MOSFET als Low-Side-Schalter

Für ein paar hundert Milliampere reicht ein Bipolartransistor wie im NPN-Low-Side-Schalter. Bei mehreren Ampere wird es mühsam: Ein BD139 bräuchte für 3 A über 100 mA Basisstrom, mehr als jeder Mikrocontroller-Pin liefert, und würde trotzdem warm. Ein N-Kanal-MOSFET dagegen braucht an seinem Gate keinen Dauerstrom, nur Spannung, und leitet eingeschaltet mit wenigen Milliohm. Er schaltet LED-Streifen, Heizungen, Pumpen und Motoren bis zu zehn Ampere und mehr – direkt vom Pin.

Wie beim NPN-Schalter liegt der Transistor zwischen Last und Masse. Hier baust du ihn für eine Heizfolie mit 40 W an 12 V auf, etwa für ein Terrarium oder als Tauschutz am Teleskop, angesteuert per PWM von einem Arduino Uno.

Schaltplan

• T1, IRLZ44N: ein Logic-Level-MOSFET im TO-220-Gehäuse, 55 V, 41 A. Laut Datenblatt höchstens 25 mΩ bei 5 V am Gate.
• RG, 220 Ω: Gate-Widerstand. Er begrenzt den Ladestrom des Gates, schont den Pin und dämpft Schwingungen in der Gate-Leitung.
• RGS, 100 kΩ: hält das Gate auf Masse, solange der Pin hochohmig ist, etwa beim Reset und beim Hochladen eines Sketches.
• Heizfolie 12 V, 40 W: die Last, rein ohmsch, 3,6 Ω.
• Body-Diode: Sie steckt in jedem Leistungs-MOSFET zwischen Source (Anode) und Drain (Kathode). Im Low-Side-Schalter ist sie gesperrt und spielt keine Rolle.

So funktioniert die Schaltung

Pin low: Das Gate liegt auf 0 V, der Kanal zwischen Drain und Source ist gesperrt. Es fließt nur der Leckstrom von höchstens 25 μA. Am Drain liegen 12 V.

Pin high: Der Pin lädt über RG die Gate-Kapazität auf 5 V. Ab etwa 1,5 V beginnt der MOSFET zu leiten, bei 5 V ist der Kanal voll geöffnet. Zwischen Drain und Source bleibt nur der Widerstand R_DS(on), hier höchstens 25 mΩ – bei 3,3 A also 0,08 V.

Weil das Gate isoliert ist, fließt im eingeschalteten Zustand kein Strom hinein. Strom fließt nur, solange das Gate umgeladen wird. Das dauert einige Mikrosekunden und hat eine Besonderheit: Während die Drainspannung fällt, muss der Treiber zusätzlich die Kapazität zwischen Gate und Drain umladen. Die Gatespannung bleibt so lange auf einem Plateau stehen – dem Miller-Plateau.

In dieser Zeit liegen gleichzeitig Spannung und Strom am MOSFET, er wird kurz zum Heizwiderstand. Bei jeder Flanke entsteht so ein kleiner Energieverlust. Bei PWM mit einigen hundert Hertz ist das vernachlässigbar, bei 20 kHz nicht mehr.

Dimensionierung

1. Laststrom.

2. MOSFET wählen. Entscheidend ist ein R_DS(on), das bei deiner Gatespannung garantiert ist. Der IRLZ44N nennt 25 mΩ bei 5 V; der bekanntere IRFZ44N garantiert seinen Wert erst bei 10 V und taugt am 5-V-Pin nicht. Die Sperrspannung von 55 V liegt weit über den 12 V.

3. Leitverluste. Bei 25 °C:

Mit der Erwärmung steigt R_DS(on) um etwa 0,65 % je Kelvin. Bei 40 °C Umgebung und 62 K/W Wärmewiderstand des TO-220 ohne Kühlkörper pendelt sich die Sperrschicht bei rund 61 °C ein; R_DS(on) beträgt dann 31 mΩ und die Leitverluste 0,34 W.

4. Gate-Widerstand. Der Spitzenstrom aus dem Pin beim Umschalten ist 5 V / (220 Ω + 25 Ω) ≈ 20 mA – der Arduino Uno verträgt 40 mA als Grenzwert, 20 mA dauerhaft. Größer als nötig sollte RG nicht werden, weil er das Umschalten verlangsamt.

5. Schaltverluste. Auf dem Miller-Plateau bei 2,6 V fließen (5 V − 2,6 V) / 245 Ω ≈ 9,8 mA ins Gate. Die Gate-Drain-Ladung von höchstens 25 nC ist damit nach

umgeladen. Pro Flanke gehen etwa ½ · 12 V · 3,3 A · 2,6 μs ≈ 51 μJ verloren, beim Ausschalten ähnlich viel. Bei der PWM-Frequenz des Arduino-Pins 9 von 490 Hz sind das

Der Sketch regelt die Heizleistung über das Tastverhältnis:

const int HEIZUNG = 9;              // D9 → RG → Gate (PWM 490 Hz)

void setup() {
  pinMode(HEIZUNG, OUTPUT);
  analogWrite(HEIZUNG, 0);          // aus
}

void loop() {
  analogWrite(HEIZUNG, 255);        // 100 %: 40 W
  delay(10000);
  analogWrite(HEIZUNG, 64);         // 25 %: im Mittel 10 W
  delay(10000);
}

Bauteilliste

Varianten

Induktive Last. Motor, Pumpe, Magnetventil oder Relais brauchen eine Freilaufdiode parallel zur Last, Kathode an +12 V. Die Body-Diode hilft hier nicht: Sie liegt parallel zum MOSFET, nicht zur Last. Bei PWM nimmst du eine schnelle Schottky-Diode wie die SS34. Mehr unter Induktive Lasten schnell abschalten und Motordrehzahl per PWM.

3,3-V-Mikrocontroller. Für den IRLZ44N ist bei 3,3 V kein R_DS(on) garantiert. Nimm einen Typ, dessen Datenblatt R_DS(on) bei 2,5 V nennt, etwa den IRLML6344 für bis zu 5 A. Die Rechnung steht unter Logic-Level-MOSFET; ein durchgerechneter Fall ist 12-V-LED-Streifen dimmen.

Hohe PWM-Frequenz. Ab etwa 10 kHz übernimmt ein Gate-Treiber-IC wie der TC4427 oder ein Push-Pull aus zwei Transistoren das Umladen mit über 1 A Spitzenstrom. Das kürzt das Miller-Plateau auf wenige Nanosekunden.

Masse muss bleiben. Hängt die Last fest an Masse, schaltest du die Plusleitung mit dem P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter. Als Pegelwandler mit Pull-up wird aus der Stufe ein Open-Drain-Ausgang.

Typische Fehler

• MOSFET wird heiß, Heizung nur halb warm: Kein Logic-Level-Typ oder Gatespannung zu klein. Miss im eingeschalteten Zustand zwischen Drain und Source: Mehr als 0,2 V bei 3,3 A heißt, der Kanal ist nicht voll offen.
• Heizung geht nicht aus, wenn das Kabel zum Pin abgezogen ist: RGS fehlt. Das Gate hält seine Ladung minutenlang und bleibt eingeschaltet.
• Massen nicht verbunden: Ohne gemeinsame Masse liegt am Gate keine definierte Spannung gegenüber Source (Masse, Erde und Ground).
• Gate-Source-Spannung überschritten: Wer das Gate direkt an 12 V legt, um sicher durchzuschalten, ist knapp unter 16 V; bei 24 V stirbt das Gate. Spannungen über 15 V gehören nicht ans Gate.
• Anschlussbelegung: TO-220-MOSFETs sind G-D-S belegt, die Metallfahne ist der Drain. Auf einem gemeinsamen Kühlkörper braucht jeder MOSFET eine Isolierscheibe.

Selbsttest