Der Transistor
Der Transistor
Zusammenfassung:
Wenn wir von einem "Transistor" sprechen, dann ist zumeist ein bipolarer Transistor gemeint. Transistoren bestehen aus Halbleitern, dass heisst sie können leitend oder auch sperrende Eigenschaften besitzen. Diese Eigenschaften werden genutzt um den Transistor als eine Art "Schalter" zu verwenden. Er ermöglicht es, größere Lasten mit kleinen zu schalten. Dies kann zum Beispiel sehr nützlich sein, wenn mit dem Arduino Board ein größeres Relais, ein Motor usw. geschaltet werden soll.
Schaltzeichen:
Funktionsweise:
Man kann sich den Transistor wie einen Schalter vorstellen. Wenn der Schalter betätigt wird, so fliesst der Strom. Wird der Schalter dagegen losgelassen, so fliesst kein Strom mehr. Der Transistor besitzt drei Anschlüsse: Base, Emitter und Collector. Mit der Spannung an der Base-Emitter wird die Strecke Collector–Emitter geschaltet. Die Beschaltung eines Transistors hängt von seinem Typ ab. Es gibt im wesentlichen zwei unterschiedliche Arten von Transistoren: NPN und PNP Transistoren. Generell gilt: Es muss unbedingt die Stromrichtung (Collector-Emitter) beachtet werden, da ansonsten der Transistor beschädigt werden könnte. Meistens werden NPN Transistoren verwendet, deswegen soll dessen Funktionsweise im folgenden verdeutlicht werden.
Eigenschaften von NPN Transistoren:
– Der Schalter wird durch anlegen einer positiven Spannung (relativ zur Base) geschlossen – und die Strecke Collector - Emitter wird geschlossen.
– In der schematischen Darstellung zeigt der Pfeil von der Base zum Emitter und zeigt damit den Weg des Stromflusses.
– Die Base muss mit mindestens +0.7V (relativ zum Emitter) beschaltet werden um auszulösen.
– Am Collector liegt die positive Spannung an – am Emitter liegt die negative Spannung an.
Bauformen:
TO – 92
TO – 220
TO – 18
Spannungs- und Stromfluss:
In der folgenden Darstellung werden der Stromfluss (I/rot) und der Spannungsfluss (U/blau) welche am Transistor anliegen visualisiert. Wichtig: Für eine korrekte Funktionsweise immer einen Basiswiderstand (RB) und eine Last benötigt.
UCE = Kollektor-Emitter-Spannung
UE = Steuerspannung
UBE = Basis-Emitter-Spannung (Schwellwert)
IC = Kollektorstrom / Verbraucherstrom
IB = Basisstrom
RB = Basiswiderstand
Berechnung des Basiswiderstandes:
Für die Berechnung des Basiswiderstandes benötigt man aus dem Datenblatt der Transistors:
– Stromverstärkung in Sättigung (hfe)
– Verbraucherstrom (IC)
– Basis-Emitter-Spannung (UBE / im Datenblatt auch unter VBE(on) zu finden)
Zunächst muss der Basisstrom berechnet werden.
Basisstrom = Verbraucherstrom / Stromverstärkung bei Sättigung
IB = IC / hfe
Der Basiswiderstand berechnet sich dann nach dem Ohm'schen Gesetz folgendermassen:
Basiswiderstand = (Steuerspannung – Basis-Emitter-Spannung) / Basisstrom
RB = (UE – UBE) / IB
Beispiel 1:
Berechnung anhand des Tip-122 Transistors mit einem angenommenen Verbraucherstrom 100mA (hfe = 250, IC = 100mA, UBE = 2.5V):
IB = 100mA/250 = 0,4mA
RB = (5V – 2.5V) / 0,4mA = 6.25 kOhm
Beispiel 2:
Berechnung anhand des BC-107 Transistors mit einem angenommenen Verbraucherstrom 100mA (hfe = 20, IC = 100mA, UBE = 0.7V):
IB = 100mA/20 = 5mA
RB = (5V – 0.7V) / 5mA = 860 Ohm
Der Transistor als Schalter:
Die häufigste Verwendung findet der Transistor in der Schaltung höherer Lasten – da die meisten Mikrocontroller in ihrer Ausgangsleistung begrenzt sind. Das Arduino kann pro Ausgang z.B. eine Last von 5V bei 20mA schalten. Dies reicht für LED's und auch eine kleines Vibrationsmodul kann direkt an das Arduino angeschlossen werden. Wird jedoch ein Ventilator, eine High-Power-LED, ein Solenoid, ein Motor, usw. angeschlossen benötigt man unbedingt eine Transistorschaltung. Der Transistor wirkt in diesem Fall ähnlich wie ein Relais: Er schaltet höhere Lasten mit kleineren Lasten. Grundsätzlich muss unterschieden werden zwischen dem Schalten von nicht-induktiven Lasten (z.B. LED) und induktiven Lasten (z.B. Ventilator, Relais, Motor).
Schalten einer nicht-induktiven Last:
Für das Schalten einer nicht-induktiven Last ist die Transistorschaltung sehr einfach aufzubauen. Man benötigt lediglich einen NPN Transistor (hier Tip-122) und einen Vorwiderstand in der Strecke IB (220 Ohm). Der Schaltplan sieht folgendermassen aus:
R1 = ... Ohm
Transistor = Tip-122
Schalten einer induktiven Last:
Beim Schalten von induktiven Lasten muss eine Freilaufdiode parallel zum Verbraucher eingeplant werden. Diese Diode schützt den Eingang des Arduino, wenn die Base-Emitter Spannung abfällt (der Transistor also ausgeschaltet wird). In diesem Fall entstehen in der Spule des Relais hohe Spannungen, welche plötzlich freigesetzt werden. Die Freilaufdiode verhindert, dass diese Spannungen zur Base zurückfliessen. Zusätzlich sollte zwischen dem digitalen Ausgang des Arduinos und der Base ein Widerstand eingesetzt werden – 220 Ohm reichen hier aus.
Um ein Relais anzusteuern, welches eine höhere Schaltspannung und/oder Schaltstrom als die 5V/20mA des Arduino benötigt, kann ein Transistor eingesetzt werden. Hier eignet sich zum Beispiel ein Tip-122 (DATASHEET). Dieser ist in der Lage mit einer Emitter-Base Spannung (UBE) von 5V eine Last (UCE) von 100V/5A zu schalten. Dies sollte für die meisten Anwendungen mehr als genügen. Die Beschaltung würde wie folgt aussehen:
R1 = ... Ohm
D1 = 1N4004
Relay z.B. RY212005
Transistor Arrays:
ULN
Links zum Transistor:
Make Presents: The Transistor
Bipolarer Transistor – Erklärung im Elektronik Kompendium
Der Transistor als Schalter – Erklärung der Funktionsweise im Elektronik Kompendium