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High Side Switch vs. Low Side Switch + Simulation

Ein High Side Switch schaltet den Plus-Pol, während ein Low Side Switch die Masse schaltet. Aber macht das überhaupt einen Unterschied? Letztlich liegt doch eine Reihenschaltung vor.

Ja, es macht einen Unterschied.

Der erste Unterschied besteht in der Sicherheit. Bei einem Low Side Switch liegt an beiden Kontakten des Verbraucher noch die volle Spannung an auch wenn der Schalter offen ist. Sehr gefährlich!

Also sollte man einfach High Side Switches verwenden. Das geht aber nur bei Schaltern. Wenn man Mosfets verwenden möchte, geht es nicht. Woran liegt das? Damit ein n-Kanal-Mosfet richtig aufmacht, muss eine Spannung von mehreren Volt zwischen Gate und Source anliegen. Sobald aber ein Strom durch den Mosfet fließt, fällt Spannung über dem Lastwiderstand ab, so dass sich die Spannung an Source steigt. Damit nimmt die Spannung zwischen Gate und Source ab und der Mosfet macht nicht richtig auf. Man kann n-Kanal-Mosfets deshalb nicht ohne weiteres als High Side Switches benutzen. Wenn man es dennoch tun will, muss man ihnen die enstprechend hohe Gatespannung zur Verfügung stellen. Mit einem DC-DC Wandler zum Beispiel.

Ich habe das mit Simplorer simuliert:

NMOS High Side vs. Low Side SwitchMit Bipolartransistoren funktioniert aber alles wunderbar:

NPN High Side vs. Low Side Switch

Warum gibt es bei Bipolartransistoren nicht das gleiche Problem? Dort steigt beim High Side Switch auch die Spannung über dem Lastwiderstand an, was die Spannung über der Basis-Emitter-Diode des NPN-Transistors reduziert.

Hier zeigt sich der Unterscheid zwischen einem FET, der spannungsgesteuert ist und einem Bipolartransistor, der stromgesteuert ist. Damit der FET tatsächlich mit einem niedrigen Drain-Source-Widerstand rDSon gut leitet, benötigt er eine hohe Steuerspannung. Sobald die Steuerspannung absinkt und in die Nähe der Threshold-Spannung Uth kommt, steigt rDSon stark an. Der Bipolartransistor benötigt dagegen nur den Basisstrom, den er mit der Stromverstärkung verstärkt. Den Basisstrom stellt man über den Basis-Vorwiderstand ein. Und zwar so, dass der mögliche Kollektorstrom den vom Verbraucher benötigten Strom übersteigt. Dann läge Uce unter Ucesat (0,1..0.5 V). Das wird aber nicht passieren, da dann die Basis-Emitterdiode nicht mehr leiten würde. Es stellt sich also als Spannungsabfall über dem NPN-Transistor der Wert des Spannungsabfalls über der Basis-Emitterdiode ein. Die Verlustleistung über dem Transistor ergibt sich zu Pv=Uce*Ic und ist durch den geringen Spannungsabfall klein.

Ergänzung: Polarised AC plug

Manche US-amerikanische Stecker sind verpolungssicher, indem einer der beiden Kontakte etwas breiter ist. Aber wozu? Ganz einfach – damit ist im Gerät klar welcher Leiter unter Spannung steht und der Schalter kann als High Side Switch ausgelegt werden. Damit wird zum Beispiel beim Toaster sichergestellt, dass an den Heizdrähten im ausgeschalteten Zustand keine Spannung anliegt. Da die deutschen Schukostecker nicht verpolungssicher sind, werden bei Toastern die Heizdrähte sicher beidseitig (mit einem zweiphasigen) Schalter vom Netz getrennt.