../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wie werden Leistungsschalter an Logik angeschlossen?


list.png

Leistungsschalter an Logik

Leistungsschalter werden verwendet, um elektronische oder elektrische Lasten an Logik-Schaltungen anzuschließen.

An Logik-Schaltungen werden (fast) immer elektronische Schalter angeschlossen.

Im Praktikum Transistoren als Schalter werden verschiedene Schaltungen vorgestellt.

Lasten können zusätzliche Belastungen erzeugen, für die die Schalter ausgelegt sein müssen.

Attention pin

Wir betrachten hier nur Leistungsschalter für

  • Ströme bis zu 1A,
  • Spannungen bis 12V und
  • Schaltfrequenzen bis 1kHz.

Lasten an Leistungsschaltern

  • Glühlampen
    haben einen hohen Einschaltstrom, der das 15-fache des Betriebsstroms betragen und einen Schalter überlasten kann.
  • LED-Ketten
    sind relativ unbedenklich
  • Induktive Lasten
    erzeugen Spannungsspitzen, die durch eine Schutzbeschaltung begrenzt werden müssen. Diese wird in den vorgeschlagenen Schaltungen durch eine Diode realisiert.
  • Relais
    benötigen eine Schutzbeschaltung durch eine Diode.
  • Motoren
    haben einen hohen Einschaltstrom, der mehr als das 10-fache des Betriebsstroms betragen und einen Schalter überlasten kann. Auch hier ist eine Schutzbeschaltung durch Dioden erforderlich.
  • Hubmagnete benötigen eine Schutzbeschaltung durch eine Diode.
  • Kondensatoren
    können einen hohen Einschaltstrom verursachen.
Attention attention

Elektronische Schalter müssen für

  • den maximal zu erwartenden Strom (z.B. Einschaltstrom) und
  • die maximal zu erwartende Spannung ausgelegt sein.
  • Eine Überlastung kann zum sofortigen oder vorzeitigen Ausfall des Schalters führen.

Varianten von Leistungsschaltern

Attention attention

Hier werden MOSFETs verwendet. Sie sind empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.

Als Leistungstreiber an Logik werden im Prinzip zwei Varianten verwendet:

Welche Variante geeignet ist, hängt ab von

  • Familie der Logik (TTL / CMOS)
  • Betriebsspannung der Logik
  • Betriebsspannung des Leistungsausgangs
  • Strom des Leistungsausgangs
  • HIGH- oder LOW-Pegel des Leistungsausgangs

Die folgende Tabelle dient zur ersten Orientierung.

Familie Betriebsspannung Laststrom
 < 100mA
Laststrom
 > 100mA < 1A
TTL-LS 5V MOSFET MOSFET
CMOS 3V, 3,3V Transistor MOSFET
CMOS ≥ 5V MOSFET MOSFET
Attention note

Mit den in MOSFET an Logik vorgestellten MOSFETs können an jeder Logik-Familie ab 3V Lasten mit bis zu 12V und 1A sicher geschaltet werden.

Treiber an TTL

TTL-Logik wird immer mit 5V betrieben. TTL-Logik liefert im HIGH-Zustand nur einen geringen Strom. Die Ausgangsspannung liegt über 2,4V. Im LOW-Zustand kann ein Strom von einigen mA aufgenommen werden. Die Ausgangsspannung liegt unter 0,4V.

Treiber an CMOS

CMOS-Logik wird zwischen 2V und 15V betrieben. Meistens wird Uss = 3V, 3,3V oder 5V verwendet. CMOS-Logik liefert in beiden Zuständen nur geringe Ströme, manchmal weniger als 1mA. Bei HIGH entspricht die Ausgangsspannung ziemlich genau der Betriebsspannung Uss. Bei LOW ist die Ausgangsspannung ziemlich genau 0V.

Polarität des Leistungstreibers

Grundsätzlich kann der Leistungsschalter

  • gegen Minus
  • gegen Plus

schalten.

Die geschaltete Spannung kann von der Versorgungsspannung der Logik abweichen.

Meistens wird der Schalter gegen Minus verwendet, wenn die geschaltete Last eine abweichende Spannung hat. Die Last kann auch an die positive Versorgungsspannung angeschlossen sein.

Wenn der Schalter gegen Plus verwendet wird, hat die geschaltete Last meistens die gleiche Spannung wie die Logik. In diesem Fall wird die Last mit Masse verbunden.

Bipolarer Transistor oder MOSFET

  • Der bipolare Transistor ist stromgesteuert. Ein Schalter benötigt einen Basisstrom, der 1/10 des Kollektorstroms beträgt. Logikbausteine können nur kleine Ströme liefern. Für größere Ströme sind aufwendigere Schaltungen nötig.
  • Der bipolare Transistor benötigt nur geringe Steuerspannung von etwa 0,6V zwischen Basis und Emitter. Er kann an Logikschaltungen mit kleiner Betriebsspannung angeschlossen werden.
  • Der MOSFET ist spannungsgesteuert. Mit einer Spannung zwischen Gate und Source können auch hohe Ströme geschaltet werden.
  • MOSFETs benötigen eine relativ hohe Spannung zwischen Gate und Source, um sauber zu schalten. Üblicherweise liegt diese Spannung bei 10V. Einige Typen schalten schon bei 5V, spezielle sogar bei 3V.

Regeln

  • Versorgungsspannung der Logik < 3V und kleine Ströme: Transistor
  • Versorgungsspannung der Logik < 3V und höhere Ströme: Aufwendigere Schaltung mit Transistoren
  • Versorgungsspannung der Logik < 5V und kleine Ströme: Transistor
  • Versorgungsspannung der Logik < 5V und höhere Ströme: Aufwendigere Schaltung mit Transistoren
  • Versorgungsspannung der Logik < 5V und mittlere Ströme: spezieller MOSFET
  • Versorgungsspannung der Logik ≥ 5V: MOSFET
  • Mit den in MOSFET an Logik vorgestellten MOSFETs können an jeder Logik-Familie ab 3V Lasten mit bis zu 12V und 1A sicher geschaltet werden.