Transistor
(Bipolar und hier als Schalter)
Grundlegendes
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Auf dieser
Seite geht es im Wesentlichen um das Thema "Der
Transistor als Schalter".
Informationen über Transistoren, deren Aufbau und die Vielfalt
der Auslegungen und Verwendungszwecke gibt
es im Netz wie Sand am Meer. Jedoch erscheinen
mir diese alle etwas zu theoretisch aufgebläht, da man scheinbar bemüht ist so viel
Information wie möglich zusammenzutragen um ja
nichts vergessen zu haben.
Jedoch interessiert sich der "einfache" Bastler
oft nur soweit für eine Thematik bis er sein
Vorhaben umsetzen kann. Genau bis dahin und
nicht weiter soll die Ausführung hier gehen.
Das Bild rechts, zeigt die beiden Grundtypen
(Kristallaufbau) von Transistoren. Diese sind NPN und PNP. Wobei die am häufigsten
anzutreffenden Typen der Gruppe NPN zuzuordnen
sind. |
Dass ein
Transistor eine verstärkende Wirkung hat ist
vielen sicherlich bekannt und daran gibt es ja auch nichts
zu rütteln. Jedoch denke ich, wenn man den Transistor
zunächst mal als einstellbare Drossel
betrachtet, kommt man
eventuell schneller dahinter, wie er
funktioniert und was man mit ihm anstellen
kann. Darum bitte ich mal für die weitere
Erklärung den Transistor als Drossel zu
betrachten. Ein Transistor hat |
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immer
drei Anschlüsse, die Basis (B), den Kollektor (C) und
den Emitter (E). Nimmt man einen Multimeter und misst
den Widerstand zwischen C und E (C-E Strecke), so wird
man einen sehr großen Widerstand messen (Drossel
ganz zu). Lässt man nun einen Strom von der Basis über
den Emitter (B-E Strecke) fließen, so wird der Widerstand kleiner (die
Drossel öffnet sich). Je höher der Strom
(B-E Strecke), desto niedriger der Widerstand der C-E
Strecke
(die Drossel wird geöffnet). Ist eine bestimmte
Stromstärke erreicht, so ist der Widerstand sehr klein
(also die Drossel ganz auf). Nun ist es so, dass der Strom der an
B anliegt im Verhältnis zum Strom steht, der über die C-E Stecke
fließen kann. Je nach Transistortyp variiert dieses
Verhältnis. So, und jetzt nehmen wir die verstärkende
Wirkung mit ins Spiel. Denn dieses Verhältnis nennt man den
Verstärkungsfaktor. Nun zu den beiden Grundtypen, NPN und PNP. Hierzu müssen wir
jetzt noch die Polarität
mit einbeziehen. Wollen wir einen Transistor durchschalten
(Drossel öffnen), so
benötigen wir bei beiden Typen eine positive (+) Spannung an
der Basis (B). Die Masse muss dann beim NPN am Emitter
(E) und beim PNP am Kollektor (C) anliegen. Mit anderen
Worten, beim NPN fließt der Basisstrom über den Emitter
ab und beim PNP über den Kollektor.
Wie in der Schaltung
unten schon zu erkennen ist, befindet sich ein
Widerstand vor der Basis. Dieser wird benötigt um den Transistor nicht zu
beschädigen und muss je nach Gegebenheiten auf die
Schaltung abgestimmt sein. Aber dazu später mehr... |
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) |
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Merkmale: |
Merkmale: |
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- große
Stromverstärkung
- großer
Eingangswiderstand
- geringere Belastung
des Transistors
- hohe Lastspannung |
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- geringe
Stromverstärkung
- geringerer
Eingangswiderstand
- auch Verstärkung
von Wechselspannungen möglich
- kleinere
Lastspannung |
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Der Transistor als
Schalter -
Schalten einer Last mit dem NPN
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Im nun folgendem Fall
spielt die verstärkende Wirkung des Transistors eine
untergeordnete Roll. Es werden
nur die beiden Extremstellungen "Drossel ganz auf" und
"Drossel ganz zu" angefahren. Wir nutzen den Transistor
somit quasi als Schalter. Um gleich nahe an der
Praxis zu bleiben, hier mal die Aufgabenstellung: Ich
möchte mittels einem, vom PC kommenden Signal (kleiner Schaltstrom)
einen Gleichstrommotor schalten, der eine Stromaufnahme,
je nach Temperatur und Belastung von 1 - 2,5 A
hat. Hier in der Schaltung wird das vom PC kommende
Schaltsignal durch einen Schalter ersetzt.
Wegen des relativ hohen Motor-Stroms habe ich den
Leistungstransistor
BD 649
(NPN)
ausgewählt. Streng genommen besteht dieser Transistor
aus einem Verbund zweier Transistoren, die zu einer
Darlington-Schaltung zusammengefasst sind, man nennt ihn
daher auch Darlington-Transistor. Bis auf den
Spannungsabfall in der B-E-Strecke kann er jedoch einfachheitshalber
wie ein einzelner Transistor betrachtet werden -
dazu später mehr.
Er hat eine Gleichstromverstärkungsfaktor von 750
(sehr hoch, charakteristisch für einen
Darlington-Transistor) und eine
Belastbarkeit von 8A. So nun hätten
wir eigentlich alles beisammen bis auf eines, den Wert
des Basis-Vorwiderstands. Diesen gilt es jetzt zu
berechnen. |
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 ;-) |
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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
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