Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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Kapitel 3 – Transistor als Schalter

Der Transistor hat die Elektronik revolutioniert und ist heute der Grundbaustein sowohl in analogen als auch in digitalen Systemen. Der Bipolar Junction Transistor (BJT) kann als Verstärker für schwache analoge Signale (z. B. Mikrofonsignal) verwendet werden.

Er lässt sich aber auch als kontaktloser digitaler Schalter verwenden. Dies wird in dieser Übung am Beispiel eines 2N3904 NPN Transistors näher untersucht.

 

1 - Anschlusspins des 2N3904 und Schaltsymbol

Abb. 1 - Ein 2N3904 NPN Transistor in Draufsicht (links); das Schaltbild dazu (rechts)

Der Transistor kann auf drei Arten betrieben werden.

  • Ist das Basispotential 0V, fließt kein Strom durch den Transistor (Cut-Off Bereich). Dieser Zustand entspricht einem offenen Schalter.
  • Wird die Basis positiver und eine Schwellenspannung überschritten, fließt proportional zur Basisspannung ein entsprechend starker Strom, der ab einer bestimmten Sättigungsspannung nicht weiter anwächst (Proportionalbereich).
    Der Kollektorstrom IC ist gleich dem Basisstrom IB multipliziert mit einem Verstärkungsfaktor Beta oder, wenn es sich um reine Gleichstromwerte handelt, mit hFE.
  •  Es fließt – unabhängig von der Basisspannung - ein maximaler Strom (Sättigungsbereich). Ein Anstieg des Basisstroms ändert den Kollektorstrom IC nicht weiter; es stellt sich ein Sättigungsstrom ein:

für Gleichstrombetrachtung und

für Wechselstrombetrachtung.

  • Der elektronische Schalter ist geschlossen.

2 - Auszug aus dem Datenblatt

 

Alle elektronischen Bauteile haben Grenzwerte und Spezifikationen für den ordnungsgemäßen Betrieb, die in einem Datenblatt des Herstellers dokumentiert sind. Für den 2N3904 gilt:

2N3904 Transistoreigenschaften nach Datenblatt des Herstellers
Parameter Wert  Bedeutung
hFE oder Beta 100 – 300 Stromverstärkung
IC 200 mA maximaler Kollektorstrom bei laufendem Betrieb
VCE < 0,3 Volt Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter bei Sättigung
VBE 0,65 V - < 0,95 V Emitter-Basis-Spannung
VECO 40 V maximale Kollektor-Emitter-Spannung
PD 625 mW maximale Verlustleistung

Starten wir mit einem ersten Test und Berechnungen für eine einfache Transistorschaltung.

Übung 4 - Der Transistor als Schalter

Übung 4 - Der Transistor als Schalter
Material
  • 1x  ADC0831
  • 2x  Widerstand, 220 Ohm
  • 1x  Widerstand, 1 kOhm
  • 1x  Widerstand, 47 kOhm
  • 1x  Potenziometer, 10 kOhm
  • 1x  Transistor, 2N3904
  • 1x  LED
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach Schaltskizze auf.
  • Starte das Programm DataMonitoring.bs2
  • Schließe das Debug Terminal.
  • Starte MakerPlot und das Makro sic_pc_data_monitoring.spm.
  • Aktiviere die Verbindung und starte die grafische Aufzeichnung.
  • Verbinde ADC-IN mit Up. Verändere die Position des Mittelabgriffs am Potenziometer möglichst stetig. Zeichne die Kurve mit MakerPlot auf (Messung 1).
  • Verbinde ADC-IN jetzt mit UCE und verfahre genau so, wie beim vorherigen Spiegelpunkt. Wie verhält sich UCE, wenn der Basisstrom stetig erhöht wird?
  • Zeichne die Kurve mit MakerPlot auf (Messung 2).
  • Versuche beide Messprotokolle zu erklären.

Schaltskizze

Abb. 2 - Der Transistor als Schalter Messaufbau. Up und Uce werden nacheinander mit ADC-IN verbunden.

Messprotokolle

 

 

 

 

 

Abb. 3a

Messung 1 am Punkt UP.

Der Mittelabgriff des Potenziometers wurde stetig von einer Extremposition in die andere gedreht.

Zum Zeitpunkt t = 0 liegen 5V an der Basis. Der Transistor ist komplett durchgeschaltet. Das Potential am Punkt UP ist 5 Volt.

Wird die Basisspannung stetig bis auf 0 Volt verringert, zeigt dies der Messpunkt Up an.

 

 

 

 

Abb. 3b

Messprotokoll am Punkt UCE.

Der Mittelabgriff des Potenziometers wurde stetig von einer Extremposition in die andere gedreht.

Zum Zeitpunkt t = 0 liegen 5V an der Basis. Der Transistor ist komplett durchgeschaltet. Das Potential am Punkt UCE ist ungefähr 0 Volt.

Wird die Basisspannung verringert, beginnt der Transistor ab einem bestimmten Wert zu sperren und am Punkt UCE liegen 5 Volt.

Wie arbeitet die Schaltung?

 

Wenn die Spannung bei Up fällt (s. Abb. 3a), erniedrigt sich die Basis-Emitter-Spannung UBE  des Transistors, IB wird kleiner und ab einem bestimmten Spannungswert UBE sperrt der Transistor. Wenn IB kleiner wird, gilt das auch für IC. Wenn IC kleiner wird, fällt weniger Spannung am Kollektorwiderstand RC ab.

Der Spannungsabfall UCE am Transistor wird größer; Das Potential am Messpunkt UCE steigt.

 

  • Wenn Up geringer wird, steigt UCE kontinuierlich bis zum Wert UDD. Der Transistor sperrt.

Wenn die Spannung bei Up ansteigt, erhöht sich die Basis-Emitter-Spannung des Transistors und der Basisstrom IB steigt an. Wenn IB ansteigt, steigt auch IC an. Wenn IC erhöht wird, fällt mehr Spannung am Kollektorwiderstand RC ab.

Der Spannungsabfall UCE am Transistor verkleinert sich; UCE nimmt ab.

  • Wenn Up ansteigt, nimmt UCE ab. Der Transistor schaltet durch.

3 - Strom- und Spannungseigenschaften (Theorieteil)

 

Cutoff-Bereich

Bei sehr kleinem Basisstrom IB sperrt der Transistor (vergleichbar mit einem offenen Schalter); er verhält sich wie ein sehr großer Widerstand. IC ist Null und das Potential am Punkt UCE liegt bei VDD (Betriebsspannung).

 

Proportionalbereich

Im Proportionalbereich ist der Kollektorstrom direkt proportional zum Basisstrom IB. Der Stromverstärkungsfaktor eines 2N3904 hat nach Datenblatt einen Wert zwischen 100 und 300. UCE ist eine Funktion des Stromflusses IC durch RC.

 

Beispiel

Sei hFE = 200, IB = 10 µA und UBat = 5 V; dann folgt für die Größen IC, URC und UCE:

  • Ic = 2 mA
  • URC = IC RC = 2 V
  • UCE = Udd – URC = 3 V

 

Die Kollektorspannung wird häufig mit UCC angegeben, wenn es sich um einen BJT-Transistor handelt. Udd wird meist bei FETs benutzt, die über einen Drain-, statt eines Kollektor-Anschlusses verfügen. Die BASIC Stamp ist mit FETs aufgebaut, deshalb wird hier die Bezeichnung Udd gewählt.

 

Wie ändern sich die oben berechneten Werte, wenn wir den Basisstrom auf 100 µA erhöhen wollen?

Die errechneten Werte liegen dann bei

  • Ic = 20 mA
  • URC = IC RC = 20 V
  • UCE = Udd – URC = -15 V

 

Machen solche Rechenwerte überhaupt Sinn, wenn man weiß, dass ein Transistor bereits im Sättigungsbereich arbeitet, wenn UCE ungefähr 0 Volt beträgt und die Betriebsspannung von 5 V nahezu vollständig über dem Kollektorwiderstand abfällt? Schauen wir uns dazu den Sättigungsbereich noch einmal an.

 

Sättigungsbereich

Die Obergrenze für den Kollektorstrom IC hängt von der Versorgungsspannung und der Größe des Kollektorwiderstandes RC ab. Sie wird als Sättigungsstrom bezeichnet und ist in den Datenblättern von Transistoren abrufbar.

Im Sättigungsbereich, wenn der Transistor vollständig leitet, ist UCE minimal und IC,Sat (abhängig von RC) maximal.

 

Ist RC = 1 kOhm, ergibt sich ein Sättigungsstrom von ca. 5 mA, bei einer Betriebsspannung von 5 Volt. UCE liegt dann typischerweise bei ungefähr 0,3 Volt und IC,Sat erniedrigt sich auf

  • IC,Sat = (Udd – 0,3 V) RC = 4,77 mA.

 

Im Bereich von IC = 0 mA - 4,77 mA befindet sich der Transistor im aktiven Bereich. Bei einem hFE-Wert von 200 ist eine Ansteuerung des Transistors im Bereich von IB = 0 mA bis 23,5 µA möglich.

  • IB = 23,5 µA

 

Jeder Basisstrom IB über diesem Wert treibt den Transistor in die Sättigung, bei maximalem Strom.

 

Erhöhen wir jetzt RC auf RC = 10 kOhm, bei einer Betriebsspannung von 5 Volt und einem hFE-Wert von 200. Berechne IC,Sat und IB für den Sättigungsfall.

  • IC,Sat = 0,477 mA
  • IB = 2,35 µA

4 - Verlustleistung eines Transistors (Theorieteil)

 

  • Die Arbeit, die von einem Bauteil pro Zeiteinheit verrichtet wird, ist definiert als seine Leistung. In der Elektronik wird die Einheit dieser Größe in Watt angegeben.
  •  

Jedes elektrische Bauteil, durch das ein elektrischer Strom fließt und über dem eine elektrische Spannung abfällt, wandelt elektrische Energie in Leistung um, zum Beispiel in  Licht, Bewegung, Wärme, ….

 

Energie in Form von Wärme muss bei Halbleitern entweder durch Konvektion an die Luft oder auf andere Weise vom Bauteil/ Gerät abgeführt werden. Die CPU in einem Laptop benötigt viel Strom; wird die sich bildende Wärme nicht abgeführt, kann die CPU schnell beschädigt werden. Kühlkörper sorgen für eine Wärmeableitung vom Bauteil/ Gerät. Oft werden Lüfter hinzugefügt, die über die so erzwungene Konvektion die Wärme effizienter abführen.

 

Durch Transistoren fließen Ströme und über ihnen fällt Spannung ab. In welchem der drei Bereiche (Cutoff- , Proportional- oder Sättigungsbereich ) ist die Stromstärke am höchsten?

  • Cutoff-Bereich
    In diesem Bereich ist der Spannungsabfall UCE über dem Transistor am größten und der Stromfluss IC durch ihn am geringsten (nahezu 0 mA).


     
  • Sättigungsbereich
    Im Sättigungsbereich ist der Stromfluss durch den Transistor maximal (IC,Sat) aber der Spannungsabfall UCE am geringsten (ca. 0,3 Volt).


     

Die maximale Leistung eines Transistors wird erreicht, wenn er in der Mitte zwischen Udd und Uss vorgespannt ist, mit

  • UCE = 0,5 Ucutoff  und
  • IC ~ 0,5 IC,Sat.

Für die hier benutzte Schaltung mit einem 2N3904 kann die maximale Leistung berechnet werden:

  • Udd = 5 Volt, IC,Sat = 5 mA
  • PMax = 6,25 mW

Wird ein Transistors als Schalter verwendet (in Sättigung oder Abschaltung) tritt die maximale Leistung nur während des Übergangs auf, sodass die Verlustleistung sehr gering ist.

 

Je häufiger allerdings der Schaltvorgang auftritt, desto häufiger durchläuft der Transistor den aktiven Bereich und umso höher ist seine durchschnittliche Verlustleistung.

Auswirkungen der Widerstandsdimensionierung

 

Die Größe des Widerstandes RC hat große Auswirkungen auf die Schaltung, da sie IC,Sat , die Verlustleistung P und die Reaktionszeit des Schalters beeinflusst.

Übung 5 – Auswirkungen der Widerstandsdimensionierung

Übung 5 - Sättigungsstrom und Verlustleistung
Material
  • wie in Übung 4
Aufgaben
  • Baue die Schaltung aus Übung 4 auf (Abb. 2) und verbinde ADC-IN mit UCE.
  • Starte das Programm DataMonitoring.bs2.
  • Starte das Programm MakerPlot und lade das Makro sic_pc_load_line.spm.
  • Stelle die Verbindung her und starte den Plot-Vorgang.
  • Verändere die Position des Mittelabgriffs des Potenziometers von der einen zur anderen Maximalposition stetig und langsam. MakerPlot berechnet und zeichnet die sich ergebende Funktion IC-UCE für RC = 1 kOhm.
  • Tausche RC gegen einen 10 kOhm Widerstand aus und führe eine zweite Messung durch. Wie ändert sich der Graph?

Aufnahme der IC-UCE-Charakteristik bei RC = 1 kOhm

 

 

 

 

 

 

Abb. 4a

IC-UCE-Charakteristik (schwarz)  und Verlustleistung (blau) eines 2N3904.

Aufnahme der IC-UCE-Charakteristik bei RC = 10 kOhm

 

 

 

Abb. 4b

IC-UCE-Charakteristik (schwarz) mit Verlustleistung (blau) bei einem 2N3904. Verlustleistung und IC,Sat sind um den Faktor 10 kleiner.

Typische Industrieschalter

 

Der Taster ist nur einer von vielen verfügbaren Schaltern, die in der Industrie (immer seltener) eingesetzt werden.

Schalter können mechanisch oder elektronisch ausgeführt sein. Mechanische Schalter öffnen oder schließen einen mechanischen Kontakt, damit Strom fließen kann oder auch nicht. Sie verschleißen schnell.

 

Elektronische Schalter, die ein „berührungsloses“ Erkennen ermöglichen, sind in industriellen Anwendungen sehr beliebt. Kein physischer Kontakt zur Betätigung bedeutet, dass keine beweglichen Teile und keine elektrischen Kontakte verschleißen.

 

Näherungsschalter werden in der Industrie häufig verwendet, um die Anwesenheit eines Objekts zu erkennen und arbeiten nach einem von drei Prinzipien:

  • Induktive Näherungsschalter erkennen durch Änderungen des Verhaltens eines eingebauten Oszillators, wenn sich Metallobjekte in der Nähe befinden.
  • Kapazitive Näherungsschalter erkennen eine Veränderung der Kapazität, wenn unterschiedliche Materialien in die Nähe gebracht werden. Wenn die Veränderungsgröße ausreicht, beginnt ein interner Oszillator des Schalters zu schwingen. Die Schaltung wird getriggert und der Ausgangszustand umgeschaltet.
  • Optische Schalter erkennen das Vorhandensein oder Fehlen eines schmalen Lichtstrahls, oft im Infrarotbereich. Bei retroreflektierenden optischen Schaltern kann ein Objekt, das sich in die Reichweite des Schalters bewegt, den Lichtstrahl zum Sensor zurückreflektieren. Einweglichtschranken sind so eingestellt, dass das Objekt den Lichtstrahl zwischen Lichtquelle und Empfänger blockiert.

Im folgenden Kapitel 4 beschäftigen wir uns mit optischen Schaltern und sequentiellen Prozessen etwas genauer.

06 20 21

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