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 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.
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.
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.
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.
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.
Elektronische Schalter
müssen für
- den maximal zu erwartenden Strom
- (z.B. Einschaltstrom)
- und die maximal zu erwartende Spannung
ausgelegt sein.