Das heiße MOSFET-Problem
Sie wollen mit einem Arduino einen 12V-Motor schalten. Sie kaufen einen IRLZ44N MOSFET, schließen alles an — und nach 30 Sekunden können Sie den MOSFET nicht mehr anfassen. Was ist schiefgelaufen?
Die Antwort liegt in den drei Arbeitsbereichen eines MOSFET. Stellen Sie sich den MOSFET wie einen Wasserhahn vor:
Ihr MOSFET wird heiß, weil er im mittleren Zustand (halb offen) hängt. Das passiert, wenn die Gate-Spannung zu niedrig ist — z.B. ein Arduino gibt nur 5V aus, aber Ihr MOSFET braucht 10V am Gate für vollen Durchlass.
Die Lösung: V_GS hoch genug treiben
Um den MOSFET kühl zu halten, muss er voll durchgeschaltet sein — also V_GS deutlich über der Schwellenspannung V_th:
| Steuerung | V_GS | MOSFET-Typ | Ergebnis |
|---|---|---|---|
| Arduino (5V) | 5 V | Logic-Level (IRLZ44N) | ✅ Voll an. R_DS(on) < 0,05 Ω |
| Arduino (5V) | 5 V | Standard (IRF540N) | 🔥 Halb an! R_DS hoch → heiß |
| Gate-Treiber (12V) | 12 V | Standard (IRF540N) | ✅ Voll an. R_DS(on) < 0,05 Ω |
| Raspberry Pi (3,3V) | 3,3 V | Logic-Level (IRLML6344) | ✅ Voll an bei 3,3V-Logic-Level |
Daumenregel: Schauen Sie im Datenblatt nach R_DS(on) — aber bei Ihrer Gate-Spannung, nicht bei 10V! Ein IRF540N hat bei V_GS = 10V nur 0,044 Ω, aber bei V_GS = 4,5V sind es über 1 Ω. Nutzen Sie unseren MOSFET-Arbeitsbereich-Rechner für die automatische Bestimmung.
Wann welcher Arbeitsbereich?
Die drei Arbeitsbereiche haben jeweils ihren Einsatzzweck:
Abschaltung (V_GS < V_th): Der MOSFET ist komplett aus. Kein Strom fließt (bis auf wenige Nanoampere Leckstrom). Anwendung: Jeder Schaltzyklus beginnt und endet hier.
Linearer Bereich (V_GS > V_th, V_DS klein): Der MOSFET verhält sich wie ein steuerbarer Widerstand. R_DS hängt von V_GS ab. Anwendung: Absichtlich nur in analogen Schaltungen (z.B. Audioverstärker, aktive Lasten). Beim Schalten ist dieser Bereich der Feind — hier entsteht die meiste Verlustleistung.
Sättigungsbereich (V_DS > V_GS - V_th): Der MOSFET arbeitet als spannungsgesteuerte Stromquelle. I_D hängt nur von V_GS ab, nicht von V_DS. Anwendung: Analoge Verstärker (der MOSFET als Verstärkerelement). Nicht zu verwechseln mit dem "voll durchgeschalteten" Zustand beim Schalten!
Achtung — Begriffsfalle: In der MOSFET-Welt heißt "Sättigung" etwas anderes als beim BJT! MOSFET-Sättigung = Stromquelle (analog). BJT-Sättigung = Schalter durchgeschaltet. Diese Verwechslung ist die häufigste Fehlerquelle in Prüfungen.
P-MOSFET vs. N-MOSFET: Wann was?
N-MOSFET (Standard): Sitzt zwischen Last und GND (Low-Side Switch). Einfach mit Arduino/Raspberry Pi anzusteuern. Nachteil: Die Last liegt zwischen Vcc und Drain — nicht ideal für manche Schaltungen.
P-MOSFET: Sitzt zwischen Vcc und Last (High-Side Switch). Schaltet die Plus-Seite. Nachteil: Braucht V_GS < 0 zum Einschalten, also eine invertierende Ansteuerung. Außerdem ca. 2–3× höheres R_DS(on) als vergleichbare N-MOSFETs, weil Löcher langsamer sind als Elektronen.
Praxis-Empfehlung: Nehmen Sie N-MOSFET für 90 % der Projekte. P-MOSFET nur, wenn Sie unbedingt High-Side schalten müssen (z.B. Verpolungsschutz). Die Schwellenspannung wird durch den Body-Effekt beeinflusst — Details in unserem Schwellenspannungs-Rechner.
Verwenden Sie unseren MOSFET-Arbeitsbereich für Ihre eigenen Berechnungen.
Häufig gestellte Fragen
Mein MOSFET wird warm, obwohl ich einen Logic-Level-Typ verwende. Woran liegt das?
Prüfen Sie den Strom! Selbst R_DS(on) = 0,05 Ω erzeugt bei 10A eine Verlustleistung von 5W (I²×R). Das ist genug, um den MOSFET ohne Kühlkörper auf über 100°C zu bringen. Bei hohen Strömen immer einen Kühlkörper verwenden oder mehrere MOSFETs parallel schalten.
Kann ich einen MOSFET zum Dimmen eines LED-Streifens verwenden?
Ja — mit PWM. Schließen Sie den MOSFET als Low-Side-Switch an und steuern Sie ihn mit einem PWM-Signal (z.B. Arduino analogWrite). Der MOSFET schaltet dabei schnell zwischen Aus und voll An hin und her, nicht etwa in den linearen Bereich. Frequenz: 1–25 kHz reichen für LEDs.
Was ist der Unterschied zwischen einem MOSFET und einem BJT als Schalter?
Der MOSFET ist spannungsgesteuert (Gate braucht keinen Dauerstrom), der BJT ist stromgesteuert (Basis braucht dauerhaft I_B). Für die meisten Schaltanwendungen ist der MOSFET besser: kein Basisstrom, niedrigere Verluste, schnelleres Schalten. BJTs haben Vorteile bei kleinen Analogsignalen.
Quellen und Referenzen
- Razavi, B. (2016): „Design of Analog CMOS Integrated Circuits“, 2. Aufl., McGraw-Hill
- Sedra, A.S. & Smith, K.C. (2020): „Microelectronic Circuits“, 8. Aufl., Oxford University Press
- Infineon Technologies — „MOSFET Basics“ Application Note