Spannung messen: Transistor als Schalter mit Basis-Vorwiderstand

Der Transistor als Schalter ist eine sehr gebräuchliche Grundschaltung, wenn es darum geht, mit einem Steuerstromkreis einen Laststromkreis elektronisch einzuschalten und auszuschalten.

Die Frage ist, unter welchen Bedingungen schaltet der Steuerstromkreis den Laststromkreis ein und aus.

Im Steuerstromkreis sind hier der Basisstrom und die Basisspannung bzw. die Basis-Emitter-Spannung U_BE verantwortlich. Im Laststromkreis sind der Kollektorstrom und die Kollektorspannung bzw. die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE definiert.

Was uns hier interessiert ist, wie bringen wir einen Transistor zum Schalten, also leitend und nichtleitend zu werden. Und wie verhalten sich dabei die Basisspannung und die Kollektorspannung zueinander.

Liste

• 1 x Transistor, PN2222 (oder BC547)
• 1 x Leuchtdiode, rot
• 1 x Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
• 1 x Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
• 1 x Widerstand, 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange)
• 1 x Widerstand, 1 MOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Gelb)
• 3 x Taster

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Taster / Schalter
• Widerstand
• Leuchtdiode (LED)
• Transistor
• Mini-Voltmeter
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Was messen wir? Wir messen die Basis-Emitter-Spannung. Das bedeutet, wir messen zwischen der Basis des Transistors und Ground. Die Idee ist, diese Spannung mit dem Basis-Vorwiderstand R2 einzustellen. Durch Drücken eines Tasters fließt ein Strom in die Basis des Transistors. Der Transistor schaltet die Kollektor-Emitter-Strecke durch und die LED sollte leuchten. Nebenbei ermitteln wir die Helligkeit der LED nach dem persönlichen Empfinden.
Die zweite Spannung die hier interessant ist, ist die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke, auch Kollektor-Emitter-Spannung genannt.

Was erwarten wir? Wir erwarten natürlich unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen und dass die LED leuchtet, wenn wir einen Taster drücken. Desweiteren erwarten wir, wenn kein Taster gedrückt ist, dass die Kollektor-Emitter-Spannung relativ hoch ist und wenn ein Taster gedrückt wird, relativ niedrig.

• Messung mit Mini-Voltmeter
• Messung der Gesamtspannung (9 Volt): 9,00 Volt

Im Grundzustand leuchtet die Leuchtdiode nicht. Das heißt, wenn kein Taster gedrückt ist und kein Strom in die Basis des Transistors fließt, dann leitet der Transistor nicht. Die Kollektor-Emitter-Strecke wirkt wie ein sehr großer Widerstand. Demzufolge fällt dort (MP2) eine sehr große Spannung ab. Vermutlich misst man aber eher den Spannungsabfall am Innenwiderstand des Spannungsmessers bzw. den Spannungsabfall an der Parallelschaltung aus Transistor-Innenwiderstand und Messgerät-Innenwiderstand.

Wenn Du die Taster S1, S2 und S3 nacheinander drückst und die Messwerte aufgenommen hast, dann stellst Du fest, dass die Basis-Emitter-Spannung steigt und die Kollektor-Emitter-Spannung fällt. Allerdings scheint sich beim Wechsel von Widerstand R2 von 1 MOhm auf 100 kOhm etwas geändert zu haben, während bei einem Widerstand von 10 kOhm kaum noch eine Änderung (Spannungswerte und Helligkeit der Leuchtdiode) eintritt.
Entscheidend ist, dass durch Drücken eines Tasters ein Strom in die Basis des Transistor hineinfließt und ein Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter entsteht. Schon ein kleiner Basisstrom führt dazu, dass der Transistor leitend wird und die Leuchtdiode leuchtet, aber erst bei genug Strom leitet der Transistor voll. Man sagt auch, dass er durchgesteuert oder durchgeschaltet ist. Mehr Basisstrom, durch einen kleineren Basis-Vorwiderstand, führt aber zu keiner großen Änderung an der Kollektor-Emitter-Strecke. Gemeint ist, dass die Leuchtdiode nicht mehr heller leuchtet.

In der Praxis ist es so, dass man den Basisstrom respektive den Basis-Vorwiderstand so wählt, dass der Transistor sicher durchschaltet. Der optimale Wert für einen Basis-Vorwiderstand würde bei diesem Transistor und 9 Volt Betriebsspannung bei etwas unter 50 kOhm liegen.
Das begrenzende oder auch bestimmende Element ist hier allerdings die Quelle aus der der Basisstrom kommt. Es gibt sehr viele Baugruppen, Schaltungen und digitale ICs, die nur einen begrenzten Strom liefern können.

Wie so oft nimmt das Spannungsmessgerät Einfluss auf diese Schaltung. Wie genau, kannst Du testen, wenn Du beim Gedrückthalten von Taster S1 das Messgerät an MP1 hinzufügst und entfernst, und dabei die Leuchtdiode beobachtest. Ohne Messgerät leuchtet die Leuchtdiode heller. Die Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung ist nicht sehr groß, aber verdeutlicht, warum die Leuchtdiode heller wird. Der Grund ist der Innenwiderstand des Messgeräts. Ist der zu klein, entsteht ein Spannungsteiler an der Basis des Transistors, der die Spannungs- und Stromverteilung beeinflusst.
Im durchgeschalteten Zustand, bei gedrückten Tastern S2 und S3 scheint der Innenwiderstand des Messgeräts an MP1 keinen Einfluss zu haben.

Warum ist das wichtig? Nehmen wir an, wir haben eine solche Schaltung produktiv im Einsatz und messen darin im laufenden Betrieb die Basis-Emitter-Spannung, wenn der Transistor geradeso durchgeschaltet hat. Dann kann es sein, dass er durch die Messung sperrt und es zu einer Fehlfunktion kommt. Beispielsweise wird ein Gerät oder ein Schaltungsteil irrtümlich ausgeschaltet. Das soll natürlich nicht passieren. Und deshalb ist es wichtig ein vernünftiges Messgerät zu verwenden, wenn in Schaltungen gemessen wird. Besser wäre es extreme Vorsicht walten zu lassen, wenn in Schaltungen im Produktivbetrieb gemessen wird.