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Wie werden Transistoren als Leistungstreiber an Logik angeschlossen?


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Transistor an Logik

Attention pin Schaltungen mit MOSFETs sind oft einfacher und für größere Lastströme geeignet.

Transistoren können an jede Logik angeschlossen werden. Im Prinzip kann damit jede Last geschaltet werden. Wir betrachten zunächst einfache Schaltungen für Ströme unter 100mA.

Die Schaltungen eignen sich auch für induktive Lasten, wie z.B. Relais. Dazu muss unbedingt eine Diode eingebaut werden.

  • Motoren und Glühlampen haben hohe Einschaltströme.

Grundsätzlich sind zwei Varianten möglich:

  • Schalter gegen Minus (Masse) mit einem NPN-Transistor
  • Schalter gegen Plus mit einem PNP-Transistor

Schalter gegen Minus (Masse)

Auch Low-Side-Schalter genannt.

NPN-Transistor-an-Logik.png
Bild 1: NPN-Transistor als Schalter gegen Minus

Mit einem Schalter gegen Minus wird die Last mit der Betriebsspannung der Last (U Last) auf Minus geschaltet. Die Betriebsspannung ist unabhängig von der Versorgungsspannung der Logik und kann höher sein, z.B. 12V.

Logisches Verhalten

Wenn am Ausgang des Logikgatters eine 1 liegt, ist die Last eingeschaltet. Der Treiber invertiert die Logik nicht.

In der Schaltung ist der NPN-Transistor an ein Gatter angeschlossen.

Normalerweise wird ein Transistor als Schalter mit einer Stromverstärkung von V=10 betrieben. Unter 100mA Kollektorstrom kann auch eine Stromverstärkung von V=20 akzeptiert werden.

Logik-Familie Betriebs-
 spannung
R1 ILast max
 V = 10
ILast max
 V = 20
Diode D1
TTL-LS 5V 4,7kΩ 4mA 8mA erforderlich
CMOS 4000 5V 4,7kΩ 10mA 20mA kann entfallen
CMOS HC 5V 1kΩ 50mA kann entfallen
CMOS HC 5V 220Ω 100mA kann entfallen
CMOS 4000 3V 10kΩ 3mA 6mA kann entfallen
CMOS HC 3V 2.2kΩ 13mA 26mA kann entfallen

Grau hinterlegte Zeilen zeigen einen Betrieb außerhalb der Spezifikation an. Angeschlossene Logikeingänge erkennen den Zustand des Ausgangs nicht. Um eine Überhitzung der Logikbausteine zu vermeiden, sollten nicht mehr als 4 Ausgänge auf diese Weise betrieben werden.

Der Ausgang eines TTL-LS-Gatters kann einen NPN-Transistor ansteuern. Es sollte jedoch eine Diode 1N4148 vor die Basis geschaltet werden. Besser ist ein TTL-LS-Gatter mit offenem Kollektor.

Schalter an Minus für TTL-LS OC

TTL-Gatter sind mit offenem Kollektor-Ausgang erhältlich. Wenn ein TTL-LS-OC-Gatter nicht für weitere Logik verwendet wird, kann ein einfacher Treiber mit einem NPN-Transistor aufgebaut werden. Allerdings sollte eine Diode 1N4148 vor die Basis geschaltet werden.

NPN-Transistor-an-Logik-OC.png
Bild 2: NPN-Transistor als Schalter gegen Minus für TTL-LS-OC

Der Laststrom kann bei V=10 bis zu 50mA und bei V=20 bis zu 100mA betragen.

Schalter an Plus

Auch High-Side-Schalter genannt.

PNP-Transistor-an-Logik.png
Bild 3: PNP-Transistor als Schalter gegen Plus

Bei einem Schalter an Plus wird die Last an die Versorgung der Logik geschaltet. Dieses kann bei induktiven Lasten zu Problemen führen.

Logisches Verhalten

Wenn am Ausgang des Logikgatters eine 0 anliegt, wird die Last eingeschaltet. Der Treiber invertiert die Logik.

In der Schaltung ist der PNP-Transistor an ein Gatter angeschlossen. In der folgenden Tabelle sind die Werte für die verschiedenen Logik-Familien angegeben.

  • Für TTL ist der Widerstand R2 erforderlich.
  • Bei TTL ist ein Logikausgang mit offenem Kollektor vorzuziehen.
  • Bei CMOS entfällt der Widerstand R2.

Normalerweise wird ein Transistor als Schalter mit einer Stromverstärkung von V=10 betrieben. Unter 100mA Kollektorstrom kann auch eine Stromverstärkung von V=20 akzeptiert werden.

Logik-Familie Betriebs-
 spannung
R1 R2 ILast max
 V = 10
ILast max
 V = 20
TTL-LS 5V 470Ω 10kΩ 80mA
TTL-LS 5V 560Ω 10kΩ 80mA 100mA
CMOS 4000 5V 4,7kΩ - 10mA 20mA
CMOS HC 5V 1kΩ - 50mA
CMOS HC 5V 220Ω - 100mA
CMOS 4000 3V 10kΩ - 3mA 6mA
CMOS HC 3V 2.2kΩ - 13mA 26mA

Grau hinterlegte Zeilen zeigen einen Betrieb außerhalb der Spezifikation an. Angeschlossene Logikeingänge erkennen den Zustand des Ausgangs nicht. Um eine Überhitzung der Logikbausteine zu vermeiden, sollten nicht mehr als 4 Ausgänge auf diese Weise betrieben werden.

Darlingtontransistor an Minus

Die Darlington-Schaltung ist nur geringfügig aufwendiger als ein einfacher NPN-Transistor.

Zwei Transistoren werden zusammengeschaltet, um eine höhere Stromverstärkung zu erhalten. Das wird damit erkauft, dass sie nicht perfekt schalten und die Spannung zwischen Kollektor und Emitter mindestens 0,7V beträgt. Man muss mit etwa 1V rechnen.

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Bild 4: NPN-Darlingtontransistor als Schalter gegen Minus

Mit einem Schalter an Minus kann die Last an die eine eigene Versorgung (U Last) geschaltet werden. Die Betriebsspannung kann höher sein, z.B. 12V.

Logisches Verhalten

Liegt am Ausgang des Logikgatters eine 1 an, wird die Last eingeschaltet. Der Treiber invertiert die Logik nicht.

Im Vergleich zu einem einfachen NPN-Transistor kann der Ausgangsstrom bis zu 10-mal höher sein. Der gezeigte NPN-Transistor Q2 von Typ BD139 ist ein Leistungstransistor. Er wird nur benötigt, wenn der Laststrom größer als 100mA ist. Unter 100mA reicht ein für Q2 ein BC337.

Logik-Familie Betriebs-
 spannung
R1 ILast max
 V = 100
ILast max
 V = 200
TTL-LS 5V 3kΩ 40mA 80mA
CMOS 4000 5V 4,7kΩ 100mA
CMOS HC 5V 1kΩ 500mA
CMOS HC 5V 220Ω 1A
CMOS 4000 3V 10kΩ 30mA 60mA
CMOS HC 3V 2.2kΩ 130mA

Grau hinterlegte Zeilen zeigen einen Betrieb außerhalb der Spezifikation an. Angeschlossene Logikeingänge erkennen den Zustand des Ausgangs nicht. Um eine Überhitzung der Logikbausteine zu vermeiden, sollten nicht mehr als 4 Ausgänge auf diese Weise betrieben werden.

Die im Transistor Q2 anfallende Leistung ist etwa

P2 = 1V * ILast

Bei Strömen über 500mA erwärmt sich der Leistungstransistor BD139. Eine Kühlung durch ein einfaches Kühlblech wird empfohlen.

Regeln

  • Für alle Logik-Familien und Betriebsspannungen ab 3V kann ein NPN-Transistor als Schalter verwendet werden, wenn gegen Minus geschaltet werden soll.
  • Einen NPN-Transistor nur dann an TTL mit offenem Kollektorausgang betreiben,
  • wenn ein Widerstand vom Ausgang zur Versorgungsspannung vorhanden ist.
  • Für alle Logik-Familien und Betriebsspannungen ab 3V kann ein PNP-Transistor als Schalter verwendet werden, wenn gegen Plus geschaltet werden soll.
  • Ein Schalter gegen Plus invertiert die Logik.
  • Transistoren sollten nur für kleine Lastströme bis zu 10mA verwendet werden.
  • Schaltungen mit MOSFETs sind einfacher und für höhere Lasten geeignet.
  • Die vorgestellten einfachen Schaltungen sind nur relativ niedrige Schaltfrequenzen bis 1kHz geeignet.
  • Die Diode schützt den Schalter vor Spannungsspitzen beim Ausschalten.
  • Der Anlaufstrom (Einschaltstrom) von Motoren und Halogenlampen kann bis zum 15-fachen des Betriebsstroms betragen. Der Schalter muss für den Anlaufstrom ausgelegt sein.
Attention attention

Elektronische Schalter

müssen für

  • den maximal zu erwartenden Strom
  • (z.B. Einschaltstrom)
  • und die maximal zu erwartende Spannung

ausgelegt sein.