PNP Transistor als Schalter
Mit Hilfe eines PNP Transistors als Schalter, kann ein kleines Bauteil mit
wenigen Milliampère ein grosse Last schalten.
Warum einen PNP Transistor als Schalter einsetzen?
Logikgatter und Mikrocontroller können nur kleine Lasten selber treiben.
Aber manchmal muss eine Last geschaltet werden, die mehr Strom benötigt als
das steuernde Bauteil liefern kann. In diesem Fall kann mit einem Transistor,
der als Schalter betrieben wird, die benötigte Strom- und Spannungsverstärkung
erreicht werden.
Der Mikrocontroller muss beim PNP Transistor nur den Basisstorm liefern bzw. senken. Die Emitter-Kollektor-Strecke des PNP Transistors wird je nach Schaltzustand hochohmig oder leitend und kann so als Schalter für die Last wirken.
Der Mikrocontroller muss beim PNP Transistor nur den Basisstorm liefern bzw. senken. Die Emitter-Kollektor-Strecke des PNP Transistors wird je nach Schaltzustand hochohmig oder leitend und kann so als Schalter für die Last wirken.
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. 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, Schaltvorgangs können auch kurze Impulse, PWM-Signale und jedes andere Digitalsignal an der Last erzeugt werden.
Die Schaltstrecke kann sehr zeitgenau, schnell und mit hoher Frequenz betätigt werden. Anstatt eines von Auge sichtbaren, Schaltvorgangs können auch kurze Impulse, PWM-Signale und jedes andere Digitalsignal an der Last erzeugt werden.
Bild 1: Mechanischer Schalter und PNP Transistor als Schalter
Korrekte Polarität und Schaltung zur Last
Im Schalterbetrieb wird ein Transistor in der Emitterschaltung betrieben. Deshalb hängt die Last immer am Kollektor
eines Transistors. Und da der Strom beim PNP Transistor aus dem Kollektor hinausfliesst, wird der Transistor in
Stromrichtung vor die Last geschaltet und nicht hinter die Last.
Der PNP Transistor stellt somit einen Sourcing-Strom zur Verfügung und nicht wie beim NPN Transistor einen Sink-Strom.
Bild 2 zeigt die korrekte und die Falsche einbauweise des PNP Transistors und zum vergleich die richtige Beschaltung eines NPN Transistors als Schalter.
Der PNP Transistor stellt somit einen Sourcing-Strom zur Verfügung und nicht wie beim NPN Transistor einen Sink-Strom.
Bild 2 zeigt die korrekte und die Falsche einbauweise des PNP Transistors und zum vergleich die richtige Beschaltung eines NPN Transistors als Schalter.
Bild 2: Einbauweise des PNP Transistors im Betrieb als Schalter
Grundschaltung PNP Transistor als Schalter
In der Emitter-Grundschaltung des PNP Transistors als Schalter wird neben dem
Transistor und der Last noch ein Basiswiderstand RB
benötigt. Er bestimmt den Basisstrom.
Bild 3: Grundschaltung für den PNP Transistor als Schalter
Damit der Basis- und der Kollektorstrom fliessen können, muss die Basis
das tiefere Spannungspotential haben als der Emitter. Die Schaltung funktioniert
nach folgender einfachen Zustandstabelle, abhängig von EingangVSW:
| Eingang VSW | Transistor Ausgang |
| VSW = Vcc = High: | Transistor sperrt |
| VSW = GND = Low: | Transistor leitet |
Tabelle 1: Zustandstabelle PNP Transistor als Schalter
Grundschaltung mit Parametern
| Symbol | Parameter |
| RL: | Lastwiderstand |
| RB: | Basiswiderstand |
| VEC: | Emitter- Kollektor- Spannung |
| VEB: | Basisdiodenspannung |
| VRB: | Basiswiderstandspannung |
| VSW: | Steuerspannung |
| Vcc: | Speisespannung |
| GND: | Masse |
| IL: | Laststrom |
| IB: | Basisstrom |
Tabelle 2: Schaltungsparameter
Bild 4: Grundschaltung mit der Bezeichnung aller relevanter Parametern
Berechnung
Die Berechnung der Bauteil- und Spannungswerte ist nicht besonders schwierig. Du benötigst dazu
aber aus dem Datenblatt des Transistors folgende Parameter:
| Symbol | Parameter |
| VCEsat | Sättigungsspannung |
| IC max | Maximale Kollektorstrom |
| hFE | Stromverstärkungsfaktor |
Tabelle 3: Benötigte Parameter aus dem Datenblatt
Berechnung der Spannung VRL
Zuerst wird die Spannung VRL berechnet, die bei durchgeschaltetem Transistor
über RL abfällt. Dazu zieht man die Sättigungsspannung
VECSat, die über dem Transistor abfällt, von der Versorgungsspannung Vcc ab.
Bild 5: Formel zur Berechnung des Spannung VL über der Last
Laststrom IL
Dann wird der Kollektorstrom berechnet, der bei durchgeschaltetem Transistor
durch RL fliesst. Dazu teilt man VRL durch den
Lastwiderstand RLund erhält IL.
Hält der Transistor den Strom aus?
Nun prüft man, ob der Transistor den Laststrom aushält. IL muss kleiner
sein als ICmax bzw. IE max aus dem Datenblatt.
Hält der Transistor den Strom nicht aus, muss ein anderer Transistor
gewählt werden. Wirf dazu einen Blick in die
Tabelle der Standardtransistoren.
Bild 6: Formel zur Berechnung des Laststroms IL
Basiswiderstand RB
Um den Basiswiderstand RB zu bestimmen, wird zuerst der benötigte
Basisstrom IB berechnet. 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
schnelle Umschaltzeit erreicht, sollte der Basisstrom 4 bis 10 mal grösser gewählt
werden.
Bild 7: Formel zur Berechnung des Basisstroms IB
Die Spannung, die beim durchgeschalteten PNP Transistor über dem Basiswiderstand
abfällt ist um VEB kleiner als die Versorgungssapnnung Vcc. Mit diesem Wert und
dem Basisstrom kann der benötigte Basiswiderstand berechnet werden.
Bild 8: Formel zur Berechnung des Basiswiderstands RB
Verhalten der PNP Schaltung im OFF-Zustand
Im sperrenden Zustand wird Vin auf Vcc geschaltet. So kann
kein Strom aus der Basis hinausfliessen, derTransistor sperrt und der Laststrom IL
kommt zum erliegen
Verluste im sperrenden und im leitenden Zustand
Im sperrenden Zustand fliessen in der Praxis immer minimale Leckströme in den
Transistor hinein und hinaus. Wie gross sie sind, kann dem Datenblatt des
Transistors entnommen werden.
Und da der Transistor im leitenden Zustand einen geringen Widerstand beibehält
bleibt zwischen Emitter und Kollektor immer die Sättingungsspannung VECsat
stehen. Trotz dieser Verluste ist der Bipolartransistor ein guter Schalter, der
für die meisten Halbleiter-Schaltanwendungen gut geeignet ist.
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Bild 1: Mechanischer Schalter und PNP Transistor als Schalter
Bild 1: Mechanischer Schalter und PNP Transistor als Schalter
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Bild 2: Einbauweise des PNP Transistors im Betrieb als Schalter
Bild 2: Einbauweise des PNP Transistors im Betrieb als Schalter
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Bild 3: Grundschaltung für den PNP Transistor als Schalter
Bild 3: Grundschaltung für den PNP Transistor als Schalter
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Bild 4: Grundschaltung mit der Bezeichnung aller relevanter Parametern
Bild 4: Grundschaltung mit der Bezeichnung aller relevanter Parametern
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Bild 5: Formel zur Berechnung des Spannung VL über der Last
Bild 5: Formel zur Berechnung des Spannung VL über der Last
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Bild 6: Formel zur Berechnung des Laststroms IL
Bild 6: Formel zur Berechnung des Laststroms IL
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Bild 7: Formel zur Berechnung des Basisstroms IB
Bild 7: Formel zur Berechnung des Basisstroms IB
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Bild 8: Formel zur Berechnung des Basiswiderstands RB
Bild 8: Formel zur Berechnung des Basiswiderstands RB
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