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: Der 555-CMOS-Timer als Impulsbreitenmodulator (PWM) zur Steuerung eines kleinen DC-Ventilators

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Das 555er-Timer-IC, ob in der bipolaren oder in der CMOS-Version, bietet die Möglichkeit der PWM-Erzeugung mit einer Steuerspannung. Die Steuerung bis zu einem sehr kleinen Tastgrad ist jedoch, IC-intern schaltungsbedingt, nicht möglich. Ist diese Eigenschaft jedoch wichtig und es genügt die Einstellung des Tastgrades mit einem Potmeter, ist dies leicht realisierbar mit der CMOS-Version LMC555 oder TLC555. Es funktioniert deshalb nur mit der CMOS-Version, weil nur diese die Möglichkeit bietet, einen stabilen Rechteckgenerator mit nur einem Timing-Widerstand und einem Timing-Kondensator zu realisieren. Auf dieser Grundlage stützt sich dieser 555-CMOS-Elektronik-Minikurs. Vermittelt wird die Grundlage dazu hier:

Das vorliegende Update besteht aus dem neuen Kapitel „NOCH STABILERE 555-PWM-SCHALTUNG MIT 555-TREIBER“. Die Schaltung in Bild 4 mit einem kleinen Ventilator, PWM-gesteuert und mit einem MOSFET, funktioniert prima und ist nachbaubar. Das Titelbild hier besteht aus vier Teilen. Teilbild A zeigt die Schaltung in Bild 4 mit reduzierter Wiedergabe. Genau genommen wird auch hier die PWM-Erzeugung, durch die Ansteuerung der Gate-Source-Kapazität des MOSFET, rückwirkend geringfügig beeinflusst. Bei dieser Anwendung fällt es nicht auf, ist unkritisch und deshalb ohne zusätzlichen Treiber realisierbar.
Teilbild B zeigt einen invertierenden Treiber, bestehend aus einem zweiten LMC555 (IC:B) und einer Transistorstufe mit schnellschaltenden Transistoren. Die punktierte Verbindung zwischen Pin 3 des LMC555 (IC:B) und dem MOSFET, deutet an, dass man auch ohne Transistorstufe auskommt, wenn es genügt die so eben genannte Rückwirkung zu vermeiden. Die Treiberleistung verbessert sich dadurch nicht. Dies kann aber dann notwendig sein, wenn eine höhere Kapazität (z.B. ein Piezogeber) gesteuert wird, angedeutet in Teilbild D.

Titelbild C zeigt die Alternative der MOSFET-Steuerung mit dem Discharge-Ausgang (Opendrain) des LMC555. Es wird genau erklärt, warum es nicht empfehlenswert, das Gate des MOSFET direkt mit dem Discharge-Ausgang zu verbinden. Diese Schaltung dürfte sich speziell mit geringstem Aufwand für kapazitive Geber eignen. Man beachte dazu die Punkte T in den Bildern C und D.

Viel Spass beim Lesen und möge dieser Inhalt zu eigenen Projektideen anregen.

Gruss
Euer ELKO-Thomas