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     Transistor (in erster Linie als Schalter)

 

   Grundlegendes

  

Wie schon auf der Eingangseite des Elektronikbereiches erwähnt, geht es mir nicht darum möglichst viel Wissen über eine Sache anzuhäufen, sondern vielmehr nur soviel Informationen bereitzuhalten, damit eine bestimmte Sache in der Praxis umgesetzt werden kann. 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 deren 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. Informationen über das Warum, Wieso, Was wäre wenn und Was geht noch... interessiert nicht immer Jeden und verwirrt den "einfachen" Bastler, der von der elektronischen Thematik nur soviel wissen möchte, dass sein Vorhaben funktioniert.

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

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)
   
   
Merkmale: Merkmale:
 

- große Stromverstärkung

- großer Eingangswiderstand

- geringere Belastung des Transistors

- hohe Lastspannung

 

- geringe Stromverstärkung

- geringerer Eingangswiderstand

- auch Verstärkung von Wechselspannungen möglich

- kleinere Lastspannung

 

   Schalten einer Last mit dem NPN - Transistor als Schalter

Im nun folgendem Fall werden wir die verstärkende Wirkung des Transistors, welcher übrigens ein NPN in Emitterschaltung ist nicht benötigen. Es werden nur die beiden Extremstellungen "Drossel ganz auf" und "Drossel ganz zu" angefahren. Wir nutzen den Transistor somit quasi als Schalter.  Um gleich nah 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 ausgewählt, dazu später mehr. Er hat eine Verstärkungsfaktor (Gleichstromverstärkung) von 750 (für diesen Fall prinzipiell nicht relevant aber er ist für die Berechnung des Vorwiderstands von Nöten) und eine Belastbarkeit von 8A. Nur so am Rande bemerkt ist er mit ca. 0,20 Cent um ein vielfaches günstiger als ein Relais mit entsprechender Schaltleistung. Solange man also nur einen Schließer vom Relais nutzen würde, macht es durchaus auch finanziell einen Sinn einen Transistor zu verwenden. So nun hätten wir eigentlich alles beisammen bis auf eines, den Wert des Basis-Vorwiderstands. Diesen gilt es jetzt zu berechnen.

 

   Berechnung

Für Eilige und die wissen worum es geht, hier ein Onlinerechner  um den Vorwiderstand zu berechnen.
Und weil's praktisch ist, auch gleich ein Onlinetool zum bestimmen des passenden Standardwiderstand

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 siliziumbasierende Transistoren gleich und liegt bei 0,6 V (Germanium hat 0,2 V).

Für die Berechnung relevante Werte sind demnach:
Schaltungsspannung 13,8 V; Gleichstromverstärkungsfaktor 750;  Schaltstrom 2,5 A; Spannungsabfall B-E-Strecke 0,6 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 0,6 V nicht vergessen !

Der Vorwiderstand für die Basis wäre demnach 3960 Ohm, bzw. der nächst gelegenste Standardwert 3,9 kOhm. Ist der nicht zur Hand, so kann auch ein 3,3kOhm und weniger verwendet werden, 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 zugrundelegen, ungeachtet des tatsächlichen Stroms des Verbrauchers. Für den BD 649 wäre dies 8A. Somit kommt man auf einen Ohmwert von 1237. Der nächstgelegene Standardwert wäre dann 1,2 kOhm und selbst dieser könnte noch unterschritten werden. 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 die Spule eine Induktionsspannung, die den Transistor beschädigen kann. Eine Freilaufdiode kann im Grunde eine normale Schaltdiode sein (hier z.B. eine 1N5400x), die nur aufgrund ihrer Funktion den Namen Freilaufdiode trägt. Im Schaltbild zur Beispielaufgabe ist die 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.

 

   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 dann praktisch so 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. Nun gut, dass die meisten Datenblätter nur in englischer Sprache erhältlich sind sollte eigentlich kein Problem darstellen aber 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 nicht relevant und ist, außer bei der Berechnung des Vorwiderstandes nicht 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 hier 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.

 

   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


Leistungstransistor
Die Wahl des Transistors hängt von seiner Verwendung ab. Will man wie im obigen Fall einen relativ hohen Strom Schalten, dann sollte man nach einem Leistungstransistor suchen der die entsprechende Ampere über den Kollektor (Ic) schalten kann, ohne dabei selbst nach Ampere zu riechen. Der Verstärkungsfaktor des Transistors spielt in diesem Fall keine Rolle.

z.B.: BD 649 - BD 245


Verstärkungstransistor
Möchte man jedoch einen sehr kleinen Schaltstrom stark verstärken, so spielt der Verstärkungsfaktor eine bedeutende Rolle. Beispiel hierfür ist eine Lichtorgel für die Stereoanlage. Hierbei wird der relativ schwache Strom, der normalerweise dazu ausgelegt ist um eine Papiermembrane in Schwingung zu versetzen derart verstärkt, dass damit eine Glühlampe geschaltet werden kann.
Zuletzt sollte man nicht vergessen, dass ein Transistor auch nur eine maximale Spannung in der Kollektor-Emitter-Strecke verträgt.

z.B.: BC 548 (in A, B oder C - unterschiedlicher Verstärkungsfaktor)

"Die Option Drucken funktioniert erst ab Netscape V4.0 bzw. I-Explorer 5.0 !"

[letzte Aktualisierung 17.12.2012]