Transistor als Schalter
Transistoren eignen sich zum kontaktlosen Schalten kleiner und mittlerer Leistungen.
Der eigentliche Schalter ist dabei die Kollektor-Emitter-Strecke (CE-Strecke) des Transistors. Der Basisanschluss ist die Steuerelektrode. Die anliegende Spannung UBE an der Steuerelektrode ist der ausschlaggebende Faktor, ob ein Strom durch den Transistor fließt oder nicht. Fließt ein Strom durch den Transistor, dann ist er niederohmig, fließt kein Strom durch den Transistor, dann ist er hochohmig.
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Ue | 0 V | 12 V |
|---|---|---|---|
| UBE | ~ 0 V | ~ 0,7 V | |
| IC | ~ 0 mA | ~ 50 mA | |
| RCE | ~ 100 MΩ | ~ 4 Ω | |
| UCE | ~ 12 V | ~ 0 V | |
| URC | ~ 0 V | ~ 12 V | |
| Transistor | sperrt | leitet | |
| Schalter-Prinzip | geöffnet | geschlossen |
Prinzip
Um das Prinzip des "Transistor als Schalter" oder "Schalttransistors" zu verstehen, muss man sich das Verhalten des Transistors genauer ansehen. Weiter unten wird das Schaltprinzip jeweils mit Hilfe einer Ersatzschaltung, bestehend aus zwei Widerständen, verdeutlicht.
Sperrender Transistor - Geöffneter Schalter
Erhält der Transistor keine Basisspannung UBE, kann kein Basisstrom fließen. Das bedeutet, das kein Kollektor-Strom fließt. Die RCE-Strecke ist hochohmig und die ganze Betriebsspannung UB fällt am Transistor (CE-Strecke) ab.
Der Transistor sperrt aus Sicht des Stroms. Das bedeutet, der Schalter ist geöffnet.
Im sperrenden Zustand wirkt der Transistor wie ein hochohmiger Widerstand. Da der Widerstand RC kleiner ist, als der Widerstand des sperrenden Transistors, fällt der größte Teil der Betriebsspannung am Transistor (CE-Strecke) ab.
Leitender Transistor - Geschlossener Schalter
Erhält der Transistor eine positive Basisspannung UBE, so fließt ein Basisstrom und ein Kollektorstrom. Die RCE-Strecke ist niederohmig. Es fällt eine sehr geringe Spannung am Transistor ab.
Der Transistor leitet aus Sicht des Stroms. Das bedeutet, der Schalter ist geschlossen.
In leitendem Zustand wirkt der Transistor wie ein sehr niederohmiger Widerstand. Da der Widerstand RC in diesem Fall einen höheren Widerstand hat als der leitende Transistor, fällt der größte Teil der Betriebsspannung am Widerstand RC ab.
Arbeitspunktverschiebung
Beim Schalten wechselt der Arbeitspunkt im Kennlinienfeld seinen Standort. Dabei durchquert er den verbotenen Bereich Ptot. Braucht der Arbeitspunkt für diesen Weg zu lange, wird der Transistor zerstört.
Schalten ohmscher Last
Das Schalten unter ohmscher Last ist kein Problem, wenn der Weg des Arbeitspunktes den Bereich Ptot nur kurz durchstreift.
Schalten kapazitiver Last
Befindet sich im Kollektor-Stromkreis ein Kondensator C, dann wird unter kapazitiver Belastung geschaltet. So ergibt sich ein hoher Strom beim Einschalten. Wird dieser Strom nicht begrenzt, so wird er Transistor zerstört.
Der Arbeitspunkt bewegt sich nicht durch den Bereich Ptot.
Schalten induktiver Last
Beim Abschalten von Induktivitäten entstehen hohe Abschaltspannungen. Deshalb muss eine Diode als Spannungsbegrenzung parallel geschaltet werden. Diese Diode wird als Freilaufdiode bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine ganz normale Silizium-Diode.
Im leitenden Zustand baut sich durch den Stromfluss in der Spule ein Magnetfeld auf, das beim Ausschalten schlagartig zusammenbricht. Die Spule versucht nun die abgeschaltete Spannung zu erhalten und erzeugt eine Induktionsspannung.
Verwendung findet diese Diode parallel zu einem Relais, das bei sperrendem Transistor eine hohe Induktionsspannung erzeugt. Die Diode fungiert hier als Schutzdiode. Die Diode schließt die Induktionsspannung kurz und begrenzt sie auf den Wert der Diodendurchflussspannung. Nachteil dieser Methode ist allerdings eine erhöhte Abfallverzögerung des Relais.
Schneller Transistor-Schalter mit Diode
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Durch die Diode D1, zwischen Basis und Kollektor, wird beim Einschalten des Transistors T1 der Basisstrom begrenzt. Dieser wird durch die geringe Durchlassspannung zum Kollektor abgeführt und deshalb wird der Transistor weniger stark gesättigt. Beim Ausschalten braucht der Transistor viel weniger Zeit, weil weniger Ladungsträger entfernt werden müssen. Die Diode BAT85 ist eine Kleinsignal-Schottky-Diode. Diese Dioden schalten sehr schnell. Darum eignen sie sich speziell fuer diesen Einsatz. Dazu kommt, dass die Fluss-Spannung mit etwa 0,25 V wesentlich niedriger ist als die einer herkömmliche Silizium-Diode mit etwa 0,65 V.
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