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Wie werden Transistoren als Leistungstreiber an Logik angeschlossen.


Transistor an Logik


Transistor an Logik

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 sind auch für induktive Lasten, wir z.B. Relais geeignet. Dafür muss unbedingt die Diode eingebaut werden.

Grundsätzlich sind zwei Varianten möglich:

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

Schalter an Minus (Masse)

Auch Low-Side-Schalter genannt.

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

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

Logisches Verhalten:
Wenn am Ausgang des Logikgatters eine 1 liegt, wird die Last eingeschaltet. Der Treiber invertiert die Logik nicht.

In der Schaltung wird der NPN-Transistor an ein 74HC00 Gatter angeschlossen. Dieses dient lediglich als Beispiel.

  • Ein NPN-Transistor sollte nicht an einem TTL-Ausgang betrieben werden.

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

Logik-Familie Betriebs-
spannung
R1 I Last max
V = 10
I Last max
V = 20
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

Die grau hinterlegten Zeilen bedeuten einen Betrieb außerhalb der Spezifikation. Angeschlossene Logikeingänge erkennen den Zustands des Ausgangs nicht. Damit es zu keiner Überhitzung der Logikbausteine kommt, sollten nicht mehr als 4 Ausgänge so betrieben werden.

Schalter an Plus

Auch High-Side-Schalter genannt.

PNP-Transistor-an-Logik.png
Bild 2: PNP-Transistor als Schalter gegen Plus

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

Logisches Verhalten:
Wenn am Ausgang des Logikgatters eine 0 liegt, wird die Last eingeschaltet. Der Treiber invertiert die Logik.

In der Schaltung wird der PNP-Transistor an ein 74HC00 Gatter angeschlossen. Dieses dient lediglich als Beispiel. In der folgenden Tabelle werden 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 V=10 betrieben. Unter 100mA Kollektorstrom kann auch eine Stromverstärkung von V=20 akzeptiert werden.

Logik-Familie Betriebs-
spannung
R1 R2 I Last max
V = 10
I Last max
V = 20
TTL-LS 5V 470Ω 10kΩ 80mA
TTL-LS 5V 330Ω 10kΩ 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

Die grau hinterlegten Zeilen bedeuten einen Betrieb außerhalb der Spezifikation. Angeschlossene Logikeingänge erkennen den Zustands des Ausgangs nicht. Damit es zu keiner Überhitzung der Logikbausteine kommt, sollten nicht mehr als 4 Ausgänge so betrieben werden.

Darlingtontransistor schaltet an Minus

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

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

NPN-Darlingtontransistor-an-Logik.png
Bild 3: NPN-Darlingtontransistor als Schalter gegen Minus

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

Logisches Verhalten:
Wenn am Ausgang des Logikgatters eine 1 liegt, wird die Last eingeschaltet. Der Treiber invertiert die Logik nicht.

Gegenüber dem einfachen NPN-Transistor kann der Ausgangsstrom 10 mal so groß sein. Der dargestellte NPN-Transistor Q2 BD139 ist ein Leistungstransistor. Er ist nur erforderlich, wenn der Laststrom über 100mA beträgt. Unter 100mA reicht ein für Q2 ein BC337.

  • Ein NPN-Transistor sollte nicht an einem TTL-Ausgang betrieben werden.
Logik-Familie Betriebs-
spannung
R1 I Last max
V = 100
I Last max
V = 200
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

Die grau hinterlegten Zeilen bedeuten einen Betrieb außerhalb der Spezifikation. Angeschlossene Logikeingänge erkennen den Zustands des Ausgangs nicht. Damit es zu keiner Überhitzung der Logikbausteine kommt, sollten nicht mehr als 4 Ausgänge so 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 ist empfehlenswert.

Regeln

  • Für alle Logik-Familien und Betriebsspannungen ab 3V wird ein NPN-Transistor als Schalter eingesetzt, wenn gegen Minus geschaltet werden soll.
  • NPN-Transistoren nicht an TTL betreiben.
  • Für alle Logik-Familien und Betriebsspannungen ab 3V wird ein PNP-Transistor als Schalter eingesetzt, wenn gegen Plus geschaltet werden soll.
  • Einen NPN-Transistor nicht an TTL mit offenem Kollektorausgang betreiben.
  • Ein Schalter gegen Plus invertiert die Logik.
  • Transistoren sollten nur für geringe Lastströme dis zu 10mA eingesetzt werden.
  • Schaltungen mit MOSFETs sind einfacher und für höhere Lasten geeignet.
  • Die vorgestellten einfachen Schaltungen sind nur relativ geringe Schaltfrequenzen bis 1kHz geeignet.
  • Die Diode schützt den Schalter gegen 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.