Aktualisiert am 13.11.2023
Mit einem Transistor als Schalter kann eine Last (Glühlampe, Relais, Elektromotor u.s.w.) kontaktlos geschaltet werden. In unserem Beispiel wird die Last durch den Wirkwiderstand RL dargestellt. Es kann aber auch eine Glühbirne oder die Wicklung eines Relais sein.
Bipolarer npn-Transistor als Schalter mit einem Vorwiderstand. Bei einem pnp-Transistor ist die Polarität der Spannungsquellen (Eingangsspannung, Ubb) zu vertauschen.
Wie bei einem mechanischen Schalter kennt der Transistor in dieser Schaltung nur zwei Zustände: Entweder gesperrt oder leitend. Es reicht also diese zwei Zustände zu betrachten. Die nachfolgenden Angaben beziehen sich auf einen npn-Transistor. Der hier vorgestellte Berechnungsweg ist überschlägig und reicht für die Praxis in vielen Fällen aus. Im Zweifelsfall greift man zu einem Transistor, dessen Grenzwerte auf jeden Fall nicht überschritten werden können.
Transistor gesperrt: Im gesperrten Zustand fließt abgesehen vom vernachlässigbaren Kollektorreststrom kein Strom durch den Lastwiderstand. Zwischen Kollektor und Emitter fällt in voller Höhe die Speisespannung +Ubb ab. Um diesen Zustand zu verdeutlichen, könnte man in Gedanken einen Teil des Transistors entfernen.
Die positive Eingangsspannung Uein muss dabei so groß sein, dass der Transistor mit Sicherheit sperrt. Mit ziemlicher Sicherheit ist der Transistor bei einem Uein von 0.4 bis 0.5 Volt noch gesperrt. Einen genauen Wert kann man nur anhand der Transistorkennlinien ermitteln.
Die Verlustleistung des Transistors ist in diesem Zustand praktisch Null, da zwischen Kollektor und Emitter nur der vernachlässigbar geringe Reststrom fließt.
Transistor leitend: Es fließt nun Strom durch den Lastwiderstand. Zwischen Kollektor und Emitter besteht nur noch die unvermeidbare Sättigungsspannung von etwa 0.3 Volt.
Man übersteuert den Transistor mit dem 3- bis 7-fachen des Basisstroms, welcher zum Durchsteuern des Transistors eigentlich notwendig wäre. Durch dieses Übersteuern erreicht man kurze Schaltzeiten und eine niedrige Sättigungsspannung.
Die Transistorverlustleistung im leitenden Zustand ist relativ klein. Zwar fließt jetzt durch den Kollektor der maximale Strom, doch fällt zwischen Kollektor und Emitter nur die Sättigungsspannung in Höhe von etwa 0.3 Volt ab. Pv = Ucesat • Ic.
1. Kollektorstrom bestimmen: Um den Kollektorstrom im leitenden Zustand zu berechnen, ermitteln wir den Strom Ic, welcher durch den Lastwiderstand RL fließt. An RL muss die Spannung Ubb – Ucesat abfallen. Dabei ist Ubb die Betriebsspannung und Ucesat die Kollektor-Emittersättigungsspannung, für die wir 0,3 Volt annehmen können. Dann ist
Ic = (Ubb-Ucesat) / RL.
Ist Ubb hoch, dann können wir sogar die 0,3 Volt der Ucesat vernachlässigen und die Formel vereinfacht sich auf Ic = Ubb / RL.
2. Basisstrom bestimmen: Zur Sicherheit gehen wir von dem minimalen Stromverstärkungsfaktor B des Transistors aus. 50 ist oft ein geeigneter Wert. Dabei ist zu bedenken, dass bei hohen Kollektorströmen der Stromverstärkungsfaktor abnimmt. Für den Übersteuerungsfaktor ü wählen wir einen Wert zwischen 3 und 7.
Ib = (Ic / B min) * ü
Der Basisstrom ist auch der Eingangsstrom, der für die Ansteuerung des Transistors zur Verfügung gestellt werden muss. In der Praxis wird der Eingangstrom oft von einem Microcontroller und einem digitalen Gatter geliefert.
3. Vorwiderstand bestimmen: Mit Ib kennen wir den Strom, welcher durch den Vorwiderstand Rv fließt. An Rv fällt die Spannungsdifferenz Uein – Ube ab. Dabei is Uein die Eingangsspannung und Ube die relativ konstante Spannung zwischen Basis und Emitter. Es ist die Schwellenspannung, die für Silizium bei 0,65 Volt angenommen werden darf.
Rv = (Uein-Ube) / Ib
Uein ist die Eingangsspannung, bei welcher der Transistor auf jeden Fall sicher durchschalten sollte.
Auswahl des Transistors: Die Grenzwerte des Transistors sind zu beachten. Er muss die maximale Verlustleistung Pmax = Ucesat * Ic aushalten können. Zusätzlich muss er noch die maximale Spannung zwischen Kollektor und Emitter vertragen können. Auch ist der maximale Kollektorstrom zu berücksichtigen. Die restlichen Grenzwerte dürfen natürlich auch nicht überschritten werden, z.B. den maximalen Basisstrom.
Der maximale Einschaltstrom: Wer Glühbirnen schaltet, muss berücksichtigen, dass Glühbirnen Kaltleiter sind. Beim Einschalten fließt ein besonders hoher Strom, der sich mit dem Ohmmeter ermitteln lässt, wenn wir den Widerstand der Glühbirne im kalten Zustand messen. Wer eine kapazitive Last schaltet, muss den hohen Einschaltstrom eines Kondensators berücksichtigen. Betrachten wir für die Berechnung des Einschaltstroms den Kondensator als Kurzschluss, dann liegen wir auf der sicheren Seite.
Schalten von induktiven Lasten (Motoren, Relaisspulen): Dann ist eine Freilaufdiode (siehe Extra-Kapitel) unbedingt notwendig, welche die Spannungsspitzen vernichtet, die sonst drohen den Transistor zu zerstören.
Schalten mit einem Darlingtontransistor: Der Darlingtontransistor setzt sich aus zwei Transistoren zusammen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie einen wesentlich geringeren Basisstrom und somit einen geringeren Eingangsstrom benötigt. Aber die addierte Schwellenspannung zwischen der Basis des ersten Transistor und dem Emitter des zweiten Transistors liegt jetzt bei ca. 1,4. Für Ube nehmen wir also 1,4 Volt an.
Schaltzeiten: Geht es um ein besonders schnelles Schalten, dann hilft dem Praktiker ein Blick in das Datenblatt des Transistors weiter. Wer aber nur ein Relais, einen Heizwiderstand, eine Glühbirne oder einen Gleichstrommotor schalten möchte, braucht sich um die Schaltzeiten nicht zu kümmern. Schnelle Schaltzeiten sind sogar von Nachteil, da sie Oberwellen und somit Funkstörungen erzeugen können. Bei hohen Schaltfrequenzen sind schnelle Schaltzeiten des Transistors von Vorteil, weil dann der Bereich zwischen Ein und Aus schnell durchwandert wird, wodurch die Verlustleistung sinkt. Wer die Schaltzeiten genau berechnen will, braucht ein Ersaztschaltbild des Transistors, das Kondensatoren und Induktivitäten enthält. Das ist auch der Grund, warum immer schnellere Prozessoren in den PCs immer mehr Verlustleistung erzeugen und dann immer mehr Kühlung benötigen.
Um die Schaltzeiten zu verringern, wird manchmal ein kleiner Kondensator parallel zu Vorwiderstand Rv geschaltet.
Wer vertiefend mehr über die Auswirkungen von Schaltzeiten auf die Verlustleistung des Transistors wissen möchte, suche nach den Begriffen „Leistungshyperbel“ oder „Schaltvorgang eines Transistors im IC-UCE-Kennlinienfeld“.
Was würde eigentlich ohne oder bei zu kleinem Vorwiderstand Rv passieren? Dann wäre der Basisstrom in den allermeisten Fällen so hoch, dass der bipolare Transistor zerstört wäre. Der Vorwiderstand ist für die Begrenzung des Stroms notwendig.