Transistor als Schalter: verstehen und üben

Drei Anschlüsse und eine klare Aufgabe

Wir betrachten einen bipolaren NPN-Transistor. Seine Anschlüsse heißen Basis B, Kollektor C und Emitter E. Der Emitter liegt in unserer Schaltung am gemeinsamen Bezugspotential 0 V. Die Last liegt zwischen der positiven Versorgung und dem Kollektor. Der Transistor schaltet also auf der Seite zur Masse; das heißt Low-Side-Schaltung.

Ein positiver Steuereingang kann über einen Basiswiderstand Strom in die Basis treiben. Dadurch wird ein größerer Strom vom Kollektor zum Emitter möglich. Der Basiswiderstand begrenzt den Steuerstrom; der Widerstand im Lastzweig begrenzt den Laststrom. Diese beiden Aufgaben dürfen nicht verwechselt werden.

Alle Strompfeile auf dieser Seite meinen die konventionelle Richtung. Beim NPN-Symbol zeigt der Emitterpfeil von der Basis weg. Die Anschlussreihenfolge am realen Gehäuse hängt vom Typ ab; B, C und E werden anhand seines Datenblatts zugeordnet. MOSFETs haben andere Anschlüsse und eine andere Ansteuerung; sie sind hier nicht gemeint.

Warum ein Basisstrom den Laststrom beeinflusst

Ein NPN-Transistor besteht aus einem n-dotierten Emitter, einer sehr dünnen p-dotierten Basis und einem n-dotierten Kollektor. Bei passender Ansteuerung gelangen Elektronen vom Emitter in die Basis. Nur ein kleiner Anteil rekombiniert dort; ein großer Anteil wird im aktiven Betrieb zum Kollektor transportiert. Der kleine Basisstrom begleitet damit einen deutlich größeren Kollektorstrom.

Das ist keine Energievermehrung. Die Lastversorgung stellt die Energie bereit; der Steuereingang beeinflusst, wie viel Laststrom fließen kann. Zwei einzelne hintereinandergeschaltete Dioden ersetzen keinen Transistor: Entscheidend sind die gemeinsame dünne Basis und der Ladungsträgertransport durch sie.

Der Emitterstrom enthält beide Anteile: IE = IC + IB. Deshalb ist er etwas größer als der Kollektorstrom. Bei getrennten Steuer- und Lastquellen müssen deren Bezugspotentiale in dieser Schaltung verbunden sein, damit die Basis-Emitter-Spannung definiert ist.

Sperren, aktiver Bereich und Sättigung

Aus: Der Transistor sperrt

Bei Steuerspannung 0 V liegt die Basis über ihren Widerstand am Emitterpotential. Es fließt im Modell kein Basisstrom und praktisch kein Kollektorstrom. Am Lastwiderstand fällt dann keine Spannung ab; der Kollektor liegt annähernd auf Versorgungsspannung.

Zwischenzustand: Der Transistor leitet teilweise

Bei geringer Ansteuerung kann der Kollektorstrom näherungsweise als β · IB beschrieben werden. β ist die Stromverstärkung im aktiven Bereich. Sie streut stark und hängt vom Betriebspunkt und der Temperatur ab. In diesem Zustand liegt noch eine merkliche Spannung zwischen Kollektor und Emitter; der Transistor kann entsprechend Verlustleistung aufnehmen.

Ein: Der Transistor ist gesättigt

Bei ausreichendem Basisstrom begrenzt hauptsächlich die äußere Last den Kollektorstrom. Zwischen Kollektor und Emitter bleibt eine kleine Sättigungsspannung UCE,sat. Mehr Basisstrom erhöht den Laststrom dann kaum noch. Ein eingeschalteter Transistor ist also kein exakt widerstandsloser Draht. Für einen Schalter strebt man einen verlässlich ausgeschalteten oder ausreichend gesättigten Zustand an.

Zuerst den Lastzweig, dann den Basiszweig berechnen

I_C,ein ≈ U_Versorgung − U_CE,satR_Last

Diese Formel gilt für unsere rein ohmsche Last. Bei einer LED im Lastzweig muss zusätzlich ihr Durchlassspannungsabfall berücksichtigt werden. Wir setzen beispielhaft UCE,sat = 0,2 V an; der tatsächliche Wert steht für bestimmte Bedingungen im Datenblatt.

I_B ≈ U_Steuer − U_BER_B

Die Basis-Emitter-Strecke ist ein p-n-Übergang. Für die einfache Rechnung verwenden wir UBE ≈ 0,7 V bei leitender Strecke. Unterhalb dieses Modellwerts setzen wir IB = 0. Das ist eine grobe, stückweise Näherung; reale Ströme ändern sich kontinuierlich.

Für sicheres Einschalten darf man nicht blind eine typische aktive Stromverstärkung verwenden. Stattdessen wählt man ausreichend Basisstrom anhand der Sättigungsangaben des konkreten Transistors. Das Verhältnis IC/IB im gewählten Schaltpunkt wird häufig „erzwungene Stromverstärkung“ genannt. Ein Beispielwert von 10 ist eine Auslegungsannahme und keine allgemeine Garantie.

Vom ausgeschalteten zum eingeschalteten Zustand

Erhöhe die Steuerspannung langsam von 0 V. Der Balken zeigt den Kollektorstrom. RB und die Last bleiben konstant. Für den Zwischenbereich verwendet das Anschauungsmodell β = 100; anschließend begrenzt es IC auf 4,8 mA. Daraus ergibt sich ein modellabhängiger Übergang, keine garantierte Schaltschwelle eines echten Transistors.

Einen Schalter für eine 1-kΩ-Last auslegen

1. Laststrom bestimmen: Versorgung 5,0 V, Last 1000 Ω und angenommene Sättigungsspannung 0,2 V.

I_C,ein = 5,0 V − 0,2 V1000 Ω = 4,8 mA

2. Basisstrom planen: Für dieses Rechenbeispiel wählen wir IC/IB = 10. Dafür braucht man IB = 0,48 mA. In der Praxis muss der Transistor unter diesen Bedingungen seine gewünschte Sättigung erreichen; prüfe seine Datenblattangaben.

3. Basiswiderstand berechnen: Der Steuerausgang liefert 3,3 V, UBE wird mit 0,7 V angenommen. Am Basiswiderstand liegen also 2,6 V.

R_B = 2,6 V0,00048 A ≈ 5417 Ω

Wir wählen zum Beispiel 4,7 kΩ. Der kleinere Wert liefert in dieser Rechnung etwas mehr Basisstrom:

I_B ≈ 2,6 V4700 Ω ≈ 0,553 mA

Das Verhältnis IC/IB beträgt damit etwa 8,7. Der Steuerausgang muss diesen Strom liefern können. Anders als beim LED-Vorwiderstand wird RB hier nicht nach oben gerundet, wenn dadurch der erforderliche Basisstrom unterschritten würde. Zugleich darf der Steuerstrom nicht zu groß werden.

4. Verlustleistung prüfen: Der Kollektor-Emitter-Anteil beträgt im angenommenen Ein-Zustand 0,2 V · 4,8 mA = 0,96 mW. Dazu kommt der Basisanteil 0,7 V · 0,553 mA ≈ 0,39 mW; zusammen rund 1,35 mW. Bauteilgrenzen und Temperatur müssen zur Anwendung passen.

Was sich bei anderen Lasten ändert

Bei einer LED braucht der Lastzweig weiterhin einen passenden Vorwiderstand. Der Basiswiderstand übernimmt diese Aufgabe nicht. Für Relais oder andere induktive Gleichstromlasten muss die beim Abschalten gespeicherte magnetische Energie einen geeigneten Weg erhalten, etwa durch eine passend gepolte Freilaufdiode parallel zur Spule. Im normalen Ein-Zustand sperrt diese Diode.

Ein frei schwebender Steuereingang ist kein eindeutig definierter Aus-Zustand. In realen Schaltungen kann ein Basis-Emitter-Widerstand ein definiertes Abschalten unterstützen; die Ansteuerung muss dazu passend dimensioniert sein. Unser Modell nutzt eine Quelle, die den Eingang ausdrücklich auf 0 V oder einen positiven Wert setzt.

Typische Fehler vermeiden

IC = βIB auch in Sättigung unbegrenzt fortsetzen: Die äußere Last begrenzt den Strom.

Basiswiderstand und Lastwiderstand verwechseln: Sie liegen in verschiedenen Zweigen.

Die Energie der Last dem Basisstrom zuschreiben: Sie kommt aus der Lastversorgung.

0,7 V als exakte Schaltgrenze ansehen: Das ist nur eine vereinfachte Rechenannahme.

Emitter und Kollektor vertauschen: Prüfe die Anschlussbelegung des gewählten Bauteils.

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