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Transistor als Schalter verwenden – wie funktioniert das?

Transistor als Schalter verwenden – wie funktioniert das?

In der Regel arbeiten Transistoren in Verstärkerschaltungen so, dass sie ein Eingangssignal linear und unverzerrt verstärken. Doch lassen sich Transistoren auch als Schalter verwenden. Dabei wechseln sie zwischen zwei Arbeitspunkten in zwei Betriebszuständen. Transistoren eignen sich als kontaktloser Schalter kleiner und mittlerer Leistungen. Zum Verständnis der Funktionsweise von Transistoren als Schalter gilt es eine Reihe von Punkten zu klären. Wir erklären dir die wichtigsten.

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein Halbleiter-Bauteil und dient in erster Linie als Schalter, Regler und Verstärker in verschiedenen elektronischen Geräten. Der Begriff ist eine Kurzform von „transfer resistor“. Andere Bezeichnungen sind „Halbleiter-Triode“ aufgrund der Eigenschaften von Transistoren, die denen einer Röhrentriode ähneln. Häufig verwendet man die Bauteile dazu, Strom

  • zu schalten,
  • zu verstärken oder
  • zu steuern.

Man kann ihn auch wie einen regelbaren Widerstand verwenden. Der Transistor ist ein wichtiges Bauelement in der Elektronik. Vor allem in der Mikroelektronik und in integrierten Schaltkreisen wird er viel verwendet.

Wie setzt man den Transistor für Schaltungen ein?

Dem Transistor kommt als Schalter eine besondere Bedeutung in der Mikrocontrollertechnik zu. Hier verwendet man Transistoren der Klasse NPN zumeist als Emitter. In dem Schalter ist ein Transistor verbaut, der über eine Kollektor-Emitter-Strecke verfügt. Die Funktion des Schalters besteht darin, den Strom so gut wie möglich zu sperren, wenn der Schalter „offen“ ist, oder so gut wie möglich zu leiten, wenn der Schalter sich in einem geschlossenen Zustand befindet. Dabei soll weder der Transistor noch der Mikrocontroller beschädigt werden.

Mit welcher Spannung schliesst sich der Transistor als Schalter?

Wichtig beim Transistor als Schalter sind zwei Werte: Der Kollektorstrom und der Basisstrom. - Der Kollektorstrom ist der Strom, der durch die schaltende Last strömt. Dazu gehören zum Beispiel die Leuchtdioden (LED).

  • Der Basisstrom fliesst hingegen durch die Basis. Mit ihm schaltet der Transistor in die Emitterschaltung.

Die Schaltungen des Emitters sperren den Stromfluss, so gut es geht. Das bedeutet: Es strömt nur ein sehr kleiner, unbedeutender Kollektorstrom. Währenddessen liegt der Basisstrom bei null Ampere (A).

Welche Rolle spielt der Widerstand?

Soll der Transistor durchgeschaltet sein, dann kommt der Basisstrom ins Spiel. Mithilfe des Basisstroms begrenzt das Bauteil den Widerstand. Eine andere Bezeichnung für diesen Widerstand ist Basiswiderstand. Die Menge des Widerstands muss genau abgemessen sein. Bei einem zu grossen Widerstand schaltet der Transistor nicht voll durch. Die Folge ist eine zu grosse Verlustleistung und der Transistor kann Schaden nehmen. Ein zu kleiner Widerstand hingegen entlässt zu viel Basisstrom aus dem Ausgang des Mikrocontrollers. Es kann dann zu einer Übersteuerung kommen. Im übersteuerten Modus schaltet der Transistor schneller in den leitenden Zustand. Das bedeutet, dass sich die Einschaltzeit verkürzt. Gleichzeitig verlängert sich die Ausschaltzeit.

Was ist die Sättigung?

Damit der Transistor richtig gut durchschaltet, wird der Zustand der Sättigung angestrebt. Während der Sättigung erhöht sich das Signal beim Ausgang nicht, selbst wenn das Eingangssignal höher ist. Dabei ist die Spannung des Kollektor-Emitters kleiner als die Spannung des Basis-Emitters. Die Basis-Kollektor-Diodenstrecke wirkt dabei in die Vorwärtsrichtung, befindet sich also in einem leitenden Zustand. Die Sättigung ist ein Zustand, aus dem der Transistor nur sehr langsam herauskommt. Bei Hochfrequenz-Signalen kann das ein Problem sein, doch bei einem Relais, bei Motoren oder Leuchtdioden ist dieser Umstand weniger relevant. Bei der Sättigung ist der Transistor voll leitend, man sagt auch „voll durchgesteuert“. In der Kollekter-Emitter-Strecke fliesst dann kein Strom mehr. Der Sättigungszustand ist dann erreicht, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke den niederohmigsten Zustand erreicht hat.

Was macht der Ausgang beim Transistor als Schalter?

Ein Transistor ist ein dreischichtiger Halbleiter. Er verfügt über drei Ausgangsbeine. Jedes dieser Beine ist mit einer Schicht verbunden. Die beiden äusseren Schichten sind der Kollektor und der Emitter, der mittlere die Basis. Im Zustand ohne Spannung unterbindet die Basis, wodurch zwischen dem Emitter und dem Kollektor Strom fliesst. Ohne Spannung wird die Basis leitfähig. Bei einem niedrigen Basisstrom fliesst demnach kein Strom aus der Basis und das elektrische Gerät erhält keinen Strom.

Wo kommen Transistoren als Schalter vor?

Die Wirkungsweise der Transistoren macht man sich vor allem in der Digitaltechnik als integrierte Schaltungen zu nutze. Verbaut sind sie sind zum Beispiel in:

  • RAM-Speichern
  • Flash-Speichern
  • Mikroprozessoren
  • Logikgattern
  • Mikrocontrollern

Die Schaltungen bestehen aus über eine Milliarde Transistoren auf wenigen Quadratmillimetern. Jeder einzelne Transistor ist dabei ein elektronischer Schalter. Er schaltet Teilstrom entweder ein oder aus. Bei Mikroprozessoren erhöht die Speicherzahl die Speicherkapazität, die Rechenleistung und die Arbeitsgeschwindigkeit. Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren setzt man als Verstärker und für die Signalverarbeitung ein. Leistungstransistoren kommen in Motorsteuerungen vor. Allgemein findet man Transistoren heute in fast allen elektronischen Schaltungen.

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