{"id":1882,"date":"2025-09-10T11:54:19","date_gmt":"2025-09-10T09:54:19","guid":{"rendered":"https:\/\/elv001.staging.360vier.net\/?p=1882"},"modified":"2025-10-15T18:36:19","modified_gmt":"2025-10-15T16:36:19","slug":"transistor-als-schalter","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/transistor-als-schalter\/","title":{"rendered":"PAD-PRO-EXSB-Schaltungen erkl\u00e4rt (Teil 10): Transistoren als Schalter"},"content":{"rendered":"\n

PAD-PRO-EXSB-Schaltungen erkl\u00e4rt – Teil 10<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Transistoren als Schalter<\/h1>\n\n\n\n

In diesem Teil unserer Serie zum PAD-PRO-EXSB besch\u00e4ftigen wir uns mit Transistoren und der spannenden Frage, wie sich diese als Schalter einsetzen lassen. Dabei geht es insbesondere um die Auswahl der passenden Schaltungstechnik und die richtige Dimensionierung der Bauteile.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Transistoren im Einsatz: Verst\u00e4rker, Schalter, Basis der Halbleitertechnologien<\/h2>\n\n\n\n

Transistoren waren Ausgangspunkt f\u00fcr die Entwicklung von Halbleitertechnologien und bilden die Grundlage f\u00fcr moderne Halbleiterbausteine wie z. B. Mikroprozessoren. Transistoren sind einfach zu handhaben und k\u00f6nnen als Verst\u00e4rker oder als Schalter verwendet werden.<\/p>\n\n\n\n

Wir zeigen in diesem Artikel, wie Sie Transistoren als Schalter nutzen k\u00f6nnen und was dabei zu beachten ist. Als Plattform zum Aufbau der Schaltungen dient das Bauteileset PAD-PRO-EXSB<\/span> und ein Experimentierboard wie das EXSB1<\/span>, das EXSB-Mini (Bausatz<\/span> oder Fertigger\u00e4t<\/span>) oder ein gew\u00f6hnliches Steckboard. Die Schaltungen k\u00f6nnen nat\u00fcrlich auch mit handels\u00fcblichen Bauteilen auf Steckboards oder Lochrasterplatinen nachgebaut werden. Da es sich um eine Experimentierschaltung und nicht um eine praxisorientierte Schaltung handelt, sollten vorzugsweise Steckboards verwendet werden.<\/p>\n\n\n\n

Transistoren \u2013 Grundlagen<\/h2>\n\n\n\n

Zun\u00e4chst wollen wir uns mit den Grundlagen der Transistoren besch\u00e4ftigen. Wir unterscheiden zwei wichtige Technologien:<\/p>\n\n\n\n

    \n
  1. Bipolare Transistoren (BJT, Bipolar Junction Transistor), die in NPN- und PNP-Typen unterteilt sind<\/li>\n\n\n\n
  2. Unipolare MOSFET-Transistoren, die in N-Kanal-und P-Kanal-Typen gegliedert werden<\/li>\n<\/ol>\n\n\n\n

    Um die Funktionsweise von Transistoren auf einfache Weise zu erkl\u00e4ren, verzichten wir auf detaillierte physikalische Eigenschaften, stattdessen erkl\u00e4ren wir, wie ein Transistor elektrisch funktioniert. Wenn man sich Erkl\u00e4rungen in Lehrb\u00fcchern anschaut, wird zwischen der technischen und der physikalischen Stromrichtung unterschieden. Zum besseren Verst\u00e4ndnis beschr\u00e4nken wir uns auf die technische Stromrichtung, also von plus nach minus. Im Folgenden behandeln wir die beiden Transistorgrundtypen getrennt.<\/p>\n\n\n\n

    Bipolartransistor<\/h2>\n\n\n\n

    Bild 1<\/mark> zeigt am Beispiel eines NPN-Transistors den Aufbau der einzelnen Halbleiterschichten. Es gibt immer drei Schichten aus Halbleitermaterial, die \u00fcbereinander angeordnet sind. Somit ergeben sich zwei PN-\u00dcberg\u00e4nge. Die obere Schicht (Kollektor) und untere Schicht (Emitter) bestehen aus einem negativ dotierten N-Material und sind durch eine d\u00fcnne Schicht P-Material (Basis) getrennt. Wenn eine positive Spannung an den Kollektor und eine negative Spannung an den Emitter angelegt wird und die Basis positiv gegen\u00fcber dem Emitter ist, wird der Transistor leitend und es flie\u00dft ein Strom (technische Stromrichtung) vom Kollektor zum Emitter. Der Strom zwischen Kollektor und Emitter wird durch einen viel geringeren Basisstrom gesteuert. Eine der wichtigsten Kenndaten eines Transistors ist der Verst\u00e4rkungsfaktor eines Transistors, der als Stromverst\u00e4rkungsfaktor (hFE) bezeichnet wird. Dieser Faktor beschreibt das Verh\u00e4ltnis zwischen dem Kollektorstrom (Ic) und dem Basisstrom (IB). Mathematisch wird dies ausgedr\u00fcckt als:<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Ein Universaltransistor wie ein BC847,hat einen Verst\u00e4rkungsfaktor (hFE) von 200 bis 600 (je nach Kennbuchstabe A, B oder C hinter der Typenbezeichnung). Ein hFE von 600 w\u00fcrde z. B. bedeuten, dass ein Basisstrom von 0,1 mA einen Kollektorstrom von 60 mA generieren k\u00f6nnte.<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 1: Aufbau der Halbleiterschichten und Schaltsymbole eines BJT-Transistors<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
    \n
    \n

    Wie man sieht, ist der Transistor ein Stromverst\u00e4rker, bei dem die Basis mit einem Strom angesteuert wird. Aus diesem Grund wird in der Regel immer ein Basisvorwiderstand vor die Basis geschaltet. Der Verst\u00e4rkungsfaktor hFE spielt eine entscheidende Rolle bei der Berechnung der Dimensionierung eines Schalttransistors, wie wir sp\u00e4ter sehen werden. In Bild 2<\/mark> ist eine Grundschaltung f\u00fcr einen NPN-Transistor dargestellt. Wird der im Schaltbild gezeigte Taster (Test) bet\u00e4tigt, flie\u00dft ein Strom durch die Basis des Transistors, wodurch dieser leitend wird und ein Strom vom Kollektor zum Emitter flie\u00dft.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

    \n
    \"Bild
    Bild 2: Grundschaltung eines NPN-Transistors<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

    Der Widerstand RBE ist sehr wichtig, um die Basis auf einen definierten Pegel im Ruhezustand zu legen. Ohne diesen Widerstand \u201efloatet“ der Eingang und hat keinen definierten Bezugspunkt. Wie aus dem Ersatzschaltbild des Transistors in Bild 1 <\/mark>ersichtlich ist, hat die Basis-Emitter-Verbindung eine Dioden-Charakteristik. Wenn ein ausreichender Strom von der Basis zum Emitter flie\u00dft, stellt sich bei einem Siliziumtransistor eine Spannung von etwa 0,7 V ein.<\/p>\n\n\n\n

    Dies zeigt sich auch deutlich in der Eingangskennlinie (Bild 3, rechts)<\/mark>. In diesem Bild ist auch das Ausgangskennlinienfeld (links), das den Kollektorstrom (Ic) in Abh\u00e4ngigkeit von der Ausgangsspannung (Kollektor-Emitter-Spannung UCE) bei verschiedenen Basisstr\u00f6men darstellt, enthalten. Schauen wir uns den Kollektorstrom bei einem konstanten Basisstrom von z. B. 50 \u03bc\u0391 an. Man erkennt, dass ab einer bestimmten Spannung UCE der Kollektorstrom nicht weiter ansteigt. Der Transistor befindet sich damit im S\u00e4ttigungsbereich. Dieser S\u00e4ttigungswert ist f\u00fcr unterschiedliche Basisstr\u00f6me dargestellt. Interessant f\u00fcr uns ist jedoch die blaue Gerade, die den Strom- und Spannungsverlauf an einem Kollektorwiderstand (RL) zeigt. Mehr hierzu im Abschnitt \u201eTransistor als Schalter“.<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 3: Kennlinien eines NPN-Transistors<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    MOSFET-Transistor<\/h2>\n\n\n\n

    Ein MOSFET-Transistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) beruht auf dem Prinzip des Feldeffekts, d. h. der Steuerung des Stromflusses durch ein elektrisches Feld. Bild 4<\/mark> zeigt den Aufbau der Halbleiterschichten eines MOSFET-Transistors. Wir behandeln hier nur den Anreicherungstyp, d. h. den selbstsperrenden Typ (engl. Enhancement-Type), erkennbar an der gestrichelten Linie zwischen Drain (D) und Source (S). Es gibt auch den Verarmungstyp (engl. Depletion-Type), der in der Praxis jedoch selten anzutreffen ist. Zwischen den Anschl\u00fcssen Drain und Source befindet sich ein sogenannter \u201eKanal“ wie in Bild 4<\/mark> dargestellt. Drain und Source sind vergleichbar mit Kollektor und Emitter eines Bipolartransistors. Das Gate liegt isoliert \u00fcber dem Kanal. Die Spannung am Gate erzeugt ein elektrisches Feld, das den Stromfluss zwischen Drain und Source steuert.<\/p>\n\n\n\n

    Im Gegensatz zum bipolaren Transistor erfolgt die Steuerung nicht \u00fcber den Strom, sondern \u00fcber die Spannung am Gate. Wenn keine Spannung am Gate anliegt (Gate = 0 V), gibt es keinen leitenden Kanal zwischen Source und Drain. Es gibt keine Elektronen, die den Strom transportieren k\u00f6nnen – der Transistor ist gesperrt. Wird am Gate eine positive Spannung angelegt (bezogen auf den N-Kanal-Typ), entsteht ein elektrisches Feld, das Elektronen aus dem Source-Bereich in den Bereich unter dem Gate zieht. Dadurch entsteht ein leitender Elektronenkanal zwischen Source und Drain, wodurch ein Strom flie\u00dfen kann. Je nach H\u00f6he der Gate-Spannung \u00e4ndert sich der Widerstand zwischen Drain und Source. Damit der MOSFET zu leiten beginnt, muss die Gate-Spannung eine bestimmte Spannung UGS min. \u00fcberschreiten. Diese Spannung ist je nach Typ unterschiedlich und im Datenblatt der Hersteller als UGS-Threshold (Schwellspannung) angegeben.<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 4: Aufbau der Halbleiterschichten und Schaltsymbole eines MOSFET-Transistors<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    Das Ersatzschaltbild in Bild 4<\/mark> zeigt, dass das Gate im Prinzip einen Kondensator zwischen Source und Drain darstellt. Es flie\u00dft kein Strom in das Gate, sodass die Ansteuerung nahezu leistungslos ist. Lediglich zum Laden und Entladen des Gate-Kondensators wird etwas Energie ben\u00f6tigt. Die Ausgangskennlinie in Bild 6<\/mark> zeigt das Verh\u00e4ltnis der Drain-Source-Spannung UDS zum Drain-Strom ID bei unterschiedlichen Gate-Spannungen UGS. Ab einer gewissen Spannung UDS steigt der Drain-Strom nicht weiter an und der Transistor befindet sich in der S\u00e4ttigung (dargestellt als S\u00e4ttigungsbereich). Umgekehrt gibt es auch einen Bereich, in dem der Transistor im Linearbetrieb (Spannungsverst\u00e4rker) arbeitet. MOSFETs gibt es als N-Kanal und P-Kanal, wobei die Funktion identisch ist, nur die Polarit\u00e4t der Versorgungspannung ist in diesem Fall unterschiedlich. Der Widerstand zwischen Drain und Source im eingeschalteten Zustand wird in den Datenbl\u00e4ttern als RDSON bezeichnet (siehe Tabelle 2). Dieser Widerstand ist relativ klein, wodurch auch relativ wenig Spannung abf\u00e4llt und der Transistor wenig Verlustleistung erzeugt, was ihn f\u00fcr Schaltanwendungen sehr beliebt macht.

    Das Ersatzschaltbild in Bild 4<\/mark> zeigt, dass das Gate im Prinzip einen Kondensator zwischen Source und Drain darstellt. Es flie\u00dft kein Strom in das Gate, sodass die Ansteuerung nahezu leistungslos ist. Lediglich zum Laden und Entladen des Gate-Kondensators wird etwas Energie ben\u00f6tigt. Die Ausgangskennlinie in Bild 6<\/mark> zeigt das Verh\u00e4ltnis der Drain-Source-Spannung UDS zum Drain-Strom ID bei unterschiedlichen Gate-Spannungen UGS. Ab einer gewissen Spannung UDS steigt der Drain-Strom nicht weiter an und der Transistor befindet sich in der S\u00e4ttigung (dargestellt als S\u00e4ttigungsbereich). Umgekehrt gibt es auch einen Bereich, in dem der Transistor im Linearbetrieb (Spannungsverst\u00e4rker) arbeitet. MOSFETs gibt es als N-Kanal und P-Kanal, wobei die Funktion identisch ist, nur die Polarit\u00e4t der Versorgungspannung ist in diesem Fall unterschiedlich. Der Widerstand zwischen Drain und Source im eingeschalteten Zustand wird in den Datenbl\u00e4ttern als RDSON bezeichnet (siehe Tabelle 2). Dieser Widerstand ist relativ klein, wodurch auch relativ wenig Spannung abf\u00e4llt und der Transistor wenig Verlustleistung erzeugt, was ihn f\u00fcr Schaltanwendungen sehr beliebt macht.

    Nachfolgend einige Hinweise zu der in Bild 5<\/mark> dargestellten Grundschaltung. Mit der Taste \u201eTest“ wird eine Spannung an das Gate des Transistors angelegt, die einer Spannung UE am Gate entspricht. Der Transistor wird leitend und es flie\u00dft ein Strom (Ic) von Drain nach Source. Die Last, dargestellt durch den Widerstand RL, wird mit Spannung versorgt, sobald eine Spannung am Gate angelegt wird. Der Widerstand RGS ist erforderlich, um den internen Gate-Kondensator CGS zu entladen, damit der Transistor wieder sperrt. Hier wird ein Problem bei der Ansteuerung von MOSFETs deutlich, denn der \u201eGateKondensator“ sollte relativ schnell aufgeladen, aber ebenso schnell auch wieder entladen werden. In unserer Grundschaltung wird \u00fcber den Taster \u201eTest“ das Gate sehr schnell aufgeladen und \u00fcber den Widerstand RGS entladen. In Bild 7<\/mark> sind die Lade- und Entladekurven dargestellt. Flache Lade- bzw. Entladeflanken am Gate bedeuten, dass der Transistor w\u00e4hrend dieser Zeit im Linearbetrieb arbeitet. Dies f\u00fchrt zu einer h\u00f6heren Verlustleistung des Transistors und gilt sowohl f\u00fcr den MOSFET- als auch f\u00fcr den Bipolartransistor.<\/p>\n\n\n\n

    \n
    \n
    \"Bild
    Bild 5: Grundschaltung eines N-Kanal-MOSFET-Transistors <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
    \n
    \"Bild
    Bild 6: Ausgangskennlinie eines N-Kanal-MOSFET-Transistors <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n
    \"Bild
    Bild 7: Schaltzeiten bei einem MOSFET-Transistor als Schalter<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    Vergleich MOSFET vs. BJT<\/h2>\n\n\n\n

    Nachdem wir uns mit den grundlegenden Funktionen der beiden Transistortypen besch\u00e4ftigt haben, wollen wir nun die Unterschiede sowie die Vor- und Nachteile der beiden Transistortypen betrachten. In Tabelle 1<\/mark> sind die wichtigsten Kenndaten dazu dargestellt.<\/p>\n\n\n\n

    Tabelle 1: Vergleich MOSFET vs. BJT<\/strong><\/p>\n\n\n\n

    Eigenschaft<\/strong><\/p><\/td>

    BJT<\/strong><\/p><\/td>

    MOSFET<\/strong><\/p><\/td><\/tr>

    Ansteuerung<\/p><\/td>

    Steuerung durch Basisstrom<\/p><\/td>

    Steuerung durch Gate-Spannung<\/p><\/td><\/tr>

    Eingangsimpedanz<\/p><\/td>

    relativ niedrig<\/p><\/td>

    sehr hoch<\/p><\/td><\/tr>

    Rauschverhalten<\/p><\/td>

    geringer Rauschpegel<\/p><\/td>

    h\u00f6herer Rauschpegel<\/p><\/td><\/tr>

    Schaltgeschwindigkeit<\/p><\/td>

    relativ langsam<\/p><\/td>

    sehr schnell, hoher Schaltdurchsatz<\/p><\/td><\/tr>

    Anwendungen<\/p><\/td>

    Analogtechnik, Verst\u00e4rker<\/p><\/td>

    digitale Logik und Leistungsschaltungen<\/p><\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

    Bei der Auswahl des richtigen Transistortyps f\u00fcr die eigene Anwendung spielt der individuelle Anwendungsfall eine wichtige Rolle. F\u00fcr analoge Verst\u00e4rkerschaltungen und einfache Schaltaufgaben sind \u201enormale“ Bipolartransistoren die beste Wahl. F\u00fcr reine Schaltaufgaben und vor allem bei h\u00f6heren Schaltstr\u00f6men sollte ein MOSFET verwendet werden, da die Verlustleistung wesentlich geringer ist und somit auf eine K\u00fchlung des Transistors verzichtet werden kann. F\u00fcr unsere Aufgabenstellung \u201eTransistor als Schalter“ hilft folgende Faustformel: bei Schaltstr\u00f6men unterhalb von 1 A k\u00f6nnen Sie einen Bipolartransistor verwenden, oberhalb von 1 A ist hingegen ein MOSFET vorzuziehen. In Tabelle 2<\/mark> sind gebr\u00e4uchliche Transistoren im SOT23-Geh\u00e4use, also f\u00fcr kleine bis mittlere Leistungen, dargestellt.<\/p>\n\n\n\n

    Tabelle 2: Technische Daten g\u00e4ngiger Transistoren<\/strong><\/p>\n\n\n\n

    Typ<\/strong><\/p><\/td>

    BC847C<\/strong><\/p><\/td>

    BC857C<\/strong><\/p><\/td>

    IRLML2502<\/strong><\/p><\/td>

    \u03bc\u03a1\u03911918*<\/strong><\/p><\/td><\/tr>

    Technologie<\/p><\/td>

    bipolar (BJT)<\/p><\/td>

    bipolar (BJT)<\/p><\/td>

    MOSFET<\/p><\/td>

    MOSFET<\/p><\/td><\/tr>

    CM-Bezeichnung<\/p><\/td>

    CM-TB-BC847C-A<\/p><\/td>

    CM-TB-BC857C-A<\/p><\/td>

    CM-TF-IRLML2502-A<\/p><\/td>

    CM-TF-uPA1918-A<\/p><\/td><\/tr>

    Technologie<\/p><\/td>

    NPN<\/p><\/td>

    PNP<\/p><\/td>

    N-Kanal-MOSFET<\/p><\/td>

    P-Kanal-MOSFET<\/p><\/td><\/tr>

    Betriebsspannung UCE\/UDS<\/p><\/td>

    45 V<\/p><\/td>

    45 V<\/p><\/td>

    20 V<\/p><\/td>

    20 V<\/p><\/td><\/tr>

    Strom IC\/ID<\/p><\/td>

    100 mA<\/p><\/td>

    100 mA<\/p><\/td>

    3 A<\/p><\/td>

    3,7 A<\/p><\/td><\/tr>

    RDSON<\/p><\/td>

    		 \u2013<\/td>\u2013<\/td>

    0,045 \u03a9<\/p><\/td>

    0,19 \u03a9<\/p><\/td><\/tr>

    Frequenz (fG)<\/p><\/td>

    300 MHz<\/p><\/td>

    300 MHz<\/p><\/td>

    1 MHz<\/p><\/td>

    1 MHz<\/p><\/td><\/tr>

    Verst\u00e4rkung hFE<\/p><\/td>

    600<\/p><\/td>

    600<\/p><\/td>

    		<\/td><\/td><\/tr>

    UGS Threshold<\/p><\/td>

    		\u2013<\/td>\u2013<\/td>

    0,6-1,2 V<\/p><\/td>

    -1,5 bis -2,5 V<\/p><\/td><\/tr>

    PTOT<\/p><\/td>

    0,25 W<\/p><\/td>

    0,25 W<\/p><\/td>

    0,8 W<\/p><\/td>

    2 W<\/p><\/td><\/tr>

    Besonderheiten<\/p><\/td>

    Universal-Bipolartransistor Audio, HF und Sensorik<\/p><\/td>

    MOSFET-Schalttransistoren<\/p><\/td><\/tr>

    Datenblatt (Link)<\/p><\/td>

    Datenblatt<\/a><\/p><\/td>

    Datenblatt<\/a><\/p><\/td>

    Datenblatt<\/a><\/p><\/td>

    Datenblatt<\/a><\/p><\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

    * nicht im PAD-PRO-EXSB enthalten<\/p>\n\n\n\n

    Anwendungsbeispiele f\u00fcr Transistoren als Schalter<\/h2>\n\n\n\n
    \n
    \n

    Die Ansteuerung bzw. der Arbeitspunkt eines Transistors entscheidet dar\u00fcber, ob der Transistor im Schalter- oder Linearbetrieb (analoger Verst\u00e4rker) arbeitet. Im Schalterbetrieb sollte ein Bipolartransistor grunds\u00e4tzlich immer \u00fcbersteuert werden. Beim MOSFET hingegen reicht das \u00dcberschreiten der minimalen UGS aus, um den Transistor sicher durchzuschalten.

    Im Folgenden zeigen wir einige Anwendungsbeispiele f\u00fcr den Einsatzweck \u201eTransistor als Schalter“. In Bild 8<\/mark> sind hierzu einige Beispiele f\u00fcr beide Transistortypen dargestellt. Schauen wir uns zun\u00e4chst die beiden oberen Schaltungen f\u00fcr den Bipolartransistor an (Bild 8a und 8b)<\/mark>. Hier wurde gegen\u00fcber der Grundschaltung aus Bild 2<\/mark> die Last durch eine LED bzw. ein Relais ersetzt. Da der NPN-Transistor \u00fcber den Strom gesteuert wird, gilt es, den richtigen Basiswiderstand zu w\u00e4hlen bzw. zu berechnen.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

    \n
    \"Bild
    Bild 8: Grundschaltungen mit LED oder Relais als Last<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

    Wir wissen, dass der Transistor einen definierten Stromverst\u00e4rkungsfaktor hat (siehe Tabelle 2)<\/mark>. Wir nehmen an, die Last hat einen Stromverbrauch von 30 mA (z. B. das Relais). Teilt man diesen Strom durch den Stromverst\u00e4rkungsfaktor hFE, erh\u00e4lt man den notwendigen minimalen Basisstrom (IBmin). Damit der Transistor sicher durchschaltet, wird er mit einem sogenannten \u00dcbersteuerfaktor \u00fc multipliziert. So ist sichergestellt, dass der Transistor \u00fcbersteuert und in die S\u00e4ttigung geht. <\/p>\n\n\n\n

    \n
    \n

    F\u00fcr den \u00dcbersteuerungsfaktor \u00fc wird in der Regel ein Wert zwischen 5 und 10 verwendet. Hier die Berechnung an einem Beispiel mit einer Last von 30 mA, wie in Bild 9<\/mark> dargestellt.<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
    \n
    \"Bild
    Bild 9: Grundschaltungen zur Berechnung von RB<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

    Mit der Kenntnis des erforderlichen Basisstroms und des Spannungsabfalls \u00fcber der Basis-Emitter-Strecke kann der Vorwiderstand berechnet werden. Wir nehmen an, dass die Eingangsspannung UE 0 bis 5 V entspricht. Den Widerstand RBE vernachl\u00e4ssigen wir in unserer Berechnung, da dieser in der Praxis relativ gro\u00df gew\u00e4hlt wird (ca. 220 k\u03a9 bis 1 M\u03a9) und wenig Einfluss auf die Berechnung hat. Um den Widerstand RB berechnen zu k\u00f6nnen, ben\u00f6tigen wir nach dem ohmschen Gesetz die Spannung, die \u00fcber dem Widerstand URB abf\u00e4llt, sowie den Strom IB. Die Berechnung sieht dann folgenderma\u00dfen aus:<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Wir erhalten also einen errechneten Basiswiderstand von 8600 \u03a9. Da dies ein recht \u201ekrummer\u201d Wert ist, nehmen wir den n\u00e4chstliegenden Widerstand der Reihe E12, und zwar 8,2 k\u03a9 oder 10 k\u03a9. Wenn die Last z. B. aus einer LED mit einem Strom von ca. 30 mA oder darunter besteht, k\u00f6nnen Sie als Standardwert immer einen Widerstand von ca. 10 k\u03a9 nehmen und sind damit immer auf der sicheren Seite (siehe Bild 8a und 8b)<\/mark>. Bei einem MOSFET ist kein Gate-Vorwiderstand erforderlich, da kein Strom in das Gate flie\u00dft. Beispiele mit einem N-Kanal-MOSFET sind in Bild 8c und 8d <\/mark>zu sehen.<\/p>\n\n\n\n

    Die Dimensionierung des Widerstands RGS ist eine Entscheidung zwischen dem Stromverbrauch der Steuerschaltung und der Schaltgeschwindigkeit des Transistors. Die Kapazit\u00e4t am Gate (kann einige nF betragen) sollte m\u00f6glichst schnell entladen werden, was durch einen entsprechend kleinen Widerstand erreicht wird. Hierdurch steigt allerdings auch die Stromaufnahme, denn bei einem High-Signal am Gate muss der zus\u00e4tzliche Strom durch den Widerstand RGS ber\u00fccksichtigt werden. Bei einer Steuerspannung von 5 V und einem RGS von 1k\u03a9 flie\u00dfen 5 mA durch den Widerstand RGS. Dies stellt f\u00fcr die Steuerelektronik, die den Strom liefern muss, im Allgemeinen kein Problem dar. Wenn Sie mit einem MOSFET jedoch hohe Lasten schalten wollen und zudem noch mit einer relativ hohen Schaltfrequenz, z. B. mit einer PWM (Pulsweitenmodulation) ansteuern, k\u00f6nnen hohe Verlustleistungen auftreten.<\/p>\n\n\n\n

    Um ein schnelles Schalten des Transistors bei hoher Schaltleistung zu erm\u00f6glichen, ist eine spezielle Ansteuerungstechnik notwendig. Bild 10<\/mark> zeigt eine sogenannte Push-Pull-Treiberschaltung. Die deutsche \u00dcbersetzung f\u00fcr Push-Pull w\u00e4re \u201edr\u00fccken“ und \u201eziehen“ und beschreibt das beschleunigte Laden und Entladen des Gate-Kondensators. Wie in Bild 10<\/mark> zu sehen, wird der Ladestrom \u00fcber den Transistor Q2 und der Entladestrom \u00fcber Q3 geschaltet. Angesteuert werden die beiden Transistoren von einem weiteren Transistor Q1. Auf diese Weise verk\u00fcrzen sich die Lade- und Entladezeiten, das Gate wird sehr schnell umgeladen und die Schaltflanken werden k\u00fcrzer. Dies minimiert zudem die Verlustleistung. Solche Push-Pull-Treiber kann man diskret aufbauen oder einen fertigen integrierten Schaltkreis verwenden.<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 10: Push-Pull-Treiberschaltung <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    Hinweise zum Betrieb mit Relais<\/h3>\n\n\n\n

    Bild 8<\/mark> zeigt Anwendungsbeispiele mit einem Relais. Die parallel zum Relais geschaltete Diode, auch Freilaufdiode genannt, erf\u00fcllt eine Schutzfunktion. Die Erregerwicklung des Relais erzeugt beim Abschalten negative Spannungsspitzen (bedingt durch Selbstinduktion). Diese k\u00f6nnen im schlimmsten Fall den Schalttransistor zerst\u00f6ren. Um die Spannungsspitzen zu vermeiden, wird eine Schutzdiode parallel zur Relaiswicklung geschaltet. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet, nur bei einer negativen Spannung wird die Diode leitend und begrenzt so die Induktionsspannung.<\/p>\n\n\n\n

    Im Set vom PAD-PRO-EXSB ist ein fertiges Relaismodul mit integriertem Schalttransistor vorhanden (siehe Bild 11)<\/mark>. Eine detaillierte Beschreibung finden Sie in Teil 1 dieser Serie (siehe \u00dcbersicht am Ende dieses Beitrags).<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 11: Fertiges Relaismodul aus dem PAD-PRO-EXSB-Set<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    Mit diesem Relaismodul sparen Sie sich den Aufbau der Treiberstufe. Bild 18<\/mark> und Bild 19<\/mark> zeigen den Aufbau auf einem Steckboard mit zugeh\u00f6rigem Verdrahtungsplan. Mit dem Taster wird testweise ein High-Signal auf den Steuereingang IN gelegt. Zur Kontrolle, ob das Relais auch schaltet, ist als Verbraucher eine LED an die Schaltkontakte angeschlossen. Im Abschnitt \u201eNachbau der Beispielschaltungen\u201c finden Sie einen Nachbauvorschlag f\u00fcr diese Testschaltung mit Relais.<\/p>\n\n\n\n

    Betriebsspannung mit Transistoren schalten<\/h2>\n\n\n\n

    Ein weiterer Anwendungsfall f\u00fcr den Schalttransistor ist das Schalten einer Versorgungsspannung. Dieser Anwendungsfall kommt vor, wenn die Versorgungsspannung einer Schaltung elektronisch geschaltet werden soll, wie es h\u00e4ufig in mikroprozessorgesteuerten Schaltungen der Fall ist.<\/p>\n\n\n\n

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    Der Einsatz ist sinnvoll, wenn Sie z. B. mit einem Taster das Ger\u00e4t ein- bzw. ausschalten wollen. Bei den bisherigen Schaltungsbeispielen wurde die Last mit einem Schalttransistor gegen Masse geschaltet, was auch als Low-Side-Schalter bezeichnet wird. Bei Schalten einer Betriebsspannung wird hingegen ein High-Side-Schalter verwendet, wie in Bild 12<\/mark> dargestellt. Hier liegt der Verbraucher mit einer Seite gegen Masse, w\u00e4hrend \u00fcber den Schalttransistor (Q2) die Versorgungsspannung zugeschaltet wird. Um die Ansteuerung einfacher zu gestalten, wird ein zus\u00e4tzlicher Transistor (Q1) ben\u00f6tigt, der die Basis von Q2 nach Masse schaltet und mit einer positiven Spannung angesteuert wird. In Bild 12<\/mark> sind beide Varianten f\u00fcr BJT und MOSFET dargestellt. In Bild 13<\/mark> sind beide Grundschaltungen noch einmal etwas anders dargestellt. So erkennen Sie eine praxisorientierte Schaltung leichter wieder, die Sie z. B. schon einmal in Schaltbildern gesehen haben. Bild 13c<\/mark> zeigt den Ausschnitt einer fertigen Schaltung aus dem Schaltbild des LED-Testers LED-T2<\/span>. Die Funktionsweise im Zusammenspiel mit einer Steuerung durch einen Mikrocontroller wollen wir uns im Detail anschauen.<\/p>\n\n\n\n

    Statt eines P-Kanal-Transistors wie im Beispiel b werden hier zwei Transistoren (Q1 und Q2) hintereinandergeschaltet. Dies hat den Grund, dass eine Spannung auf der Ausgangsseite (z. B. aufgeladener ELKO) nicht mehr auf den Eingang gelangen kann. Im Beispiel b kann \u00fcber die interne Body-Diode (im Schaltsymbol nicht erkennbar) Strom auf den Eingang zur\u00fcckflie\u00dfen. Dieser Effekt ist unter Umst\u00e4nden nicht erw\u00fcnscht.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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    Bild 12: Grundschaltungen f\u00fcr High-Side-Schalter<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n
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