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

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 I_C ist gleich dem Basisstrom I_B multipliziert mit einem Verstärkungsfaktor Beta oder, wenn es sich um reine Gleichstromwerte handelt, mit h_FE.
•  Es fließt – unabhängig von der Basisspannung - ein maximaler Strom (Sättigungsbereich). Ein Anstieg des Basisstroms ändert den Kollektorstrom I_C 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:

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

Übung 4 - Der Transistor als Schalter

Schaltskizze

Messprotokolle

Wie arbeitet die Schaltung?

Wenn die Spannung bei U_p fällt (s. Abb. 3a), erniedrigt sich die Basis-Emitter-Spannung U_BE  des Transistors, I_B wird kleiner und ab einem bestimmten Spannungswert U_BE sperrt der Transistor. Wenn I_B kleiner wird, gilt das auch für I_C. Wenn I_C kleiner wird, fällt weniger Spannung am Kollektorwiderstand R_C ab.

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

• Wenn Up geringer wird, steigt U_CE kontinuierlich bis zum Wert U_DD. Der Transistor sperrt.

Wenn die Spannung bei U_p ansteigt, erhöht sich die Basis-Emitter-Spannung des Transistors und der Basisstrom I_B steigt an. Wenn I_B ansteigt, steigt auch I_C an. Wenn I_C erhöht wird, fällt mehr Spannung am Kollektorwiderstand R_C ab.

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

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

3 - Strom- und Spannungseigenschaften (Theorieteil)

Cutoff-Bereich

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

Proportionalbereich

Im Proportionalbereich ist der Kollektorstrom direkt proportional zum Basisstrom I_B. Der Stromverstärkungsfaktor eines 2N3904 hat nach Datenblatt einen Wert zwischen 100 und 300. U_CE ist eine Funktion des Stromflusses I_C durch R_C.

Beispiel

Sei h_FE = 200, I_B = 10 µA und U_Bat = 5 V; dann folgt für die Größen I_C, U_RC und U_CE:

• Ic = 2 mA
• U_RC = I_C R_C = 2 V
• U_CE = U_dd – U_RC = 3 V

Die Kollektorspannung wird häufig mit U_CC angegeben, wenn es sich um einen BJT-Transistor handelt. U_dd 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 U_dd 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
• U_RC = I_C R_C = 20 V
• U_CE = U_dd – U_RC = -15 V

Machen solche Rechenwerte überhaupt Sinn, wenn man weiß, dass ein Transistor bereits im Sättigungsbereich arbeitet, wenn U_CE 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 I_C hängt von der Versorgungsspannung und der Größe des Kollektorwiderstandes R_C ab. Sie wird als Sättigungsstrom bezeichnet und ist in den Datenblättern von Transistoren abrufbar.

Im Sättigungsbereich, wenn der Transistor vollständig leitet, ist U_CE minimal und I_C,Sat (abhängig von R_C) maximal.

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

• I_C,Sat = (U_dd – 0,3 V) R_C = 4,77 mA.

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

• I_B = 23,5 µA

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

Erhöhen wir jetzt R_C auf R_C = 10 kOhm, bei einer Betriebsspannung von 5 Volt und einem h_FE-Wert von 200. Berechne I_C,Sat und I_B für den Sättigungsfall.

• I_C,Sat = 0,477 mA
• I_B = 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 U_CE über dem Transistor am größten und der Stromfluss I_C durch ihn am geringsten (nahezu 0 mA).
  
   
• Sättigungsbereich
  Im Sättigungsbereich ist der Stromfluss durch den Transistor maximal (I_C,Sat) aber der Spannungsabfall U_CE am geringsten (ca. 0,3 Volt).
  
   

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

• U_CE = 0,5 U_cutoff  und
• I_C ~ 0,5 I_C,Sat.

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

• U_dd = 5 Volt, I_C,Sat = 5 mA
• P_Max = 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 R_C hat große Auswirkungen auf die Schaltung, da sie I_C,Sat , die Verlustleistung P und die Reaktionszeit des Schalters beeinflusst.

Übung 5 – Auswirkungen der Widerstandsdimensionierung

Aufnahme der I_C-U_CE-Charakteristik bei R_C = 1 kOhm

Aufnahme der I_C-U_CE-Charakteristik bei R_C = 10 kOhm

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.

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