MOSFETs und Mikrocontroller

MOSFET IRFZ44N

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sind eine Bauform eines Transistors, die sich u.a dadurch auszeichnen, über Spannung (statt über Stromfluss) gesteuert zu werden, schnell zu schalten und einen hohen Wirkungsgrad zu verfügen. Vor allem bei größeren Stromstärken wird statt den Bipolartransistoren gerne auf MOSFET zurückgegriffen und können auch als Alternative zu Relais verwendet werden.
Analog zu den Bipolartransistoren gibt es bei MOSFETs zwei Grundtypen: n-Kanal und p-Kanal (analog zu NPN und PNP), in diesem Beitrag werden aber ausschließlich n-Kanal-MOSFETs betrachtet.
Neben vielen anderen Spezifikationen sind drei Werte der MOSFETs hier von besonderem Interesse:

VDSS (Drain Source Voltage) Maximale Spannungsfestigkeit des Bauteiles zwischen Drain und Source.
ID (Continuous Drain Current) Maximaler Dauerstrom, der zwischen Drain und Source fließen kann, ohne dass der MOSFET zerstört wird (hier ist eine entsprechende Kühlung des Bauteils vorrausgesetzt). Die Temperatur wird meist mit angegeben.
VGS(th) (Gate-Source Threshold Voltage) Gatespannung, ab welcher der Transistor minimal leitend wird.

Für den Steuerung durch Mikrocontroller ist es essentiell, dass VGS(th) bei 5V (Arduino) oder 3V (ESP32) liegt, sonst ist es nicht möglich den MOSFETs voll durchzuschalten oder überhaupt einen Stromfluss an der Drain-Source-Strecke zu ermöglichen.
In diesem Beitrag werden einige in Grundlegende Bauelemente aufgelistete MOSFETs verwendet.

Verwendete Bauteile

MOSFET als Schalter

Schaltplan mit Arduino und MOSFET

Im hier gezeigten Schaltplan wird ein 180Ω-Widerstand zwischen Arduino-Pin und Gate gelegt, um den Stromfluss zu begrenzen, da das Gate eine Kapazität zu Drain und Source darstellt, welche bei schnellen Wechseln hohe Ströme verursacht. Zusätzlich zieht ein 2,2kΩ-Widerstand das Gate gegen Masse, damit der MOSFET nach Spannungsabfall vom Gate sofort abschaltet und nicht weiter für eine gewisse Zeit leitend bleibt.

Im Sketch wird mit zwei verschiedenen Verzögerungszeiten ein PIN des Arduinos abwechselnd auf HIGH und LOW geschaltet. Der verwendete MOSFET soll diese Schaltungen dann ebenfalls durchführen. 

#define PIN_LED 9

void setup()
{
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);
}

void loop()
{
  for (byte i=0; i<6; i++) {
    digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));
    delay(500);
  }
  for (byte i=0; i<16; i++) {
    digitalWrite(PIN_LED, !digitalRead(PIN_LED));
    delay(50);
  }
}

Mit folgenden MOSFETs hat die Schaltung gut funktioniert:
IRF1404, IRF3808, IRF3205, IRFZ44N, IRL2505, IRLZ44N

MOSFETs gibt es natürlich auch als kleine SMD-Bauformen. Im Einsatz mit Mikrocontrollern kann man z.B. den NTF3055L108 empfehlen, der folgende Spezifikationen besitzt:
VDSS: 60V
ID: 3A (kontinuerlich)
VGS: 1V bis 2V
aber auch SMD-MOSFETs wie der STN1HNC60 oder STN1NK60Z sind geeignet. Natürlich muss immer darauf geachtet werden, dass ID auch für den gewünschten Anwendungsfall ausreicht.

PWM mit MOSFETs

Um zu prüfen, ob und wie schnell der verwendete MOSFET schalten kann, verwenden wir ein PWM-Signal zum dimmen einer LED. (Der Aufbau der Schaltung entspricht dem obigen Versuch.) 

#define PIN_LED 9

void setup()
{
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(PIN_LED, LOW);
  for (byte i=0; i<255; i++) {
    analogWrite(PIN_LED, i);
    delay(10);
  }

  digitalWrite(PIN_LED, HIGH);
  for (byte i=255; i>0; i--) {
    analogWrite(PIN_LED, i);
    delay(10);
  }
}

DC-Motoren mit MOSFETs steuern

Analog zum Aufbau in "DC-Motoren steuern" kann vor allem bei Gleichstrom-Motoren mit höheren Leistungen ein MOSFET verwendet werden, da hier auch wesentlich höhere Ströme fließen.

FR120N-Modul

MOSFET-Modul FR120N

Das folgende Modul beinhaltet als zentralen Bestandteil einen N-Kanal Leistungs-MOSFET (auch: IFR120 oder IRFR120) mit den folgenden Spezifikationen:

VGS (Gate-Schwellspannung) 4 V
ID (max. Drain-Stromfluss) 9,4 A
VDSS (max. Drain-Source-Spannung) 100 V
RDS 0,270 Ω

Features des Moduls

Schaltplan des MOSFET-Moduls FR120N
Abb.: Schaltplan des MOSFET-Moduls FR120N

Die oben gezeigten Sketches werden hier zur Steuerung verwendet.

Aufbau mit dem MOSFET-Moduls FR120N
Abb.: FR120N-Modul wird auf dem Breadboard ausprobiert (Last ist eine 5mm LED)
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