P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter

Im Auto, auf dem Boot oder am Wohnmobil hängen fast alle Verbraucher mit einer Seite fest an der Karosserie. Schalten lässt sich nur die Plusleitung. Für einige hundert Milliampere reicht dafür der PNP-Transistor als High-Side-Schalter. Bei mehreren Ampere braucht er aber einen großen Basisstrom und verliert an seiner Sättigungsspannung zu viel Leistung. Ein P-Kanal-MOSFET in derselben Position braucht nur eine Gate-Spannung und leitet mit wenigen Milliohm.

Die Schaltung ist das Gegenstück zum MOSFET als Low-Side-Schalter. Hier schaltet sie einen LED-Arbeitsscheinwerfer mit 48 W im 12-V-Bordnetz, gesteuert von einem 3,3-V-Mikrocontroller.

Schaltplan

• T1, IRF4905: P-Kanal-MOSFET im TO-220, −55 V, −74 A, höchstens 20 mΩ bei −10 V Gate-Source-Spannung. Source an +12 V, Drain an der Last.
• R1, 10 kΩ: zwischen Gate und Source. Er hält T1 gesperrt und entlädt das Gate beim Ausschalten.
• R2, 1 kΩ: bildet mit R1 einen Teiler. Das Gate wird nicht ganz auf Masse gezogen, sondern auf rund 1,1 V.
• T2, BC547B mit R3 und R4: Treiber und Pegelwandler vom 3,3-V-Pin, wie beim NPN-Low-Side-Schalter.
• Body-Diode: liegt zwischen Drain (Anode) und Source (Kathode). Im Normalbetrieb ist sie gesperrt.

So funktioniert die Schaltung

Ein P-Kanal-MOSFET leitet, wenn sein Gate negativer als die Source ist. Weil die Source an +12 V hängt, heißt das: Gate unter etwa 8 V ziehen. Liegt das Gate auf Source-Potential, sperrt er.

Pin low: T2 sperrt, R1 zieht das Gate auf 12 V. U_GS = 0 V, T1 ist aus, der Scheinwerfer dunkel.

Pin high: T2 leitet und zieht das untere Ende von R2 auf Masse. Am Gate stellt sich die Spannung des Teilers ein, U_GS ≈ −10,9 V. T1 schaltet voll durch; zwischen Source und Drain bleiben bei 4 A nur 0,08 V.

Wie beim PNP gilt: Ein 3,3-V-Pin kann das Gate nicht auf 12 V heben, er würde T1 nie abschalten. T2 übernimmt deshalb die Pegelanpassung. Die Logik bleibt nicht invertiert: Pin high, Licht an.

Das Ausschalten ist die langsame Seite. Sperrt T2, entlädt sich das Gate nur über R1. Der IRF4905 hat eine große Gate-Ladung, und das Miller-Plateau mit 86 nC muss über 10 kΩ mit nur 0,45 mA abgebaut werden:

Dimensionierung

1. Laststrom. I_D = 48 W / 12 V = 4 A. Bei laufendem Motor liegen bis 14,4 V im Bordnetz; ein Scheinwerfer mit eingebautem Treiber zieht dann etwas weniger Strom.

2. MOSFET wählen. Gesucht ist ein Typ mit kleinem R_DS(on) bei etwa −10 V, mit mindestens 30 V Sperrspannung für die Spitzen im Bordnetz und mit ±20 V erlaubter Gate-Source-Spannung. Der IRF4905 erfüllt alle drei Bedingungen.

3. Gate-Spannung. Der Teiler aus R1 und R2 legt sie fest:

Bei 14,4 V sind es −13,1 V, bei schwacher Batterie mit 10,5 V noch −9,5 V. Alles bleibt innerhalb von ±20 V und hält den MOSFET voll durchgeschaltet.

4. Leitverluste.

Mit 62 K/W ohne Kühlkörper und dem Anstieg von R_DS(on) mit der Wärme landet die Sperrschicht bei 50 °C Umgebung bei etwa 76 °C. Erlaubt sind 175 °C.

5. Treiber. T2 führt nur 12 V / 11 kΩ ≈ 1,1 mA. R3 = 10 kΩ liefert 0,26 mA Basisstrom, also gut 40-fache Reserve bei h_FE ≥ 200.

6. Schaltzeiten. Beim Einschalten lädt T2 das Gate über R2 mit etwa (12 V − 4,5 V) / 1 kΩ ≈ 7 mA; das Plateau dauert 86 nC / 7 mA ≈ 12 μs. Beim Ausschalten fließen nur 4,5 V / 10 kΩ = 0,45 mA; das Plateau dauert 190 μs. In dieser Zeit liegen Spannung und Strom am MOSFET:

Bei einmaligem Schalten ist das nichts. Bei 1 kHz PWM wären es 4,6 W allein beim Ausschalten – der MOSFET würde ohne Kühlkörper überhitzen.

Bauteilliste

Varianten

Schneller schalten. R1 = 1 kΩ und R2 = 100 Ω ergeben dieselbe Gate-Spannung, das Ausschalten dauert 29 statt 290 μs. T2 führt dann 11 mA. Für PWM über einige hundert Hertz gehört eine Gegentaktstufe aus NPN und PNP vor das Gate, die es mit über 100 mA umlädt (Gegentakt-Endstufe).

Höhere Spannung. An 24 V würde das Gate ohne Teiler −24 V sehen – zu viel. Mit R1 = R2 = 4,7 kΩ halbiert der Teiler die Spannung auf −12 V. Alternativ begrenzt eine Z-Diode mit 12 V parallel zu R1 die Gate-Spannung unabhängig von der Versorgung.

Kleine Ströme ohne Treiber. Bei 5 V Versorgung und einem 5-V-Mikrocontroller kann der Pin das Gate direkt steuern, etwa mit einem AO3401 im SOT-23: Pin low schaltet ein, Pin high aus. Bei 3,3-V-Logik und 5-V-Last bleibt der MOSFET dagegen immer leicht leitend.

Verpolungsschutz. Rückwärts eingebaut, mit dem Drain an der Batterie und dem Gate an Masse, schützt derselbe MOSFET eine Schaltung gegen falsch angeklemmte Batterien – fast ohne Spannungsverlust. Das zeigt der Verpolungsschutz mit MOSFET. Für einen abschaltbaren Strompfad mit Strombegrenzung siehe Elektronische Sicherung.

Typische Fehler

• Scheinwerfer geht nicht aus: Das Gate wird direkt vom 3,3-V-Pin gesteuert, oder R1 fehlt. Miss im ausgeschalteten Zustand zwischen Gate und Source: Es müssen nahezu 0 V sein.
• MOSFET verkehrt herum: Mit Drain an +12 V leitet die Body-Diode dauerhaft, der Scheinwerfer brennt immer und lässt sich nicht abschalten. Die Source gehört an die Versorgung.
• Gate durchgeschlagen: Ohne R2 sieht das Gate bei 24 V −24 V oder bei Spitzen im Bordnetz noch mehr. Ein MOSFET mit zerstörtem Gate leitet oft dauerhaft.
• Rückspeisung: Hat die Last selbst eine Spannungsquelle, etwa einen Pufferakku, fließt über die Body-Diode Strom zurück in die Versorgung, auch wenn T1 aus ist.
• Heiß bei PWM: Das Gate wird über R1 zu langsam entladen. Siehe Diagramm oben; Treiberstufe einbauen.

Selbsttest