Schalter-Parameter
Schalter unterscheiden sich hinsichtlich folgender Parameter:Maximale Spannung: Die Sperrspannung (Schalter hochohmig) ist begrenzt. Übersteigt die Spannung an einem offenen Schalter ihren Maximalwert, ist der Schalter sofort defekt. Er bildet dann entweder einen dauerhaften Kurzschluss (R = 0Ω) oder er ist dauerhaft offen (R → ∞). Ein Schalter muss Ausgangs- und Eingangsspannung einer Schaltung aushalten. Aufgrund der Schaltvorgänge (später mehr) wird eine Reserve von 50% auf die höchste Spannung draufgepackt. Schalter in einem Wechselrichter im Elektroauto mit 400V Batterie weisen also eine maximale Sperrspannung von 600V (50% Reserve) auf.
Maximaler Strom: Der Strom zwischen den Schaltanschlüssen ist begrenzt. Übersteigt der Strom seinen Maximalwert, heizt sich der Schalter zu stark auf. Er ist dann innerhalb weniger Sekunden defekt. Er bildet dann entweder einen dauerhaften Kurzschluss (R = 0Ω) oder er ist dauerhaft offen (R → ∞).
Maximale Leistung: Das Produkt aus Spannung und Strom am Schalter ist begrenzt. Der Effekt bei zu hoher Leistung ähnelt dem von zu viel Strom.
Schaltzeit: Der Widerstand zwischen den Schaltanschlüssen ändert sich beim Schalten innerhalb einer definierten Zeitspanne. Gute Schalter schalten schnell, schlechte schalten langsam. Innerhalb der Schaltzeit ändert sich der Strom im Schalter innerhalb von Nanosekunden. Die Schaltzeit hängt von der Ansteuerung ab, sie kann vom Nutzer etwas beeinflusst werden. Ein- und Ausschalten kann unterschiedlich lange dauern, deshalb werden beide Schaltzeiten separat angegeben.
Maximale Schaltfrequenz: Der Schalter kann nicht beliebig schnell nacheinander geöffnet und wieder geschlossen werden. Die maximale Schaltfrequenz gibt an, wie oft er pro Sekunden geöffnet und dann wieder geschlossen werden kann. Die maximale Frequenz ist von der Schaltzeit abhängig. Die minimale Periodendauer von Ein- und Ausschalten dauert die Einschaltdauer + Ausschaltdauer.
Durchlass-Verhalten: Im Zustand geschlossen zeigen Schalter unterschiedliches Verhalten. Ein Schaltertyp (Mosfet) weist im Zustand geschlossen einen kleinen Durchlass-Widerstand auf, der auch als On-Widerstand ROn bezeichnet wird. Je größer der On-Widerstand ist, desto größer ist die Verlustleistung am Schalter, während er Strom leitet. Diese beträgt P = I2 ∙ ROn.
Ein anderer Schaltertyp (IGBT) weist eine Durchlass-Spannung UCE,sat auf. Die Durchlassspannung wird auch als Sättigungsspannung bezeichnet. Sie ist leicht vom Strom abhängig und liegt im Bereich von 2..3V. Die Verlustleistung im Zustand „geschlossen“ beträgt dann P = UCE,sat ∙ I. Die Verlustleistung im geschlossenen Schalterzustand wird als statische Verlustleistung bezeichnet.
Schaltverluste: Im Augenblick des Schaltens weisen Schalter eine sehr hohe Verlustleistung auf. Warum klären wir später. Zum Glück dauert ein Schaltvorgang nicht lange, deshalb ist der zeitliche Mittelwert der Schaltverluste erträglich. Je häufiger geschaltet wird, desto problematischer werden die Schaltverluste. Die Verlustleistung beim Schalten wird als dynamische Verlustleistung bezeichnet.
Welche Schalter wir auswählen hängt von den Anforderungen der Applikation ab. In einem Elektroauto muss eine Spannung von 400V mit einem Strom von einigen 100A geschaltet werden. In einer Bohrmaschine werden 18V und wenige 10 Ampere geschaltet. Dafür gibt es jeweils unterschiedliche Arten von Schaltern.
Robuste Auslegung: Die meisten Schaltungen der Leistungselektronik sterben an defekten Schaltern. Sie müssen in ihrem Leben extrem viele Schaltzyklen überstehen. Geben Sie also auf alle Parameter etwas Reserve, damit die Schalter nicht dauerhaft an ihrer Belastungsgrenze gestresst werden. Berücksichtigen Sie auch extreme Betriebszustände (z. B. große Hitze) und voraussehbare Fehlerzustände. Seien Sie gnädig in der Auslegung der Schalter, und die Schaltung dankt es Ihnen mit längerer Lebensdauer.
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