Grundlegendes

   Grundschaltungen NPN

Bevor wir jetzt zu einem konkreten Beispiel kommen, noch schnell was über die Grundschaltungen. Je nach Anwendungsfall ist zwischen drei Grundschaltungen zu wählen und zwar der  Emitterschaltung, Kollektorschaltung und der Basisschaltung. Da die Basisschaltung eher im Hochfrequenzbereich (HF) Anwendung findet, klammere ich diese mal aus und zeige hier nur die Emitter- und die Kollektorschaltung.

Emitterschaltung	Kollektorschaltung
Geeignet für das Schalten von Lasten	Geeignet für Signalverstärkung (Niederfrequenz/NF)
Merkmale:	Merkmale:
- große Stromverstärkung - großer Eingangswiderstand - geringere Belastung des Transistors - hohe Lastspannung	- geringe Stromverstärkung - geringerer Eingangswiderstand - auch Verstärkung von Wechselspannungen möglich - kleinere Lastspannung

   Der Transistor als Schalter - Schalten einer Last mit dem NPN

   Berechnung

Für Eilige die keine Lust auf Details haben hier direkt der link zum Onlinerechner um den Vorwiderstand zu berechnen.
Ergänzend auch ein Tool zum Bestimmen des nächstgelegenen  Standardwiderstand
Und wer dann sein Sortiment durchstöbern muss noch ein Tool zum entschlüsseln der Farbcodierung 4 und 5 Ringe

Der Basis-Vorwiderstand wird ausgehend von der Gleichstromverstärkung des Transistors, der Schaltspannung und vom Strom des Verbrauchers berechnet. Als Strom nimmt man den max. anstehenden Strom, was im Motorbeispiel 2,5A wäre.
Den Verstärkungsfaktor (Gleichstromverstärkung) können wir aus dem Datenblatt des Transistors entnehmen. Siehe auch "Transistor auswählen". Welcher Wert noch für die Berechnung benötigt wird, ist der Spannungsabfall an der B-E-Strecke des Transistors. Dieser Wert ist für alle einfachen bipolaren Silizium-Transistoren gleich und liegt bei ~0,6 V (Germanium hat 0,2 V). Da wir aber hier einen Darlington-Transistor (NPN-NPN) verwenden liegt der Spannungsabfall bei ~1,2 V.

Für die Berechnung relevante Werte sind demnach:
Schaltungsspannung 13,8 V; Gleichstromverstärkungsfaktor 750;  Schaltstrom 2,5 A; Spannungsabfall B-E-Strecke 1,2 V

Zunächst rechnet man den Strom aus, der an der Basis anliegen soll, also fiktiv angenommener Strom / Verstärkungsfaktor

Dann mittels Ohmsche Gesetz den Widerstand - hier den Spannungsabfall von 1,2 V weil Darlington-Transistor!

Der Vorwiderstand für die Basis wäre demnach 3780 Ohm. Der nächstgelegene Standardwert ist zwar 3,9 kOhm, aber in unserem Fall geht man besser auf den 3,3kOhm bzw. eigentlich noch weiter runter, siehe hierzu den nächsten Punkt "Hinweis zur Praxis".

   Hinweis zur Praxis (Transistor übersteuern)

In der Praxis kann man bei solch einer Schaltung für die Berechnung von vorneherein den maximal zulässigen Strom (IC) des Transistors zugrunde legen, ungeachtet des tatsächlichen Stroms des Verbrauchers. Für den BD 649 wäre dies 8A. Somit kommt man auf einen Ohmwert von 1181. Der nächstgelegene Standardwert wäre dann 1,2 kOhm, aber auch ein 1 kOhm Widerstand ist hier noch völlig OK. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Spannung der B-E-Strecke nicht die im Datenblatt zu entnehmende 5 V (VEBO/UEBO) überschreitet.
Das Übersteuern hat zwar einen negativen Einfluss auf das Schaltverhalten hinsichtlich der Zeit, jedoch kann man das beim Ansteuern von Motoren, Lampen, Relais... getrost vernachlässigen.

 

   Freilaufdiode

Beim Schalten, eigentlich beim Abschalten von induktiven Verbrauchern wie Motoren, Relais... usw. erzeugt deren verbaute Spule eine Induktionsspannung, in umgekehrter Polrichtung, die den Transistor beschädigen kann. Eine Freilaufdiode vernichtet diese Spannung und verhindert den Rückfluss und somit die Beschädigung des Transistors. Diese Diode kann im Grunde eine normale Schaltdiode sein (z.B. 1N5400x), die nur aufgrund ihres Einsatzes den Namen Freilaufdiode trägt. Im Schaltbild zur Beispielaufgabe ist diese Diode mit D1 bezeichnet und liegt mit der Kathodenseite an Plus und mit der Anode an der Minusseite des Motors (Spule). In der Praxis sitzt die Freilaufdiode so nah wie möglich an der Spule, also direkt am Motor, Relais... mehr zu Freilaufdioden gibt es hier.

Der in der Schaltung verwendete Darlington-Transistor besitzt übrigens eine intern verbaute Diode und ist dadurch von Haus aus bereits geschützt - siehe Datenblatt. Dies ist aber eine Besonderheit des BD 649 und trifft für normale Transistoren nicht zu. Seshalb habe ich die, ansonsten obligatorische Freilaufdiode auch mit in den Schaltplan gepackt.

   Kleine Zugabe zum Thema Verstärkung

Wer bis hierhin alles verstanden hat, wird schnell auf eine Idee kommen, wie man mittels einem Transistor die Drehzahl eines Motors regeln könnte... Dazu müsste man einfach in der Formel zur exakten Berechnung den Wert für Strom-fiktiv (war oben 8A) entsprechend niedriger einsetzen. Wenn man dann noch anstelle des Widerstandes einen Potentiometer verwenden würde, dann ließe sich die Drehzahl auch stufenlos einstellen. Toll, aber..! Ganz so einfach ist es leider nicht,  denn drosselt man den Motor auf diese Weise, so fällt neben der Drehzahl auch das Drehmoment ab und der Motor kann praktisch kaum noch belastet werden. Für diesen Fall wäre eine PWM (Pulsweitenmodulation) das richtige. Für das Dimmen einer Glühlampe könnte man jedoch so eine Schaltung nutzen. Besonders hierbei sollte man sich aber auch den nächsten Punkt zu Gemüte führen.
 

   Abschließend noch ein Hinweis

Ein Transistor kennt nicht nur den maximalen Kollektorstrom (IC) und die maximale Spannung (UCB/UCE) als Grenzwerte, sondern auch noch die maximale Verlustleistung (Ptot). Diese berechnet sich wie folgt: P = UCE * IC und sollte nicht dauerhaft über bzw. im Bereich von Ptot liegen. Befindet sich der Transistor für längere Zeit in Ptot, so wird dieser überhitzen und wird dadurch Schaden nehmen. Dies aber nur am Rande, da das Thema dieser Seite "Der Transistor als Schalter" ist und in diesem Fall keine Gefahr besteht. Beim durchschalten wird der Bereich von Ptot zwar geschnitten, jedoch nur für eine kurze Zeit, ansonsten ist entweder IC oder UCE klein und der Bereich wird nicht erreicht. Ein beherzter Bastler rechnet jedoch nicht noch weiter rum, sondern macht folgendes: Schaltung aufbauen, Finger an den Transistor und Saft auf die Leitung... verbrennt man sich die Finger, so sollte man seine Auslegung nochmals überdenken ;-)

   Transistor auswählen

Hier möchte ich kurz auf die Werte eingehen, die neben dem Typ die wichtigsten Auswahlkriterien der Transistorwahl darstellen.

 -  Verstärkungsfaktor  -  Strom  -  Spannung  -

Den Verstärkungsfaktor (Gleichstromverstärkung) können wir aus dem Datenblatt des Transistors entnehmen, Datenblätter gibt es übrigens zu fast allen Transistoren zuhauf und kostenlos im Internet (einfach mal nach der Typenbezeichnung googlen). Bei den Online-Elektronik-Versandhäusern wie Conrad und Reichelt kann man die Datenblätter gleich beim Kauf der Teile downloaden. Leider gibt es bei der Bezeichnung des Gleichstromverstärkungsfaktor ebensoviel Umschreibungen und Kurzkennzeichen wie Hersteller, was es dem ungeübten Gelegenheitslöter eventuell schwer macht durchzublicken. "Forward current transfer ratio"; " DC current gain" oder auch in Deutsch "Kollektor-Basis-Stromverhältnis" um mal einige zu nennen. Für die Nutzung des Transistors als Schalter ist dieser Wert nur zur Berechnung des Vorwiderstandes relevant.

Der maximale Strom (IC) der durch den Transistor fließen darf ist im Datenblatt normaler weise leicht zu finden, er wird in aller Regel als "Collector current" bzw. "Kollektorstrom" benannt und hat das Kurzzeichen "Ic". Oft werden bei Leistungstransistoren, wie dem oben verwendeten BD 649 auch zwei Werte angegeben, wobei der eine für die kurzzeitige Belastung und der andere für die Dauerbelastung zu nehmen ist.
Zur maximal zulässigen Spannung (UCB/UCE) findet man auf den Datenblättern in aller Regel zwei Werte. Die Kollektor-Basis-Spannung und die Kollektor-Emitter-Spannung. Je nach Grundschaltungstyp ist hier der entsprechende Maximalwert zu nehmen.

Der BD 649 besteht intern, wie oben schon erwähnt aus zwei hintereinander geschalteten bipolaren Transistoren. Die Art der Verschaltung wurde erstmals 1952 von Sydney Darlington dokumentiert. Äußerlich kommt er jedoch wie ein normaler Transistor daher und kann auch als solcher behandelt werden, lediglich der höhere Spannungsabfall in der B-E-Strecke ist zu berücksichtigen. Charakteristisch für ein Darlington-Transistor ist ein sehr hoher Verstärkungsfaktor, bei gleichzeitig hoher Schaltleistung. Von daher ist er gut geeignet um mit geringem Eingangssignal hohe Ströme zu schalten. Es gibt ihn als NPN und PNP Transistor (PNP-PNP) und sehr selten als Komplementär-Darlington (NPN-PNP und PNP-NPN). Letztere habe einen geringeren Spannungsabfall und niedriger Verlustleistung, sind aber wie gesagt kaum als Bauteileinheit anzutreffen.

Ja, man könnte für die oben gezeigte Schaltung auch einen normalen bipolaren Leistungstransistor wie z.B. den BD 245 nehmen. Aber die eigentliche Aufgabenstellung war ja, ein vom PC kommendes Eingangsignal zu verwenden, welches beispielsweise vom COM-Port kommend nur wenige mA Strom bereithält. Aufgrund der geringeren Stromverstärkung des BD245 würden dieser aber nicht genügend Strom für den Motor durchlassen. Gut, man könnte jetzt mit einem davor geschalteten Transistor den Strom bereits etwas... Moment, ich glaube ich habe gerade die Darlington-Schaltung neu erfunden :-)

Mein Tipp: Neben dem Klassiker BC 548, schadet es nicht, auch ruhig ein paar Darlingtons in der Bastelschublade zu haben. 

   Transistortypen

Bei Transistoren aus europäischer Produktion lässt sich anhand der Bezeichnung einiges über den Transistor herausfinden. Diese Bezeichnung setzt sich aus zwei oder drei Buchstaben gefolgt von zwei oder drei Ziffern zusammen. Zumindest den Buchstaben lassen sich hierbei eindeutig Eigenschaften zuordnen. Der erste Buchstabe gibt das Ausgangsmaterial an:

A = Germanium;
B = Silizium;
C = Gallium-Arsenid;
O = alte Typen (Germanium)

Der zweite Buchstabe gibt einen Hinweis auf den Verwendungstyp:

C = Niederfrequenztransistor (bei alten Typen auch Hochfrequenztransistor)
D = Niederfrequenztransistor
F = Hochfrequenztransistor
L = Hochfrequenz-Leistungstransistor (z.B. für Sender)
P = Fototransistor
S = Schalttransistor
U = Leistungsschalttransistor