NPN-Transistor

Wenn in einem Bastelprojekt ein Arduino ein Relais, einen Summer oder einen LED-Streifen schaltet, steckt fast immer ein NPN-Transistor dazwischen: Last an Plus, Transistor gegen Masse, ein Widerstand zur Basis – fertig. Auch in Verstärkerstufen, Sensorschaltungen und Spannungsreglern ist er der Standard. Von den beiden Sorten des Bipolartransistors ist der NPN die häufigere, und dafür gibt es gute Gründe.

Aufbau und Funktionsweise

Der NPN-Transistor besteht aus zwei n-dotierten Gebieten, Emitter und Kollektor, mit einer sehr dünnen p-dotierten Basis dazwischen. Der Emitter ist am stärksten dotiert; wie das Einbringen von Fremdatomen funktioniert, erklärt Dotierung.

Zum Leiten braucht er zwei Bedingungen:

1. Die Basis liegt etwa 0,6 bis 0,7 V über dem Emitter. Damit leitet der Basis-Emitter-pn-Übergang, und der Emitter schickt Elektronen in die Basis.
2. Der Kollektor liegt höher als die Basis. Der Basis-Kollektor-Übergang sperrt dann, und das Feld in seiner Raumladungszone saugt die Elektronen aus der dünnen Basis zum Kollektor ab.

Nur ein kleiner Bruchteil der Elektronen findet in der Basis ein Loch und rekombiniert; diese Ladung muss als Basisstrom nachgeliefert werden. Bei einem BC547B kommen auf ein Elektron, das in der Basis „hängen bleibt“, etwa 200 bis 450, die zum Kollektor durchrutschen – das ist die Stromverstärkung.

Beachte die Richtungen: Die Elektronen wandern vom Emitter zum Kollektor, der technische Strom fließt umgekehrt vom Kollektor zum Emitter. Basis- und Kollektorstrom fließen in den Transistor hinein, der Emitterstrom als Summe heraus. Im Schaltzeichen zeigt der Emitterpfeil deshalb nach außen.

Warum gerade NPN so verbreitet ist, hat einen physikalischen Grund: Elektronen bewegen sich in Silizium etwa dreimal so leicht wie Löcher. Bei gleicher Chipfläche erreicht ein NPN deshalb höhere Stromverstärkung und Grenzfrequenz als ein PNP-Transistor. Dazu kommt die Bequemlichkeit: Mit Masse als gemeinsamem Bezugspunkt arbeitet der NPN mit positiven Steuerspannungen, wie sie Logikausgänge liefern.

Schaltzeichen und Anschlüsse

Im Schaltzeichen zeigt der Pfeil am Emitter vom Basisstrich weg. Die Anschlüsse am Gehäuse sind dagegen nicht genormt: Ein BC547 hat im TO-92 die Reihenfolge C-B-E, ein 2N3904 E-B-C, im SOT-23 ist bei den meisten Kleinsignaltypen Pin 1 die Basis, Pin 2 der Emitter, Pin 3 der Kollektor. Prüfe die Belegung immer im Datenblatt, siehe Kennzeichnung von Transistoren.

Mit dem Multimeter im Diodentest findest du die Basis: Die rote Messspitze an der Basis, die schwarze am Emitter oder am Kollektor – beide Male zeigt das Gerät 0,6 bis 0,7 V. Umgekehrt gepolt sperrt alles. Der Übergang zum Emitter zeigt meist ein paar Millivolt mehr als der zum Kollektor.

Wichtige Typen und Kennwerte

Fällt dir die niedrige Verstärkung der Leistungstypen auf? Je größer der Chip und der Strom, desto kleiner h_FE. Für einen TIP31C mit 2 A Last brauchst du schon rund 100 mA Basisstrom – mehr, als ein Logikpin liefert. Hier hilft ein vorgeschalteter Kleinsignaltransistor oder gleich ein Darlington-Transistor. Wie Basis- und Kollektorkreis im Detail zusammenspielen, zeigen die Transistor-Kennlinienfelder.

Typische Schaltungen

Low-Side-Schalter

Die häufigste Anwendung: Die Last hängt zwischen der Versorgung und dem Kollektor, der Emitter liegt an Masse. Ein Widerstand R_B begrenzt den Basisstrom, ein zweiter Widerstand R_BE von der Basis nach Masse sorgt dafür, dass der Transistor sicher sperrt, solange der Pin beim Booten noch hochohmig ist. Weil Basis und Emitter auf Masse bezogen sind, kann eine 3,3-V-Logik ohne Weiteres eine Last an 12 V oder 24 V schalten.

Warum der Faktor drei und was passiert, wenn der Transistor zu knapp angesteuert wird, steht unter Übersteuerung und Sättigung und ausführlich unter Transistor als Schalter. Die Diode über der Spule ist eine Freilaufdiode – ohne sie erzeugt die Spule beim Abschalten eine Spannungsspitze, die den Transistor durchschlagen kann.

Emitterschaltung mit stabilem Arbeitspunkt

Als Verstärker soll der Transistor im aktiven Bereich bleiben, etwa mit der Kollektorspannung in der Mitte zwischen Emitter und Versorgung. Ein Spannungsteiler legt die Basisspannung fest, ein Widerstand R_E im Emitter macht den Kollektorstrom nahezu unabhängig von der Stromverstärkung:

Die Spannungsverstärkung dieser Stufe ohne Kondensator parallel zu R_E beträgt näherungsweise R_C / R_E = 2,2. Wie du das als Pegel in Dezibel ausdrückst, steht unter Verstärkung und Dämpfung. Den Teiler selbst kannst du mit dem Rechner Spannungsteiler nachrechnen.

Emitterfolger

Nimmst du das Signal nicht am Kollektor, sondern am Emitter ab und legst den Kollektor direkt an die Versorgung, folgt die Emitterspannung der Basisspannung im Abstand von etwa 0,7 V. Die Spannung wird nicht verstärkt, der Strom aber sehr wohl: Eine hochohmige Quelle kann über den Emitterfolger eine niederohmige Last treiben. Mit einer Z-Diode an der Basis entsteht so der einfachste Längsregler.

Auswahl und Praxistipps

Für Signale und Lasten bis 100 mA nimmst du einen BC547 oder BC847, bis 500 mA einen BC337 oder 2N2222A, darüber einen BD139 oder einen MOSFET. Wichtig sind die Sperrspannung U_CEO mit Reserve, der kleinste h_FE beim tatsächlichen Strom und die Verlustleistung P = U_CE · I_C, die du mit Wärme und Kühlung prüfst.

Häufige Fehler:

• High-Side mit NPN: Hängt die Last zwischen Emitter und Masse, kann der Emitter höchstens bis 0,7 V unter die Basisspannung steigen. Mit 3,3 V an der Basis bekommt eine 12-V-Last nur rund 2,6 V. Für das Schalten der Plusleitung ist der PNP gedacht.
• Basiswiderstand vergessen: Die Basis-Emitter-Diode zieht ohne Begrenzung so viel Strom, wie der Pin hergibt.
• Freilaufdiode fehlt: Relais und Motoren erzeugen beim Abschalten Spannungsspitzen weit über der Versorgung.
• Pinbelegung aus einem anderen Typ übernommen: Gleiches Gehäuse heißt nicht gleiche Belegung.

Selbsttest