Transistorschaltstufen

Transkript

1 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN Faustregeln: Transistorschaltstufen. Transistor sicher aufgesteuert bei minimaler High-Eingangspegel E(min) : Basisstrom,5 Wert gemäß Datenblatt/Kennlinie. Mit Speedup-Kondensator ggf. weniger (Versuch).. Basisspannung zum sicheren Aufsteuern (Kleinleistungstransistoren): wenigstens BEsat (typisch 0,7 V). 3. Transistor sicher gesperrt bei maximalem Low-Eingangspegel E(0max). Basisstrom praktisch Null. 4. Basisspannung zum sicheren Sperren (Kleinleistungstransistoren): typisch 0, bis -0,5 V. Schaltstufe mit Basisvorwiderstand Die einfachste Lösung. Wozu ist der Basisvorwiderstand gut? Er begrenzt den Basisstrom. Er begrenzt die Basis-Emitter-Spannung. Er verhindert, daß der Pegel des ansteuernden Signals auf die Basis-Emitter- Sättigungsspannung heruntergezogen wird. Basisvorwiderstand oder Direktanschluß? Die Basis kann unter folgenden Bedingungen direkt an den Ausgang der jeweiligen Treiberstufe (z. B. eines Logikschaltkreises) angeschlossen werden: Der Pegel im Aus-Zustand ist niedrig genug (z. B. < 0, V). Ggf. Anhebung des Massepegels (Ground Shift) beachten. m Ein-Zustand werden die Grenzwerte des Transistors nicht überschritten (maximaler Baisstrom, maximale Emitter-Basis-Spannung). Typischerweise vom nnenwiderstand der Quelle abhängig. Es hängen keine weiteren Verbraucher an der Quelle. Wenn die Basis direkt angeschlossen ist, zieht sie die Quelle (den High-Pegel) auf etwa 0,7.. V herunter. Hängen dann noch andere Einrichtungen dran, bekommen diese keinen richtigen High-Pegel mehr zu sehen.

2 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN Schaltstufe mit Spannungsteiler ( ) + E BE B 07, BE V ; also E( ) B; E() B B E A B BE A BE Q Wenn eingeschaltet (): E() + (B + Q() ) + E() B + Q() ; Q + E() B E() + B

3 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 3 Wenn ausgeschaltet (0): + Q(0) + Q(0) ; Q(0) Beides gleichgesetzt und nach aufgelöst: E() + B (E() ) + B B (E() ) (E() ) ( ) ( B ) Bedingungen für Lösung: ; E > (E() )> ( ) < E() Typische Praxiswerte ( 0,7 V; 0, V): ( 0) BE( 0) E() 07, V 0, V > 35, Die Dimensionierung wird kritisch, wenn zwischen und E() nicht genügend Abstand liegt (verbotener Bereich). Man kann dann keinen Spannungsteiler mehr bauen, der beide Anforderungen (für Low- und High-Pegel) erfüllt. m Fall des Falles ( zu nahe an ):

4 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 4 ( ) Schwellwertschaltung vorordnen, die bei E E 0 die Basisspannung absenkt (Z-Diode, Dioden in Flußrichtung o. ä.), Comparator einsetzen oder negative Hilfsspannung einführen. Berechnung von gemäß einer der obigen Formeln. Beispiel: E() 3,3 V B() ma 0,7 V 0,4 V 0, V Kontrolle: 0,7V 0, V 3,3V 0,7V < 0,4V 0,V (3,5 < 3; o.k.) E() + B ; ma 0,(3,3 0, 7) 0, 7 k 0,, 9, Ω 4 0 3,3V 0,7V,9k ma,9k + 0,7V 9, kω ;,9k 0,4V 0,V 0,V 9, kω Ansteuerung über Spannungsteiler an negativer Hilfsspannung

5 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 5 Alle Spannungen vorzeichengerecht eingeben. Wenn eingeschaltet (): Wenn ausgeschaltet (0): E() + (B + Q() ) + H E() B+ E() B + Q() ; H E() + Q() B H + Q(0) + H Q(0) ; Q(0) H H H Beides gleichgesetzt und nach aufgelöst: E() + B H H ( ) E() H + B H Bedingungen für Lösung: ( H)(E() ) + H B ( H)(E() ) ( H)( ) ( B ) ( H)( E() ) > ; E > ( BE( ) H)( E( 0) BE( 0) ) ( 0) BE( 0)

6 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 6 H H < E() nfolge der negativen Hilfsspannung H ist die Bedingung eher zu erfüllen, da der Nenner der linken Seite verhältnismäßig stärker zunimmt als der Zähler (vgl. das folgende Beispiel: statt 0,7 : 0, 3,5 5,7 : 4,8,8). Je größer der Betrag der Hilfsspannung H, desto mehr nähert sich die linke Seite dem Wert (, vernachlässigbar). Berechnung von gemäß einer der obigen Formeln. E() + B H ; H Beispiel: E V B 0,7 ma BE 0,7 V E0 0,8 V BE0-0, V H -5 V Kontrolle: 0, 7V+ 5V 0. V+ 5V < V 0, 7V 0, 8V+ 0, V (,8 <,3; o.k.) 0,7mA (-0,V + 5V)(V 0,7V) 0,7V 5V 770 0,8V + 0, V Ω V 07, V 770Ω 0,7mA 770Ω + 0,7V + 5 V 60 Ω ; 0,8V + 0,V 770Ω 60 Ω -0,V + 5V Eingangswiderstand des Transistors: BE BE β ; B BE Cmax B β Cmax

7 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 7 Der Kollektorkreis: A ist entweder der Arbeitswiderstand im eigentlichen Sinne oder die zu schaltende Last. AH, AL sind Ströme, die ggf. zu anderen Einrichtungen fließen oder von anderen Einrichtungen eingespeist werden (externe Lastströme). Arbeitswiderstand A : A Cmax Bmax ALmax ; A Bmin AHmax Hmin Kollektorstrom C (Kennwert zum Aussuchen des Transistors): C > ALmax+ Bmax A Schnelle Schaltstufen Anwendungsbeispiel: schnelle Pegelwandler Transistor nicht allzu sehr übersteuern. Speedup-Kondensator (ichtwert für Versuch): tpmin 0,7 C < t Pmin ; C < 07,. Basisspannung nicht zu hoch werden lassen (DTL). 3. Basisspannung klammern (Baker Clamp).

8 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 8 Klammerschaltung nach Baker. C E F BE E F Wenn F > F, dann BE < C. Somit kann der Transistor nicht in die Sättigung gelangen.

9 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 9 Ausgangseitigen Signalhub verringern. Ausgangsspannung klammern.. So belasten, daß Ausgangssspannung nicht allzu hoch wird (Direct Coupled Transistor Logic DCLT (z. B. Supercomputer CDC 6600)). Basisstrom ma. Ca. 0,5... 0,6 V über Basiswiderstand. Also rund ,8 V bei ma. Kollektorwiderstand also rund 4k7.

10 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 0 Transistoren mit eingebautem Basisspannungsteiler Beispiele: die sog. digitalen Transistoren von nfineon und die Bias esistor Transistors (BTs) von ON Semiconductor. Der Spannungsteiler, ist vorgegeben (s. Katalog/Datenblatt). Für welche Signalpegel ist er geeignet? Wenn eingeschaltet (): E() + (B + Q() ) + ; Q E() ( B+ ) + BE( ) B + BE( ) ( + ) Wenn ausgeschaltet (0): Q(0) + + ; Q(0) + BE( 0) BE( 0)( + ) Typische Werte: E() ma + 07, V ( + ) 0, V ( + )

11 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN Beispiele: E()min E (0)max k k,4 V 0,4 V k 0k,8 V 0, V k k 3,6 V 0,4 V k 0k 3 V 0,5 V k 47k 3 V 0, V 4k7 4k7 6, V 0,4 V 4k7 0k 5,8 V 0,3 V 4k7 47k 5,5 V 0, V 0k 0k V 0,4 V 0k 47k V 0,5 V k k 4 V 0,4 V k 47k 4 V 0,3 V 47k k 50 V 0,63 V 47k 47k 48V 0,4 V Weitere Typen haben keinen Spannungsteiler, sondern lediglich einen Basisvorwiderstand. ( ) + E BE B Beispiele ( BE 0,7 V, B ma) E()min E()min k,7 V k 3 V 0k V 47k 48 V

12 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN Gatterschaltungen mit Transistoren NAND: eihenschaltung von Transistoren. A E E Problem: Je mehr Transistoren in eihe, desto höher der ausgangsseitige Low-Pegel (n * CEsat ) NO: Parallelschaltung von Transistoren A E E Da die Emitter alle Transistoren mit Masse verbunden sind, hängt der ausgangsseitige Low- Pegel nicht von der Anzahl der Eingänge ab.

13 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 3 Begrenzer mit Transistorstufe: Wandelt x-beliebige Signalverläufe in mpulse. Aufgabe: elaistreiber für High Side Drive mit P-Kanal-FET Netzspannung V Steuertransformator: 0 % Spannungszunahme (egulation) Ausgangsspannung nach Gleichrichtung ist maximal Spitzenspannung. Annahme: V bis 35 V (50 V Netz +,5 V Spannungszunahme) *,4. Bei V mind. 0 V Abfall. Bei 35 V max. 0 V Abfall.

14 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 4 Strom: gemäß Gateladung. Datenblatt: F 960. Typische Logikpegel 4 V: min. typ. max. Low-Pegel 0,5 V,5 V Schwellspannung 6,0 V High-Pegel 5 V 35 V Dimensionierung von Schaltstufen So ansteuern, dass der Lastkreis richtig durchschaltet und nicht nur irgenwie Strom durchfließt, der die Last notfalls zum Ansprechen bringt. Beim Bipolartransistor und GBT: CEsat. Beim MOSFET: Minimaler DSon. Der Bipolartransistor muß genügend Basisstrom bekommen, der GBT und MOSFET genügend Gatespannung. Stufen mit Bipolartransistor dimensionieren für sicheres Schalten bei maximaler Last und geringster Stromverstärkung. Der Betriebsfall minimale Last und maximale Stromverstärkung ergibt dann eine starke Übersteuerung. Manchmal kann man damit leben. Sonst: Klammerung (damit die Übersteurng nicht vorkommt) oder Hilfsstromweg (damit beim Ausschalten die Ladungsträger aus der Basiszone abfließen können). Alternative: FET auch in der Vorstufe. Ansteuerung muß genügend hohen Pegel bringen.

15 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 5 Pegelwandlung Wandlung negativ > positiv Transistor in Basisschaltung Ersatzschaltung bei Low-Pegel Wandlung positiv > negativ Transistor in Basisschaltung Ersatzschaltung bei HighPegel

16 ANGEWANDTE ELEKTONK TANSSTOSCHALTSTFEN 6 Bidirektionale Wandlung zwischen verschiedenen positiven Signalpegeln