Transistor an Logik

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 100 mA.

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.

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. 12 V.

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 100 mA 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	Diode D1
TTL-LS	5 V	4,7 kΩ	4 mA	8 mA	erforderlich
CMOS 4000	5 V	4,7 kΩ	10 mA	20 mA	kann entfallen
CMOS HC	5 V	1 kΩ	50 mA		kann entfallen
CMOS HC	5 V	220 Ω	100 mA		kann entfallen
CMOS 4000	3 V	10 kΩ	3 mA	6 mA	kann entfallen
CMOS HC	3 V	2,2 kΩ	13 mA	26 mA	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 Kollektorausgang 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.

Bild 2: NPN-Transistor als Schalter gegen Minus für TTL-LS-OC

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

Schalter an Plus

Auch High-Side-Schalter genannt.

Bild 3: PNP-Transistor als Schalter gegen Plus

Bei einem Schalter an Plus wird die Last an die Versorgung der Logik geschaltet. Dies 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 100 mA 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	5 V	470 Ω	10 kΩ	80 mA
TTL-LS	5 V	560 Ω	10 kΩ	80 mA	100 mA
CMOS 4000	5 V	4,7 kΩ	-	10 mA	20 mA
CMOS HC	5 V	1 kΩ	-	50 mA
CMOS HC	5 V	220 Ω	-	100 mA
CMOS 4000	3 V	10 kΩ	-	3 mA	6 mA
CMOS HC	3 V	2,2 kΩ	-	13 mA	26 mA

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 0,7 V beträgt. Man muss mit etwa 1 V rechnen.

Bild 4: NPN-Darlingtontransistor als Schalter gegen Minus

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

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 vom Typ BD139 ist ein Leistungstransistor. Er wird nur benötigt, wenn der Laststrom größer als 100 mA ist. Unter 100 mA reicht für Q2 ein BC337.

Logik-Familie	Betriebs- spannung	R₁	I_{Last max} V = 100	I_{Last max} V = 200
TTL-LS	5 V	3 kΩ	40 mA	80 mA
CMOS 4000	5 V	4,7 kΩ	100 mA
CMOS HC	5 V	1 kΩ	500 mA
CMOS HC	5 V	220 Ω	1 A
CMOS 4000	3 V	10 kΩ	30 mA	60 mA
CMOS HC	3 V	2,2 kΩ	130 mA

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 * I_Last

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

Regeln

Für alle Logik-Familien und Betriebsspannungen ab 3 V 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 3 V 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 10 mA verwendet werden.

Schaltungen mit MOSFETs sind einfacher und für höhere Lasten geeignet.

Die vorgestellten einfachen Schaltungen sind nur für relativ niedrige Schaltfrequenzen bis 1 kHz 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.