Schalter in der Digitaltechik

Schalter in der Digitaltechik
Voraussetzungen:
Die einfachsten Grundlagen der Elektrotechnik (Physik 9. Klasse). Kenntnis der Symbolik von
Schaltzeichnungen.
Schalter in der Digitaltechink:
Wenn wir über Schalter reden, sollten wir zunächst klären, welche Eigenschaften ein Schalter idealer
Weise haben sollte.
Ein idealer Schalter hätte im geöffneten Zustand einen unendlich großen Widerstand und im
geschlossenen einen unendlich kleinen Widerstand (also 0). Ist der Schalter offen, fällte über ihm eine
Spannung ab, es fließt jedoch kein Strom. Anhand der Formel P = U @ I erkennen wir, daß der Schalter
in diesem Zustand keine Leistung verbraucht. Ist der Schalter geschlossen, dann fließt ein Strom, der
Spannungsabfall und somit der Leistungsverbrauch sind jedoch gleich 0. Eine weitere Eigenschaft
eines idealen Schalters ist, daß die Schaltwirkung ohne Zeitverzögerung zur Schaltursache erfolgt.
Zusammengefaßt:
1)
Rein = 0
Pein = 0
Uein = 0
Iein … 0
2)
Raus = 4
Paus = 0
Uaus … 0
Iaus = 0
3)
Keine Zeitverzögerung beim Schalten
Die Kennlinie eines geschlossenen Schalters verläuft also auf der Stromachse und die eines offenen
Schalters auf der Spannungsachse. Für die dargestellte Schaltung erhalten wir also folgende
Kennlinien:
Für reale Schalter sieht das Ganze etwas anders aus. Bei diesen ist der Widerstand für „off“ nicht
unendlich, sondern nur recht groß und für „on“ nicht 0, sondern nur recht klein. Man kann die beiden
Schaltzustände durch folgende Schaltbilder modellieren:
Es ergeben sich folgende Kennlinien und Arbeitspunkte. (Ein Arbeitspunkt ist der Punkt auf einer
Kennlinie, der sich bei einem bestimmten „Arbeitszustand“ einstellt. Hier haben wir für „on“ und „off“ je
einen Arbeitspunkt.)
Mit Hilfe der Schaltbilder kann man auch Gleichungen zur Berechnung der Arbeitspunkte aufstellen:
Ein:
Die Widerstände sind in Reihe geschaltet und addieren sich also zum Gesamtwiderstand:
Rges = R + Ri
Der Strom berechnet sich durch UGes/ IGes also:
I ein =
U Ges
U
= Ges
RGes R + Ri
Für den Spannungsabfall am Schalter gilt:
U e = I ein ⋅ Ri
Ue =
, also:
U Ges
⋅ Ri
R + Ri
Wie man sieht sind Ue und Iein nicht gleich 0. Es wird daher eine Leistung (P = U @ I) vom Schalter
aufgenommen.
Aus:
Die Widerstände sind in Reihe geschaltet und addieren sich also zum Gesamtwiderstand:
Rges = R + Ri
Der Strom berechnet sich durch UGes/ IGes also:
I aus =
U Ges
U Ges
=
RGes R + Rs
Für den Spannungsabfall am Schalter gilt:
U a = I aus ⋅ Rs
Ua =
, also:
U Ges
⋅ Rs
R + Rs
Wie man sieht sind Ua und Iaus nicht gleich 0. Es wird daher eine Leistung (P = U @ I) vom Schalter
aufgenommen.
Der MOS-FET-Transistor als Schalter:
In der Digitaltechnik werden hauptsächlich MOS – FET – Transistoren verwendet (siehe Artikel über
MOS – FET – Transistoren auf www.antigauss.de). Diese sind „geöffnet“, wenn eine Steuerspannung
(UGS) einen bestimmten Wert (Uth) überschreitet und sind ansonsten geschlossen. Würden wir unsere
Schaltung mit einem solchen Transistor bauen, dann sähe sie wie folgt aus
und wir erhielten folgendes Kennlinienfeld:
Der Arbeitspunkt für „Ein“ sollte in dem Bereich liegen, in dem die Transistorkennlinien die größte
Steigung haben. Dies ist am günstigsten, da so bei großen Schwankungen der Steuergröße UGS sich
der Wert von Uschalter nur geringfügig ändert. Die folgende Grafiken veranschaulichen dies:
Günstiger Arbeitspunkt:
Schlechter Arbeitspunkt: