NPN Transistor als Schalter

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Der NPN Transistor als Schalter

Mit Hilfe eines NPN Transistors als Schalter, kann ein kleines Bauteil mit wenigen Milliampere Steuerstrom eine grosse Last schalten.

Warum setzt man einen Transistor als Schalter ein?

Mit einem Mikrocontroller, einem Logikgatter oder einem anderen Bauteil mit digitalem Ausgang lassen sich unterschiedliche Lastern und Verbraucher steuern und ein- und ausschalten. Aber wenn diese Last mehr Strom benötigt, als das schaltende Bauteil liefern kann, benötigt man einen Transistor als Schalter. In der Schaltung mit dem NPN Transistor muss das schaltende Bauteil nur den kleinen Basisstrom steuern. So wird die Kollektor- Emitter Strecke des NPN Transistors leitend oder sperrend und lässt den Laststrom durch oder nicht.

Wie ersetzt ein Transistor einen Schalter und Welche Möglichkeiten erhält man dadurch?

Wird ein Transistor als Schalter betrieben, befindet er sich in einem ON-OFF Betrieb und kann -genau wie ein mechanischer Schalter- einen Stromkreis unterbrechen oder schliessen. Dabei schaltet er zwischen zwei Arbeitspunkten hin und her. Anstatt dass er wie ein mechanischer Schalter von einem Menschen betätigt wird, wird er von einer Steuerspannung gesteuert.

Die Schaltstrecke kann sehr zeitgenau, schnell und mit hoher Frequenz betätigt werden. Anstatt eines von Auge sichtbaren, einmaligen Schaltvorgangs können auch kurze Impulse, PWM-Signale und andere digitale Signalformen an der Last erzeugt werden.

Bild, das zeigt, wie ein NPN Transistor äquivalent zu einem Schalter eingebaut werden kann

Bild 1: Der NPN Transistor kann wie ein Schalter eingesetzt werden

Polarität und Schaltung zur Last

Setzt man einen NPN Transistor als Schalter ein, befindet sich die Last immer zwischen der Versorgungsspannung und dem Kollektor. In Stromflussrichtung gesehen, hängt der Transistor hinter der Last. Der NPN Transistor zieht im ON-Zustand einen Sink Strom, der in den Kollektor hineinfliesst.

Im Gegenteil dazu würde sich der PNP Transistor als Schalter vor der Last befinden und einen Sourcing Strom liefern.

Anleitung zur Einbauweise und Polarität vom NPN Transistor als Schalter.

Bild 2: Auf die richtige Einbauweise muss beim NPN Transistor als Schalter geachtet werden

Grundschaltung NPN Transistor als Schalter

In der Grundschaltung des NPN Transistors als Schalter wird neben dem Transistor und der Last noch ein Basiswiderstand R_B benötigt, um den Basisstorm korrekt einzustellen.

Bild mit Grundschaltung des NPN Transistors mit allen Elementen für den Betrieb als Schalter

Bild 3: Der NPN als Schalter, Grundschaltung

Fliesst ein Basisstrom I_B in die Baiss hinein, lässt der Transistor einen Kollektorstrom I_C durch den vom Kollektor zum Emitter fliessen. Der Kollektorstorm I_C ist im Schalterbetrieb gleich dem Laststrom I_L.

Folgende Tabelle beschreibt das Transistorverhalten, abhängig von V_SW:

Eingang V_SW	Transistor Ausgang
V_SW = V_cc = High:	Transistor leitet
V_SW = GND = Low:	Transistor sperrt

Tabelle 1: Zustandstabelle NPN Transistro als Schalter

Grundschaltung mit Parametern

Symbol	Parameter
R_L:	Lastwiderstand
R_B:	Basiswiderstand
V_CE:	Kollektor- Emitter Spannung
V_BE:	Basisdiodenspannung
V_RB:	Basiswiderstandspannung
V_SW:	Steuerspannung
V_cc:	Speisespannung
GND:	Masse
I_L:	Laststrom
I_B:	Basisstrom

Tabelle 2: Schaltungsparameter

Grafik mit allen Spannungen, Strömen und Bauteilen eingezeichnet.

Bild 4: Alle Parameter, die im NPN Transistor als Schalter relevant sind

Berechnung der Schaltung

Für die Berechnung der Schaltungsparameter benötigt man aus dem Transistordatenblatt folgende Werte:

Symbol	Parameter
V_CEsat	Sättigungsspannung
I_C max	Maximale Kollektorstrom
h_FE	Stromverstärkungsfaktor

Tabelle 3: Benötigte Parameter aus dem Datenblatt

Spannung V_RL

Zuerst wird die Spannung V_RL berechnet, die bei durchgeschaltetem Transistor über R_L abfällt. Dazu zieht man die Sättigungsspannung V_CESat, die über dem Transistor abfällt, von der Versorgungsspannung ab.

Bild 5: Berechung der Spannung V_L über der geschalteten Last

Laststrom I_L

Der Laststrom ist der wichtigste Parameter und sollte unbedingt bekannt sein. Von ihm hängt ab, ob der gewählte Transistor geeignet ist, die Last R_L zu schalten.

Subtrahiere die Sättigungsspannung V_CESat von der Versorgungsspannung. Daraus ergibt sich die Spannung V_R an der Last. Diese Spannung dividierst du durch den Lastwiderstand R_L und erhältst so I_L.

Maximalstrom des Transistors prüfen

Hält dein Transistor den Strom aus? Der Maximale Kollektorstrom aus dem Datenblatt gibt darüber Auskunft.

Ist der Strom zu gross, brauchst du einen anderen NPN Transistor als Schalter. Eine nützliche Hilfe dazu ist die Tabelle der Standardtransistoren.

Bild 6: Berechnung des Laststroms I_L, der durch den Lastwiderstand fliesst.

Basiswiderstand R_B

Berechne nun den Basiswiderstand. Dazu bestimmst du zuerst den Basisstrom I_B. Da der Transistor im Gleichstrombetrieb ein Stromverstärker mit einem festen Verstärkungsfaktor h_FE ist, benötigt man einen Basisstrom, der höchstens um den Faktor h_FE kleiner ist als I_L. Damit der Transistor wirklich kräftig durchschaltet und eine gute Flankensteilheit erreicht, sollte der Basisstrom um den Faktor 4 bis 10 grösser dimensioniert werden.

Bild 7: Berechnung des Basisstroms I_B

Die Spannung über dem Basiswiderstand ist die Versorgungsspannung V_cc minus die Basisspannung V_BE. Mit der Spannung und dem Strom kann man den Basiswiderstand berechnen.

Basiswiderstand RB, Formel ur Berechnung

Bild 8: Berechung des Basiswiderstands R_B am NPN Schalter-Transistor

Die Schaltung im OFF Zustand

Im sperrenden Zustand wird V_in auf Masse geschaltet. So kann kein Strom in die Basis hineinfliessen und der Transistor wird hochohmig.

Verluste der realen Schaltung

Im sperrenden Zustand fliessen in der Praxis immer ein minimaler Leckstrom in den Kollektor hinein. Wie gross er ist, steht im Datenblatt des Transistors.