Transistor als Schalter

Ein Mikrocontroller-Pin liefert ein paar Milliampere bei 3,3 oder 5 V. Ein Relais, ein LED-Streifen oder ein kleiner Lüfter brauchen mehr Strom und oft 12 V. Dazwischen sitzt meist ein einfacher NPN-Transistor: Der Pin steuert über einen Basiswiderstand die Basis, der Transistor schaltet die Last gegen Masse. Der Rechner bestimmt diesen Basiswiderstand so, dass der Transistor sicher voll durchschaltet, und zeigt, wie stark Pin und Transistor dabei belastet werden. Wie ein Transistor aufgebaut ist und wie seine Bezeichnung zu lesen ist, steht unter Halbleiter und Kennzeichnung von Transistoren.

So rechnet der Rechner

Der Transistor ist ein Stromverstärker: Ein kleiner Basisstrom I_B lässt einen großen Kollektorstrom I_C fließen. Das Verhältnis heißt Stromverstärkung h_FE. Als Schalter soll der Transistor aber nicht verstärken, sondern ganz durchschalten. Dazu gibst du ihm deutlich mehr Basisstrom, als die Last rechnerisch braucht. Das Verhältnis heißt Übersteuerungsfaktor ü:

• I_C: der Laststrom. Gibst du stattdessen den Lastwiderstand R_L an, rechnet der Rechner I_C = (U_B − U_CE(sat)) / R_L.
• h_FE,min: die kleinste Stromverstärkung aus dem Datenblatt, nicht die typische
• ü: 3 bis 5 ist üblich, darüber wird der Basisstrom unnötig groß

Am Basiswiderstand liegt die Steuerspannung U_St minus der Basis-Emitter-Spannung U_BE von etwa 0,7 V:

Der Rechner nimmt den nächstkleineren E12-Wert. So fließt eher etwas mehr Basisstrom als geplant, und die Übersteuerung bleibt erhalten. Im eingeschalteten Zustand fällt am Transistor nur die Sättigungsspannung U_CE(sat) ab. Die Verlustleistung ist deshalb klein:

So benutzt du ihn

• Laststrom oder Lastwiderstand: Mit dem Umschalter oben gibst du entweder den Strom („100 mA“) oder den Widerstand der Last („120 Ω“, „1k2“) an.
• Steuerspannung: die High-Spannung des Pins, etwa „3,3 V“ oder „5 V“.
• Basis-Emitter-Spannung: 0,7 V passt für Siliziumtransistoren. Bei großem Strom sind es eher 0,8 bis 0,9 V.
• Versorgung der Last: die Spannung, an der die Last hängt.
• Transistor: setzt h_FE,min, U_CE(sat) und den größten Kollektorstrom aus dem Datenblatt ein. Du kannst die Felder überschreiben.

Achte auf den Messpunkt: Die 200 des BC547B gelten bei 2 mA. Bei 100 mA ist die Stromverstärkung deutlich kleiner. Genau dafür ist der Übersteuerungsfaktor da.

Beispiel

Voreingestellt ist ein 2N2222A, der von einem 3,3-V-Pin aus 100 mA an 12 V schaltet, mit dem Übersteuerungsfaktor 3.

Mit 3,17 mA ist der Pin moderat belastet. Ein klassischer AVR verträgt bis zu 20 mA, viele 3,3-V-Controller sind aber nur für wenige Milliampere je Pin ausgelegt. Der Rechner warnt ab 8 mA und noch deutlicher ab 20 mA.

Praxis und typische Fehler

• Mit der typischen Stromverstärkung gerechnet. Ein Exemplar mit kleiner Verstärkung schaltet dann nicht ganz durch, liegt im linearen Bereich und wird heiß. Rechne immer mit h_FE,min.
• Freilaufdiode vergessen. Relais, Motoren und Magnetventile sind Spulen. Beim Abschalten erzeugt die Induktion eine hohe Spannungsspitze am Kollektor. Eine Diode wie die 1N4148 oder 1N4007 parallel zur Spule, Kathode an U_B, fängt sie ab. Wählst du „induktiv“, zeichnet der Rechner sie ein. Mehr zum Verhalten der Spule steht unter Spule an Gleichspannung.
• Kein Pull-down. Beim Einschalten oder Flashen ist der Pin oft noch ein offener Eingang. Ein Widerstand von 10 bis 100 kΩ zwischen Basis und Emitter hält den Transistor dann sicher aus.
• Last im Emitter. Hängt die Last zwischen Emitter und Masse, wird daraus ein Emitterfolger. Der Emitter kommt nicht über U_St − U_BE hinaus, die Last bekommt nur rund 2,6 V statt 12 V. Für den Low-Side-Schalter gehört die Last in den Kollektor.
• Zu großer Strom. Über einige hundert Milliampere wird der Basisstrom für einen Pin zu groß. Dann ist ein Logic-Level-MOSFET besser. Seine Verluste berechnest du mit dem Rechner MOSFET-Verluste.
• Pegel vergessen. Ob der Pin überhaupt die Spannung liefert, die du einträgst, hängt von der Logikfamilie ab. Unter Last sinkt der High-Pegel etwas.

Den Basiswiderstand rechnest du im Grunde wie einen Vorwiderstand. Schaltet der Transistor eine LED, bestimmst du deren Vorwiderstand mit dem LED-Vorwiderstand-Rechner und ziehst dabei U_CE(sat) von der Versorgung ab.

Häufige Fragen

• Warum nicht einfach 1 kΩ? Das passt oft, aber nicht immer. Bei 3,3 V und einem Transistor mit kleiner Verstärkung reichen 2,6 mA Basisstrom für 300 mA Laststrom nicht. Der Rechner zeigt dir, wie viel Reserve bleibt.
• Was bringt ein größerer Übersteuerungsfaktor? Eine etwas kleinere Sättigungsspannung, aber mehr Pin-Strom und langsameres Abschalten, weil mehr Ladung aus der Basis heraus muss. 3 bis 5 ist ein guter Bereich.
• Gilt das auch für PNP? Die Rechnung ist gleich, nur mit umgekehrten Vorzeichen. Ein PNP schaltet als High-Side-Schalter zwischen Versorgung und Last; die Basis muss dafür nahe an U_B heruntergezogen werden. Das geht mit einem 3,3-V-Pin nur bis zu U_B = 3,3 V direkt.
• Wie warm wird der Transistor? Im Beispiel 32 mW, das spürst du kaum. Bei 500 mA und 1 V Sättigungsspannung sind es schon 0,5 W, das ist für ein TO-92-Gehäuse die Grenze.