Einschwingzeit
Englisch: transition time
Die Zeit, die erforderlich ist, damit sich die Schalterausgabe nach einer Änderung der Steuereingangsspannung innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes des Endwertes stabilisiert.
Schaltzeit: wie lange ein Schalter braucht, um tatsächlich umzuschalten
Die Schaltzeit misst, wie lange ein elektronischer Schalter benötigt, um nach einem Steuersignal von einem stabilen Zustand in einen anderen zu wechseln. Sie ist das Zeitintervall zwischen dem Anlegen eines Eingangssignals und dem Moment, in dem der Ausgang seinen endgültigen, nutzbaren Wert erreicht hat. In Logikschaltungen und der Leistungselektronik ist dies eine kritische Leistungskennzahl, da sie direkt begrenzt, wie schnell ein System arbeiten kann.
Die genaue Definition ist wichtiger als gedacht, denn sich einstellen bedeutet nicht ankommen. Wenn ein Schalter einen Befehl erhält, springt die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom nicht augenblicklich auf den Endwert. Stattdessen steigt oder fällt er, oft mit Überschwingern oder Rauschen. Ingenieure legen fest, dass die Ausgangsgröße in ein definiertes Fenster landen muss, typisch 10%, 5% oder 2% des Endwerts, und dort bleiben muss. Die Schaltzeit wird vom Eingangsflankenübergang bis zu dem Moment gemessen, in dem sie dieses Fenster erreicht und dort verbleibt.
In der digitalen Logik wirkt sich die Schaltzeit direkt auf die maximale Taktfrequenz aus. Ein Prozessor, der mit 3 GHz läuft, hat eine Zykluszeit von etwa 333 Nanosekunden. Wenn die Schaltzeit eines Logikgatters 1 Nanosekunde beträgt, arbeitet das Gatter schnell im Verhältnis zum System. Liegt sie bei 50 Nanosekunden, wird die Zeitreserve aufgebraucht und Signalpfade können sich möglicherweise nicht einstellen, bevor die nächste Taktflanke ankommt. In der Leistungselektronik verursachen langsame Schaltzeiten in Hochstromschaltern Energieverluste als Wärme während des Übergangszustands, was die Effizienz senkt und schwerere Kühlsysteme erforderlich macht.
Die Ursachen für langsame Schaltzeiten liegen in Material und Aufbau. Kapazitive Last am Ausgang verlangsamt die Spannungsänderung; induktive Effekte können Überschwinger verursachen, die das Einstell-Zeitfenster verlängern. Die Sperrschichtkapazität im Transistor selbst, besonders an der Basis-Emitter-Sperrschicht in Bipolartransistoren, speichert und gibt Ladung ab und erzeugt dadurch Verzögerung. MOSFETs schalten bei gleichem Leistungsniveau typisch schneller als Bipolartransistoren, da sie spannungsgesteuert und nicht stromgesteuert sind.
Die Schaltzeit erscheint auf Datenblättern neben Anstiegszeit und Abfallzeit, die nur das 10%-bis-90%-Fenster erfassen. Einige Spezifikationen nennen Ausbreitungsverzögerung, also die Schaltzeit vom Eingang bis zu einem bestimmten Ausgangsschwellwert, häufig 50%. Hochgeschwindigkeits-Digitallogik bevorzugt kurze Schaltzeiten; Schaltnetzteilversorgungen akzeptieren längere Zeiten gegen geringere Verluste oder kleinere Bauteile. Analoge Schaltungen interessiert die Schaltzeit vor allem, wenn ein Schalter während des Umschaltvorgangs Spannungs- oder Stromgrenzen nicht überschreiten darf.