Leistungsschalter an Logik

Mit Leistungsschaltern werden elektronische oder elektrische Lasten an Logik angeschlossen.

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

Im Praktikum Transistoren als Schalter werden verschieden Schaltungen vorgestellt.

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

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. Sie ist 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. Es wird auch eine Schutzbeschaltung durch Dioden benötigt.

• Hubmagneten benötigen eine Schutzbeschaltung durch eine Diode.

• Kondensatoren
  können einen hohen Einschaltstrom bewirken.

Elektronische Schalter müssen für

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

• die maximal zu erwartende Spannung ausgelegt sein.

• Eine Überlastung kann zu sofortigem oder vorzeitigem Ausfall des Schalters führen.

Varianten von Leistungsschaltern

Hier werden MOSFET 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 der ersten Orientierung.

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

Treiber an TTL

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

Treiber an CMOS

CMOS-Logik wird zwischen 2V und 15V betrieben. Meistens werden U_ss = 3V, 3,3V oder 5V verwendet. CMOS-Logik liefert in beiden Zuständen nur geringen Strom von teilweise unter 1mA. Die Ausgangsspannung entspricht bei High ziemlich genau der Betriebsspannung U_ss. Die Ausgangsspannung ist bei Low 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.

Der Schalter gegen Minus wird meistens verwendet, wenn die geschaltete Last eine abweichende Spannung hat. Die Last kann allerdings auch an die positive Versorgungsspannung angeschlossen werden.

Wenn der Schalter gegen Plus verwendet wird, hat die geschaltete Last meistens die gleiche Spannung wie die Logik hat. Dann wird die Last an Masse angeschlossen.

Bipolarer Transistor oder MOSFET

• Der bipolare Transistor ist Stromgesteuert. Ein Schalter benötigt einen Basisstrom, der 1/10 des Kollektorstroms beträgt. Logikbausteine können nur einen geringen Strom liefern. Für größere Ströme sind komplexere Schaltungen nötig.

• Der bipolare Transistor benötigt nur geringe Steuerspannung um 0,6V zwischen Basis und Emitter. Er kann an Logikschaltungen mit geringer 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. In der Regel liegt diese Spannung bei 10V. Einige Typen schalten schon bei 5V, spezielle auch unter 3V.

• 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.