Transistor als Schalter (Prinzip)
Ein Transistor eignet sich zum kontaktlosen Schalten kleiner und mittlerer Leistungen. Dazu wird meist ein bipolarer Transistor vom Typ NPN verwendet, der in der Emitterschaltung betrieben wird. Grundsätzlich kann aber auch ein Feldeffekt-Transistor (FET) als Schalter verwendet werden. In der folgenden Betrachtung wird von einem bipolaren NPN-Transistor als Schalter ausgegangen.
Der Schaltvorgang erfolgt durch einen Steuerstromkreis. Geschaltet wird ein Laststromkreis. Dadurch lässt sich ein Gerät, ein Bauteil oder eine andere Schaltung ein- und ausschalten, die sich im Laststromkreis befindet.
Der eigentliche Schalter ist dabei die Kollektor-Emitter-Strecke (CE-Strecke) des bipolaren Transistors. Der Basisanschluss des Transistors ist der Steuereingang. Durch eine anliegende Spannung an der Basis und einen fließenden Strom in die Basis schaltet man den Transistor in einen niederohmigen oder hochohmigen Zustand, der wie ein offener oder geschlossener Schalter wirkt.
Um das Prinzip "Transistor als Schalter" oder "Schalttransistor" zu verstehen, muss man sich das Verhalten des Transistors genauer ansehen. Vereinfacht kann man sagen, dass ein sperrender Transistor einem geöffneten Schalter und ein leitender Transistor einem geschlossenen Schalter entspricht.
Vorsicht: Die Darstellung als "Schalter" ist sehr stark vereinfacht. Tatsächlich ist es so, dass der Transistor nie ganz sperrend oder ganz leitend ist. Besser ist der Vergleich der CE-Strecke mit einem Widerstand, der sehr hochohmig oder sehr niederohmig sein kann.
Spannungs- und Stromverteilung
| 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 | ~ 11,4 V | ~ 0,1 - 0,6 V |
| Spannung am Kollektor-Widerstand URC | ~ 0,1 V | ~ 11,4 V |
| Zustand des Transistor | sperrend | leitend |
| Prinzip: Schalter | geöffnet | geschlossen |
| Prinzip: Widerstand | hochohmig | niederohmig |
Basis-Emitter-Spannung UBE
Die Basis-Emitter-Spannung ist die Steuerspannung, die darüber entscheidet, ob der Transistor hochohmig oder niederohmig bzw. nicht leitend oder leitend ist. Um die CE-Strecke in den leitenden Zustand zu bringen, reicht schon eine Basis-Emitter-Spannung zwischen 0,6 und 0,7 Volt aus (Silizium-Transistor). Das bedeutet, dass die Steuerspannung viel kleiner sein darf als die zu schaltende Spannung.
In der Emitterschaltung sperrt der Transistor am Besten, wenn kein Basisstrom mehr fließt. Das ist dann der Fall, wenn die an Basis und Emitter anliegende Spannung 0 V ist. Trotzdem fließt immer ein sehr kleiner Kollektorstrom. Manchmal führt das dazu, dass eine LED im Laststromkreis ganz schwach leuchtet bzw. nicht ganz ausgeht.
Kollektorstrom IC
Der Kollektorstrom ist der Strom im Laststromkreis, der durch das zu schaltende Bauteil und den Transistor fließt. Zu beachten ist, dass die Höhe des Kollektorstroms von der Stromverstärkung des Transistors und vom Basisstrom abhängig ist.
Außerdem muss der Kollektorstrom begrenzt werden, weil der Transistor überlastet werden und kaputt gehen kann.
Kollektor-Emitter-Spannung UCE
Der eigentliche Schalter ist die Kollektor-Emitter-Strecke (CE-Strecke) des Transistors, die von der Basis-Emitter-Spannung bzw. vom Basisstrom gesteuert wird.
Wird der Transistor leitend, dann wird er niederohmig. Wobei die Kollektor-Emitter-Spannung im Optimalfall 0 Volt wäre. In der Praxis hat die CE-Strecke auch im leitenden Zustand einen kleinen inneren Widerstand, an dem eine Spannung abfällt. Die liegt in der Regel zwischen 0,1 und 0,6 Volt.
Wird der Transistor sperrend, dann wird er hochohmig. Wobei die Kollektor-Emitter-Spannung im Optimalfall die volle Betriebsspannung betragen würde. Allerdings ist der innere Widerstand der CE-Strecke im sperrenden Zustand nicht unendlich, sondern nur sehr hochohmig. Deshalb fließt in der Praxis durch die CE-Strecke im sperrenden Zustand immer noch ein kleiner Strom.
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 oder hochohmiger Transistor - vergleichbar mit geöffnetem Schalter
Erhält der Transistor keine Basisspannung UBE, kann kein Basisstrom fließen. Das bedeutet, dass 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 oder niederohmiger Transistor - vergleichbar mit geschlossenem 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
Beim Schalten des Transistors wechselt der Arbeitspunkt im Kennlinienfeld seinen Standort von "Ein" nach "Aus" bzw. umgekehrt. Dabei durchquert der Arbeitspunkt den verbotenen Bereich Ptot. In diesem Bereich ist die verbrauchte Leistung sehr groß, was den Transistor erhitzt. Braucht der Arbeitspunkt für diesen Weg zu lange, wird der Transistor zerstört.
Schalten ohmscher Last (z. B. Widerstand)
Das Schalten unter ohmscher Last (Widerstand) ist kein Problem, weil der Arbeitspunkt den Bereich Ptot nur kurz durchstreift.
Schalten kapazitiver Last (z. B. Kondensator)
Befindet sich im Kollektor-Stromkreis ein Kondensator, dann wird unter kapazitiver Belastung geschaltet. So ergibt sich ein hoher Strom beim Einschalten, der den Transistor stark erhitzt. Wird dieser Strom nicht begrenzt, bewegt sich der Arbeitspunkt durch den Bereich Ptot, wobei der Transistor zerstört wird.
Schalten induktiver Last (z. B. Spule, Relais oder Motor)
Befindet sich im Kollektor-Stromkreis eine Induktivität dann entsteht beim Abschalten eine hohe Induktionsspannung.
Hintergrund: Im leitenden Zustand baut sich durch den Stromfluss in der Induktivität 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.
Wichtig: Freilaufdiode bei induktiven Lasten im Laststromkreis
Beim Schalten von Induktivitäten, wie Spulen, Relais und Elektromotoren, wird beim Abschaltvorgang eine Induktionsspannung erzeugt. Eine Spule erzeugt eine Überhöhung der abgeschalteten Spannung, was das zu schaltete Bauteil und den Transistor zerstören kann. Um das zu vermeiden wird eine Diode parallel zur Induktivität/Last geschaltet. Die Diode schließt die an der Induktivität auftretende Induktionsspannung kurz und begrenzt sie auf den Wert der Diodendurchflussspannung.
Die Diode wird in dieser Funktion als Freilaufdiode bezeichnet und fungiert als Schutzdiode für den Transistor und das induktive Bauteil.
Der Nachteil dieser Schaltung ist eine erhöhte Abfallverzögerung bei einem Relais. Gemeint ist, dass beim Abschalten das Relais oder der Motor verzögert abschalten.
Experimente mit Transistor als Schalter
Wir sehen uns an, wie Transistoren als Schalter genutzt werden können und führen spannende Experimente durch.
Anwendungen für Transistor als Schalter
Der Transistor als Schalter in der praktischen Anwendung mit dimensionierten Schaltungen.
- Transistor als Schalter an einem GPIO-Ausgang
- Schneller Transistor als Schalter mit Diode
- Treiberschaltung
- Pegalwandler mit Transistoren
- Bauteil-Tester
Transistor als Schalter dimensionieren
Jeder Transistor als Schalter ist anders. Jede Schaltung muss für Ihren spezifischen Anwendungsfall dimensioniert sein.
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- Schalten und Steuern mit Transistoren I von Thomas Schaerer
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