Schalten und Steuern mit Transistoren II: Der Sättigungs- und der Miller-Effekt!

Das ursprüngliche Thema dieses Elektronik-Minikurses war und ist das praxisbezogene Erlernen einer einfachen Transistorschaltung mit bipolaren Transistoren (BJT) zum schnellen Schalten von Spannungen mit kleinen Strömen. Man kann universelle Transistoren einsetzen, die hauptsächlich für niederfrequente analoge Anwendungen (Verstärker, Filter) gedacht sind, sofern die niedrige Schaltgeschwindigkeit genügt. Was bei diesen NF-Transistoren täuscht, ist die oft hohe Transitfrequenz von mehr als 100 MHz. Man denkt da leicht, das sind ja nur 10 ns und damit lässt sich leicht auch ein schnelles Ein- und Ausschalten von Spannungen realisieren. Aber ganz so einfach ist das nicht. Da muss man schon Transistoren suchen, welche Wertangaben in den Einschalt-(Turn-On-Time), Speicher- (Storage-Time) und Ausschaltzeiten (Turn-Off-Time) enthalten und diese Werte müssen, wenn notwendig, im 10ns-Bereich oder sogar darunter liegen.

In einem späteren Update wurde das Thema zum Schalten mit Transistoren mit MOSFETs erweitert. Speziell dann wenn man mit hohem Eingangswiderstand schalten will, gibt es das Problem mit dem Miller-Effekt. Diesen gibt es natürlich ebenso beim BJT und auch bei den Vakuum-Röhren von anno dazumal. Jedes verstärkende Element hat dieses Problem. Ein weiterer Geschwindigkeitsdämpfer ist der Sättigungs-Effekt beim BJT. Wie man damit umgeht, liest man in diesem Minikurs und ist hier im Titelbild mit Bild A2 angedeutet. Kombiniert man die beiden Schaltungen A1 und A2 zu einer Schaltung A3, löst man beide Probleme zugleich. Man reduziert den Miller-Effekt und den Sättigungs-Effekt. Wozu der unkonventionelle Widerstand R? dient, liest man ebenfalls in diesem Minikurs.

AKTUELLES UPDATE: Hier wird eine Methode vorgestellt, wie man beim Runterschalten von Ue auf GND, mit Hilfe eines zusätzlichen PNP-Transistors (BJT), Ladungsträger aus der Basis des schaltenden NPN-Transistors ausräumen kann. Bild B2 unterscheidet sich von Bild B1, dass zusätzlich der Millerkiller-Kondensator zum Einsatz kommt, um den Miller-Effekt zu reduzieren. Dies betrifft signifikant den Einschaltvorgang des Schalt-NPN-Transistor  und zwar so sehr, dass z.B. eine Flankenzeit von 1 µs auf 50 ns reduziert wird mit einer Kapazität von nur 1 nF. Es gibt dazu ein praktisches Experiment.

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Lowpower-MOSFET-Minikurs und Batterie-Betriebsspannung-Abschaltverzögerung

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Dieser Elektronik-Minikurs über Lowpower MOSFETs ist auf eine spezielle Anwendung, auf die Verzögerungsschaltung, oft auch Timer genannt, fokusiert. Trotzdem eignet sich dieser Inhalt um bereits erworbene Grundlagen über diese Art von Feldeffekttransistoren zusätzlich zu vertiefen. Für den Leser, der noch nicht weiss was ein Feldeffekttransistor (FET) ist, empfehlen sich die entsprechenden Grundlagenkurse von Patrick Schnabel. Diese findet man schnell mit der ELKO-Suchfunktion durch die Eingaben von Feldeffekt-Transistor, MOS-Schaltkreisfamilie, MOS-FET und MOSFET. Dieser Elektronik Minikurs befasst sich speziell mit dem BS170, der sehr bekannt und beliebt ist. Er wird scherzhaft oft auch den BC109 der MOSFET-Familien genannt, obwohl er dem BC109 um einiges überlegen ist.

Es beginnt in diesem Elektronik-Minikurs mit einem Vergleich zwischen einer Darlingtonschaltung mit zwei NPN Transistoren und dem Lowpower-MOSFET in N-Kanal-Technologie, eben mit dem BS170. Darin enthalten ist ein einfaches Prinzip, wie man eine sehr einfache Timer-Schaltung realisieren kann. Schnell wird klar, welche Vorteile eine MOSFET-Schaltung gegenüber der Darlington Schaltung aufweist. Im Nebenschauplatz wird anschaulich erklärt, warum eine Darlington-Schaltung im Schalterbetrieb (gesättigter Zustand) eine Kollektor-Emitterspannung hat, die nicht kleiner als eine Basis-Emitter-Spannung sein kann.

Danach steht in vollen Umfang der MOSFET BS170 im Fokus. Die Transfer-Charakteristik wird in dem Zusammenhang erklärt, wie es möglich ist, dass nach einer langen Verzögerungsdauer von etwa 6 Minuten nur eine Abschaltdauer von etwa 5 Sekunden erfolgt, und dies mit der einfachsten analogen Methode. Diese sehr detaillierte Erklärung ist zur Hauptsache Gegenstand dieses Update. Zum Schluss folgt ein neues Schaltbild mit einem zusätzlichen Lowdropout Spannungsregler. Nur mit so einem Spannungsregler ist es möglich eine 9V-Blockbatterie bis zur vollständigen Entladung zu nutzen.

Gruss
Euer ELKO-Thomas


NEU: Der analoge Schalter III (mit bipolaren Transistoren)

Der JFET BF245A(B,C) gibt es nicht mehr! Da ich für viele Projekte – auch für die Elektronik-Minikurse – stets die A-Version (BF245A) benötige, evaluierte ich nach einem Ersatz. Ich fand zwei JFETs, den J113 und den PN4393 von Fairchild. Beide Typen sind in den Parametern für Schaltanwendungen ausreichend identisch zum BF245A. Der J113 ist jedoch leichter erhältlich und er ist sehr preiswert. Allerdings gibt es mit einer gewissen Einschränkung der AC-Signalspannung auch die Möglichkeit bipolare Transistoren (BJT) einzusetzen. Der Limit bestimmt die Emitter-Basis-Sperrspannung, die stets sehr niedrig ist. Entsprechend den Datenblättern ist dieser Wert oft mit 5 V angegeben. Dies bedeutet, dass eine AC-Signalspannung bis zu maximal 10 Vpp (3.5 Vrms bei Sinus) geschaltet werden kann.

Das Titelbild mit den drei Teilbildern 1 bis 3. Teilbild 1 zeigt die Prinzipschaltbilder zum Schalten analoger Spannungen, in der Regel eine niederfrequente AC-Signalspannung. Links die übliche Methode mit einem JFET und rechts im Austausch mit dem BJT. Teilbild 2 zeigt worauf es ankommt. Links sieht man, dass die negative Spannung von Ue nach Ua nicht übertragen wird. Warum, ist im Minikurs-Text exakt beschrieben und genau so, warum es im Schaltbild rechts mit der negativen Basisvorspannung funktioniert. In Teilbild 3 wird erklärt, dass in der praktischen Anwendung eines Synchrongleichrichters anstelle eines JFET ein BJT gleich gut funktioniert. Natürlich unter den soeben angedeuteten Beschränkung der Eingangsspannung Ue.

Die Schaltbilder in den Teilbildern 1 und 2 arbeiten mit einer symmetrischen Betriebsspannung (Dual-Supply) mit ±Ub und die Synchrongleichrichter in Teilbild 3 mit einer einfachen Speisung (Single-Supply) mit +Ub. Deshalb benötigt es eine Arbeits-, bzw. Referenzspannung Ux. Und warum diese etwas weniger sein muss als +Ub/2 ist ebenfalls im vorliegenden Minikurs ausführlich beschrieben.

Gruss Euer
ELKO-Thomas