electroicsplanet home electroicsplanet pagetree Elektronik electroicsplanet pagetree Der NPN Transistor als Schalter

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 RB 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 IB in die Baiss hinein, lässt der Transistor einen Kollektorstrom IC durch den vom Kollektor zum Emitter fliessen. Der Kollektorstorm IC ist im Schalterbetrieb gleich dem Laststrom IL.

Folgende Tabelle beschreibt das Transistorverhalten, abhängig von VSW:
Eingang VSWTransistor Ausgang
VSW = Vcc = High:Transistor leitet
VSW = GND = Low:Transistor sperrt
Tabelle 1: Zustandstabelle NPN Transistro als Schalter

Grundschaltung mit Parametern

SymbolParameter
RL:Lastwiderstand
RB:Basiswiderstand
VCE:Kollektor- Emitter Spannung
VBE:Basisdiodenspannung
VRB:Basiswiderstandspannung
VSW:Steuerspannung
Vcc:Speisespannung
GND:Masse
IL:Laststrom
IB: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:
SymbolParameter
VCEsatSättigungsspannung
IC maxMaximale Kollektorstrom
hFEStromverstärkungsfaktor
Tabelle 3: Benötigte Parameter aus dem Datenblatt

Spannung VRL

Zuerst wird die Spannung VRL berechnet, die bei durchgeschaltetem Transistor über RL abfällt. Dazu zieht man die Sättigungsspannung VCESat, die über dem Transistor abfällt, von der Versorgungsspannung ab.
Formel zur Berechnugn von V RL
Bild 5: Berechung der Spannung VL über der geschalteten Last

Laststrom IL

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

Subtrahiere die Sättigungsspannung VCESat von der Versorgungsspannung. Daraus ergibt sich die Spannung VR an der Last. Diese Spannung dividierst du durch den Lastwiderstand RL und erhältst so IL.

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.
Formel zur Berechnugn von I RL
Bild 6: Berechnung des Laststroms IL, der durch den Lastwiderstand fliesst.

Basiswiderstand RB

Berechne nun den Basiswiderstand. Dazu bestimmst du zuerst den Basisstrom IB. Da der Transistor im Gleichstrombetrieb ein Stromverstärker mit einem festen Verstärkungsfaktor hFE ist, benötigt man einen Basisstrom, der höchstens um den Faktor hFE kleiner ist als IL. Damit der Transistor wirklich kräftig durchschaltet und eine gute Flankensteilheit erreicht, sollte der Basisstrom um den Faktor 4 bis 10 grösser dimensioniert werden.
Basisstrom IB, Formuel und Berechnung
Bild 7: Berechnung des Basisstroms IB

Die Spannung über dem Basiswiderstand ist die Versorgungsspannung Vcc minus die Basisspannung VBE. Mit der Spannung und dem Strom kann man den Basiswiderstand berechnen.
Basiswiderstand RB, Formel ur Berechnung
Bild 8: Berechung des Basiswiderstands RB am NPN Schalter-Transistor

Die Schaltung im OFF Zustand

Im sperrenden Zustand wird Vin 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.
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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
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Anleitung zur Einbauweise und Polarität vom NPN Transistor als Schalter.
Bild 2: Auf die richtige Einbauweise muss beim NPN Transistor als Schalter geachtet werden
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Bild mit Grundschaltung des NPN Transistors mit allen Elementen für den Betrieb als Schalter
Bild 3: Der NPN als Schalter, Grundschaltung
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Grafik mit allen Spannungen, Strömen und Bauteilen eingezeichnet.
Bild 4: Alle Parameter, die im NPN Transistor als Schalter relevant sind
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Formel zur Berechnugn von V RL
Bild 5: Berechung der Spannung VL über der geschalteten Last
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Formel zur Berechnugn von I RL
Bild 6: Berechnung des Laststroms IL, der durch den Lastwiderstand fliesst.
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Basisstrom IB, Formuel und Berechnung
Bild 7: Berechnung des Basisstroms IB
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Basiswiderstand RB, Formel ur Berechnung
Bild 8: Berechung des Basiswiderstands RB am NPN Schalter-Transistor

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