Funktion eines Transistor als Schalter

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In diesem Transistor-Tutorial lernen wir die Funktionsweise eines Transistors als Schalter kennen. Schalten und Verstärken sind die beiden Anwendungsbereiche von Transistoren und ein Transistor als Schalter ist die Grundlage für viele digitale Schaltungen.

Funktion von Transistoren

Als eines der bedeutenden Halbleiterbauelemente hat der Transistor in elektronischen Anwendungen wie eingebetteten Systemen, digitalen Schaltungen und Steuersystemen Verwendung gefunden. Sowohl im digitalen als auch im analogen Bereich werden Transistoren in großem Umfang für verschiedene Anwendungszwecke wie Verstärkung, logische Operationen, Schalten und so weiter verwendet.

Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die Anwendung von Transistoren als Schalter und gibt eine kurze Erklärung dazu.

Der Bipolar Junction Transistor oder einfach BJT ist ein Halbleiterbauelement mit drei Schichten, drei Anschlüssen und zwei Übergängen. Fast in vielen der Anwendungen werden diese Transistoren für zwei grundlegende Funktionen wie Schalten und Verstärken verwendet.

Der Name Bipolar weist darauf hin, dass zwei Arten von Ladungsträgern an der Funktion eines BJT beteiligt sind. Diese beiden Ladungsträger sind Löcher und Elektronen, wobei Löcher positive Ladungsträger und Elektronen negative Ladungsträger sind.

Aufbau von PNP- und NPN-Transistoren.

Aufbau der Leiterschichten von Transistoren.

Der Transistor hat drei Bereiche, nämlich Basis, Emitter und Kollektor. Der Emitter ist ein stark dotierter Anschluss und emittiert Elektronen in die Basis. Der Basisanschluss ist schwach dotiert und leitet die Emitter-injizierten Elektronen an den Kollektor weiter. Die Kollektorklemme ist zwischendotiert und sammelt Elektronen von der Basis. Dieser Kollektor ist im Vergleich zu den anderen beiden Bereichen groß, so dass er mehr Wärme ableitet.

Es gibt zwei Arten von BJTs: NPN und PNP. Beide funktionieren gleich, unterscheiden sich aber in Bezug auf die Vorspannung und die Polarität der Stromversorgung. Beim PNP-Transistor wird zwischen zwei P-artigen Materialien N-artiges Material eingeschlossen, während beim NPN-Transistor P-artiges Material zwischen zwei N-artigen Materialien eingeschlossen ist. Diese beiden Transistoren können in verschiedene Typen konfiguriert werden, wie Konfigurationen mit gemeinsamem Emitter, gemeinsamem Kollektor und gemeinsamer Basis.

Betriebsarten von Transistoren

Abhängig von den Vorspannungsbedingungen wie Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung haben Transistoren drei Hauptbetriebsarten, nämlich Sperr-, Aktiv- und Sättigungsbereiche.

Aktiver Modus

In dieser Betriebsart wird im Allgemeinen ein Transistor als Stromverstärker verwendet. Im aktiven Modus sind zwei Übergänge unterschiedlich vorgespannt, d.h. der Emitter-Basis-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, während der Kollektor-Basis-Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. In dieser Betriebsart fließt Strom zwischen Emitter und Kollektor, und die Höhe des Stromflusses ist proportional zum Basisstrom.

Abschaltungsmodus / Sperrmodus

In diesem Modus sind sowohl der Kollektor-Basisübergang als auch der Emitter-Basisübergang in Sperrrichtung vorgespannt. Dies wiederum lässt den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter nicht zu, wenn die Basis-Emitter-Spannung niedrig ist. In dieser Betriebsart wird das Gerät vollständig abgeschaltet, da der durch das Gerät fließende Strom Null ist.

Ein Transistor als Schalter in Sperrrichtung.

Schematische Darstellung eines Transistor im inaktiven Modus.

Sättigungsmodus

In dieser Betriebsart sind sowohl die Emitterbasis- als auch die Kollektorbasisübergänge in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Strom fließt frei von Kollektor zu Emitter, wenn die Basis-Emitter-Spannung hoch ist. In dieser Betriebsart ist das Gerät vollständig eingeschaltet.

Schematische Darstellung eines Transistor im Sättigungsmodus.

Transistor im Sättigungsbereich.

Die folgende Abbildung zeigt die Ausgangseigenschaften eines BJT-Transistors. In der unteren Abbildung hat der Sperrbereich die Betriebsbedingungen als Null-Kollektor-Ausgangsstrom, Null-Basis-Eingangsstrom und maximale Kollektorspannung. Diese Parameter bewirken eine große Verarmungsschicht, die außerdem keinen Stromfluss durch den Transistor zulässt. Daher befindet sich der Transistor vollständig im OFF-Zustand.

Grafische Darstellung der Transistor-Kennlinienfelder.

Transistor-Kennlinienfelder

In ähnlicher Weise wird ein Transistor im Sättigungsbereich so vorgespannt, dass ein maximaler Basisstrom angelegt wird, der zu einem maximalen Kollektorstrom und einer minimalen Kollektor-Emitter-Spannung führt. Dies bewirkt, dass die Verarmungsschicht klein wird und einen maximalen Stromfluss durch den Transistor ermöglicht. Daher befindet sich der Transistor vollständig im EIN-Zustand.

Aus der vorstehenden Betrachtung können wir also sagen, dass Transistoren als EIN/AUS-Festkörperschalter betrieben werden können, indem der Transistor in Sperr- und Sättigungsbereichen betrieben wird. Diese Art der Schaltanwendung wird zur Steuerung von Motoren, Lampenlasten, Magneten usw. verwendet.

Transistor als Schalter

Ein Transistor als Schalter wird für den Schaltvorgang zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises verwendet. Diese Art der Festkörperschaltung bietet im Vergleich zu herkömmlichen Relais eine erhebliche Zuverlässigkeit und geringere Kosten.

Als Schalter können sowohl NPN- als auch PNP-Transistoren verwendet werden. Bei einigen Anwendungen wird ein Leistungstransistor als Schaltgerät verwendet. Zu diesem Zeitpunkt kann es notwendig sein, einen anderen Signalpegeltransistor zur Ansteuerung des Hochleistungstransistors zu verwenden.

NPN-Transistor als Schalter

Basierend auf der an den Basisanschluss eines Transistors angelegten Spannung wird ein Schaltvorgang durchgeführt. Wenn eine ausreichende Spannung (Vin > 0,7 V) zwischen Basis und Emitter angelegt wird, ist die Spannung von Kollektor zu Emitter ungefähr gleich 0. Daher wirkt der Transistor wie ein Kurzschluss. Der Kollektorstrom Vcc/Rc fließt durch den Transistor.

Wenn am Eingang keine Spannung oder Nullspannung angelegt wird, arbeitet der Transistor im Sperrbereich und wirkt wie ein offener Stromkreis. Bei dieser Art von Schaltverbindung wird die Last (hier LED-Lampe) mit einem Referenzpunkt an den Schaltausgang angeschlossen. Wenn der Transistor eingeschaltet wird, fließt also Strom von der Quelle zur Erde durch die Last.

NPN-Transistor als Schalter.

Schaltplan eines NPN-Transistor als Schalter.

Beispiel eines NPN-Transistors als Schalter

Ein Beispiel unten: Basiswiderstand Rb = 50 kOhm, Kollektorwiderstand Rc = 0,7kOhm, Vcc ist 5V und der Betawert ist 125. Am Basiseingang wird ein zwischen 0 und 5V variierendes Signal gegeben, so dass wir den Ausgang am Kollektor durch Variieren des Vi bei zwei Zuständen sehen werden, der 0 und 5V beträgt, wie in der Abbildung gezeigt.

Schematisches Beispiel für einen NPN-Transistor als Schalter.

Schematische Darstellung der Schaltung eines NPN-Transistor als Schalter.

  • Ic = Vcc/Rc, wenn VCE = 0
  • Ic = 5V/0,7k Ohm
  • Ic = 7,1 mA
  • Basisstrom Ib = Ic / β
  • Ib = 7,1 mA/125
  • Ib = 56,8 µA

Aus den obigen Berechnungen geht hervor, dass der Maximal- oder Spitzenwert des Kollektorstroms in der Schaltung 7,1 mA beträgt, wenn Vce gleich Null ist. Und der entsprechende Basisstrom, zu dem der Kollektorstrom fließt, beträgt 56,8µA. Es ist also klar, dass der Transistor in den Sättigungsmodus übergeht, wenn der Basisstrom über die 56,8 Mikroampere hinaus erhöht wird.

Betrachten wir den Fall, wenn am Eingang Null Volt angelegt wird. Dies führt dazu, dass der Basisstrom Null wird, und da der Emitter geerdet ist, wird der Emitter-Basisübergang nicht in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Daher befindet sich der Transistor im AUS-Zustand und die Kollektorausgangsspannung ist gleich 5V.

Wenn Vi = 0V, Ib = 0 und Ic = 0,

Vc = Vcc – (IcRc)
= 5V – 0
= 5V

Wenn man bedenkt, dass die angelegte Eingangsspannung 5 Volt beträgt, dann kann der Basisstrom durch Anwendung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes bestimmt werden.

Wenn Vi = 5V

Ib = (Vi – Vbe) / Rb

Für Siliziumtransistor Vbe = 0,7 V

Somit ist Ib = (5V – 0,7V)/ 50K Ohm

= 86 µA, die größer als 56,8 µA sind

Daher ist der Basisstrom größer als 56,8 Mikroamperestrom, der Transistor wird bis in die Sättigung getrieben, die bei Anlegen von 5V am Eingang voll eingeschaltet ist. Dadurch wird der Ausgang am Kollektor ungefähr null.

PNP-Transistor als Schalter

Der PNP Transistor als Schalter funktioniert wie NPN, aber der Strom fließt von der Basis. Diese Art des Schaltens wird für negative Massekonfigurationen verwendet. Beim PNP-Transistor ist der Basisanschluss gegenüber dem Emitter immer negativ vorgespannt. Bei dieser Schaltung fließt der Basisstrom, wenn die Basisspannung negativer ist. Schon eine niedrige Spannung oder eine negativere Spannung führt dazu, dass der Transistor als Schalter kurzgeschlossen wird, andernfalls wird er offen oder hochohmig geschaltet.

In diesem Zusammenhang wird die Last mit einem Referenzpunkt an den Schaltausgang des Transistors angeschlossen. Wenn der Transistor eingeschaltet wird, fließt Strom von der Quelle durch den Transistor zur Last und schließlich zur Masse.

Ein PNP-Transistor als Schalter.

Schaltplan eines PNP-Transistor als Schalter.

Beispiel des PNP-Transistor als Schalter

Ähnlich wie beim NPN-Transistor-Schaltkreis ist auch der PNP-Schaltkreis-Eingang die Basis, aber der Emitter ist an eine konstante Spannung angeschlossen und der Kollektor ist über die Last mit Masse verbunden, wie in der Abbildung dargestellt.

Schematisches Beispiel für einen PNP-Transistor als Schalter.

Schematische Darstellung der Schaltung eines PNP-Transistor als Schalter.

In dieser Konfiguration ist die Basis immer negativ in Bezug auf den Emitter vorgespannt, indem die Basis an der negativen Seite und der Emitter an der positiven Seite der Eingangsversorgung angeschlossen wird. Die Spannung VBE ist also negativ und die Emitter-Versorgungsspannung in Bezug auf den Kollektor positiv (VCE positiv).

Daher muss der Emitter für die Leitung des Transistors sowohl in Bezug auf den Kollektor als auch auf die Basis positiver sein. Mit anderen Worten, die Basis muss in Bezug auf den Emitter negativer sein.

Für die Berechnung der Basis- und Kollektorströme werden folgende Ausdrücke verwendet.

  • Ic = Ie – Ib
  • Ic = β. Ib
  • Ib = Ic / β

Betrachten wir das obige Beispiel, dass die Last 100 Milliampere Strom benötigt und der Transistor den Betawert von 100 hat. Dann ist der für die Sättigung des Transistors erforderliche Strom

Minimaler Basisstrom = Kollektorstrom / β
= 100 mA / 100
= 1mA

Wenn der Basisstrom 1 mA beträgt, ist der Transistor daher voll eingeschaltet. Für eine garantierte Sättigung des Transistors sind jedoch praktisch 30 Prozent mehr Strom erforderlich. In diesem Beispiel beträgt der erforderliche Basisstrom also 1,3 mA.

Praktische Beispiele für einen Transistor als Schalter

Transistor zum Schalten einer LED

Wie zuvor besprochen, kann der Transistor als Schalter verwendet werden. Das untenstehende Schema zeigt, wie ein Transistor zum Schalten der Leuchtdiode (LED) verwendet wird.

  • Wenn der Schalter am Basisanschluss offen ist, fließt kein Strom durch die Basis, so dass sich der Transistor im Sperrzustand befindet. Daher wirkt die Schaltung als offener Stromkreis, und die LED wird ausgeschaltet.
  • Wenn der Schalter geschlossen ist, beginnt der Basisstrom durch den Transistor zu fließen und treibt dann in die Sättigung, so dass die LED eingeschaltet wird.
  • Widerstände sind platziert, um die Ströme durch die Basis und die LED zu begrenzen. Es ist auch möglich, die Intensität der LED zu variieren, indem der Widerstand im Basisstrompfad variiert wird.
EIn NPN-Transistor als Schalter für eine LED.

Ein 2N3904 NPN Tranistor als Schalter für eine LED.

Transistor zum Betreiben eines Relais

Es ist auch möglich, den Betrieb eines Relais über einen Transistor zu steuern. Mit einer kleinen Schaltungsanordnung eines Transistors, der in der Lage ist, die Spule des Relais zu erregen, so dass die daran angeschlossene externe Last gesteuert wird.

  • Betrachten wir die folgende Schaltung, um den Betrieb eines Transistors zur Erregung der Relaisspule zu verstehen. Das an die Basis angelegte Eingangssignal bewirkt, dass der Transistor in die Sättigungszone getrieben wird, wodurch der Schaltkreis zu einem Kurzschluss wird. Dadurch wird die Relaisspule erregt und die Relaiskontakte werden betätigt.
  • Bei induktiven Lasten, insbesondere beim Schalten von Motoren und Induktivitäten, kann durch plötzliches Wegnehmen der Leistung ein hohes Potential an der Spule erhalten bleiben. Diese hohe Spannung kann erhebliche Schäden an der übrigen Schaltung verursachen. Daher müssen wir die Diode parallel zur induktiven Last einsetzen, um den Schaltkreis vor den induzierten Spannungen der induktiven Last zu schützen.
NPN-Transistor als Schalter für ein Relais.

Schaltplan für ein NPN Transistor als Schalter eines Relais.

Transistor zum Antrieb eines Motors

  • Ein Transistor kann auch zur unidirektionalen Ansteuerung und Drehzahlregelung des Gleichstrommotors verwendet werden, indem der Transistor in regelmäßigen Zeitintervallen geschaltet wird, wie in der Abbildung unten dargestellt.
  • Wie oben erwähnt, ist der Gleichstrommotor auch eine induktive Last, so dass wir zum Schutz des Schaltkreises eine Freilaufdiode über ihm platzieren müssen.
  • Indem wir den Transistor in Sperr- und Sättigungsbereichen schalten, können wir den Motor wiederholt ein- und ausschalten.
    Es ist auch möglich, die Geschwindigkeit des Motors vom Stillstand bis zur vollen Drehzahl zu regulieren, indem man den Transistor mit variablen Frequenzen schaltet.
  • Die Schaltfrequenz können wir von einem Steuergerät oder einem IC wie einem Mikrocontroller erhalten.
NPN-Transistor als Schalter für einen Motor.

Ein NPN Transistor als Schalter für einen Motor.

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Carsten Hack ist begeisterter Hobby-Bastler auf vielen Gebieten und Autor von e-hack.de. Seine Erfahrung und Expertise schreibt er in informativen Beschreibungen verschiedener elektrischer Bauteile nieder und gibt Tipps zu allen Fragen der Beleuchtung und LED-Leuchtmitteln.

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