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Praktische Elektronik


Wir lernen weitere Möglichkeiten, Transistoren als Schalter zu verwenden.


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Transistoren

Transistoren als Schalter

Inhalt

Gatter mit Transistoren und Dioden


Transistoren als Schalter

In dem Praktikum Transistoren haben wir Transistoren und MOSFET als einfache Schalter kennengelernt. Wir werden uns an dieser Stelle mit weiteren Arten der Ansteuerung beschäftigen.

Transistoren

Wir haben den Transistor als Inverter betrachtet:

Transistor1.png
Bild 1: Transistor als Inverter

Wir können einen Transistor natürlich auch von einem logischen Gatter wie dem 74HC00 oder 4049 ansteuern. Die Basis des Transistors unmittelbar an den Ausgang eines Gatters anzuschließen führt zu Problemen, weil der Transistor bei einer 1 am Ausgang den Ausgang nahezu kurzschließt. Wie bei einer LED muss der Transistor über einen Widerstand an den Ausgang angeschlossen werden.

Transistor-an-Logik.png
Bild 2: Transistor am Ausgang eines logischen Gatters

Das Beispiel zeigt wie über einen Transistor eine höhere Last an ein logisches Gatter angeschlossen wird. Die LED mit dem 150Ω Widerstand würde ein 74HC00 überfordern. Der Transistor schafft das. Mehr dürfen wir dem Transistor allerdings nicht zu viel zumuten. Er schafft zwar noch viel mehr, aber dafür benötigt er einen höheren Basisstrom und den muss der 74HC00 liefern. An den Ausgang eines 74HC00 sollte kein geringerer Widerstand als 1kΩ angeschlossen werden. Dann kann man nach unserer Faustregel nicht weniger als 100Ω anschließen. (In unserer Schaltung dürfen wir allerdings nicht unter 150Ω gehen, weil sonst die LED überlastet würde.)

Wir können allerdings hinter den ersten Transistor einen weiteren schalten.

Transistor-an-Logik2.png
Bild 3: Zwei Transistoren als Treiber und Leistungsschalter

Wir haben einfach an den Kollektor des ersten Transistors die Basis eines zweiten geschaltet. Wenn der Transistor Q1 ausgeschaltet ist, fließt der Strom über R3 in die Basis von Q2. Q2 kann damit einen Widerstand von minimal 10Ω schalten. Wenn der Transistor Q1 eingeschaltet ist, schließt er die Basis von Q2 kurz.

Wir sollten davon absehen den 10Ω Widerstand auf unserem Steckbrett einzusetzen, weil damit unsere Batterie oder USB-Netzteil vermutlich überlastet würden. Nebenbei könnten wir auch heiße Finger bekommen während der Widerstand abraucht. Die in Bild 3 vorgeschlagenen drei LED reichen für unsere Versuche aus.

Der Transistor Q2 schaltet die Last. Er wird als Lastschalter oder Leistungsschalter bezeichnet. Den Transistor Q1 vor dem Leistungsschalter Q2 nennt man Treiber. Unser Treiber verbraucht etwa ein Zehntel des Stroms im Leistungsschalters.

Es gibt noch eine weitere Treiberschaltung, die oft verwendet wird.

Transistor-an-Logik3.png
Bild 4: Darlington-Schaltung

Hier wird der Widerstand R3 eingespart und der Emitter des Transistors Q1 and die Basis von Q2 angeschlossen. Die Kollektoren der beiden Transistoren werden gemeinsam an die Last gelegt. Q1 erzeugt einen Strom in seinem Kollektor der ein vielfaches - wir rechnen mit 10 - des Basistroms beträgt. Dieser Strom fließt zu seinem Emitter und von dort in die Basis von Q2, der wiederum ein vielfaches in seinem Kollektor erzeugt. In unserer Rechnung kann Q2 also 10*10=100 mal so viel schalten wie in die Basis von Q1 fließt. Das heißt, Q2 kann einen Lastwiderstand schalten, der 1/100 des Widerstands R2 also 1000Ω/100=10Ω beträgt. Wie bei der Schaltung in Bild 3 haben wir keinen Verlust durch den Widerstand R3.

Na, ja, ganz so einfach ist das nicht. Der Transistor Q2 kann nicht richtig einschalten. Wenn er ganz eingeschaltet wäre, würde er sich selbst den Basisstrom abgraben, weil dann über den Kollektor von Q1 nicht genügend Spannung für die 0,6V Basis-Emitter von Q2 bereit stünde. Eine Darlington-Schaltung schaltet nicht perfekt ein. Es bleibt immer eine Spannung von mindestens 0,6 zwischen Kollektor und Emitter von Q2, also am Ausgang einer Darlington-Schaltung stehen.

Die Darlington-Schaltung wird dennoch meistens einer Treiberschaltung wie in Bild 3 vorgezogen. Es gibt auch sogenannte Darlington-Transistoren, zwei Transistoren in Darlington-Schaltung in einem Gehäuse.

Transistor-Schalter für höhere Spannungen.

Die vorgestellten Schaltungen sind auch für Lasten an höheren Spannungen geeignet.

Transistor-an-Logik4.png
Bild 4: Leistungsschalter an 12V

Die Schaltungen in Bild 4 zeigen, wie eine Last an eine zweite Spannungsquelle mit 12V angeschlossen werden. Der Minus-Anschluss der 12-Versorgung ist gemeinsam mit der für 5V. Zur Klarheit sind die Anschlüsse der Stromversorgung für die Logic-ICs eingezeichnet. Die angegebenen Lastwiderstände dürfen bei 12V nicht unterschritten werden.

Logik und Transistoren

Wir verwenden die Transistoren als Leistungsschalter hinter logischen Schaltungen. Wir wissen bereits, das ein Transistor als Inverter wirken kann. Diese müssen wir im Entwurf der Logik berücksichtigen. Untersuchen wir, wie die Schaltungen wirken. Wir betrachten den logischen Zustand am Eingang und am Ausgang. Der Eingang ist R1. Ausgang ist eingeschaltet, wenn die LED leuchtet. Die folgende Tabelle gibt an, ob der Ausgang eingeschaltet ist, wenn am Eingang eine logische 1 liegt.

Schaltung Bild Ausgang
einfacher Transistor Bild 2 ein
Schalter mit Treiber Bild 3 aus
Darlington Bild 4 ein

MOSFET

Mit MOSFET ist Welt viel einfacher:

MOSFET-an-Logik.png
Bild 6: MOSFET am Ausgang eines logischen Gatters

Wir schließen einfach das Gate des MOSFET an den Ausgang des logischen Gatters. Wenn der MOSFET kräftig genug ist schaltet er damit auch große Lasten.

Punkt Leider nicht. MOSFETs brauchen zum schalten großer Lasten (hoher Strom und/oder große Spannung) eine höhere Gate-Spannung als wir in logischen Schaltungen verwenden. Unsere 5V für die Logik reichen nicht. Es sind meistens über 10V nötig.

Der 2N7000 ist genügsam und schaltet schon unter 5V, aber er kann kaum einen geringeren Widerstand als 150Ω schalten. Es gibt auch spezielle Logic-Level-MOSFET, die unmittelbar an eine 5V-Logik angeschlossen werden können. Für unsere Zwecke gibt es eine ganze Reihe dieser Logic-Level-MOSFET. Sie können ein paar Ampere an Spannungen auch über 12V trieben. Sie sind meistens in winzigen Gehäusen untergebracht, die wir nicht in unsere Steckboards stecken können. Ein Beispiel ist der IRLML6244. Der 2N7000 ist kein ausgesprochener Logic-Level-MOSFET.

Es gibt Logik-ICs, die auch bei geringeren Spannungen als 5V arbeiten. Gebräuchlich sind 3,3V oder 3V oder gar nur 1,8V. Dann kann meistens kein MOSFEF unmittelbar angesteuert werden. Transistoren brauchen dagegen nur etwas mehr als 0,6V.

Die folgende Schaltung kann verwendet werden, wenn ein MOSFET verwendet werden soll, dessen Gate-Spannung höher als die Versorgungsspannung der Logik ist.

MOSFET-an-Logik2.png
Bild 7: MOSFET mit Treiber am Ausgang eines logischen Gatters

Die Schaltung in Bild 7 kann Standard-MOSFET ansteuern. Sie ist für unsere Zwecke sehr gut geeignet.

MOSFET-an-Logik3.png
Bild 7: Logic-Level-MOSFET unmittelbar Ausgang eines logischen Gatters

Logik und MOSFET

Wir betrachten auch hier wie das logische Verhalten der Schaltungen ist.

Schaltung Bild Ausgang
einfacher MOSFET Bild 5 ein
MOSFET mit Treiber Bild 6 aus

Regeln

  • Transistoren werden über einen Widerstand nicht unter 1kΩ mit der Basis an den Ausgang eines Logik-Gatters angeschlossen.
  • Beim 4049 bzw. 4050 können 470Ω genommen werden. Dann darf der Ausgang nicht an einen Logikeingang geführt werden.
  • Die Last kann an einer höheren Spannung liegen.
  • Für unsere Schaltungen sollte die Spannung nicht über 12V liegen.
  • Der Lastwiderstand darf für 5V 100Ω und für 12V 240Ω nicht unterschreiten.
  • Mit einer Treiberschaltung vor dem Leistungsschalter kann dieser größere Lasten schalten
  • Unsere Schaltungen sind nicht für Lastwiderstände unter 10Ω an 5V oder 24Ω an 12V.
  • Eine Darlington-Schaltung kann größere Lasten schalten.
  • Die Last kann an einer höheren Spannung liegen.
  • Für unsere Schaltungen sollte die Spannung nicht über 12V liegen.
  • Unsere Schaltungen sind nicht für Lastwiderstände unter 10Ω an 5V oder 24Ω an 12V.
  • Ein MOSFET wird unmittelbar an den Ausgang eines Logik-Gatters angeschlossen.
  • Dafür sind bei 5V spezielle Logic-Level-MOSFET nötig.
  • Die meisten Logic-Level-MOSFET sollten nicht mit Lastwiderständen unter 1Ω an 5V oder 5Ω an 12V betrieben werden.
  • Manche Logic-Level-MOSFET sind nicht für Spannungen über 6V geeignet.
  • Der MOSFET 2N7000 darf an 5V-Logik mit minimal 150Ω belastet werden.
  • Unter 5V ist meistens eine Treiberschaltung notwendig.
  • Die Last kann an einer höheren Spannung liegen.
  • Für unsere Schaltungen sollte die Spannung nicht über 12V liegen.
  • Eine Treiberschaltung mit einem Transistor vor einem MOSFET ist auch für
  • Logik-Schaltungen unter 5V geeignet.
  • Standard-MOSFET geeignet
  • Dann ist eine zweite Stromversorgung mit mindestens 12V nötig.
  • Die Last kann an einer höheren Spannung liegen.
  • Für unsere Schaltungen sollte die Spannung nicht über 12V liegen.
Attention attention

Vorsicht!

Die hier vorgestellten Schaltungen sind sehr gut für ohmsche Lasten wie LEDs (mit Vorwiderstand) geeignet.

Manche Lasten können die Leistungsschalter zerstören.

Relais und Glühlampen (Halogen) dürfen nicht unmittelbar angeschlossen werden.

Zusammenfassung

Wir haben einige Schaltungen kennengelernt, mit denen wir höhere Lasten von einer Logikschaltung aus ansteuern können.

Diese Schaltungen können wir für viele Anwendungen in der Elektronik benutzen. Sie haben jedoch Grenzen, die wir beachten müssen.

Wir werden später auf Schaltungen für Relais und Glühlampen eingehen.

Im Rezept Leistungsschalter an Logik werden weitere Hinweise gegeben.