MOSFET an 3,3 V

Warum Pegelwandler?

Immer mehr Mikrocontroller werden von der bislang üblichen 5 V Versorgungsspannung auf 3,3 Volt umgestellt. Dies ist zum Beispiel bei allen ARM Prozessoren der Fall, die im Arduino DUE oder im DigiX verbaut werden.

Gleichzeitig besteht immer wieder der Wunsch, mit diesen Boards MOSFET's anzusteuern um größere Gleichspannungslasten zu schalten. Nun gibt es zwar extra sog. Logic-Level-MOSFET's, allerdings sind auch diese auf 5 Volt ausgelegt und schalten bei 3,3 Volt nicht zuverlässig durch bzw. der Widerstand zwischen Drain und Source is bei dieser Ansteuerspannung oft noch so hoch, dass ein beträchtlicher Teil der elektrischen Leistung als Wärme am MOSFET anfällt, was sehr schnell zu seiner Überhitzung / Zerstörung führen kann.

Also muss das 3,3 Volt Signal des Prozessors erst auf 5 Volt "angehoben" werden. Solche Schaltungen werden üblicherweise "Pegel-Wandler" oder im Englischen "Level-Shifter" genannt. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es verschiedenste Möglichkeiten. Wir möchten Ihnen hier aber eine besonders einfache und kostengünstige Methode aufzeigen: die Logik-Gatter der 74HCT-Familie.

Dabei handelt es sich um Logik-Bausteine in CMOS Technologie und eine Weiterentwicklung der bekannten 74HC-Familie. Das zusätzlich T im Namen gibt an, dass diese Bausteine TTL-kompatible Eingänge besitzen. Diese erkennen bereits Signale ab 2 Volt sicher als HIGH. Da diese Bausteine aber 5 Volt bei HIGH als Ausgangssignal liefern, sind sie wie geschaffen für die Verwendung als Pegelwandler, zumal sie auf Grund der weiten Verbreitung zum einen sehr leicht zu bekommen und zum anderen sehr günstig sind. So kostet ein 74HCT08 mit 4 UND-Gattern gerade mal 15 Cent.

Wie wird so ein UND-Gatter aber nun als Pegelwandler verwendet?

Grundschaltung

Grundsätzlich ist die Verwendung eines MOSFET an einem Logik-Gatter denkbar einfach. Im Bild rechts sehen Sie eine Beispiel mit dem oben bereits angesprochenen 74HCT08. Da es sich dabei um ein UND-Gatter mit zwei Eingängen handelt, wird das Signal des Mikrocontrollers (im Schaltplan IN1) einfach auf beide Eingänge eines Gatters gelegt. Ist IN1 nun HIGH, sind beide Eingänge HIGH und die Logikbedindung des UND-Gatters ist erfüllt. Damit wird dann auch der Ausgang des Gatters HIGH. Die Pegelwandlung bekommt man dabei praktisch geschenkt, da der Baustein - wie oben bereits erwähnt 3,3 Volt sicher als HIGH erkennt und automatisch 5 Volt am Ausgang zur Verfügung stellt.

Grundschaltung Diese Schaltung zeigt zwar das Grundkonzept, allerdings sind noch einige Verbesserungen nötig, bevor sie wirklich verwendet werden kann.

Zum einen sollten Schaltungen immer in einem definierten Zustand sein, auch wenn sie nicht mit einem Mikrocontroller verbunden sind. In unserem Fall können wir das ganz einfach durch einen sog. Pull-Down Widerstand erreichen, der die Eingänge sicher auf LOW "zieht", wenn an IN1 kein Prozessor angeschlossen ist. Hierfür kann man sehr hochohmige Widerstände (in unserem Fall R2 = 100k Ohm) verwenden.

Zum anderen produzieren MOSFETs oft elektromagnetische Störungen, wenn sie direkt mit 5 Volt angesteuert werden. Abhilfe kann hier ein niederohmiger Widerstand zwischen dem Ausgang des Gatters und dem Gate des MOSFETs schaffen. In unserem Beispiel links verwenden wir hierfür einen 100 Ohm Widerstand. Intern verhält sich der Gate Eingang des MOSFET's wie ein Kondensator. Mit einem Widerstand an seinem Eingang wird die Zeit erhöht, die dieser Kondensator zum Umladen benötigt. Die Höhe dieses Widerstandes hat somit Einfluss auf die max. Schaltfrequenz des MOSFET's und sollte passend zur Gatekapazität und dem Anwendungszweck des MOSFET's gewählt werden. Soll mit Hilfe des MOSFET etwa eine PWM-Schaltung realisiert werden, ist ein kleiner Widerstandswert ggf. sinnvoll.

Erweiterte Grundschaltung mit LED

Da sich der Gate-Anschluss des MOSFET wie bereits erwähnt wie ein Kondensator verhält, fügen wir noch einen weiteren (diesmal wieder sehr hochohmigen) Widerstand zwischen Gate und Masse hinzu. Dieser soll beim Wechsel von HIGH nach LOW dafür sorgen, dass die in der Gate Kapazität gespeicherte Ladung möglichst schnell und problemfrei entladen wird.

Zusätzlich könnte man jetzt noch eine LED mit passendem Vorwiderstand in den Signalweg einbauen, um auch noch eine optische Anzeige des Schaltzustandes des MOSFET's zu realisieren.

Da der 74HCT08 insgesamt über 4 solcher UND-Gatter verfügt, bietet es sich natürlich an, diese Schaltung 4fach aufzubauen, um den Baustein komplett aus zu nutzen. Wir haben dies in einem Beispiel-Schaltplan einmal für Sie gemacht.  Neben den identischen Schaltungen für jedes der vorhanden Gatter sehen Sie dort auch noch die Anschluss-Leisten sowie eine LED mit Vorwiderstand zur Anzeige, ob eine Versorgungsspannung anliegt.

Bestückungsaufdruck

 

Aufbauend auf diesem Schaltplan haben wir auch eine nur 5 x 5 cm große Platine für Sie mit KiCAD erstellt. Das gesamte KiCAD Projekt inkl. Schaltplan und Board-Dateien können Sie einfach hier als ZIP-Archiv herunterladen.

Zum einfachen Nachbau bieten wir Ihnen auch einen kompletten Bausatz inkl. Platine und aller benötigten Teile in unserem Online-Shop an.