PNP-Transistor als High-Side-Schalter

Der Low-Side-Schalter trennt die Masseseite einer Last. Das geht nicht immer: Ein Magnetventil im Auto ist über sein Gehäuse fest mit der Karosserie verbunden, ein Sensormodul teilt seine Masse mit dem I²C-Bus, und bei einer Pumpe am Gartenschlauch soll im ausgeschalteten Zustand keine Spannung an den Leitungen liegen. Dann muss der Schalter in die Plusleitung, auf die „hohe“ Seite der Last: ein High-Side-Schalter.

Die klassische Lösung mit Bipolartransistoren ist ein PNP-Transistor zwischen Versorgung und Last, angesteuert von einem kleinen NPN-Transistor. Sie eignet sich für Lasten bis etwa 0,5 A. Darüber ist der P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter die bessere Wahl.

Schaltplan

• Y1, Magnetventil 12 V/3 W: die Last, 48 Ω Spulenwiderstand, 250 mA. Eine Seite liegt fest an Masse.
• T2, BC327-40: der eigentliche Schalter. Emitter an +12 V, Kollektor an der Last.
• R3, 2,2 kΩ: zieht die Basis von T2 auf Emitterpotential. Ohne Steuerstrom sperrt T2 sicher.
• R2, 2,2 kΩ: begrenzt den Basisstrom von T2.
• T1, BC547B: der Treiber. Er zieht die Basis von T2 über R2 nach Masse und trennt den Pin von den 12 V.
• R1 10 kΩ und R4 100 kΩ: Basiswiderstand und Pull-down für T1, wie beim NPN-Low-Side-Schalter.
• D1, 1N4001: Freilaufdiode. Beim High-Side-Schalter liegt sie zwischen Ausgang und Masse, Kathode am Ausgang.

So funktioniert die Schaltung

Pin low: T1 sperrt, durch R2 fließt kein Strom. R3 hält die Basis von T2 auf 12 V, Basis und Emitter liegen auf gleicher Spannung, T2 sperrt. Am Ventil liegen 0 V.

Pin high: T1 schaltet durch und zieht das untere Ende von R2 auf etwa 0,1 V. Jetzt fließt Strom aus dem Emitter von T2 über die Basis, R2 und T1 nach Masse. T2 leitet und geht in die Sättigung; am Ventil liegen knapp 12 V.

Der PNP schaltet ein, wenn seine Basis unter den Emitter gezogen wird. Deshalb lässt er sich nicht direkt von einem 3,3-V-Pin ansteuern: Zum Ausschalten müsste der Pin die Basis auf 12 V heben, was er nicht kann. Ein Pin mit 3,3 V würde T2 dauerhaft eingeschaltet lassen, und über seine Schutzdioden flösse Strom aus der 12-V-Versorgung. T1 übernimmt die Pegelanpassung: Er kann nur nach Masse ziehen, nie gegen 12 V treiben.

Die Logik ist dabei nicht invertiert: Pin high bedeutet Ventil an, wie beim Low-Side-Schalter.

Beim Abschalten will die Spule ihren Strom weitertreiben. Beim High-Side-Schalter zieht sie dabei den Ausgang unter Masse; ohne D1 würde er auf mehrere hundert Volt negativ springen und T2 durchschlagen. D1 leitet ab −0,7 V und lässt den Strom in der Spule abklingen.

Dimensionierung

1. Laststrom. I_C = P / U = 3 W / 12 V = 250 mA.

2. Transistor wählen. Der BC327-40 verträgt 800 mA und 45 V; das Datenblatt garantiert eine Stromverstärkung von mindestens 170 bei 300 mA. Ein BC557 mit 100 mA scheidet aus.

3. Basisstrom von T2. Mit dreifacher Übersteuerung:

4. Widerstände an T2. R3 = 2,2 kΩ zweigt 0,8 V / 2,2 kΩ ≈ 0,36 mA ab. Durch R2 müssen also rund 4,8 mA fließen. Zwischen +12 V und Masse liegen dabei die Emitter-Basis-Strecke (0,8 V) und T1 (0,1 V):

Damit fließen 5,0 mA durch R2 und 4,7 mA in die Basis, ü ≈ 3,2.

5. Treiber T1. Er schaltet nur 5 mA. Mit h_FE ≥ 200 genügen 25 μA; R1 = 10 kΩ liefert (3,3 V − 0,7 V) / 10 kΩ = 0,26 mA, zehnmal so viel. Das sichert die Sättigung auch bei 2,6 V am Pin.

Zum Ansteuern genügt ein Pin:

const int VENTIL = 17;              // GPIO 17 → R1 → Basis von T1

void setup() {
  pinMode(VENTIL, OUTPUT);
  digitalWrite(VENTIL, LOW);        // Ventil zu
}

void loop() {
  digitalWrite(VENTIL, HIGH);       // Ventil auf: 30 Sekunden gießen
  delay(30000);
  digitalWrite(VENTIL, LOW);
  delay(3600000);                   // eine Stunde Pause
}

Bauteilliste

Varianten

Gleiche Spannung für Pin und Last. Schaltet ein 5-V-Arduino eine 5-V-Last, genügt der PNP allein: Basis über einen Widerstand direkt an den Pin, Pin low schaltet ein. Die Logik ist dann invertiert, und der Pin muss im ausgeschalteten Zustand wirklich 5 V liefern.

Schnelleres Abschalten. Eine Z-Diode von 24 V in Reihe zu D1 (Anode an Anode, Kathode der Z-Diode an Masse) lässt den Ausgang beim Abschalten auf −24,7 V fallen. Der Strom ist dann nach 0,5 ms statt 3,6 ms abgebaut; das Ventil schließt schneller. T2 sieht dabei 36,7 V und bleibt unter seinen 45 V. Mehr dazu unter Induktive Lasten schnell abschalten.

Größere Ströme. Über 0,5 A wird der Basisstrom groß und die Sättigungsspannung steigt. Ein P-Kanal-MOSFET mit demselben NPN-Treiber braucht keinen Steuerstrom, siehe P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter. Für Masseschaltungen ist der MOSFET als Low-Side-Schalter die einfachste Lösung.

Fertige Treiber. Integrierte High-Side-Schalter mit Strombegrenzung und Übertemperaturschutz (etwa die BTS- oder VNx-Reihen) ersetzen die ganze Stufe in der Autoelektronik.

Typische Fehler

• Last lässt sich nicht abschalten: Der PNP wird direkt vom 3,3-V-Pin angesteuert, oder R3 fehlt und die Basis hängt offen. Miss im ausgeschalteten Zustand die Spannung zwischen Emitter und Basis: Sie muss nahe 0 V sein.
• T2 wird warm, Ventil zieht schwach an: T2 sättigt nicht. Miss die Spannung zwischen Emitter und Kollektor; über 0,4 V ist der Basisstrom zu klein. R2 verkleinern oder Treiber prüfen.
• Freilaufdiode verkehrt: Mit der Kathode an Masse schließt sie den Ausgang kurz, sobald T2 einschaltet. T2 wird heiß oder stirbt. Beim High-Side-Schalter gehört die Kathode an den Ausgang.
• Falscher Typ gesteckt: BC327 und BC337 sehen gleich aus und sind beide C-B-E belegt. Ein NPN an der Stelle von T2 schaltet nicht – prüfe den Aufdruck.
• Ventil zuckt beim Booten: R4 fehlt, oder der Pin gibt beim Start Pulse aus. Einen ruhigen Pin wählen.

Selbsttest