Grundlegendes

   Grundschaltungen NPN

Bevor wir jetzt zu einem konkreten Beispiel kommen, noch kurz etwas zu den Grundschaltungen. Je nach Anwendungsfall ist zwischen drei Grundschaltungen zu wählen: der Emitterschaltung, der Kollektorschaltung und der Basisschaltung. Da die Basisschaltung eher im Hochfrequenzbereich (HF) Anwendung findet, klammere ich sie hier aus und zeige 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

Im nun folgenden Fall spielt die verstärkende Wirkung des Transistors eine untergeordnete Rolle. Es werden nur die beiden Extremstellungen „Drossel ganz auf“ und „Drossel ganz zu“ benötigt. Wir nutzen den Transistor somit quasi als Schalter. Um gleich nahe an der Praxis zu bleiben, hier die Aufgabenstellung: Ich möchte mittels eines vom PC kommenden Signals (kleiner Schaltstrom) einen Gleichstrommotor schalten, der eine Stromaufnahme von 1 bis 2,5 A – je nach Temperatur und Belastung – hat. In der Schaltung wird das vom PC kommende Schaltsignal durch einen Schalter ersetzt. Wegen des relativ hohen Motorstroms 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 der Einfachheit halber wie ein einzelner Transistor betrachtet werden. Er hat einen Gleichstromverstärkungsfaktor von 750 (sehr hoch, charakteristisch für einen Darlington-Transistor) und eine Belastbarkeit von 8 A. Damit hätten wir eigentlich alles beisammen – bis auf eines: den Wert des Basis-Vorwiderstands. Diesen gilt es jetzt zu berechnen.

Ja, man könnte hier auch einen normalen bipolaren Leistungstransistor wie z. B. den BD 245 nehmen. Aber die eigentliche Aufgabenstellung war ja, ein vom PC kommendes Eingangssignal zu verwenden, das beispielsweise vom COM-Port kommend nur wenige mA Strom bereithält. Aufgrund der geringeren Stromverstärkung des BD 245 würde dieser aber nicht genügend Strom für den Motor durchlassen. Man müsste also einen weiteren Transistor davor schalten, was dann im Grunde eine Darlington-Schaltung ist. Der BD 649 hat noch einen Vorteil: Er besitzt eine integrierte Freilaufdiode. Man könnte also die in der Schaltung gezeigte Diode D1 auch weglassen. Da diese aber obligatorisch für das Schalten von Spulen (Motor, Relais etc.) ist, habe ich sie dennoch eingebaut.

An dieser Stelle noch ein Hinweis: Möchte man ein von einem Mikrocontroller kommendes Ausgangssignal zum Schalten verwenden, so ist ein MOSFET-Transistor in aller Regel das geeignetere Bauteil.

   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
Hier noch ein Tool zum entschlüsseln der Farbcodierung 4 und 5 Ringe wer sein Sortiment durchstöbern muss.

Der Basis-Vorwiderstand wird ausgehend von der Gleichstromverstärkung des Transistors, der Schaltspannung und dem Strom des Verbrauchers berechnet. Als Strom nimmt man den max. anstehenden Strom, was im Motorbeispiel 2,5 A wäre.
Den Verstärkungsfaktor (Gleichstromverstärkung) können wir dem Datenblatt des Transistors entnehmen. Siehe auch „Transistor auswählen“. Ein weiterer Wert, der 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 etwa 0,6 V (bei Germanium etwa 0,2 V). Da wir hier jedoch einen Darlington-Transistor (NPN-NPN) verwenden, liegt der Spannungsabfall bei etwa 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 einer solchen Schaltung für die Berechnung von vornherein den maximal zulässigen Strom (IC) des Transistors zugrunde legen, ungeachtet des tatsächlichen Stroms des Verbrauchers. Für den BD 649 wären dies 8 A. 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 in Ordnung. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Spannung der B-E-Strecke nicht die im Datenblatt angegebene 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 usw. getrost vernachlässigen..

 

   Freilaufdiode

Beim Schalten, insbesondere beim Abschalten von induktiven Verbrauchern wie Motoren oder Relais, erzeugt deren eingebaute Spule eine Induktionsspannung in umgekehrter Polrichtung, die den Transistor beschädigen kann. Eine Freilaufdiode beseitigt diese Spannung und verhindert den Rückfluss, wodurch die Beschädigung des Transistors vermieden wird. Diese Diode kann im Grunde eine normale Schaltdiode sein (z. B. 1N5400x), die lediglich 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 (bzw. der Spule). In der Praxis sollte die Freilaufdiode so nah wie möglich an der Spule sitzen, also direkt am Motor oder 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 jedoch eine Besonderheit des BD 649 und trifft auf normale Transistoren nicht zu. Deshalb habe ich die ansonsten obligatorische Freilaufdiode ebenfalls mit in den Schaltplan gepackt.

   Kleine Zugabe zum Thema Verstärkung

Wer bis hierhin alles verstanden hat, wird schnell auf die Idee kommen, wie man mithilfe eines Transistors die Drehzahl eines Motors regeln könnte... Dazu müsste man einfach in der Formel zur exakten Berechnung den Wert für den Strom – statt wie oben 8 A – entsprechend niedriger einsetzen. Wenn man dann noch anstelle des Widerstands ein Potentiometer verwenden würde, ließe sich die Drehzahl auch stufenlos einstellen. Toll, aber...! Ganz so einfach ist es leider nicht, denn drosselt man den Motor auf diese Weise, fällt neben der Drehzahl auch das Drehmoment ab und der Motor kann praktisch kaum noch belastet werden. Für diesen Fall wäre eine PWM (Pulsweitenmodulation) die richtige Lösung. 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 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 über längere Zeit im Bereich von Ptot, wird er überhitzen und dadurch Schaden nehmen. Dies 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 kurzzeitig erreicht, jedoch nur für eine sehr kurze Zeit; ansonsten ist entweder IC oder UCE klein und der Bereich wird nicht erreicht. Ein beherzter Bastler rechnet jedoch nicht lange herum, sondern macht Folgendes: Schaltung aufbauen, Finger an den Transistor und Saft auf die Leitung... verbrennt man sich die Finger, sollte man seine Auslegung nochmals überdenken ;-)

   Bipolaren 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 dem Datenblatt des Transistors entnehmen. Datenblätter gibt es übrigens zu fast allen Transistoren zuhauf und kostenlos im Internet (einfach mal nach der Typenbezeichnung googeln). Bei Online-Elektronik-Versandhäusern wie Conrad oder Reichelt kann man die Datenblätter gleich beim Kauf der Teile herunterladen. Leider gibt es bei der Bezeichnung des Gleichstromverstärkungsfaktors ebenso viele Umschreibungen und Kurzkennzeichen wie Hersteller, was es dem ungeübten Gelegenheitslöter eventuell schwer macht, durchzublicken. "Forward current transfer ratio", "DC current gain" oder auch auf Deutsch "Kollektor-Basis-Stromverhältnis", um nur einige zu nennen. Für die Nutzung des Transistors als Schalter ist dieser Wert nur zur Berechnung des Vorwiderstands relevant.

Der maximale Strom (IC), der durch den Transistor fließen darf, ist im Datenblatt normalerweise leicht zu finden. Er wird in der Regel als "Collector current" bzw. "Kollektorstrom" bezeichnet und hat das Kurzzeichen "Ic". Oft werden bei Leistungstransistoren zwei Werte angegeben, wobei einer für die kurzzeitige Belastung und der andere für die Dauerbelastung gilt.

Zur maximal zulässigen Spannung (U_CB/U_CE) findet man auf den Datenblättern in der Regel zwei Werte: die Kollektor-Basis-Spannung und die Kollektor-Emitter-Spannung. Je nach Grundschaltungstyp ist hier der entsprechende Maximalwert zu wählen.
Der BD 649 besteht intern, wie oben schon erwähnt, aus zwei hintereinandergeschalteten bipolaren Transistoren. Die Art der Verschaltung wurde erstmals 1952 von Sydney Darlington dokumentiert. Äußerlich sieht er jedoch wie ein normaler Transistor aus und kann auch als solcher behandelt werden, lediglich der höhere Spannungsabfall in der B-E-Strecke ist zu berücksichtigen. Charakteristisch für einen Darlington-Transistor ist ein sehr hoher Verstärkungsfaktor bei gleichzeitig hoher Schaltleistung. Daher ist er gut geeignet, um mit geringem Eingangsstrom 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 haben einen geringeren Spannungsabfall und eine niedrigere Verlustleistung, sind aber, wie gesagt, kaum als Bauteileinheit anzutreffen.



 

   MOSFET - Unipolarer Transistor

MOSFETs, auch Feldeffekttransistoren genannt, fallen unter die Rubrik der unipolaren Transistoren und besitzen einen besonderen Aufbau. Während normale Transistoren (bipolar) stromgesteuert sind, sind MOSFETs spannungsgesteuert. Sie eignen sich sehr gut zum Schalten von Lasten und sind für den Einsatz an Mikrocontrollern die erste Wahl. Damit lassen sich problemlos Spannungen schalten, die höher als die Ausgangsspannung des Mikrocontrollers liegen. Man unterscheidet sie in zwei Grundbauformen: n-Kanal und p-Kanal, wobei es im Folgenden nur um die n-Kanal-Bauform gehen wird. Optisch unterscheiden sie sich nicht von normalen bipolaren Transistoren und besitzen ebenfalls drei Anschlüsse. Diese werden als Gate (G), Drain (D) und Source (S) bezeichnet. Auch wenn sich im Inneren etwas gänzlich anderes abspielt, könnte man sie mit einem bipolaren Transistor wie folgt vergleichen: Gate = Basis, Drain = Kollektor und Source = Emitter. Dementsprechend sehen sich die beiden Grundschaltungen sehr ähnlich..

Kommt die Signalspannung von einem Mikrocontroller, kann man auf den Vorwiderstand verzichten. Ebenso ist der Pull-Down-Widerstand (47 k) oft schon auf dem Mikrocontrollerboard integriert und kann ebenfalls weggelassen werden. Das amortisiert dann wieder den höheren Anschaffungspreis eines MOSFETs. Schaltet er nach Wegnahme der Steuerspannung nicht unmittelbar zurück, muss eben doch ein Pull-Down-Widerstand eingebaut werden. Und möchte man bei hohen Schaltlasten die Götter der EMV besänftigen, kann auch ein Vorwiderstand (R1) eingebaut werden.

Auswahl des passenden MOSFET‘s

Den passenden Typ zu ermitteln scheint angesichts der riesigen Auswahl auf den ersten Blick schwierig. Konzentriert man sich jedoch auf die vier wesentlichen Eigenschaften, findet man schnell einen geeigneten Kandidaten.

1.) V_(BR)DSS - Drain-source breakdown voltage
Maximale Spannung in der S-D Strecke.

2.) V_GS(th) - Gate-Source-Threshold Voltage
Das ist die Mindest-Gate-Source-(GS)-Spannung, bei der der MOSFET zu leiten beginnt. Im Gegensatz zu einem bipolaren Transistor ist beim Schaltsignal die Spannung und nicht der Strom maßgeblich. Bei geringen Spannungen, wie sie zum Beispiel bei Mikrocontrollerausgängen vorkommen (5 oder sogar 3,3 V), empfehlen sich Logic-Level-MOSFETs. Im Datenblatt sollte deshalb „Logic Level Gate Drive“ oder Ähnliches vermerkt sein.

3.) I_SD) - Continuous Drain Current
Maximaler Strom der S-D Strecke.

4.) R_DS(on) - Static drain-source on resistance
Der Durchgangswiderstand der S-D-Strecke (RDS(on)): Bei hohen Strömen macht sich dieser Widerstand durch Leistungsverluste, also Wärmeentwicklung, bemerkbar. Hierzu eine kleine Rechnung: Die Gate-Source-Spannung an einem IRL520 betrage 5 Volt. RDS(on) beträgt damit 0,27 Ohm. Die Stromstärke soll einmal bei 5 Ampere liegen. Damit beträgt der Leistungsverlust:

P = U_DS x ID = R_DS(On) x I_D x I_D = 0,27 Ω x 5 A x 5 A = 6,75 W

Ein gängiger Typ zum Schalten kleinerer Lasten (Relais, LEDs usw.) ist der 2N7000 (60 V/2,1 V/0,35 A) oder der BS170 (60 V/2 V/0,5 A. Darf es etwas mehr sein, kann man sie auch parallel schalten. Deutlich mehr Strom kann ein IRF520 (100 V/2,9 V/10 A) verkraften, und benötigt man richtig viel Leistung, wäre der IRL3803 (30 V/1,3 V/140 A) ein möglicher Kandidat

   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