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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.

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.
Ein Schalter kann durch einen Transistor ersetzt werden. Beim PNP Transistor ist der Transistor immer gegen Vcc geschaltet
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 muss im Schalterbetrieb richtig posarisiert werden. Das Bild zeigt richtige und falsche einbauweisen
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 mit Grundschaltung des PNP Transistors mit allen Elementen für den Betrieb als Schalter
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 VSWTransistor Ausgang
VSW = Vcc = High:Transistor sperrt
VSW = GND = Low:Transistor leitet
Tabelle 1: ZustandstabellePNP Transistro als Schalter

Grundschaltung mit Parametern

SymbolParameter
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
Grafik mit allen Spannungen, Strömen und Bauteilen eingezeichnet.
Bild 4: Grundschaltung mit der Bezeichnugn 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:
SymbolParameter
VCEsatSättigungsspannung
IC maxMaximale Kollektorstrom
hFEStromverstärkungsfaktor
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.
Formel zur Berechnugn von V RL
Bild 5: Formel zur Berechung 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.
Formel zur Berechnugn von I RL
Bild 6: Formel zur Berechung 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.
Basisstrom IB, Formuel und Berechnung
Bild 7: Formel zur Berechung 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.
Basiswiderstand RB, Formel ur Berechnung
Bild 8: Formel zur Berechung 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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Ein Schalter kann durch einen Transistor ersetzt werden. Beim PNP Transistor ist der Transistor immer gegen Vcc geschaltet
Bild 1: Mechanischer Schalter und PNP Transistor als Schalter
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Der PNP Transistor muss im Schalterbetrieb richtig posarisiert werden. Das Bild zeigt richtige und falsche einbauweisen
Bild 2: Einbauweise des PNP Transistors im Betrieb als Schalter
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Bild mit Grundschaltung des PNP Transistors mit allen Elementen für den Betrieb als Schalter
Bild 3: Grundschaltung für den PNP Transistor als Schalter
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Grafik mit allen Spannungen, Strömen und Bauteilen eingezeichnet.
Bild 4: Grundschaltung mit der Bezeichnugn aller relevanter Parametern
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Formel zur Berechnugn von V RL
Bild 5: Formel zur Berechung des Spannung VL über der Last
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Formel zur Berechnugn von I RL
Bild 6: Formel zur Berechung des Laststroms IL
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Basisstrom IB, Formuel und Berechnung
Bild 7: Formel zur Berechung des Basisstroms IB
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Basiswiderstand RB, Formel ur Berechnung
Bild 8: Formel zur Berechung des Basiswiderstands RB

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