Open circuit

Open Circuit (englisch für „Offene Schaltung“) bezeichnet in der Elektrotechnik Ausgänge von elektrischen Schaltungen, die einen hochohmigen („offenen“) Zustand einnehmen können. In diesem Zustand führen die angeschlossenen Leitungen kein vom Ausgang vorgegebenes elektrisches Potential. Stattdessen verhalten sie sich idealerweise so, als wären sie gerade von der Schaltung abgetrennt. In der Praxis sind elektrische Bauteile nie ganz offen (kein unendlicher Widerstand) oder geschlossen, sondern haben auch geschlossen einen geringen Übergangswiderstand und zudem noch parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. In diesem Artikel wird bei der Beschreibung von idealen Bauteilen ausgegangen.

Ausgangsschaltungen

Alle im Folgenden dargestellten Techniken dienen dem Zweck, mehrere Ausgänge (von beispielsweise verschiedenen Baugruppen) an einer gemeinsamen Leitung (z. B. einer Busleitung) zu benutzen.

Offener Kollektor/offenes Drain

Ausgangsschaltungen mit offenem Kollektor (englisch open collector), diese Bezeichnung ist bei Bipolartransistoren üblich, und die Bezeichnung des offenen Drains (englisch open drain), bei Feldeffekttransistoren üblich, verbinden im aktiven Zustand die angeschlossene Signalleitung mit einem Versorgungspotential. Im inaktiven Zustand ist der Ausgang der Schaltung hochohmig, dass das Potential der Signalleitung nicht beeinflusst wird.

Im aktiven Zustand stellt der Ausgang bei NPN-Bipolartransistoren bzw. N-Kanal Feldeffekttransistoren eine direkte Verbindung zum niedrigeren Potential (Masse, GND) dar. Bei PNP-Bipolartransistoren bzw. P-Kanal Feldeffekttransistoren wird eine direkte Verbindung zu dem positiven Versorgungspotential (Vcc) hergestellt.

Verwendung finden solche Ausgänge unter anderem zusammen mit einem Pull-up-Widerstand, der im inaktiven Zustand das hohe Potential auf den Ausgang legt. Nachteilig ist hierbei mitunter die langsame steigende Signalflanke, die entsteht, weil der relativ hochohmige Widerstand eine gewisse Zeit benötigt, um die (parasitären) Kapazitäten von Ausgang und Verbindungsleitung aufzuladen.

Es gibt nicht zwingend eine übergeordnete Instanz, die bestimmt, welcher Ausgang arbeiten darf. Benutzt wird diese Technik z. B. beim I²C-Bus.

Tristate

Zwei Tristate-Ausgänge mit Pull-up-down-Widerständen an der Signalleitung

Tristate-Ausgangsschaltungen verbinden die angeschlossene Signalleitung entweder mit dem höheren Potential, dem niedrigeren Potential, oder sie lassen sie unbeeinflusst, weisen also drei Zustände auf. Der hochohmige Zustand wird bei integrierten Schaltungen durch einen speziellen Freigabeeingang gesteuert und auch als Tri-Z bezeichnet. Im inaktiven Zustand ist der Ausgang der Schaltung hochohmig, so dass das Potential der Signalleitung nicht beeinflusst wird.

Im Ersatzschaltbild für diesen hochohmigen Zustand kann der Ausgang völlig entfallen. Im aktiven Zustand stellt der Ausgang entweder eine direkte Verbindung zum niedrigeren oder zum höheren Potential dar.

Bei der Benutzung von Tristate-Ausgängen benötigt man eine Instanz, die festlegt, welcher Ausgang aktiv ist. Bei einem Mikroprozessorbus beispielsweise ist dies ein Adressdekoder, der (abhängig von der Adresse auf dem Adressbus) über die Freigabeleitungen eine der Baugruppen auswählt, die darauf ihren Ausgang bzw. ihre Ausgänge aktiviert.

Sustained-Tri-State

Ein Ausgang mit Sustained-Tri-State stellt in gewisser Weise eine Mischform aus Tristate und offenem Kollektor dar. Wenn die Schaltung einer Baugruppe einen Ausgang inaktivieren will, legt sie den Ausgang eine kurze Zeit auf das hohe Potenzial, ehe die Ausgangsleitung ganz freigegeben wird. Dadurch wird die Ausgangsleitung sofort auf das hohe Potenzial gelegt, ohne dass der Pull-up-Widerstand die parasitären Kapazitäten laden muss. Die anderen Baugruppen müssen den Ausgang beobachten und ggf. die aktive Phase abwarten, ehe sie den Ausgang aktivieren, damit nicht mehr als eine aktive Schaltung an der Leitung arbeitet – sonst würde es zu Fehlfunktionen kommen, wenn eine Baugruppe die Ausgangsleitung freigeben will, während sie von einer anderen noch auf niedrigem Potenzial gehalten wird.

Benutzt wird dieses Verfahren z. B. beim PCI-Bus.

Beschaltung der Signalleitungen

Pull-down

Pull-down bezeichnet in der Elektrotechnik einen (relativ hochohmigen) Widerstand, der eine Signalleitung mit dem niedrigeren Spannungs-Potential verbindet. Durch ihn wird die Leitung auf das niedrige Potential gebracht, für den Fall, dass kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein höheres Potential bringt. Übliche Werte liegen im Bereich von 1 kΩ bis rund 10 kΩ.

Pull-up

Pull-up bezeichnet in der Elektrotechnik einen (relativ hochohmigen) Widerstand, der eine Signalleitung mit dem höheren Spannungs-Potential verbindet. Durch ihn wird die Leitung auf das höhere Potential gebracht, für den Fall, dass kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein niedrigeres Potential bringt. Übliche Werte liegen im Bereich von 1 kΩ bis rund 10 kΩ.

Pull-up-down

Pull-up-down-Beschaltungen bei dreiwertigen Signalleitungen verbinden diese sowohl mit dem höheren als auch mit dem niedrigeren Potential. Durch die Dimensionierung der Widerstände als Spannungsteiler wird die Leitung auf ein gewünschtes Mittenpotential gebracht, für den Fall, dass kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein höheres oder niedrigeres Potential bringt.

Symbole nach IEC-Norm

SymbolBeschreibung
Normaler unverzögerter Ausgang.pngNormaler, unverzögerter Ausgang
Offener Ausgang.pngAllgemeines Zeichen für einen „Offenen Ausgang“, z. B. den Open-Collector-Ausgang
Offener Ausgang H-Typ.pngOffener Ausgang H-Typ mit niederohmigem H-Pegel und hochohmigem L-Pegel
Mit diesen Ausgängen sind Wired-OR-Verknüpfungen möglich.
An die Wired-OR-Verknüpfung muss zusätzlich noch ein externer Pull-down-Widerstand geschaltet sein.
Offener Ausgang hochohmiger H-Pegel.pngOffener Ausgang L-Typ mit hochohmigem H-Pegel und niederohmigem L-Pegel
Mit diesen Ausgängen sind Wired-AND-Verknüpfungen möglich.
An die Wired-AND-Verknüpfung muss zusätzlich noch ein externer Pull-up-Widerstand geschaltet sein.
Offener Ausgang mit Pullup bez Pulldown.pngAllgemeines Zeichen für passiven Pull-up- bez. Pull-down-Ausgang
Passiver Pullup-Ausgang.pngPassiver Pullup-Ausgang mit H-Pegel durch Pull-up-Widerstand und niederohmigem L-Pegel
Offener Ausgang niederohmiger H-Pegel.pngPassiver Pulldown-Ausgang mit niederohmigem H-Pegel und L-Pegel durch Pull-down-Widerstand
TriState.pngTri-State-Ausgang mit drei Zuständen (H-Pegel, L-Pegel und Hochohmig)

Literatur

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 11., völlig neu bearb. und erw. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 1999, ISBN 3-540-64192-0.

Weblinks

Auf dieser Seite verwendete Medien

Passiver Pullup-Ausgang.png
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Passiver Pullup-Ausgang
Offener Ausgang hochohmiger H-Pegel.png
Autor/Urheber: Tschoggi, Lizenz: CC BY 3.0
Offener Ausgang (Open Collector):

hochohmiger H-Pegel, niederohmiger L-Pegel

nach IEC-Norm
Offener Ausgang.png
Autor/Urheber: Tschoggi, Lizenz: CC BY 3.0
Offener Ausgang (Open Collector):

allgemein

nach IEC-Norm
Normaler unverzögerter Ausgang.png
Autor/Urheber: Tschoggi, Lizenz: CC BY 3.0
Normaler unverzögerter Ausgang nach IEC-Norm
Offener Ausgang H-Typ.png
Autor/Urheber: Tschoggi, Lizenz: CC BY-SA 3.0
Offener Ausgang H-Typ
Pull-Up-Down-Tristate.png
(c) Moralapostel, CC-BY-SA-3.0
Pull-Up-Down+Tristate

(Originaltext: Pull-Up-Down+Tristate. Ein bewusst stark vereinfachter Schaltplan, der eine grundsätzliche Tristate-Ausgangsbeschaltung zusammen mit je einem Pull-Up- und Pull-Down-Widerstand darstellt.)

Technischer Hintergrund: Beide Bauteile IC1 und IC2 können auf der selben Datenleitung arbeiten weil sie ihre Ausgänge "hochohmig" schalten können. In diesem Zustand sind jeweils beide Transistoren (V1 und V2 sowie V3 und V4 einfache FET) "zu" und das Potential wird nur durch andere Ausgänge bestimmt. Ist gar kein Ausgang aktiv bestimmen die Widerstände R1 und R2 den Pegel auf der Signal-Leitung. Irgendwo (nicht im Bild) sollte freilich noch ein Eingang sein, der an der Leitung hängt. Prinzipiell kann es beliebig viele Ausgänge vom Typ IC1 und IC2 geben. Natürlich muss das Aktivieren und Deaktivieren der Ausgänge von einer weiteren Logik koordiniert werden. Aber für das Schema wollte ich nicht zuviel hineinpacken.
TriState.png
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TriState nach IEC-Norm
Offener Ausgang niederohmiger H-Pegel.png
Autor/Urheber: Tschoggi, Lizenz: CC BY 3.0
Offener Ausgang (Open Collector):

niederohmiger H-Pegel, L-Pegel durch Pull-down Widerstand

nach IEC-Norm
Offener Ausgang mit Pullup bez Pulldown.png
Autor/Urheber: Tschoggi, Lizenz: CC BY 3.0
Offener Ausgang (Open Collector):

mit "Pull-up-", bez. "Pull-down"-Widerstand

nach IEC-Norm