{"id":1884,"date":"2025-09-10T11:52:31","date_gmt":"2025-09-10T09:52:31","guid":{"rendered":"https:\/\/elv001.staging.360vier.net\/?p=1884"},"modified":"2025-10-10T10:09:55","modified_gmt":"2025-10-10T08:09:55","slug":"mosfet-grundlagen-anwendungen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/mosfet-grundlagen-anwendungen\/","title":{"rendered":"Projekte f\u00fcr Elektronikeinsteiger (Teil\u00a013): Spezielle Transistoren: FETs und MOSFETs"},"content":{"rendered":"\n<p class=\"has-gray-light-color has-text-color has-link-color has-h-4-font-size wp-elements-2158eb015ac8d2e8cd68bbc29c9addfb\"><strong>Projekte f\u00fcr Elektronikeinsteiger Teil 13<\/strong><\/p>\n\n\n\n<h1 class=\"wp-block-heading\">Spezielle Transistoren: FETs und MOSFETs<\/h1>\n\n\n\n<p><strong>FETs (Field-Effect Transistors) und MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) sind wichtige Bauelemente der Elektronik, besonders im Bereich der Leistungselektronik und der digitalen Schaltungen. Sie bieten gegen\u00fcber den klassischen Transistoren viele Vorteile. Allerdings gibt es auch einige spezielle Besonderheiten, die bei der Arbeit mit FETs und MOSFETs beachtet werden m\u00fcssen. In diesem Artikel sollen die Grundlagen und einige interessante Anwendungen dieser Bauelemente genauer untersucht werden.<\/strong><\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Transistoren der anderen Art: MOSFETS<\/h2>\n\n\n\n<p>Ein altes Problem in der Elektronik ist, dass es bei bipolaren Transistoren ohne Steuerleistung, und sei sie noch so gering, keine Verst\u00e4rkung gibt. Ohne Basisstrom &#8211; auch wenn er oft minimal ist &#8211; kann kein Kollektorstrom flie\u00dfen. Allerdings kann der Strom in Halbleitern auch ganz ohne Stromfluss gesteuert werden. Elektrische Felder erlauben sogar eine v\u00f6llig leistungslose Steuerung. Die Ladung auf der einen Seite eines Isolators kann die Ladungstr\u00e4ger auf der anderen Seite beeinflussen. \u00c4hnlich wie bei einem Kondensator wird der Elektronenfluss dabei durch eine Isolierschicht unterbunden. Auf dieser Grundlage wurden die Feldeffekttransistoren (FETs) entwickelt. Das bedeutet, dass der Stromfluss allein durch das elektrische Feld &#8211; also durch eine reine Spannung &#8211; gesteuert wird.<\/p>\n\n\n\n<p>Ein FET besitzt drei Anschl\u00fcsse:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>Source (S)<\/strong> ist die \u201eQuelle\u201c der Ladungstr\u00e4ger. Dort flie\u00dfen die Ladungstr\u00e4ger in das Bauelement.<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Drain (D)<\/strong> ist die \u201eSenke\u201c, an der die Ladungstr\u00e4ger den Transistor wieder verlassen.<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Das Gate (G)<\/strong> steuert das elektrische Feld, welches den Stromfluss zwischen Source und Drain reguliert.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Grunds\u00e4tzlich unterscheidet man zwei Typen von FETs:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>JFET (Junction Field Effect Transistor)<\/strong>: Hier wird der Kanal von einem p-n-\u00dcbergang kontrolliert. Es gibt n-Kanal- und p-Kanal-JFETs.<\/li>\n\n\n\n<li><strong>MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET)<\/strong>: Dies ist eine spezielle Art eines FETs, der ein isoliertes Gate hat, das \u00fcber eine d\u00fcnne Oxidschicht vom Kanal getrennt ist.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Die Hauptvorteile von FETs liegen in ihrem hohen Eingangswiderstand. Das hei\u00dft nichts anderes, als dass zur Steuerung eines FETs praktisch kein Gate-Strom erforderlich ist. Dieser kann in den meisten F\u00e4llen also vollst\u00e4ndig vernachl\u00e4ssigt werden.<\/p>\n\n\n\n<p>Der MOSFET unterscheidet sich von einem allgemeinen FET dadurch, dass sein Gate durch eine Isolatorschicht aus Oxid vom Kanal getrennt ist. Es gibt wiederum zwei Haupttypen von MOSFETs: den n-Kanal-MOSFET, bei dem Strom flie\u00dft, wenn am Gate eine positive Spannung gegen\u00fcber der Source anliegt, und den p-Kanal-MOSFET, bei dem Strom flie\u00dft, wenn relativ zur Source eine negative Spannung am Gate angelegt wird. Die Funktionsweise eines MOSFETs \u00e4hnelt damit der eines Schalters, der durch eine Gate-Spannung gesteuert wird.<\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-columns is-layout-flex wp-container-core-columns-is-layout-28f84493 wp-block-columns-is-layout-flex\">\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\">\n<p>MOSFETs werden h\u00e4ufig in digitalen Schaltungen, Leistungswandlern und Verst\u00e4rkern eingesetzt. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil moderner integrierter Schaltkreise (ICs) und finden sich in Computern, mobilen Ger\u00e4ten und zahlreichen weiteren Anwendungen. Ihre Vorteile liegen in der hohen Schaltgeschwindigkeit, den geringen Leistungsverlusten im Vergleich zu Bipolartransistoren und der hohen Effizienz in Leistungsschaltungen. <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 1<\/mark> zeigt den prinzipiellen Aufbau eines MOSFETs.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\">\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"917\" height=\"486\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild01_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines MOSFETs\" class=\"wp-image-4807\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild01_mosfet.jpg 917w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild01_mosfet-300x159.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild01_mosfet-768x407.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 917px) 100vw, 917px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines MOSFETs<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Steuern mit elektrischen Feldern<\/h3>\n\n\n\n<p>Das Gate eines MOSFETs ist durch eine d\u00fcnne Isolierschicht (dem \u201eOxide\u201c, in <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 1 <\/mark>rot eingezeichnet) vom Kanal getrennt. Wenn bei einem bestimmten MOSFET-Typ (dem sogenannten \u201eselbstsperrenden n-Kanal MOSFET\u201c \u2013 siehe unten) keine Spannung am Gate anliegt, ist der Kanal zwischen Source und Drain gesperrt, und es kann kein Strom flie\u00dfen. Sobald jedoch eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die Ladungstr\u00e4ger &#8211; Elektronen(-)-im Kanal beeinflusst. Dieses Feld erzeugt einen leitenden Kanal zwischen Source und Drain, der es dem Strom erm\u00f6glicht, zu flie\u00dfen. Die St\u00e4rke des Stromflusses wird durch die H\u00f6he der Spannung am Gate bestimmt. Je h\u00f6her die Spannung, desto st\u00e4rker ist das elektrische Feld, und desto leitf\u00e4higer wird der Kanal. Dadurch kann der MOSFET als Schalter oder Verst\u00e4rker verwendet werden, indem die Spannung am Gate variiert wird, um den Stromfluss zwischen Source und Drain zu steuern.<\/p>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Typenvielfalt<\/h3>\n\n\n\n<p>Bei bipolaren Transistoren gibt es nur zwei Grundtypen: npn und pnp. Die Welt der MOSFETs ist etwas komplizierter. Zun\u00e4chst gen\u00fcgt es jedoch, die vier Grundtypen zu kennen:<\/p>\n\n\n\n<ol class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>n-Kanal-MOSFET (NMOS):<\/strong>\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Der Kanal besteht aus negativ dotiertem (n-) Halbleitermaterial<\/li>\n\n\n\n<li>Stromfluss durch Elektronen<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n\n\n\n<li><strong>p-Kanal-MOSFET (PMOS):<\/strong>\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Der Kanal ist positiv dotiert (p-Typ)<\/li>\n\n\n\n<li>Stromfluss durch \u201eL\u00f6cher\u201c (= Defektelektronen)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Anreicherungstyp (Enhancement Mode) &#8211; selbstsperrend:<\/strong>\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Leitet nur bei ausreichender Gate-Spannung<\/li>\n\n\n\n<li>Standardtyp in digitalen Schaltungen wie z. B. Mikroprozessoren<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Verarmungstyp (Depletion Mode) \u2013 selbstleitend:<\/strong>\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Leitet ohne Gate-Spannung und wird durch eine Gegenspannung abgeschaltet<\/li>\n\n\n\n<li>seltener, z. B. in speziellen Analogschaltungen zu finden<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ol>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-columns is-layout-flex wp-container-core-columns-is-layout-28f84493 wp-block-columns-is-layout-flex\">\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\">\n<p>Die Schaltbilder hierzu sind in <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 2<\/mark> dargestellt. Der <strong>n-Kanal<\/strong>-Enhancement-MOSFET (<strong>selbstsperrend<\/strong>, in <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 2<\/mark> links oben) ist der mit Abstand wichtigste und am weitesten verbreitete MOSFET-Typ in der modernen Elektronik. Seine dominante Stellung verdankt er vor allem seiner zentralen Rolle in der digitalen Schaltungstechnik und Leistungselektronik.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\">\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"996\" height=\"682\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild02_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 2: MOSFET-Schaltbilder\" class=\"wp-image-4808\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild02_mosfet.jpg 996w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild02_mosfet-300x205.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild02_mosfet-768x526.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 996px) 100vw, 996px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 2: MOSFET-Schaltbilder<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n<p>In der digitalen Welt bildet dieser MOSFET-Typ das R\u00fcckgrat der allgegenw\u00e4rtigen CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), die in praktisch jedem modernen Mikrochip eingesetzt wird &#8211; von Prozessoren \u00fcber Speicherbausteine bis hin zu Logik-ICs. Der Grund f\u00fcr diese Vorrangstellung liegt in den besseren elektrischen Eigenschaften des n-Kanal-Typs: Elektronen als Ladungstr\u00e4ger bewegen sich deutlich schneller durch den Kanal als die L\u00f6cher im p-Kanal-MOSFET. Dadurch werden h\u00f6here Schaltgeschwindigkeiten erm\u00f6glicht.<br><br>Auch in der Leistungselektronik hat sich der n-Kanal Enhancement-MOSFET durchgesetzt. F\u00fcr Anwendungen wie Schaltnetzteile, Motorsteuerungen oder Spannungswandler bietet er entscheidende Vorteile: sein Einschaltwiderstand ist bei gleicher Chipfl\u00e4che deutlich niedriger als bei p-Kanal-Varianten, was zu geringeren Leitungsverlusten und h\u00f6herer Energieeffizienz f\u00fchrt. Zudem lassen sich n-Kanal-MOSFETs kosteng\u00fcnstiger herstellen, was sie zur ersten Wahl f\u00fcr Massenanwendungen macht. Daher soll der selbstsperrende n-Kanal-MOSFET im Folgenden n\u00e4her betrachtet werden.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Geisterhaft: leistungsloses Steuern<\/h2>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-columns is-layout-flex wp-container-core-columns-is-layout-28f84493 wp-block-columns-is-layout-flex\">\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\" style=\"flex-basis:60%\">\n<p><mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 3 <\/mark>zeigt eine \u201egeisterhafte\u201c Schaltung mit einem selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET. Mit dieser einfachen Schaltung lassen sich bereits hochinteressante Effekte beobachten. Die \u201eAntenne\u201c kann aus einem einfachen Drahtst\u00fcck bestehen. <br><br><mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 4 <\/mark>zeigt einen praktischen Aufbauvorschlag zu dieser Schaltung.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\">\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"614\" height=\"572\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild03_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 3: \u201eGeisterhafte\u201c MOSFET-Schaltung\" class=\"wp-image-4809\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild03_mosfet.jpg 614w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild03_mosfet-300x279.jpg 300w\" sizes=\"auto, (max-width: 614px) 100vw, 614px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 3: \u201eGeisterhafte\u201c MOSFET-Schaltung<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1062\" height=\"572\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild04_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 4: Aufbauvorschlag zur \u201egeisterhaften\u201c MOSFET-Schaltung\" class=\"wp-image-4810\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild04_mosfet.jpg 1062w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild04_mosfet-300x162.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild04_mosfet-768x414.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 1062px) 100vw, 1062px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 4: Aufbauvorschlag zur \u201egeisterhaften\u201c MOSFET-Schaltung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Sobald man die Hand in die N\u00e4he der Antenne bringt, leuchtet die LED auf &#8211; oder sie wird dunkler. Das exakte Verhalten ist schwer vorherzusagen. Bewegt man den Aufbau durch den Raum, ver\u00e4ndert sich die LED-Anzeige st\u00e4ndig: Mal leuchtet sie, mal bleibt sie dunkel. Metallische Gegenst\u00e4nde, elektrische Leitungen und sogar die blo\u00dfe Anwesenheit anderer Personen beeinflussen das elektrische Feld im Raum und damit die LED!<\/p>\n\n\n\n<p class=\"has-gray-lightest-100-background-color has-background\" style=\"padding-top:var(--wp--preset--spacing--20);padding-right:var(--wp--preset--spacing--20);padding-bottom:var(--wp--preset--spacing--20);padding-left:var(--wp--preset--spacing--20)\"><strong>Hinweis:<\/strong> Da die Funktion der Schaltung auf elektrostatischen Feldern beruht, funktioniert sie bei geringer Luftfeuchtigkeit &#8211; also vor allem im Winter \u2013 am besten.<\/p>\n\n\n\n<p>Man kann MOSFETs auch mit blo\u00dfer Reibungselektrizit\u00e4t steuern. Mit einfachen Materialien aus dem Haushalt wie einem Kunststofflineal und einem Wolltuch kann man den \u201emagischen\u201c Effekt besonders deutlich demonstrieren. Man reibe das Plastiklineal kr\u00e4ftig am Wolltuch (oder einem Wollpullover), um es elektrostatisch aufzuladen. Wenn man das geladene Lineal nun in die N\u00e4he des MOSFETs bringt (ohne die Antenne zu ber\u00fchren!), sieht man ein faszinierendes Ph\u00e4nomen \u2013 die LED beginnt ihre Helligkeit zu ver\u00e4ndern! Die elektrostatische Ladung auf dem Lineal erzeugt ein ausreichend starkes Feld, um den MOSFET zu beeinflussen, genau wie jede andere Spannung am Gate.<br><br>Besonders beeindruckend ist, dass die Helligkeit der LED direkt von der St\u00e4rke der Aufladung abh\u00e4ngt. Bei kr\u00e4ftigem Reiben ist der Effekt st\u00e4rker, bei schw\u00e4cherer Aufladung nur gering. Im abgedunkelten Raum lassen sich die Auswirkungen besonders gut beobachten.<br><br>Dieser einfache Versuch demonstriert mehrere wichtige Prinzipien der MOSFET-Elektronik:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>extreme Empfindlichkeit von MOSFETs gegen\u00fcber elektrischen Feldern;<\/li>\n\n\n\n<li>die M\u00f6glichkeit, elektronische Schaltungen ber\u00fchrungslos zu steuern;<\/li>\n\n\n\n<li>offene Gate-Eing\u00e4nge k\u00f6nnen zu unerwarteten Effekten f\u00fchren. Dies gilt auch f\u00fcr digitale Schaltkreise. Dort k\u00f6nnen sie sogar erhebliche Fehlfunktionen verursachen.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Allerdings ist hier auch Vorsicht geboten: MOSFETs sind empfindliche Bauteile. Man sollte das geladene Lineal daher immer in einem Abstand von ca. 1-2 cm zum Transistor halten, um Sch\u00e4den zu vermeiden. Der 1-\u039c\u03a9-Widerstand zwischen der Antenne und dem Gate des MOSFETs dient hier als Schutzwiderstand. Vorsichtshalber sollte man aber dennoch eine direkte Ber\u00fchrung der Antenne verhindern.<\/p>\n\n\n\n<p>Mit etwas \u00dcbung kann man feststellen, dass die LED durch geschickte Bewegung des Lineals sogar gedimmt werden kann \u2013 ein beeindruckender Beweis f\u00fcr die Macht der Elektrostatik im Alltag!<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Ein LED-Dimmer mit \u201eTouch\u201c- Funktion<\/h2>\n\n\n\n<p>Mit einfachen Mitteln kann die Geisterschaltung zu einem zuverl\u00e4ssigen Sensor-Dimmer erweitert werden. Wird zus\u00e4tzlich ein Speicherkondensator zwischen Gate und Source des FETs geschaltet, entsteht eine \u201eIntegrator-Schaltung\u201c, deren Ausgangsspannung sich nur langsam \u00e4ndert. Mit 1\u039c\u03a9 und 1 \u00b5F erh\u00e4lt man eine Zeitkonstante im Sekundenbereich. Mit Ber\u00fchrungskontakten (z. B. Rei\u00dfn\u00e4geln) kann eine beliebige Helligkeit der LEDs eingestellt werden. Eine Ber\u00fchrung mit dem Finger reicht aus, um die LED zu steuern. Werden Gate- und Plus-Kontakt <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">(in Bild 5 oben) <\/mark>gemeinsam ber\u00fchrt, wird die LED heller. Bei gleichzeitiger Ber\u00fchrung von Gate- und Minuskontakt<mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\"> (in Bild 5 unten)<\/mark> wird sie dunkler. Damit hat man einen praxistauglichen Ber\u00fchrungssensor mit Dimmer-Funktion. Falls keine geeigneten Rei\u00dfn\u00e4gel zur Verf\u00fcgung stehen, k\u00f6nnen auch direkt blanke Drahtst\u00fccke als Kontakte verwendet werden.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"2000\" height=\"822\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild05_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 5: LED-Dimmer mit \u201eTouch\u201c-Funktion\" class=\"wp-image-4811\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild05_mosfet.jpg 2000w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild05_mosfet-300x123.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild05_mosfet-1600x658.jpg 1600w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild05_mosfet-768x316.jpg 768w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild05_mosfet-1536x631.jpg 1536w\" sizes=\"auto, (max-width: 2000px) 100vw, 2000px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 5: LED-Dimmer mit \u201eTouch\u201c-Funktion<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Nach dem \u00d6ffnen bzw. Loslassen der Kontakte bleibt die eingestellte Helligkeit relativ lange konstant. Allerdings ver\u00e4ndert sich die Helligkeit im Laufe der Zeit, da sich der Kondensator durch verschiedene Effekte selbst\u00e4ndig entl\u00e4dt. In der Praxis ist diese Zeitspanne allerdings so gro\u00df, dass dieser Effekt kaum eine Rolle spielt.<\/p>\n\n\n\n<p>Steht ein extrem hochohmiger Widerstand (z. B. 10 \u039c\u03a9) zur Verf\u00fcgung, kann man die Entladungen beschleunigen. Der Widerstand muss dazu parallel zum Kondensator geschaltet werden. Damit l\u00e4sst sich eine automatische Ber\u00fchrungslampe realisieren, die durch Ber\u00fchrung eingeschaltet wird und nach einigen Sekunden selbstst\u00e4ndig wieder erlischt.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">MOSFETS als Kraftpakete<\/h2>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-columns is-layout-flex wp-container-core-columns-is-layout-28f84493 wp-block-columns-is-layout-flex\">\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\" style=\"flex-basis:66.66%\">\n<p>Das MOSFET-Modul aus dem PAD-Set ist mit 20 V\/3 A beschriftet. Dies mag zun\u00e4chst erstaunen, da SMD-Transistoren vergleichbarer Gr\u00f6\u00dfe maximal 100 mA schalten k\u00f6nnen. Das Bauteil selbst ist winzig, es misst nur wenige Millimeter <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">(s. Bild 6)<\/mark>.<br><br>Der Schl\u00fcssel f\u00fcr die hohe Leistungsf\u00e4higkeit ist der sogenannte Einschaltwiderstand (RDS(on)). Bei diesem MOSFET betr\u00e4gt er nur 0,045 \u03a9, w\u00e4hrend der Bipolartransistor (BC548) eine feste S\u00e4ttigungsspannung hat. Bei 1 A verliert der MOSFET nur 0,045 W, der BC548 aber 0,7 W \u2013 er w\u00fcrde bereits \u00fcberhitzen und w\u00e4re innerhalb von Sekundenbruchteilen defekt! Dank des minimalen Widerstands kann der hier verwendete IRLML2502 dagegen bis \u00fcber 3 A schalten. MOSFETs sind damit effizienter f\u00fcr Anwendungen mit hohen Str\u00f6men.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-column is-layout-flow wp-block-column-is-layout-flow\" style=\"flex-basis:33.33%\">\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"794\" height=\"860\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild06_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 6: Der MOSFET selbst ist nur wenige Millimeter gro\u00df!\" class=\"wp-image-4812\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild06_mosfet.jpg 794w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild06_mosfet-277x300.jpg 277w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild06_mosfet-768x832.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 794px) 100vw, 794px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 6: Der MOSFET selbst ist nur wenige Millimeter gro\u00df!<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n<div style=\"height:15px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-group is-style-without-space has-gray-lightest-100-background-color has-background is-layout-constrained wp-container-core-group-is-layout-c385debf wp-block-group-is-layout-constrained\" style=\"padding-top:var(--wp--preset--spacing--20);padding-right:var(--wp--preset--spacing--20);padding-bottom:var(--wp--preset--spacing--20);padding-left:var(--wp--preset--spacing--20)\">\n<p>Die wichtigsten Daten des IRLML2502 sind:<br>Typ: n-Kanal-Enhancement-Mode-MOSFET<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Maximale Drain-Source-Spannung: 20 V<\/li>\n\n\n\n<li>Maximale Gate-Source-Spannung: \u00b112 V<\/li>\n\n\n\n<li>Maximaler Dauerstrom: 3,4 A<\/li>\n\n\n\n<li>Gate-Schwellenspannung: 0,45-1,0 V<\/li>\n\n\n\n<li>Einschaltwiderstand: 45 m\u03a9 = 0,045 \u03a9<\/li>\n\n\n\n<li>Einschaltzeit ton: 10 ns<\/li>\n\n\n\n<li>Ausschaltzeit toff: 24 ns<\/li>\n\n\n\n<li>Geh\u00e4usetemperatur: -55 \u00b0C bis +150 \u00b0C<\/li>\n<\/ul>\n<\/div>\n\n\n\n<div style=\"height:15px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<p>Der IRLML2502 ist also zudem ein \u201eLogic-Level-Gate\u201c-Typ. Er ist schon bei VGS = 2,5 V voll durchgeschaltet und damit ideal f\u00fcr die Ansteuerung mit Mikrocontrollern wie Arduino, ESP 32 oder Raspberry Pi. Die niedrige Gate-Ladung erm\u00f6glicht zudem hohe Schaltfrequenzen (bis in den MHz-Bereich). Durch den ESD-Schutz (bis 2 kV) ist der MOSFET zudem relativ robust. Typische Anwendungen sind damit Lastschaltungen in 3,3 V-\/5 V-Systemen, PWM-Steuerung von LEDs, Relais oder Motoren.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Praxisbeispiel Motorsteuerung<\/h2>\n\n\n\n<p>MOSFETs sind heute eine der wichtigsten Bausteine zur Steuerung von Elektromotoren, besonders im Bereich der Gleichstrommotoren (\u201eDC\u201c-Motoren). Sie funktionieren wie elektronische Schalter oder variable Widerst\u00e4nde und bieten eine sehr effiziente M\u00f6glichkeit, Motoren ein- und auszuschalten oder ihre Drehzahl pr\u00e4zise zu steuern.<\/p>\n\n\n\n<p>In typischen Leistungsschaltungen werden wieder n-Kanal-MOSFETs bevorzugt verwendet. Dabei wird der Motor zwischen die positive Versorgungsspannung und den Drain-Anschluss des MOSFETs geschaltet. Der Source-Anschluss wird mit Masse (GND) verbunden. Ein zus\u00e4tzlicher Pull-down-Widerstand (z. B. 10 k\u03a9) sorgt daf\u00fcr, dass das Gate im ausgeschalteten Zustand sicher auf Masse gezogen wird und der Motor nicht ungewollt anl\u00e4uft.<\/p>\n\n\n\n<p>Ein wichtiger Schutzbaustein ist die sogenannte Freilaufdiode, die antiparallel zum Motor angeschlossen wird. Da Elektromotoren beim pl\u00f6tzlichen Abschalten hohe Induktionsspannungen erzeugen, k\u00f6nnte der MOSFET ohne Diode besch\u00e4digt werden. Die Diode sorgt daf\u00fcr, dass diese Spannungen sicher abgeleitet wird.<\/p>\n\n\n\n<p>Die Motorsteuerung mit MOSFETs bietet einige Vorteile:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>Hohe Effizienz:<\/strong> sehr geringe Verluste im leitenden Zustand<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Einfache Ansteuerung:<\/strong> direkt mit Mikrocontroller m\u00f6glich (besonders bei Logic-Level-MOSFETs)<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Kompakte Bauweise:<\/strong> kleine Bauteile, wenig externe Beschaltung n\u00f6tig<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Hohe Strombelastbarkeit:<\/strong> Leistungs-MOSFETs k\u00f6nnen problemlos mehrere Ampere schalten<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<p>Dem stehen allerdings auch einige Nachteile gegen\u00fcber:<\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li><strong>Empfindlichkeit gegen statische Entladung (ESD):<\/strong> Vorsicht beim Handling, da das Gate leicht zerst\u00f6rt werden kann.<\/li>\n\n\n\n<li><strong>Schutzma\u00dfnahmen erforderlich:<\/strong> Ohne Freilaufdiode oder Gatewiderstand k\u00f6nnen Sch\u00e4den entstehen.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Vollautomatischer Ventilator<\/h2>\n\n\n\n<p>Um die Leistungsf\u00e4higkeit eines MOSFETs in der Praxis zu demonstrieren, soll hier eine vollautomatische Ventilatorschaltung vorgestellt werden. Ein Temperatursensor steuert die Schaltung. Die Ansteuerung des Ventilators erfolgt \u00fcber den MOSFET. Die <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bilder 7 und 8 <\/mark>zeigen das Schaltbild und einen Aufbauvorschlag dazu.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-resized is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1258\" height=\"639\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild07_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 7: Schaltbild zum automatischen Ventilator\" class=\"wp-image-4813\" style=\"width:789px;height:auto\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild07_mosfet.jpg 1258w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild07_mosfet-300x152.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild07_mosfet-768x390.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 1258px) 100vw, 1258px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 7: Schaltbild zum automatischen Ventilator<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-resized is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1258\" height=\"639\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild08_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 8: Aufbau zum vollautomatischen Ventilator\" class=\"wp-image-4814\" style=\"width:791px;height:auto\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild08_mosfet.jpg 1258w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild08_mosfet-300x152.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild08_mosfet-768x390.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 1258px) 100vw, 1258px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 8: Aufbau zum vollautomatischen Ventilator<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Der NTC-Widerstand \u00e4ndert seinen Wert mit der Temperatur. Steigt diese an, f\u00e4llt sein Widerstandswert ab (siehe auch Teil 7 dieser Serie: <a href=\"https:\/\/de.elv.com\/p\/frostmelder-und-brandwaechter-projekte-fuer-elektronikeinsteiger-P254175\/\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer nofollow\">Frostmelder und Brandw\u00e4chter<\/a>). Dadurch f\u00e4llt auch die Spannung an der Basis von T1. Mit dem Potentiometer kann die genaue Basisspannung und damit die Schaltschwelle des automatischen Ventilators eingestellt werden. Sobald die Basisspannung den Schwellwert der Transistorschaltspannung von ca. 0,6 unterschreitet, schaltet der Transistor. Damit \u00e4ndert sich auch die Spannung am Gate des MOSFETs. Wird diese gr\u00f6\u00dfer als die Gate-Schwellenspannung von 0,45-1,0 V, wird der MOSFET leitend und der Ventilator beginnt zu laufen.<\/p>\n\n\n\n<p>F\u00e4llt die Umgebungstemperatur unter den Schwellwert, steigt der Widerstand des NTCs, T1 wird leitend und das Gate des MOSFETs wird auf Masse geschaltet. Damit sperrt der MOSFET und der Ventilatormotor kommt zum Stehen. Der Widerstand R4 liefert eine positive R\u00fcckkopplung an die Basis von T1. Damit wird eine gewisse Hysterese erzeugt. Diese sorgt daf\u00fcr, dass es am Umschaltpunkt nicht zu unerw\u00fcnschten Oszillationen kommt. <mark style=\"background-color:rgba(0, 0, 0, 0)\" class=\"has-inline-color has-blue-color\">Bild 9<\/mark> zeigt die mit einem Oszilloskop gemessenen Schaltschwellen. Die rote Linie zeigt die Eingangsspannung an der Basis von T1. Die Hysterese (oranger Bereich) ist deutlich zu erkennen. Die Schaltung sorgt also daf\u00fcr, dass der Ventilator bei zu hohen Temperaturen automatisch anl\u00e4uft und bei Unterschreiten der gew\u00e4hlten Schalttemperatur wieder abgeschaltet wird.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-full is-style-bordered\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1050\" height=\"574\" src=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild09_mosfet.jpg\" alt=\"Bild 9: Schaltschwellen und Hysterese (500 ms bzw. 1 V pro Skalenteil)\" class=\"wp-image-4815\" srcset=\"https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild09_mosfet.jpg 1050w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild09_mosfet-300x164.jpg 300w, https:\/\/elvjournal.elv.com\/wp-content\/uploads\/bild09_mosfet-768x420.jpg 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 1050px) 100vw, 1050px\" \/><figcaption class=\"wp-element-caption\">Bild 9: Schaltschwellen und Hysterese (500 ms bzw. 1 V pro Skalenteil) <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Temperaturgesteuerte Ventilatoren finden vielf\u00e4ltige Anwendungen in zahlreichen Bereichen. In der Computertechnik und Leistungselektronik sind sie unerl\u00e4sslich f\u00fcr die K\u00fchlung von Komponenten wie CPUs, Grafikkarten und Netzteilen. Aber auch f\u00fcr die allgemeine Geh\u00e4usel\u00fcftung und die Klimatisierung von Serverr\u00e4umen kommen sie zum Einsatz, um \u00dcberhitzung und Leistungsverlust zu vermeiden sowie die thermische Stabilit\u00e4t ganzer Systeme zu gew\u00e4hrleisten.<br><br>Im Haushalt und in Geb\u00e4uden werden die Ventilatoren in Gew\u00e4chsh\u00e4usern zur Optimierung der Wachstumsbedingungen eingesetzt oder als Dachbodenl\u00fcfter zur Reduzierung der sommerlichen Hitzeentwicklung. Auch in der Fahrzeugtechnik spielen sie eine wichtige Rolle bei der Motork\u00fchlung und in einigen F\u00e4llen auch bei der Innenrauml\u00fcftung. Dar\u00fcber hinaus finden sich temperaturgesteuerte Ventilatoren in Laborger\u00e4ten, medizinischen Systemen usw. Mithilfe leistungsf\u00e4higer MOSFETs lassen sich dort auch gr\u00f6\u00dfere Motoren und Antriebe problemlos steuern und regeln.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Ausblick<\/h2>\n\n\n\n<p>Nachdem in diesem Artikel die Grundlagen und Anwendungen von MOSFETs genauer betrachtet wurden, soll es im n\u00e4chsten Beitrag darum gehen, wie man Spannungen elektronisch umwandeln kann. Dabei sollen dann wieder klassische Transistoren zum Einsatz kommen, um Spannungen effizient zu erh\u00f6hen oder aber auch zu reduzieren. Insbesondere die Spannungserh\u00f6hung bietet viele interessante Anwendungen. So k\u00f6nnen damit z. B. Leuchtdioden auch noch mit nahezu leeren Batterien betrieben werden &#8211; auch ein kleiner Beitrag zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz!<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Erg\u00e4nzungen und Anregungen<\/h2>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>Kann man mit der \u201eGeisterschaltung\u201c auch Leitungen in Mauern und W\u00e4nden aufsp\u00fcren?<\/li>\n\n\n\n<li>Mit einem leistungsstarken LED-Cluster kann die Dimmerschaltung auf eine leuchtstarke Sensorlampe umger\u00fcstet werden &#8211; was ist dabei zu beachten?<\/li>\n\n\n\n<li>In welchen Grenzen l\u00e4sst sich die Schaltschwelle der automatischen Ventilatorsteuerung \u00e4ndern? Wie k\u00f6nnte man den Bereich erweitern bzw. einschr\u00e4nken?<\/li>\n\n\n\n<li>Welche Grenzwerte sollte man beim Betrieb der Ventilatorsteuerung beachten &#8211; Hinweis: Leistungsdaten des MOSFETs?<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<div style=\"height:25px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<h3 class=\"wp-block-heading\">Material<\/h3>\n\n\n<div class=\"alignnone wp-block-dhsv-product-teaser\">\n    <div data-component=\"ProductTeaser\" data-props=\"{&quot;productIds&quot;:&quot;158980,118161,081527&quot;,&quot;view&quot;:&quot;list&quot;,&quot;slider&quot;:true,&quot;sliderMobile&quot;:true,&quot;align&quot;:&quot;none&quot;}\"><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n<div style=\"height:15px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<blockquote class=\"wp-block-quote is-layout-flow wp-block-quote-is-layout-flow\">\n<p><strong>Au\u00dferdem ben\u00f6tigen Sie:<\/strong><\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\">\n<li>MOSFET oder MOSFET-Modul<\/li>\n\n\n\n<li>LED oder LED-Modul<\/li>\n\n\n\n<li>Verschiedene Widerst\u00e4nde<\/li>\n\n\n\n<li>Kleiner Gleichstrommotor (als Ventilator)<\/li>\n<\/ul>\n<\/blockquote>\n\n\n\n<div style=\"height:15px\" aria-hidden=\"true\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n\n\n<p class=\"has-gray-lightest-100-background-color has-background\" style=\"padding-top:var(--wp--preset--spacing--20);padding-right:var(--wp--preset--spacing--20);padding-bottom:var(--wp--preset--spacing--20);padding-left:var(--wp--preset--spacing--20)\"><strong>\u00dcber den Autor<br><\/strong>Dr. G\u00fcnter Spanner ist als Autor zu den Themen Elektronik, Sensortechnik und Mikrocontroller einem weiten Fachpublikum bekannt. Schwerpunkt seiner hauptberuflichen T\u00e4tigkeit f\u00fcr verschiedene Gro\u00dfkonzerne wie Siemens und ABB ist die Projektleitung im Bereich Entwicklung und Technologie-Management. Der Dozent fu\u0308r Physik und Elektrotechnik hat zudem zahlreiche Fachartikel und Bu\u0308cher vero\u0308ffentlicht sowie Kurse und Lernpakete erstellt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>FETs und MOSFETs sind unverzichtbar f\u00fcr digitale Schaltungen und Leistungselektronik. 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