U - HTWK Leipzig
Werbung
1 Transistor-Schalter Gliederung • Schaltermodell des Transistors • Transistor als Stromschalter bzw. Spannungsschalter p g • Statische Arbeitspunktfestlegung • Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte • Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 2 Transistor-Schalter Gliederung • Schaltermodell des Transistors • Transistor als Stromschalter bzw. Spannungsschalter p g • Statische Arbeitspunktfestlegung • Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte • Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 3 Transistor-Schalter Schaltermodell des Bipolartransistors Für die Analyse y eines Transistorschalters g genügt g es,, die einfachsten denkbaren Ersatzkennlinien zu verwenden, d.h. im Ein- und im Ausgangskennlinienfeld werden nur zwei Geraden für den Schaltzustand EIN bzw. AUS benötigt. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 4 Transistor-Schalter Schaltermodell des Bipolartransistors Vergleich EIN: idealer Schalter Transistor I = beliebig EIN: U=0 IC < IC,max UCE = UCES AUS: I = 0 AUS: IC = 0 U = beliebig b li bi U < UCE,max Schaltzustand EIN Schalter geschlossen Transistor übersteuert Schaltzustand AUS Schalter offen Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold Transistor gesperrt HTWK Leipzig 5 Transistor-Schalter Gliederung • Schaltermodell des Transistors • Transistor als Stromschalter bzw. Spannungsschalter p g • Statische Arbeitspunktfestlegung • Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte • Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 6 Transistor-Schalter Transistor als Stromschalter • Ausgangsgröße ist der Strom, der zur Aktivierung eines Verbrauchers dient • Typische Verbraucher sind: - Motoren (z.B. Schrittmotoren) - Relais - Anzeigeelemente g ((Leuchtdioden,, Glühlampen) p ) • Durch den Verbraucher wird die notwendige Stromgröße bestimmt und damit die Auswahl eines geeigneten Transistors beeinflusst • Meist spielt p die Schaltgeschwindigkeit g g eine untergeordnete g Rolle • Der Lastwiderstand RL verkörpert den Verbraucher. • Meist entspricht er dem Innenwiderstand des Verbrauchers. • u.U. muss der Strom durch einen Reihenwiderstand zum Verbraucher V b h b begrenztt werden. d • Probleme können infolge induktiver bzw. kapazitiver Lasten entstehen. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 7 Transistor-Schalter Transistor als Spannungsschalter • Ausgangsgröße ist die Spannung, der zur Aktivierung eines Verbrauchers dient • Typische Verbraucher sind: - Logikbausteine - Nachfolgende g Schalterstufen • Oft weist der Verbraucher keine reine Spannungssteuerung auf, sondern benötigt auch einen bestimmten Eingangsstrom. • Die Schaltgeschwindigkeit g g spielt p meist eine wichtige g Rolle. • Die Auswahl eines geeigneten Transistors wird häufiger von der Schaltgeschwindigkeit als vom Strom beeinflusst. • Der Widerstand RC dient zur Umwandlung des Kollektorstromes in eine Ausgangsspannung. • Die Größe des Kollektorstroms spielt eine untergeordnete Rolle. Sie beeinflusst jedoch die Verlustleistung und evtl. die Schaltgeschwindigkeit. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 8 Transistor-Schalter Gliederung • Schaltermodell des Transistors • Transistor als Stromschalter bzw. Spannungsschalter p g • Statische Arbeitspunktfestlegung • Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte • Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 9 Transistor-Schalter Statische Arbeitspunktfestlegung (Beispiel) Kennwerte der Schaltung: U0C = 12V, 12V RC = 1,2k 1 2k Kennwerte des Transistors: UBEF = 0,7V, UCES = 0,3V , ICE0 = 0, BN = 165 I C1 Ausgangsseite der Schaltung: (Zustand EIN) Festlegung der Übersteuerung: Eingangsseite der Schaltung: (Zustand EIN bei Vorgabe Ue1) Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold m=4 U 0C U CES 11, 7 V 9, 7 mA RC 1, 2 k I B1 m RB I C1 9, 7 mA 4 235 A BN 165 U e11 U BEF 11,3 11 3 V 48,1 k I B1 235 A HTWK Leipzig 10 Transistor-Schalter Statische Arbeitspunktfestlegung Kennwerte der Schaltung: U0C = 12V, 12V RC = 1,2k 1 2k Kennwerte des Transistors: UBEF = 0,7V, UCES = 0,3V , ICE0 = 0, BN = 165 Ausgangsseite der Schaltung: (Zustand AUS) Eingangsseite der Schaltung: (Zustand AUS) I C2 0 I B2 0 Meist ist durch Ue2=0 der Transistor mit UBE2=0 sicher gesperrt. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 11 Transistor-Schalter Gliederung • Schaltermodell des Transistors • Transistor als Stromschalter bzw. Spannungsschalter p g • Statische Arbeitspunktfestlegung • Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte • Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 12 Transistor-Schalter Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte Z t d EIN: Zustand EIN • Der Transistor soll auch bei Überlagerung einer Störspannung USt auf Ue1 sicher übersteuert bleiben ((m=2), ), damit die niedrige g Ausgangsspannung g g p g UCE=UCES erhalten bleibt. U e1 U St U BEF I C1 2 Zur Erfüllung von RB BN muss gelten: U St m 2 U e1 U BEF • Durch einen Übersteuerungsfaktor m>3 ist dies i.a. gesichert. g der Stromverstärkung g BN infolge g von Exemplarstreuungen p g • Auch Abweichungen werden toleriert, d.h. der Kollektorstrom IC1 bleibt unbeeinflusst. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 13 Transistor-Schalter Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte Zustand AUS: • Der Transistor soll auch bei Überlagerung einer Störspannung USt auf Ue2 sicher gesperrt bleiben. bleiben • Die obige Schaltung toleriert nur eine Störspannung kleiner UBEF =0,7V. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 14 Transistor-Schalter Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte Zustand AUS: • Der Transistor soll auch bei Überlagerung einer Störspannung USt auf Ue2 sicher gesperrt bleiben. bleiben • Die obige Schaltung toleriert nur eine Störspannung kleiner UBEF=0,7V. Schaltungserweiterung um eine negative Hilfsspannung Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 15 Transistor-Schalter Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte Erweiterte Schaltung: Zustand AUS: • Bei gesperrtem Transistor gilt IB=0 p g zur Hilfsspannung p g UH wird der Arbeitspunkt p AUS • Durch den Spannungsteiler in den negativen Bereich verschoben. • Die Störsicherheit lässt sich auf Werte viel größer 0,7V erhöhen. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 16 Transistor-Schalter Gliederung • Schaltermodell des Transistors • Transistor als Stromschalter bzw. Spannungsschalter p g • Statische Arbeitspunktfestlegung • Störsicherheit der beiden Arbeitspunkte • Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 17 Transistor-Schalter Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Beispiel-Schaltung: EIN: Ue = Ue11 = 5V AUS: Ue = Ue2 = -5V Umladevorgänge U l d ä d der ttransistorinternen i t i t K Kapazitäten ität verzögern ö d den W Wechsel h l zwischen den beiden Schaltzuständen. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig 18 Transistor-Schalter Dynamisches Verhalten des Transistorschalters Einschaltverzögerung: td RBCTr ln U e1 U e2 U e1 U BEF Anstiegszeit: ta a ln m m 1 m BN I B1 I C1 Speicherzeit: ts s ln k m k 1 k I B2 BN I C1 Abfallzeit: tf a ln k 1 k mit: p Transistorkapazität: CTr CSE CSC Umladezeitkonstante: a BN BN CSC RC Speicherzeitkonstante s, Laufzeitkonstante BN, Stromverstärkung BN, sowie die Sperrschichtkapazitäten CSE und CSC sind Transistorkennwerte. Prof. Dr.-Ing. habil. W. Reinhold HTWK Leipzig
