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2023-08-05T19:09:38Z

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{{Dieser Artikel|behandelt den Schalter als ''elektronisches'' Bauelement. Für das ''elektromechanische'' Bauelement siehe [[Schalter (Elektrotechnik)]].}}
[[Datei:Siemens NTBBA 40 183 340-100 - Maxim MAX313CUE-3329.jpg|miniatur|Elektronischer Schalter, [[Maxim Integrated]] MAX313]]
Ein '''elektronischer Schalter''', auch '''Analogschalter''' oder '''Halbleiterschalter''', ist Bestandteil einer [[Elektronische Schaltung|elektronischen Schaltung]], die die Funktion eines elektromechanischen [[Schalter (Elektrotechnik)|Schalters]] realisiert. Dabei kommen als Schaltelemente [[Feldeffekttransistor]]en (FET) und [[Bipolartransistor]]en sowie [[Diode]]n zum Einsatz. In Kombination mit Vorschaltwiderständen werden Bipolartransistoren in Schaltanwendungen auch als [[Digitaltransistor]] bezeichnet. Im weiteren Sinn werden auch [[Thyristor]]en und [[Halbleiterrelais]] zu den elektronischen Schaltern gezählt.

== Allgemeines ==
Elektronische Schalter arbeiten wesentlich schneller als mechanische [[Relais]] oder mechanische [[Schaltkontakt]]e und arbeiten [[Prellen|prell-]] und verschleißfrei. Sie haben jedoch gegenüber jenen einen höheren Übergangswiderstand im eingeschalteten Zustand und ein geringeres Isolationsvermögen im ausgeschalteten Zustand.

Im eingeschalteten Zustand weisen elektronische Schalter eine elektrische Verbindung vom Eingang zum Ausgang auf, im ausgeschalteten Zustand ist der Eingang möglichst gut vom Ausgang elektrisch isoliert. Da elektronische Schalter wesentlich kürzere Schaltzeiten im Bereich bis unter eine [[Nanosekunde]]n aufweisen, dienen sie vor allem als schnelle Schalter im Bereich der analogen [[Signalverarbeitung]]. Beispiele sind das Schaltelement in [[Sample-and-Hold-Schaltung|Abtast-Halte-Schaltungen]] bei [[Analog-Digital-Umsetzer]]n oder zur Signalumschaltung in Schaltmatrizen.

Die elektrischen Eigenschaften eines elektronischen Schalters werden durch die folgenden Werte charakterisiert:
* Durchlasswiderstand (in der Regel ≤ 100 Ω)
* Sperrwiderstand (in der Regel ≥ 1 MΩ)
* Spannungsbereich, in dem die Eingangsspannung unverzerrt übertragen wird.
* Schaltzeit (meist unter 1 µs)
* Art der digitalen Ansteuerung – in vielen Fällen ein [[Transistor-Transistor-Logik|TTL]]- und [[Complementary metal-oxide-semiconductor|CMOS]]-kompatibles Steuersignal.

Weiterhin sind folgende Werte bei Analogschaltern spezifiziert:
* [[elektrische Kapazität]] des Schaltpfades zum Rest der Schaltung
* Die elektrische Ladung, die während des Schaltvorganges aufgrund der Ansteuerung ausgetauscht wird; Diese sollte möglichst klein sein, denn sie führt zu einem Störspannungsimpuls auf der Signalleitung

== Typen ==
=== Feldeffekttransistoren als Schalter ===
[[Datei:FET-Serienschalter (vereinfachte Ansteuerung).svg|mini|Serienschalter mit [[JFET]]]]
[[Datei:CMOS Serienschalter.svg|mini|[[Complementary Metal Oxide Semiconductor|CMOS]]-Serienschalter mit [[Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor|MOSFET]]]]
Bei Feldeffekttransistoren lässt sich bei kleiner Spannung zwischen Drain-Source der Widerstand zwischen Drain-Source linear über die Spannung zwischen den Anschlüssen Gate-Source steuern. Dieses Verhalten lässt sich in elektronischen Schaltern verwenden.

So wird in der nebenstehenden Schaltung der [[JFET]] durch eine Steuerspannung ''U''St gleich der maximal möglichen positiven Eingangsspannung eingeschaltet. Ausgeschaltet wird, indem die Steuerspannung ''U''St um einige Volt unterhalb der kleinsten Eingangsspannung liegt. Zur Steuerung sind daher zusätzliche, nicht dargestellte Pegelumsetzer nötig, welche die nötigen Steuerspannungen beispielsweise aus einer [[Ladungspumpe]] beziehen.

Werden statt eines JFETs [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor]]en (MOSFET) als Schalter eingesetzt, wie in zweiter Schaltung an der vereinfachten Schaltung eines CD4066 dargestellt, entfällt der Aufwand für Erzeugung der nötigen Steuerspannungen. Dafür müssen zwei MOSFET, je ein n-Kanal und ein p-Kanal, parallel vorgesehen werden. Sie stellen ein sogenanntes [[Transmission-Gate]] dar. Dieser elektronische Schalter wird durch eine positive Spannung ''U''St = ''U''b eingeschaltet und durch ''U''St = 0 V ausgeschaltet. Je nach Höhe der Eingangsspannung in Relation zur Steuerspannung leitet im eingeschalteten Zustand entweder der n-Kanal MOSFET, dies ist bei kleinen Eingangsspannungen bis zu ''U''b/2 der Fall, und darüber der p-Kanal MOSFET.

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=== Dioden als Schalter ===
[[Datei:Diodenschalter.svg|mini|Prinzipschaltung eines Diodenschalters]]
Dioden eignen sich wegen der hohen Sperrwiderstände und vergleichsweise geringen Durchlasswiderstände auch als elektronische Schalter. Sie werden für den Schaltbetrieb vorgespannt und erlauben bei geeigneten Dioden sehr schnelle Schalter mit Schaltfrequenzen über 1 GHz. Die eigentlichen Schaltdioden werden dazu in einer sogenannten Brückenschaltung, wie in nebenstehender Schaltung mit ''4D'' bezeichnet, angeordnet. Im eingeschalteten Zustand werden die vier Dioden durch die beiden [[Konstantstromquelle]]n ''I'' vorgespannt, wenn die Steuerspannung ''U''s positiv ist. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung ''U''a gleich der Eingangsspannung ''U''e.

Im ausgeschalteten Zustand, dies ist bei negativer Steuerspannung ''U''s der Fall, wird der Strom ''I'' der beiden Konstantstromquellen über die beiden zusätzlichen Dioden D' abgeleitet, wodurch die vier Dioden in der Brücke sperren. Der Ausgang ist damit hochohmig vom Eingang getrennt.

Anforderungen an die Dioden sind eine kleine [[Sperrschichtkapazität]] und ein geringer [[differentieller Widerstand]] im leitenden Fall. Für die zweite Anforderung ist ein relativ hoher Strom in Vorwärtsrichtung nötig, da der differentielle Widerstand einer Diode umgekehrt proportional zum Strom ist. Für hohe Frequenzen kann ein geringerer differentieller Widerstand auch erreicht werden, wenn die Lebensdauer der Ladungsträger in der Diode lang genug ist, wie dies bei der [[pin-Diode]] der Fall ist. pin-Dioden werden aus diesem Grund auch als gleichstromgesteuerte [[Hochfrequenz|HF-Schalter]] verwendet.

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== Literatur ==
* {{BibISBN|3540428496}} Berlin

[[Kategorie:Schalter| ]]
[[Kategorie:Elektronische Schaltung]]

Elektronischer Schalter - Versionsgeschichte

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