Schalten und Steuern mit Transistoren III

In diesem dritten Elektronik-Minikurs geht es um weitere Inhalte die mit dem Schalten und Steuern mit Transistoren – BJTs (Bipolar Junction Transistor) und MOSFETs – zu tun haben. Der Fokus liegt dabei auf Logik-Ausgänge mit einem HIGH-Pegel von 3.3 V, weil dessen Bausteine mit 3.3 VDC gespeist werden. Das sind z.B. die Prozessoren moderner Einplatinen-Computer, wie der Raspberry Pi, den es hier im ELKO als Grundlagen- und Anwenderkurs von Patrick Schnabel gibt.

Bleiben wir beim Raspberry Pi. Auch hier gilt die Regel, dass man Digital-Ausgänge, wenn CMOS, möglichst wenig belasten soll. Man tut gut daran, sich gleich an diese Worstcase-Regel zu halten, dass man besser auch nur einen benutzen GPIO-Ausgang mit maximal 2 mA belastet. Das Titelbild zeigt mit der Schaltung A die einfachste Relaisschaltung mit einem BJT. Es gibt Relais mit einer Spulenleistung von nur 200 mW, die der Lage sind bis zu 10A bei einer Spannung von 230 VAC zu schalten. Ein solches Relais kommt hier zum Einsatz. Die Schaltung A ist betreffs GPIO-Strom grenzlastig. Mehr Details im Minikurs. Schaltbild B zeigt eine bessere Methode mit einem NPN- und einem PNP-BJT. Es gibt auch noch eine Variante mit zwei NPN-BJTs ohne Nachteil. Beide Schaltungen benötigen einen GPIO-Strom von nur 0.1 mA. Mehr Details im Minikurs.

Schaltung C zeigt die Möglichkeit mit einem MOSFET für niedrigen Drainstrom bis maximal 0.56 A, der bei einer Gate-Source-Spannung von 3 V ein Drain-Source-Widerstand von 1 Ohm aufweist. Beim Relaisspulenstrom von 40 mA gibt dies eine sehr niedrige Verlustspannung zwischen Drain und Source von nur 40 mV.

Schaltung D zeigt eine elegante Methode mit einem kleinen NPN-BJT und einem Leistungs-MOSFET der am Ausgang 8 Ampere schaltet. Es können durchaus auch viel mehr sein. Warum diese Methode elegant ist, erfährt man im Minikurs.

Vie Spass beim Lesen,
Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Schalten und Steuern mit Transistoren II

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Das Thema dieses Elektronik-Minikurses ist das praxisbezogene Erlernen einer einfachen Transistorschaltung mit bipolaren Transistoren 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 deutlich darunter liegen.

Es gibt zwei Probleme mit denen man sich betreffs hoher Schaltgeschwindigkeit auseinandersetzen muss. Es ist der Sättigungseffekt, den es zu vermeiden gilt und es ist die Millerkapazität, die man kompensieren muss. Ob man überhaupt solche Transistorschaltungen einsetzen will, ist abhängig von der Anwendung. Gibt es eine solche Einheit nur einmal in einer Schaltung, kann sie sich eignen, sonst lohnt es sich nach passenden ICs Ausschau zu halten. Ein schneller Komparator kann durchaus zweckmässig sein oder eine passende Treiberschaltung, bei der es gleich mehrere Einheiten in einem Gehäuse gibt. Aber das ist hier nicht das Thema. Hier geht es um Grundlagen, die leicht in eine Transistorschaltung umsetzbar sind.

Beim aktuellen Update steht der MOSFET im Fokus. Es geht dabei um den Widerspruch zwischen dem hochohmigen Schalten eines MOSFET und dem Millereffekt, der u.U. so sehr bremsen kann, dass die Gefahr der Überhitzung oder Zerstörung des MOSFET besteht. Es beginnt mit dem neuen Kapitel „DAS SCHALTEN VON MOSFETS UND DER MILLER-EFFEKT“. Der Inhalt lässt sich leicht mit einer eigenen Versuchsschaltung nachvollziehen. Ein kleines Experiment, das sich lohnt.

Gruss
Euer ELKO-Thomas