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Transistor als Schalter / Verringerung der Strombelastung eines Reed-Kontakts

Ein Beitrag von Günter König.

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Allgemein

Im vorhergehenden Kapitel wurde beschrieben, wie man die spannungs- und strommäßige Überlastung von Reed-Kontakten in Verbindung mit induktiven Lasten verhindern bzw. vermindern kann. Wobei es in erster Linie um die spannungsmäßige Überlast durch die negativen Induktionsspitzen ging. Was somit letztlich noch bleibt ist zu klären, ob es möglich ist, die Strombelastung im Dauerbetrieb noch weiter zu senken um die Lebensdauer des SRK immens zu erhöhen.
Hierzu bieten sich Halbleiter Bauelemente in Form von Transistoren an.

Der Transistor- Bauformen

transistoren - (c) tonband.net Es gilt aber nun erstemal zu klären, was ist eigentlich ein Transistor, was er macht und wie er uns helfen kann.

Als erstes sollten wir uns mal anschauen, wie ein Transistor aussehen kann. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Bauformen die auch entsprechende Bezeichnungen haben.

Diese Übersicht auf der linken Seite (mit freundlicher Genehmigung von www.tonband.net) zeigt nur eine kleine Auswahl von möglichen Gehäuseformen - SMD-Bauformen sind nicht berücksichtigt.

Leistungstransistoren wurden früher in Gehäusen mit der Bauform TO-3 (im Bild oben links zu sehen) verpackt. Typische Vertreter waren der AD150, 2N3055, der BD130, MJ2955 usw...

Diese Bauform ist heute nicht mehr so recht üblich - hat aber den unschätzbaren Vorteil, dass man das Gehäuse aufsägen kann und einen Blick auf das Innenleben werden kann. So sieht ein Transistor im TO-3-Gehäuse von innen aus:


transistorMan erkennt die die drei Anschlüsse des Transistors:
Basis, Emitter und den Collector.

Wobei der Collector als große Fläche auf der Unterseite des Siliziumchips ausgeführt ist und direkt mit dem Gehäuse verbunden ist. Dies dient dazu, die unweigerlich entstehende Verlustwärme abzuführen. Der Chip (das kleine Plättchen) in der Mitte stellt den eigentlichen Transistor dar.

Foto: Rolf Süssbrich, Lizenz: CreativeCommons Lizenz by-sa-2.5-de, Wikipedia de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor

Im ersten Bild ist rechts neben dem TO-3 Gehäuse ein Transistor mit der Bauform TO-220 abgebildet. Bei bedrahteten (nicht SMD) Typen ist dies der heutige Standard für Transistoren mittlerer Leistung. In diesem Gehäuse sind alle möglichen aktiven Halbleiterbauelemente wie Spannungsregler, TRIAC's und Thyristoren, Feldeffekttransistoren aber auch Dioden (dann aber oft mit nur zwei Anschlüssen) in all ihren Spielarten verpackt.

Betrachten wir nun einmal ein TO-220 Gehäuse:

Transistor TO-220

Der Anschluss 1 stellt die Verbindung zur Außenwelt der Basis her, der Anschluss 2 ist der Collector und mit Anschluss 3 wird der Emitter herausgeführt. Der Anschluss 2 (Collector) ist in der Regel (wie beim TO-3 Gehäuse) mit der metallenen Montagefläche verbunden, was wiederum der Wärmeableitung dient. Genaue Abmessungen gibt es in den entsprechenden Datenblättern der Hersteller.

Eine für uns weitere wichtige Bauform ist das TO-92 Gehäuse, in welchem in der Regel die Kleinleistungstypen stecken.

Transistor TO-92

Funktion und Beschaltung eines Transistors

Jetzt beschäftigen wir uns mit dem Innenleben dieses Bauteils, seiner Funktion und wie wir uns dieses Teil nutzbar machen können. Vom äußerlichen haben wir ja schon gesehen, das ein Transistor generell drei Anschlüsse hat. Die Anschlüsse werden, wie schon erwähnt, mit Emitter, Basis und Collector bezeichnet.

Der Einfachheit halber schauen wir uns mal den Transistor 2N3055 an, beschalten ihn in einer Minimalkonfiguration und messen die relevanten Spannungen. Ein handelsübliches Standard-Multimeter reicht dafür völlig aus. Ein Taschenrechner für weitere Berechnungen mittels des Ohmschen Gesetzes ist sinnvoll, um die Vorgänge nachvollziehen zu können.

Transistor als Schalter

Grundbeschaltung für einen Transistor 2N3055 im Schalterbetrieb
Abbildung 1

Die Abbildung 1 zeigt die Grundbeschaltung für einen Transistor 2N3055 im Schalterbetrieb. Wir benötigen also eine Spannungsversorgung mit 12 V Gleichspannung, den Transistor (es darf natürlich auch ein anderer Transistor sein, z.B. BD239, BC548) und zwei Widerstände. Bei anderen Transistoren können die Messwerte etwas anders ausfallen, im Trend sind sie aber stimmig.

Der Widerstand mit dem Wert von 500 Ohm stellt die Belastung (die zu schaltende Last) für den Transistor dar, der 22 kOhm Widerstand ist der sogenannte Basis-Vorwiderstand.

Die Betriebsspannung von 12 V (UB) liegt nun an und wir messen als erstes die Spannung über den Basisvorwiderstand. Dies sind die Punkte 1 und 2.

Spannung zwischen Punkten 1 und 2

Die Spannung über den Widerstand von 22 kOhm liegt laut dem Diagramm bei ca. 11,641 Volt. Messen wir nun noch die Spannung zwischen den Punkten 2 und 5 . Das sieht dann so aus:

Spannung zwischen Punkten 2 und 5

Wir messen eine Spannung von etwas über 0,359 Volt. Man nennt diese Spannung auch Schwellspannung, Basis-Emitterspannung oder kurz UBE. Diese beiden Spannungen, subtrahiert von der Betriebsspannung von 12 Volt, ergeben 0 Volt (Maschenregel). Dies ist sicherlich einleuchtend.

Aus diesen Werten können wir nun einen Strom berechnen: den so genannten Basisstrom. Hierzu verwenden wir das Ohmsche Gesetz, welches besagt, das der Strom durch einen Widerstand sich aus dem Spannungsabfall am Widerstand, geteilt durch die Höhe des Widerstandes, berechnen lässt:

I = (UB - UBE) / R = (12 - 0,359 Volt) / 22 kOhm = 0,529 mA

Man sagt, es fließt ein Basisstrom von 0,529 mA.


Dies alles ist aber noch wenig aussagekräftig! Wir müssen uns nun noch ein dritte Spannung betrachten, nämlich die Spannung von Punkt 1 nach 4 über den 500 Ohm Widerstand, den wir als Lastwiderstand bezeichnet haben. Dies sieht dann so aus:

Spannung zwischen Punkten 2 und 5

Es ist erkennbar, das sich die Spannung (der Spannungsabfall über den Widerstand von 500 Ohm) bei ca. 11,9 Volt einpegelt.

Es mag nun die Frage auftauchen: Was soll das - beim Basisvorwiderstand war die Spannung doch ähnlich? Klarheit bringt nun wieder das Ohmsche Gesetz. Setzen wir wieder die Werte ein:


I = U / R = 11,9 Volt / 500 Ohm = 23,8 mA

Man sagt, der Collectorstrom beträgt 23,8 mA.


Aber was bringt uns diese Erkenntnis? Wir können in der gewählten Grundkonstellation aus Abbildung 1 mit einem Basisstrom von 0,529 mA einen Collectorstrom von 23,8 mA hervorrufen. Wir haben es also mit einer Stromverstärkung zu tun! Stellen wir die beiden Zahlen einmal gegenüber, kommen wir auf einen Faktor von:

Collectorstrom (Ic) / Basisstrom (Ib) = 23,8 mA / 0,529mA = 44,99...


Man sagt, die Stromverstärkung (wird mit dem griechichen Buchstaben β [beta] bezeichnet) liegt bei ca. 50. Diese Angabe ist auch dem Datenblatt des entsprechenden Transistors zu entnehmen.

Wer genau die Ausführungen verfolgt hat, wird sich fragen, wieso die Spannung an den Punkten 1 und 4 nicht exakt 12 Volt beträgt? Dies liegt in der Struktur des Transistors allgemein. Es gibt immer eine Restspannung über die Strecke Collector - Emitter. Diese ist zwar gering, aber sehr relevant! In unserem Fall beträgt sie:

Betriebsspannung - Spannung am Lastwiderstand = 12 - 11,9 = 0,1 Volt


Man bezeichnet diese Spannung als Collector-Emitter-Restspannung oder Sättigungsspannung, da genau diese Spannung über der Collector-Emitterstrecke abfällt. Sie ist hauptsächlich für die Verlustleistung des Transistors im Schaltbetrieb verantwortlich.

Diese Verlustleistung errechnet sich in unserem Falle aus:

PVerlust = UCEsat * Ic = 0,1 Volt * 23,8 mA = 2,38 mW (milliWatt)


Diese Leistung wird in Wärme umgewandelt und muss bei höheren Collectorströmen per Kühlkörper abgeführt werden!

Berechnungs-Beispiel

Da wir nun bereits in der Lage sind, eine Transistorschaltung im Schaltbetrieb grundlegend zu berechnen, machen wir das doch mal: Als Vorgabe haben wir folgendes

Transistor : BC237
Stromverstärkung β : minimum 120 (lt. Datenblatt)
UBE: bei IC = 24 mA ca. 0,7 Volt (lt. Datenblatt)
Lastwiderstand : 500 Ohm (unsere Belastung des Transistors)
Betriebsspannung : 12 Volt (UB)


und beginnen damit zu rechnen. Der zu schaltende Strom beträgt im Idealfall:


Ic = Betriebsspannung / Lastwiderstand = 12 Volt / 500 Ohm = 0,024 A

Dies wäre dann der Collectorstrom! Hieraus errechnet sich der erforderliche Basisstrom:

Ib = Ic / β = 0,024 A / 120 = 0,0002 A = 0,2 mA

Um daher mit diesem Transistor eine Last von 24 mA schalten zu können, benötigen wir also einen Basisstrom von 0,2 mA.

Um die UCEsat Spannung so klein wie möglich zu halten, wird der errechnete Basisstrom um einen bestimmten Faktor höher gewählt (in der Regel Faktor 2 - 10 ).
Gehen wir von einem Übersteuerungsfaktor (ü) von 5 aus, erhalten wir als Basisstrom

I = ü * Ib = 5 * 0,2 mA = 1 mA

Somit errechnen wir den Basisvorwiderstand mit:

RB = (UB - UBE) / I = (12 - 0,7 V) / 1 mA = 11,3 kOhm

Setzen wir als Normwert für den Basiswiderstand 10 kOhm. Dann ergibt sich ein Basisstrom von knappen 1,2 mA. Messen wir nun die Spannung UCEsat, so wird ein Wert von ca. 150 mV angezeigt. Die Verlustleistung im "Ein-Zustand" beträgt also:

Pv = UCEsat * Ic = 0,15 V * 24 mA = 3,6 mW

Der Schalter in der "Aus-Position"

Diese Berechnungsweise merken wir uns erstmal für die praktische Anwendung und sehen wir uns nun die zweite Möglichkeit des Schaltbetriebes an: Da ja jeder normale Schalter auch eine "Aus-Position" besitzt, muss das auch beim Transistor möglich sein.

Die Beschaltung hierzu sieht so aus ( wir nehmen mal wieder den 2N3055 ) :

Transistor als Schalter
Abbildung 2

Wenn wir alles richtig aufgebaut haben und unser Multimeter an den entsprechenden Punkten anklemmen, werden wir nun folgendes messen:

Zwischen den Punkten 1 und 5 (3): 12 Volt (Betriebsspannung)
Zwischen den Punkten 2 und 3 (5): 0 Volt (Basisspannung Transistor)
Zwischen den Punkten 4 und 5 (3): 12 Volt (Restspannung)
Zwischen den Punkten 1 und 4: 0 Volt (Spannung Lastwiderstand)

Wichtig sind die Punkte 4 und 5 bzw. die Punkte 1 und 4. Da zwischen den Punkten 1 und 4 eine Spannung von 0 Volt anliegt, kann kein Strom durch den Lastwiderstand fließen. Daher liegt am Lastwiderstand (Punkte 1 und 4) auch keine Spannung an.

Das bedeutet also: Der Transistor ist abgeschaltet oder gesperrt!

Im Vergleich der beiden Beschaltungen aus Abbildung 1 und Abbildung 2 ziehen wir nun mal folgende Erkenntnisse zusammen :

Ist die Spannung an der Basis um die Schwellspannung positiver als das Emitterpotential, ist der Transistor leitend! Bei einem Siliziumtransistor liegt die Schwellspannung zwischen 0,4 und 0,8 Volt.

Liegt der Potentialunterschied zwischen Basis und Emitter bei 0 Volt, ist der Transistor sperrend und somit abgeschaltet.

Transistor als Schalter am Reed-Kontakt

So - nun schmeißen wir alles in einen Topf und konstruieren eine Schaltung aus Reed-Kontakt und einer Schaltstufe mit Transistor und Relais. Als Transistor nehmen wir also den BC 327, als Relais soll uns der von Reichelt vertriebene Typ FIN 41.52.9 dienen. Der Reed selbst kann aus irgendeiner "low budget source" stammen. Es reicht, wenn er funktioniert!

Die Daten des Relais sind folgende:
Betriebsspannung: 12 V
Schaltleistung: 2000 VA
Schaltspannung: max. 400 Volt Wechselspannung
RI: 360 Ohm

Mit RI wird der Gleichstromwiderstand (der ohmsche Widerstand) der Relaisspule bezeichnet. Berechnen wir als erstes den Dauerstrom bei anliegender Spannung durch das Relais wieder nach dem Ohmschen Gesetz und erhalten als Wert:

I = Betriebsspannung / RI = 12 Volt / 360 Ohm = 0,033 A

Unser Transistor muss also einen Dauerstrom von 33 mA schalten können. Der vorab favorisierte gewählter BC327 kann das locker!

Somit berechnen wir den erforderlichen Basisstrom incl. einem Übersteuerungsfaktor ü von 5:

I = Ic / β * ü = 0,033 A / 120 * 5 = 1,375 mA          (β wurde aus einem Datenblatt entnommen)

daraus folgt dann die Berechnung des Basisvorwiderstandes

RB = (UB - UBE) / I = (12 - 0,7 V) / 1,375 mA = 8,218 kOhm

Nun zur endgültigen Schaltung mit Reed-Kontakt:

Reed-Kontakt mit Transistor als Schalter

In dieser Anordnung der Bauteile finden wir nun alles wieder, was wir vorher besprochen und berechnet haben. Als Basisvorwiderstand wurde der Normwert 8,2 kOhm gewählt. Allerdings wurde noch zusätzlich der Widerstand RBE mit einem Wert von 47 kOhm eingefügt. Dieser Widerstand sorgt für ein einwandfreies Null-Potential an der Basis des Transistors, wenn der Reed-Kontakt geöffnet ist, was aber letztlich nur der Betriebssicherheit zugute kommt. Die Dimensionierung dieses Widerstandes ist unkritisch - sie sollte im Bereich ca. 5 - 10 mal dem RB liegen.

Fassen wir noch mal die Eigenschaften unserer Schaltstufe zusammen:
UB SRK UBE UCE U1,2 Ergebnis
12 Volt aus 0 Volt 12 Volt 0 Volt Relais abgeschaltet
12 Volt ein 0,7 Volt 0 Volt 12 Volt Relais eingeschaltet


Diese Anleitung zur Dimensionierung einer Schaltstufe ist für den Praktiker vollkommen ausreichend. Auf tiefer gehende physikalische Betrachtungsweisen werde ich hier auch nicht eingehen, da dies hier einfach zu weit führen würde. Man sieht aber, dass es ohne tiefschürfende elektrotechnische Kenntnisse geht. Nur ein wenig Rechnerei, ein kleines Multimeter für diese Versuche, ein guter Lötkolben, ein paar Bauteile und der REED-Kontakt dankt es mit einem langen Leben!

Nichtsdestotrotz bedarf es einer weiteren, intensiveren aber immer noch einfachen Betrachtung der Funktionsweise der Schaltung. Dies werden wir aber in einem folgendem Beitrag machen.


Danke an Günter König für den Artikel.

Das sagen User zu diesem Thema (4 Beiträge):

Am: 13.09.14 22:25

Grundsätzlich ein sehr guter Beitrag zur Erklärung eines Transistors.
Der Wechsel vom PNP zum NPN Transistor in den Abbildungen ist leider etwas verwirrend. Ich hätte eine einheitliche Darstellung bevorzugt.
Aber noch einmal: sehr gute Darstellung der Funktionsweise.
Von: Henley
Am: 29.01.14 20:12

Als Physiklehrer [9. Kl. Mittelschule] möchte ich meine Anerkennung aussprechen. Ihre Erklärungen führen Schritt für Schritt zum grundlegenden Verständnis eines Transistors als Schalter.
Einziger Verbesserungsvorschlag:
Die Mess-Diagramme sind gewöhnungsbedürftig, da sich die Spannungslinien über einen gewissen Zeitraum hinziehen. Das Display eines Multimeters wäre für Schüler einsichtiger.
Dennoch, eine gelungene Seite.
Von: herbi
Am: 20.12.13 01:30

die Bezeichnung des Transistors muß BC 337 heißen, der BC 327 ist ein PNP Transistor.
Von: detlef
Am: 12.11.13 13:37

Hallo,
beginne ab heute meine Anlage zu digitalisieren (Kauf des ersten Lokdecoders ),
Euer Portal konnte ich noch nicht voll einsehen. Gerade das Portal ELEKTRIK
hat gute Hinweise. Werde öfter bei Euch reinschauen.
Detlef

 


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