Leistungsschalter an Logik

Leistungsschalter werden verwendet, um elektronische oder elektrische Lasten an Logikschaltungen anzuschließen.

An Logikschaltungen 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.

Wir betrachten hier nur Leistungsschalter für

• Ströme bis zu 1 A,

• Spannungen bis 12 V und

• Schaltfrequenzen bis 1 kHz.

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.

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

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:

• Transistor an Logik

• MOSFET an Logik

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

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

Treiber an TTL

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

Treiber an CMOS

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

Polarität des Leistungstreibers

Grundsätzlich kann der Leistungsschalter

• gegen Minus oder

• gegen Plus

schalten.

Die geschaltete Spannung kann von der Versorgungsspannung der Logik abweichen.

Meist 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 meist die gleiche Spannung wie die Logik. In diesem Fall wird die Last mit Masse verbunden.

Bipolarer Transistor oder MOSFET

• Ein bipolarer 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.

• Ein bipolarer Transistor benötigt nur eine geringe Steuerspannung von etwa 0,6 V zwischen Basis und Emitter. Er kann an Logikschaltungen mit kleiner Betriebsspannung angeschlossen werden.

• Ein 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 10 V. Einige Typen schalten schon bei 5 V, spezielle sogar bei 3 V.

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