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Schalter

Das Video zu Schaltern


Stromfluss-Kontrolle

Ein Schalter ist ein elektronisches oder elektromechanisches Bauteil, das den Stromfluss durch einen Stromkreis unterbrechen kann. Ein elektromechanischer Schalter besteht aus mindestens zwei elektrischen Kontakten die entweder offen (d. h. die Kontakte sind voneinander getrennt) oder geschlossen sind (d. h. die Kontakte berühren sich). Idealerweise ist der Widerstand im Zustand "offen" unendlich hoch, während dieser im Zustand "geschlossen" gleich Null ist.

Transistor als Schalter
Figure 1:
Im vorherigen Kapitel haben wir gesehen, dass der Widerstand von Bipolartransistoren durch Anlegen einer Spannung am Basiskontakt verändert werden kann. Der Widerstand ist hoch (über 20MΩ), wenn 0V Spannung an der Basis anliegen und er wird klein (deutlich unter 100Ω), wenn diese Spannung auf über +0.6V steigt (NPN-Typen) beziehungsweise unter -0.6V fällt (PNP-Typen).
Ein Transistor kann prinzipiell Stromkreise öffnen oder schließen indem der Emitter-Kollektor Widerstand von seinem Minimalwert ("geschlossen") hin zu seinem Maximalwert ("offen") oder umgekehrt variiert wird.

"Aus" schalten

Ausgeschalteter Transistor Der an die Emitter-Kollektor Strecke angeschlossene Stromkreis durch einen Bipolartransistor ist "offen", wenn 0V Spannung an der Basis anliegen. Der einfachste Stromkreis besteht aus einem Transistor und einem Lastwiderstand. Die Emitter Kollektor Strecke und der Lastwiderstand bilden einen Spannungsteiler. Der Spannungsabfall am Lastwiderstand ist: ULast = UTotal * RLast / (RLast + RTransistor). Setzen wir für den Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke einen Wert von 20MΩ (normalerweise ist dieser viel größer), ergibt sich für den 1kΩ Lastwiderstand ein Spannungsabfall von nur 0.005% der Gesamtspannung. Ist der Stromkreis also an eine Batterie mit einer Nennspannung von 12V angeschlossen, erhalten wir für den Spannungsabfall nur 0.6mV. Der ohmsche Widerstand vieler Verbraucher liegt deutlich unter 1kΩ. Der einer 12V 5W Glühlampe liegt bei ungefähr 30Ω, womit der Spannungsabfall lediglich 18μV beträgt. Der Strom durch die Emitter-Kollektor Strecke und somit durch den Stromkreis beträgt 12V / 20000030Ω = 0.599μA. Die umgesetzte Leistung beträgt 18μV * 0.599μA = 10pW, womit die Glühwendel nicht wirklich glüht. Der Schaltzustand des Transistors ist "offen", die Glühlampe ist ausgeschaltet.


Ausgeschalteter Transistor mit Diode an Lastkreis Ein Bauteil das einen ähnlich hohen Widerstand wie ein ausgeschalteter Transistor besitzt, ist eine rückwärts gepolte Diode. Jetzt entspricht der Spannungsabfall an der Diode in etwa dem am Transistor, also der halben Versorgungsspannung. Dennoch ist der durch die Bauteile fließende Strom und somit die umgesetzte Leistung an der Last (=Diode) extrem klein. Behaltet also in Hinterkopf, dass ein Transistor kein idealer Schalter ist.

"Ein" schalten

Eingeschalteter Transistor
Figure 4:
Schalten wir eine LED in Serie zu dem 1kΩ Lastwiderstand, um den Schaltzustand des Transistors anzeigen zu können. Wird die Basisspannung langsam erhöht, beginnt die LED bei etwa 0.53V zu "glimmen", sie scheint hell bei etwa 0.60V und es ist keine weitere Steigerung der Leuchtkraft oberhalb von 0.67V zu erkennen. Um die LED einschalten zu können, muss eine Spannung von 0.67V an die Basis gelegt werden. Der nun zu messende Spannungsabfall am Lastwiderstand beträgt 9.5V, der an der LED 2.07V und der an der Emitter-Kollektor Strecke beträgt 52mV. Ein Strom von 9.5V / 1000Ω = 9.5mA fließt durch den Stromkreis. 52mV * 9.5mA = 0.494mW elektrische Leistung werden von der Emitter-Kollektor Strecke des Transistors umgesetzt. Der Spannungsabfall am 10Ω Widerstand, der in Reihe zur Basis angeschlossen ist, beträgt 3.9mV, womit ein Strom von 390μA durch den Eingangskreis fließt. Eine Ausgangsleistung von (9.5V + 2.07V) * 9.5mA = 110mW wird durch eine Eingangsleistung von 0.67V * 390μA = 260μW geschaltet. Die resultierende Leistungsverstärkung ist 110mW / 260μW = 423.
Ein wichtiger Wert ist der Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke eines Transistors, der 53mV / 9.5mA = 5.6Ω beträgt.
Ersetzen wir die LED und den Lastwiderstand durch einen Elektromotor. Die Basisspannung beträgt wiederum 0.67V, dennoch dreht sich der Motor nicht - warum?
Nun, der ohmsche Widerstand des Elektromotors ist deutlich kleiner als jener der LED und des 1kΩ Widerstands, womit der Spannungsabfall am Transistor jetzt 10V beträgt (erinnert euch an die Zusammenhänge in einem Spannungsteiler). Die Basisspannung muss weiter erhöht werden, um den Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke weiter zu verkleinern. Bei etwa 0.75V läuft der Motor mit seiner maximalen Leerlaufdrehzahl und wir erhalten:
Spannungsabfall Emitter-Kollektor: 95mV
Basisstrom: 17mV / 10Ω = 1.7mA
Spannungsabfall am Motor: 11.5V
Strom durch den Motor: 70mA
Der Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke fällt auf 95mV / 70mA = 1.4Ω. 95mV * 70mA = 6.7mW elektrischer Leistung werden von der Emitter-Kollektor Strecke umgesetzt während der Motor ohne Belastung läuft. Wenn ihr euch an die Funktionsweise eines Elektromotors erinnert, solltet ihr wissen, dass der Strom durch die Windungen der Elektrospulen stark ansteigt, wenn der Motor blockiert wird:
Basisspannung: 0.75V
Spannungsabfall Emitter-Kollektor Strecke: 8V
Spannungsabfall Motor: 4V
Strom durch Motor: 200mA
Der Widerstand der Emitter Kollektor Strecke ist auf 8V / 200mA = 40Ω angestiegen! Die Beziehung zwischen Strom und Spannung ist nicht linear. Die Emitter-Kollektor Strecke eines Transistors ist kein ohmscher Widerstand. Die umgesetzte Leistung an der Emitter Kollektor Strecke steigt auf 8V * 200mA = 1.6W, weswegen sich das Bauteil merklich erhitzt!
Wie bereits erwähnt besitzt ein idealer Schalter keinen Widerstand wenn dieser geschlossen ist, aber wie klein kann der Widerstand eines Transistors werden? Im Datenblatt zum BD135 ist kein Minimalwiderstand aufgeführt, aber der maximal möglicher Dauerstrom durch die Basis beträgt 500mA bei einer Basisspannung von 1V. Die dabei anliegende Emitterspannung beträgt 2V und der maximale Dauerstrom durch den Kollektor ist 1.5A, womit wir einen Minimalwiderstand von 1.3Ω erhalten. Eine Eingangsleistung von 1V * 500mA = 500mW wird benötigt, um eine Last mit einem niedrigen Widerstand sicher einschalten zu können. Wenn eure Eingangsschaltung keinen derart hohen Strom bereitstellen kann, ist ein Darlington Transistor hilfreich.
Behaltet im Hinterkopf, dass der Widerstand eines eingeschalteten Transistors klein, aber niemals Null ist!

Elektronische Ansteuerung
Figure 5:
Ein Spannungsteiler wird am Eingangskreis eines Bipolartransistors nur selten verwendet. Normalerweise ist nur ein einzelner Widerstand in Serie zur Basis geschaltet. Dieser Widerstand bildet mit dem in Vorwärtsrichtung gepolten Übergang zwischen Basis und Emitter den benötigten Spannungsteiler. Der Widerstand muss entsprechend der Spezifikationen des Transistors und des Eingangssignals dimensioniert werden. Wird ein Basisstrom von 50mA benötigt, um den Transistor sicher einschalten zu können und das Eingangssignal liefert eine Spannung von 5V, ergibt sich ein Widerstandswert von 5V / 50mA = 100Ω unter Vernachlässigung des niedrigen Widerstands des Emitter-Basis Übergangs. Behaltet die Eingangsleistung im Auge, die von dem Eingangssignal bereitgestellt werden muss: 5V2 / 100Ω = 250mW werden von dem Widerstand in Wärme umgewandelt.

Feldeffekttransistoren

Um den Schaltzustand eines Feldeffekttransistors aufrecht zu erhalten, wird keine elektrische Eingangsleistung benötigt. Wird eine Spannung von 0V zwischen Source und Gate gelegt, so ist ein Schalter mit einem JFET "geschlossen" ("An"), MOSFETs sind "offen" ("Aus"). Der Widerstand von JFETs steigt mit steigender Gatespannung, der von MOSFETs fällt mit steigender Gatespannung. Das Verhalten von MOSFETs ist ähnlich dem von Bipolartransistoren, jedoch ist die Gatespannung gewöhnlich höher als die Basisspannung von Bipolartransistoren. Die maximale Gatespannung des IRLZ24N, eines N-Kanal MOSFETS, beträgt 16V, was alle Bipolartransistoren zerstören würde. Der "on" Widerstand wird im Datenblatt von MOSFETs häufig angegeben. Der statische Drain-Source-Widerstand RDS(on) des IRLZ24N ist 60mΩ bei einer Gatespannung von 10V und einem Drainstrom von 11A, beziehungsweise 105mΩ bei einer Gatespannung von 4V und einem Drainstrom von 9A.

Feldeffekttrensistor mit pull-down Widerstand
Figure 6:
Denkt daran, dass der Gateanschluss eines Feldeffekttransistors immer an einen Eingangskreis angeschlossen sein muss, um unvorhersehbares Verhalten zu verhindern. Es gibt keine leitende Verbindung zwischen Gate und Source- oder Drain-Bereich, wie es in einem Bipolartransistor der Fall ist. Die angesammelte Ladung im Gatebreich kann nicht abfließen. Um sicherzustellen, das ein MOSFET "eingeschaltet" ist, wenn der Gateanschluss nicht mit einem Eingangsstromkreis verbunden ist, muss ein Widerstand zwischen Gate und Source geschaltet werden, der die Spannung auf Massepotential zieht (pull-down Widerstand).
Feldeffekttrensistor mit pull-up Widerstand
Figure 7:
Wird ein Widerstand zwischen Gate und Plus der Versorgungsspannung geschaltet, so ist ein N-Kanal MOSFET "eingeschaltet", wenn dieser nicht mit einem Eingangsstromkreis verbunden ist (pull-up Widerstand). Verwendet möglichst hochohmige pull-up beziehungsweise pull-down Widerstände, um die Eingangsleistung gering zu halten, denn jetzt fließt ein Strom durch den Widerstand auch wenn der Schaltzustand des Feldeffekttransistors nicht verändert wird.

Schaltfrequenz

Den Schaltzustand eines Transistors zu ändern benötigt immer etwas Zeit. Wird ein Transistor "eingeschaltet", so fällt die Emitter-Kollektor-Spannung von (fast) der Versorgungsspannung des Schaltkreises auf (etwa) 0V. Umgekehrt steigt die Spannung von 0V auf den Wert der Versorgungsspannung, wenn der Transistor "ausgeschaltet" wird. Die maximale Änderungsrate eines Signals (Spannungsabfall) nennt man im Englischen slew rate. Normalerweise wird diese in V/μs angegeben. Manchmal ist auch die Anstiegszeit (Engl.: rise time) im Datenblatt angegeben. Steigt die Spannung an der Emitter-Kollektor Strecke von 0V auf 12V in 100ns, beträgt die durchschnittliche Anstiegszeit 120V/μs.
Die maximale Schaltfrequenz eines Transistors ist durch die Zeit vorgegeben, die benötigt wird, um einen Transistor "An" und wieder "Aus" zu schalten. Ausgehend von einer Änderungsrate von 100V/μs, ergibt sich die maximale Schaltfrequenz zu:
12V / (100V/μs) * 2 = 0.24μs
f = 1 / T = 1 / 0.24μs = 4.1MHz

Oszillogramm Einschatlvorgang
Figure 8:

Transistoren mit ihrer maximal möglichen Schaltfrequenz zu betreiben ist knifflig! Das oben gezeigte Oszillogramm zeigt den Verlauf der Eingangsspannung (rote Kurve) und das entsprechende Ausgangssignal zwischen Source und Drain eines IRLZ24N (gelb). Ein 1kΩ Widerstand ist in Reihe zum Gateanschluss geschaltet, um so ein Eingangssignal mit einem hohen Innenwiderstand zu simulieren, was eine schlechte Änderungsrate des MOSFETs bewirkt. Ihr könnt ferner sehen, dass das Eingangssignal nicht perfekt ist. Es schwingt um den Maximalwert, wenn dieses von 0V auf 5V wechselt. Wie im vorangegangenen Kapitel bereits erwähnt, gibt es immer eine Rückkopplung zwischen Signalquelle und Verstärkerschaltung. Bedenkt die Kapazität des Gatebereichs von Feldeffekttransistoren!

Werfen wir einen Blick auf die von der Emitter-Kollektor Strecke umgesetzte elektrische Leistung während der Schaltzustand von "AN" nach "AUS" wechselt, der Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke also von seinem minimalen zu seinem maximalen Wert wechselt.
Der Strom durch den Ausgangskreis beträgt:
UTotal / (RTransistor + RLast).
Der Spannungsabfall am Transistor ist:
UTotal * RTransistor / (RTransistor + RLast)
.
Die von der Emitter-Kollektor Strecke umgesetzte Leistung ist:
PTransistor = UTotal * RTransistor / (RTransistor + RLast) * UTotal / (RTransistor + RLast).
oder kurz:
PTransistor = UTotal2 * RTransistor / (RTransistor + RLast)2 .
Der maximale Strom des BD135 beträgt 1.5A, die maximale Emitter-Kollektor-Spannung ist 45V und die maximale Verlustleistung 8W. Es scheint also kein Problem zu sein, eine Last mit 30Ω Widerstand, die an eine Versorgungsspannung von 40V angeschlossen ist, zu schalten. Beim Ändern des Schaltzustandes von "an" nach "aus", liegt der Widerstand der Emitter-Kollektor Strecke für kurze Zeit bei etwa 10Ω. Wird dieser Wert in die obige Gleichung eingesetzt, erhalten wir 10W Verlustleistung! Das ist kein Problem wenn die Schaltfrequenz niedrig ist.

Zusammenfassung

Es wird keine Eingangsleistung benötigt, um den Schaltzustand eines Feldeffekttransistors aufrecht zu erhalten. Ein Strom fließt nur kurze Zeit während der Schaltzustand verändert wird. Je höher die Schaltfrequenz, um so höher ist die Eingangsleistung die benötigt wird, um einen FET zu schalten.
Denkt an die maximale Emitter-Kollektor (Source-Drain) Spannung beim Schalten induktiver Lasten, denn diese kann die angelegte Versorgungsspannung deutlich übersteigen!
Verwendet eine möglichst hohe Eingangsspannung, um hohe Lasten "einzuschalten", damit der Emitter-Kollektor (Source-Drain) Widerstand möglichst klein wird.
Transistoren als elektronische Schalter zu verwenden wird oft auch als digitale Verstärkung bezeichnet.

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