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Elektronik-Fibel

Die Elektronik-Fibel, das Elektronik-Buch

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Die Elektronik-Fibel ist einfach nur genial. Einfach und verständlich, nach so einem Buch habe ich schon lange gesucht. Es ist einfach alles drin was man so als Azubi braucht. Danke für dieses schöne Werk.

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Operationsverstärker
und
Instrumentationsverstärker

Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

Käufer Elektronik-Workshop Kundenmeinung:
Mein Lob gilt der übersichtlichen und schönen Darstellung und der guten didaktischen Aufbereitung. Selten werden Schaltungen so gut erklärt, dass es auch noch Spaß macht sich damit zu beschäftigen.

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Lernpaket Elektronische Schaltungen selbst entwickeln und aufbauen

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Transistor als Schalter

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.

Transistor als Schalter Eingangsspannung Ue 0 V 12 V
Basis-Emitter-Spannung UBE ~ 0 V ~ 0,7 V
Kollektorstrom IC ~ 0 mA ~ 50 mA
Widerstand zwischen Kollektor und Emitter RCE ~ 100 MΩ ~ 4 Ω
Spannung zwischen Kollektor und Emitter UCE ~ 12 V ~ 0 V
Spannung am Emitter-Widerstand URC ~ 0 V ~ 12 V
Zustand des Transistor sperrt leitet
Schalter-Prinzip geöffnet geschlossen

Prinzip: Transistor als Schalter

Um das Prinzip "Transistor als Schalter" oder "Schalttransistors" zu verstehen, muss man sich das Verhalten des Transistors genauer ansehen. Das Prinzip sieht so aus, dass ein sperrender Transistor einem geöffneten Schalter und ein leitender Transistor einem geschlossenen Schalter entspricht. Das Schaltprinzip kann man jeweils mit Hilfe einer Ersatzschaltung, bestehend aus zwei Widerständen, verdeutlicht.

Sperrender Transistor - Geöffneter Schalter

Transistor als Schalter - 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) als Spannung UCE ab.
Der Transistor sperrt aus Sicht des Stroms. Für die Wirkungsweise bedeutet das, 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

Transistor als Schalter - 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 UCE am Transistor ab.
Der Transistor leitet aus Sicht des Stroms. Für die Wirkungsweise bedeutet das, 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

Ausgangskennlinienfeld
Beim Schalten wechselt der Arbeitspunkt im Kennlinienfeld seinen Standort von "Ein" nach "Aus" bzw. umgekehrt. Dabei durchquert er den verbotenen Bereich Ptot. In diesem Bereich ist die verbrauchte Leistung zu groß, was den Transistor erhitzt. Braucht der Arbeitspunkt für diesen Weg zu lange, wird der Transistor zerstört.

Schalten ohmscher Last

Ausgangskennlinienfeld
Das Schalten unter ohmscher Last (Widerstand) ist kein Problem, wenn der Weg des Arbeitspunktes den Bereich Ptot nur kurz durchstreift.

Schalten kapazitiver Last

Ausgangskennlinienfeld
Befindet sich im Kollektor-Stromkreis ein Kondensator C, dann wird unter kapazitiver Belastung geschaltet. So ergibt sich ein hoher Strom beim Einschalten, der den Transistor stark erhitzt. Wird dieser Strom nicht begrenzt, so wird er Transistor zerstört, obwohl sich der Arbeitspunkt nicht durch den Bereich Ptot bewegt.

Schalten induktiver Last

Ausgangskennlinienfeld
Beim Abschalten von Induktivitäten entstehen hohe Abschaltspannungen. 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. 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.
Transistor als Schalter mit Freilaufdiode
Die Freilaufdiode wird parallel zum Relais oder der Induktivität geschaltet, 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

Transistor als Schalter mit Diode
R1 10k
R2 2k2
D1 BAT 85
T1 BC 547

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 für diesen Einsatz. Dazu kommt, dass die Flussspannung mit etwa 0,25 V wesentlich niedriger ist als die einer herkömmliche Silizium-Diode mit etwa 0,65 V.

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