Worum es geht: Der MOSFET als Schalter — warum sein Steuereingang keinen Strom braucht, und warum trotzdem nicht jeder MOSFET an einen 3.3-V-Pin gehört.
Wozu du das brauchst: Weil hier eine Falle liegt, die still zuschnappt: Ein Standardtyp an 3.3 V schaltet nicht durch, sondern bleibt halb offen. Die Schaltung funktioniert auf dem Tisch scheinbar — und das Bauteil wird nach einer Minute zu heiss zum Anfassen.
Danach kannst du: aus einem Datenblatt herauslesen, ob ein Typ für 3.3 V taugt, die Verlustleistung im Kanal ausrechnen, und begründen, wozu Gate-Widerstand und Gate-Pulldown da sind.
Ein Steuereingang, der keinen Strom braucht
Der Bipolartransistor kostet dauernd Basisstrom — 5.53 mA, solange die Last an ist. Beim MOSFET ist das anders. Der Name kürzt metal-oxide-semiconductor field-effect transistor ab — Feldeffekttransistor mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau. Entscheidend daran ist das Oxid: Sein Steueranschluss, das Gate, ist durch eine hauchdünne Isolierschicht vom Rest getrennt. Es fliesst kein Strom hinein. Was zählt, ist allein die Spannung zwischen Gate und Source.
Das ist der Grund, warum MOSFETs überall dort sitzen, wo grössere Ströme geschaltet werden.
Der Aufbau ist derselbe wie beim NPN, nur die Namen wechseln: Gate statt Basis, Drain statt Kollektor, Source statt Emitter. Vom GPIO geht es über 220 Ω aufs Gate, ein Pulldown von 100 kΩ hält es beim Start unten, Source liegt an Masse, Drain führt über die Last nach 5 V.
Der entscheidende Unterschied steht rechts im Bild: Ins Gate fliessen 0 mA. Nicht wenig — im Ruhezustand tatsächlich nichts.
Was der MOSFET stattdessen hat, ist ein Kanalwiderstand, R(DS,on). Bei einem typischen Logic-Level-Typ sind das 0.07 Ω. Bei 1 A Laststrom bedeutet das:
U = 1 A · 0.07 Ω = 70 mV
P = (1 A)² · 0.07 Ω = 70 mW
Zum Vergleich: Ein Bipolartransistor mit seinen 0.2 V Sättigungsspannung würde bei 1 A 200 mW verheizen, also fast dreimal so viel. Und je grösser der Strom wird, desto deutlicher wird der Vorsprung.
Die Falle heisst U(GS,th)
Ein MOSFET beginnt erst zu leiten, wenn die Gate-Source-Spannung eine Schwelle überschreitet. Und diese Schwelle ist bei den meisten Typen höher, als ein 3.3-V-Pin liefern kann.
Die amberne Kurve gehört zu einem Logic-Level-Typ: Er beginnt bei etwa 1.5 V zu leiten und ist bei 3 V voll durchgesteuert. Die blasse Kurve ist ein Standardtyp — bis 4 V rührt er sich nicht.
Die gestrichelte Senkrechte markiert die 3.3 V, die ein GPIO höchstens hergibt. Sie trifft die eine Kurve im grünen Punkt oben, die andere im roten Punkt unten auf der Achse. Derselbe Pin, dasselbe Bauteil dem Namen nach, zwei völlig verschiedene Ergebnisse.
Der tückische Teil ist der Bereich dazwischen. Ein Standardtyp bei 3.3 V ist nicht einfach aus — er ist halb offen. Er leitet ein wenig, sein Kanalwiderstand beträgt vielleicht 2 Ω statt 0.07 Ω, und bei 1 A verheizt er 2 W. Dann funktioniert die Schaltung auf dem Tisch scheinbar, und der MOSFET wird nach einer Minute zu heiss zum Anfassen.
Wie man das Datenblatt hier richtig liest
Fast jedes Datenblatt gibt R(DS,on) bei 4.5 V oder 10 V am Gate an. Diese Zahl steht gross auf der ersten Seite, und sie gilt für deine 3.3 V nicht.
Wonach du suchst:
| Angabe | was sie dir sagt |
|---|---|
| R(DS,on) bei U(GS) = 2.5 V oder 3 V | Gibt es diese Zeile, ist der Typ für 3.3 V gedacht. |
| U(GS,th) maximal | Der garantierte Wert, nicht der typische. Er soll deutlich unter 3.3 V liegen. |
| Diagramm R(DS,on) über U(GS) | Die ehrlichste Auskunft — dort siehst du, ob die Kurve bei 3.3 V schon flach ist. |
Fehlt die 2.5-V-Zeile ganz, ist das die Antwort: Der Typ gehört nicht an einen 3.3-V-Pin.
Wozu der Gate-Widerstand, wenn kein Strom fliesst
Im Ruhezustand fliesst keiner. Beim Umschalten schon: Das Gate ist ein Kondensator von typisch 1 nF, und der muss jedes Mal umgeladen werden. Ohne Widerstand wäre der Pin für einen Moment kurzgeschlossen.
Die 220 Ω begrenzen diesen Umladestrom auf 3.3 V / 220 Ω = 15 mA und bestimmen zugleich, wie schnell umgeschaltet wird — nach derselben Formel wie in Modul 3:
τ = 220 Ω · 1 nF = 220 ns, voll umgeladen nach 5 τ = 1.1 µs
Das ist der Kompromiss: Ein kleinerer Widerstand schaltet schneller, belastet den Pin aber stärker und erzeugt mehr Störungen. Ein grösserer schont den Pin, verlängert aber den Übergang — und im Übergang ist der MOSFET halb offen und heizt.
Der Pulldown von 100 kΩ arbeitet mit demselben Kondensator und ist deshalb viel träger:
τ = 100 kΩ · 1 nF = 100 µs
Das genügt vollauf, denn er muss nichts schnell tun — er muss nur verhindern, dass das Gate beim Start in der Luft hängt.
Welchen von beiden
| Bipolar (NPN) | MOSFET (N-Kanal) | |
|---|---|---|
| gesteuert durch | Strom in die Basis | Spannung am Gate |
| Dauerverbrauch der Ansteuerung | 5.53 mA | praktisch null |
| Verlust bei 1 A | 0.2 V → 200 mW | 0.07 Ω → 70 mW |
| Verlust wächst mit | dem Strom | dem Strom im Quadrat |
| empfindlich gegen | zu wenig Basisstrom | zu kleine Gate-Spannung, statische Aufladung (ESD, electrostatic discharge) |
| Achtung im Datenblatt | hFE(min) beim echten Strom | R(DS,on) bei deiner Gate-Spannung |
Die Faustregel: Bis etwa 100 mA nimm, was in der Schublade liegt. Darüber nimm einen Logic-Level-MOSFET.
Und wenn viele Kanäle nötig sind, lohnt wieder der fertige Baustein — MOSFET-Arrays gibt es ebenso wie die Darlington-Treiber aus der letzten Lektion, mit acht Kanälen in einem Gehäuse.
Was in beiden Bildern noch fehlt
In den Figuren dieser beiden Lektionen ist die Last ein Widerstand — brav, gutmütig, ohne Eigenleben.
Ein Relais, ein Motor oder ein Magnetventil sind das nicht. Sie enthalten eine Spule, und eine Spule wehrt sich gegen das Abschalten mit einer Spannungsspitze, die deinen sorgfältig ausgesuchten Transistor in Sekundenbruchteilen zerstört.
Das ist kein Randfall, sondern der häufigste Weg, einen Schalttransistor umzubringen. Das nächste Modul handelt von nichts anderem.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Du schaltest 1 A mit einem MOSFET, dessen Datenblatt R(DS,on) = 0.07 Ω bei U(GS) = 4.5 V angibt, und steuerst ihn mit 3.3 V an. Was ist das Risiko?
2.Warum sitzt ein Widerstand von 220 Ω vor dem Gate, obwohl ins Gate kein Dauerstrom fliesst?