höhe der Gate-Spannung gesteuert:
- Erhöhung der Gate-Spannung: Der Kanal wird mit zusätzlichen Elektronen angereichert, was die Leitfähigkeit erhöht.
- Reduzierung der Gate-Spannung: Die Anzahl der Elektronen im Kanal nimmt ab, wodurch die Leitfähigkeit reduziert wird.
Auf diese Weise lässt sich der Stromfluss durch den MOSFET präzise steuern, indem die Spannung am Gate variiert wird.


Kanal
Funktion von einem p-Kanal MOSFET? (Anreicherungstyp)
Bei einem p-Kanal MOSFET sind Drain und Source stark dotierte p+ Bereiche, während das Substrat aus einem n-leitenden Material besteht.
Wird eine negative Gate-Spannung angelegt, werden die negativen Ladungsträger (Elektronen) unter der Oxidschicht in das Substrat gedrückt. Gleichzeitig zieht das Gate die positiven Ladungsträger (Löcher) aus dem n-leitenden Substrat an. Dadurch bildet sich ein lochreicher Kanal zwischen Source und Drain, der den Stromfluss ermöglicht.
Die Leitfähigkeit des Kanals hängt von der Höhe der Gate-Spannung ab:
- Erhöhung der negativen Gate-Spannung: Der Kanal wird mit zusätzlichen Löchern angereichert, was die Leitfähigkeit erhöht.
- Reduzierung der negativen Gate-Spannung: Die Anzahl der Löcher im Kanal nimmt ab, wodurch die Leitfähigkeit verringert wird.
Auf diese Weise kann der Stromfluss durch den MOSFET gezielt gesteuert werden, indem die Spannung am Gate angepasst wird.


Kanal
MOSFET Schaltung mit einem Mikrocontroller
Um den Mikrocontroller zu schützen und ein sicheres Schalten des MOSFETs zu gewährleisten, empfiehlt es sich, die folgende Schaltung zu verwenden:
- Der 10 kΩ-Widerstand R1 fungiert als Pull-Down-Widerstand, um sicherzustellen, dass das Gate kein undefiniertes Potenzial hat. Dadurch wird ein versehentliches Einschalten des MOSFETs verhindert.
- Wenn ihr eine Last verwendet, die eine induktive Komponente enthält, wie z. B. einen Motor oder Elektromagneten, vergesst nicht die Freilaufdiode. Sie schützt den MOSFET vor den Rückströmen, die durch die Induktivität der Last erzeugt werden können.
- Der 220 Ω-Widerstand R2 ist optional, aber nützlich. Seine Funktion wird oft kontrovers diskutiert. Er kann unerwünschte elektrische Schwingungen reduzieren, die durch das schnelle Auf- und Entladen des Gates (z. B. bei PWM-Signalen) entstehen, und so den Mikrocontroller zusätzlich schützen.
Wenn ausreichend Platz auf der Platine vorhanden ist, halte ich es für sinnvoll, diesen Widerstand in die Schaltung zu integrieren. Er bietet zusätzlichen Schutz, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.
Hier findet ihr das benötigte Material!
Produkt | Amazon |
---|---|
Mosfet Transistor Kit 12 Werte 60 Stück | shopping_cart Bei Amazon kaufen |
IRLB8721 MOSFET IRLB8721PBF 30V 62A N-Kanal | shopping_cart Bei Amazon kaufen |
Alle Links in dieser Tabelle sind Amazon Affiliate Links.