Logic-Level-MOSFET – Elektronische Bauelemente

Ein ESP32 soll einen 12-V-LED-Streifen dimmen. In Foren wird dafür der IRF540N empfohlen – also bestellt, eingelötet, eingeschaltet. Die LEDs leuchten nur schwach, der MOSFET wird glühend heiß. Der Grund steht im Datenblatt: Der IRF540N ist für 10 V am Gate gebaut, der ESP32 liefert 3,3 V. Was du brauchst, ist ein Logic-Level-MOSFET – ein MOSFET, der schon mit der Spannung eines Logikausgangs voll durchschaltet.

Was „Logic Level“ bedeutet

Ein MOSFET beginnt bei seiner Schwellspannung U_GS(th) zu leiten. Diese Zahl verführt zu einem Trugschluss: Bei U_GS(th) fließen definitionsgemäß nur einige Mikroampere, meist 250 µA. Voll eingeschaltet, also mit dem kleinen Widerstand aus der Überschrift des Datenblatts, ist der MOSFET erst bei einer deutlich höheren Spannung. Genau die zählt.

Übertragungskennlinien im Vergleich: Logic-Level-MOSFET ab etwa 1 V, bei 3 V voll leitend; Standard-MOSFET ab etwa 3 V, erst bei 6 bis 10 V voll leitend; Markierung bei 3,3 V — Bei 3,3 V am Gate ist der Logic-Level-Typ längst voll an, der Standard-Typ fängt gerade erst an zu leiten.

Ob ein MOSFET „logic level“ ist, erkennst du daher nicht an einem Etikett, sondern an einer Zeile im Datenblatt: Für welche Gate-Spannung ist R_DS(on) garantiert?

Klasse	R_DS(on) garantiert bei	passt an
Standard-Level	10 V	Gate-Treiber mit 10–12 V
Logic-Level	4,5 V oder 5 V	5-V-Logik
Super-Logic-Level	2,5 V oder 1,8 V	3,3-V- und 1,8-V-Logik

Für einen 3,3-V-Mikrocontroller brauchst du einen Wert bei 2,5 V oder darunter. Ein Typ, der nur bei 4,5 V spezifiziert ist, funktioniert an 3,3 V oft trotzdem – aber nicht garantiert, und nicht bei jedem Exemplar und jeder Temperatur. Die Schwellspannung streut von Exemplar zu Exemplar und sinkt mit steigender Temperatur; bei Kälte schaltet derselbe MOSFET also schlechter durch. Das passt zum allgemeinen Temperaturverhalten, das Temperaturverhalten von Halbleitern beschreibt.

Der physikalische Unterschied

Logic-Level-MOSFETs haben ein dünneres Gate-Oxid oder eine angepasste Dotierung unter dem Gate. Das elektrische Feld erzeugt dann schon bei kleinerer Spannung genug Ladungsträger im Kanal. Der Preis: Die zulässige Gate-Spannung ist niedriger, oft ±12 V statt ±20 V, und das Gate ist empfindlicher gegen Überspannung und ESD. Außerdem sind viele Logic-Level-Typen für kleinere Drain-Spannungen ausgelegt – bei 20 bis 60 V ist die Auswahl riesig, bei 600 V kaum noch vorhanden.

Typen im Vergleich

Typ	Gehäuse	U_DS	R_DS(on) max.	U_GS(th)	U_GS,max	Klasse
IRF540N	TO-220	100 V	44 mΩ bei 10 V	2–4 V	±20 V	Standard
IRLZ44N	TO-220	55 V	25 mΩ bei 5 V, 35 mΩ bei 4 V	1–2 V	±16 V	Logic-Level
IRLML6344	SOT-23	30 V	29 mΩ bei 4,5 V, 37 mΩ bei 2,5 V	0,5–1,1 V	±12 V	Super-Logic-Level
BSS138	SOT-23	50 V	3,5 Ω bei 10 V, 6 Ω bei 4,5 V	0,8–1,5 V	±20 V	Kleinsignal, Pegelwandler

Das „L“ in IRLZ44N oder IRLML steht bei diesem Hersteller für Logic Level; verlassen solltest du dich darauf nicht – andere Hersteller benennen anders. Wie Typbezeichnungen grundsätzlich aufgebaut sind, steht unter Kennzeichnung von Transistoren.

Leistungs-MOSFETs in SOT-23, PQFN 5×6, D-PAK und TO-220 — Logic-Level-MOSFETs gibt es vom winzigen SOT-23 bis zum TO-220; moderne Typen sitzen oft im flachen PQFN.

Durchgerechnet: LED-Streifen am ESP32

ESP32-Pin über 100 Ω an das Gate eines IRLML6344, 100 kΩ von Gate nach Masse, LED-Streifen mit 3 A zwischen +12 V und Drain — Low-Side-Schalter mit Logic-Level-MOSFET: Gate-Widerstand, Pull-down, fertig.

Beispiel

Ein 12-V-LED-Streifen zieht 3 A, der ESP32 liefert 3,3 V. Der IRLML6344 garantiert 37 mΩ bei 2,5 V – bei 3,3 V liegt sein Widerstand irgendwo zwischen 29 und 37 mΩ. Für die sichere Seite rechnest du mit 37 mΩ:

P = I_D² · R_DS(on) = (3 A)² · 0,037 Ω ≈ 0,33 W

Der Wärmewiderstand des SOT-23 zur Umgebung beträgt laut Datenblatt 100 K/W – allerdings auf einer Kupferfläche von etwa 6,5 cm² (1 Quadratzoll). Bei 25 °C Umgebung erwärmt sich die Sperrschicht um rund 33 K.

Der ungünstigste Fall: 60 °C im Gehäuse, und R_DS(on) steigt mit der Temperatur um grob 0,5 % je Kelvin. Löst du beides gemeinsam auf, landest du bei etwa 107 °C – unter der Grenze von 150 °C, aber nur mit der großzügigen Kupferfläche. Auf einem minimalen Footprint wäre der Wärmewiderstand zwei- bis dreimal so groß, und es würde knapp.

Zum Vergleich der IRF540N an 3,3 V: Seine Schwellspannung liegt zwischen 2 und 4 V. Ein Exemplar mit 4 V schaltet gar nicht, eines mit 2 V nur teilweise – im aktiven Bereich, wo an ihm mehrere Volt abfallen. Schon 3 V bei 3 A wären 9 W.

Die Leit- und Schaltverluste mit Sperrschichttemperatur rechnest du mit dem Rechner MOSFET-Verluste nach; er hat den IRLZ44N bei 5 V schon als Vorlage. Wie Kupferflächen auf der Platine kühlen, erklärt Wärme und Kühlung.

Ansteuerung

Gate-Widerstand 47 bis 220 Ω direkt am Gate: Er begrenzt den Umladestrom aus dem Pin und dämpft Schwingungen auf der Leitung.
Pull-down 10 kΩ bis 100 kΩ von Gate nach Source: Beim Booten sind die Pins hochohmig; ohne ihn schaltet der MOSFET undefiniert ein.
Umschaltzeit abschätzen: Mit der Gate-Ladung Q_g und dem Strom, den der Pin liefert, gilt t ≈ Q_g / I_G. Der IRLML6344 braucht 6,8 nC; mit rund 15 mA aus dem Pin über 100 Ω sind das etwa 0,5 µs – für PWM bis einige Kilohertz problemlos. Der IRLZ44N mit 48 nC braucht am selben Pin über 3 µs; für schnelle PWM gehört dann ein Gate-Treiber dazwischen.
Freilaufdiode bei induktiven Lasten wie Motoren und Relais, genau wie beim Bipolartransistor, siehe Transistor als Schalter.

Logic-Level-MOSFET oder Bipolartransistor?

Für kleine Lasten bis etwa 100 mA ist ein NPN-Transistor mit Basiswiderstand genauso gut und oft billiger. Ab einigen hundert Milliampere spielt der Logic-Level-MOSFET seine Stärken aus: kein Dauerstrom aus dem Pin, kaum Spannungsfall, kaum Wärme. Gegen einen Darlington-Transistor, der bei 3 A ein bis zwei Volt verliert, gewinnt er mühelos.

Auswahl und Praxistipps

Gate-Spannung festlegen: 5 V oder 3,3 V? Danach die Klasse wählen.
R_DS(on) bei dieser Spannung aus der Tabelle lesen, nicht aus der Überschrift (die gilt meist bei 10 V).
Verluste rechnen mit I² · R_DS(on) und einem Temperaturzuschlag von 50 bis 100 %.
Spannungsreserve: U_DS mindestens das 1,5-Fache der Versorgung, bei induktiven Lasten mehr.
Gate-Grenze prüfen: Treibst du das Gate aus einer 12-V-Quelle, darf U_GS,max nicht nur ±8 oder ±12 V betragen.

Häufige Fehler:

Standard-MOSFET aus einer Projektanleitung übernommen, die mit 10-V-Treiber arbeitete.
Nur auf die Schwellspannung geschaut – „1–2 V, passt doch“ – und dabei übersehen, dass R_DS(on) nur bei 10 V angegeben ist.
Kupferfläche vergessen: Ein SOT-23 auf minimalem Footprint verträgt deutlich weniger als im Datenblatt.
High-Side mit N-Kanal: Liegt der MOSFET in der Plusleitung, braucht sein Gate eine Spannung über der Versorgung. Für die High-Side an Logikpins nimmst du einen P-Kanal-Logic-Level-Typ mit Pegelwandler oder einen fertigen High-Side-Schalter.

Selbsttest

Woran erkennst du im Datenblatt einen Logic-Level-MOSFET?

Daran, dass R_DS(on) für eine Gate-Spannung von 4,5 V oder weniger garantiert ist, nicht nur für 10 V.

Warum reicht eine Schwellspannung von 2 V nicht als Nachweis, dass ein MOSFET an 3,3 V funktioniert?

Bei U_GS(th) fließen nur Mikroampere; ob er bei 3,3 V voll durchschaltet, sagt nur ein R_DS(on)-Wert bei dieser oder einer kleineren Spannung.

Ein MOSFET mit 25 mΩ bei 5 V führt 6 A. Welche Leitverluste entstehen bei 25 °C?

(6 A)² · 0,025 Ω = 0,9 W; im warmen Betrieb eher 1,3 bis 1,8 W.

Wozu dient der Pull-down von Gate nach Source?

Er hält den MOSFET sicher aus, solange der Steuerpin hochohmig ist, etwa beim Booten oder bei abgezogenem Kabel.

Warum haben Logic-Level-MOSFETs oft eine kleinere zulässige Gate-Spannung?

Ihr Gate-Oxid ist dünner, damit schon kleine Spannungen ein starkes Feld erzeugen; dadurch schlägt es auch früher durch.