Transistor als Schalter

Transistoren eignen sich zum kontaktlosen Schalten kleiner und mittlerer Leistungen.
Der eigentliche Schalter ist dabei die Kollektor-Emitter-Strecke (CE-Strecke) des Transistors. Der Basisanschluss ist die Steuerelektrode. Die anliegende Spannung U_BE an der Steuerelektrode ist der ausschlaggebende Faktor, ob ein Strom durch den Transistor fließt oder nicht. Fließt ein Strom durch den Transistor, dann ist er niederohmig, fließt kein Strom durch den Transistor, dann ist er hochohmig.

	Eingangsspannung Ue	0 V	12 V
	Basis-Emitter-Spannung UBE	~ 0 V	~ 0,7 V
	Kollektorstrom IC	~ 0 mA	~ 50 mA
	Widerstand zwischen Kollektor und Emitter RCE	~ 100 MΩ	~ 4 Ω
	Spannung zwischen Kollektor und Emitter UCE	~ 12 V	~ 0 V
	Spannung am Emitter-Widerstand URC	~ 0 V	~ 12 V
	Zustand des Transistor	sperrt	leitet
	Schalter-Prinzip	geöffnet	geschlossen

Prinzip: Transistor als Schalter

Um das Prinzip "Transistor als Schalter" oder "Schalttransistors" zu verstehen, muss man sich das Verhalten des Transistors genauer ansehen. Das Prinzip sieht so aus, dass ein sperrender Transistor einem geöffneten Schalter und ein leitender Transistor einem geschlossenen Schalter entspricht. Das Schaltprinzip kann man jeweils mit Hilfe einer Ersatzschaltung, bestehend aus zwei Widerständen, verdeutlicht.

Sperrender Transistor - Geöffneter Schalter

Erhält der Transistor keine Basisspannung U_BE, kann kein Basisstrom fließen. Das bedeutet, das kein Kollektor-Strom fließt. Die R_CE-Strecke ist hochohmig und die ganze Betriebsspannung U_B fällt am Transistor (CE-Strecke) als Spannung U_CE ab.
Der Transistor sperrt aus Sicht des Stroms. Für die Wirkungsweise bedeutet das, der Schalter ist geöffnet.
Im sperrenden Zustand wirkt der Transistor wie ein hochohmiger Widerstand. Da der Widerstand R_C kleiner ist, als der Widerstand des sperrenden Transistors, fällt der größte Teil der Betriebsspannung am Transistor (CE-Strecke) ab.

Leitender Transistor - Geschlossener Schalter

Erhält der Transistor eine positive Basisspannung U_BE, so fließt ein Basisstrom und ein Kollektorstrom. Die R_CE-Strecke ist niederohmig. Es fällt eine sehr geringe Spannung U_CE am Transistor ab.
Der Transistor leitet aus Sicht des Stroms. Für die Wirkungsweise bedeutet das, der Schalter ist geschlossen.
In leitendem Zustand wirkt der Transistor wie ein sehr niederohmiger Widerstand. Da der Widerstand R_C in diesem Fall einen höheren Widerstand hat als der leitende Transistor, fällt der größte Teil der Betriebsspannung am Widerstand R_C ab.

Arbeitspunktverschiebung

Beim Schalten wechselt der Arbeitspunkt im Kennlinienfeld seinen Standort von "Ein" nach "Aus" bzw. umgekehrt. Dabei durchquert er den verbotenen Bereich P_tot. In diesem Bereich ist die verbrauchte Leistung zu groß, was den Transistor erhitzt. Braucht der Arbeitspunkt für diesen Weg zu lange, wird der Transistor zerstört.

Schalten ohmscher Last

Das Schalten unter ohmscher Last (Widerstand) ist kein Problem, wenn der Weg des Arbeitspunktes den Bereich P_tot nur kurz durchstreift.

Schalten kapazitiver Last

Befindet sich im Kollektor-Stromkreis ein Kondensator C, dann wird unter kapazitiver Belastung geschaltet. So ergibt sich ein hoher Strom beim Einschalten, der den Transistor stark erhitzt. Wird dieser Strom nicht begrenzt, so wird er Transistor zerstört, obwohl sich der Arbeitspunkt nicht durch den Bereich P_tot bewegt.

Schalten induktiver Last

Beim Abschalten von Induktivitäten entstehen hohe Abschaltspannungen. Im leitenden Zustand baut sich durch den Stromfluss in der Spule ein Magnetfeld auf, das beim Ausschalten schlagartig zusammenbricht. Die Spule versucht nun die abgeschaltete Spannung zu erhalten und erzeugt eine Induktionsspannung. Deshalb muss eine Diode als Spannungsbegrenzung parallel geschaltet werden. Diese Diode wird als Freilaufdiode bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine ganz normale Silizium-Diode.

Die Freilaufdiode wird parallel zum Relais oder der Induktivität geschaltet, das bei sperrendem Transistor eine hohe Induktionsspannung erzeugt. Die Diode fungiert hier als Schutzdiode. Die Diode schließt die Induktionsspannung kurz und begrenzt sie auf den Wert der Diodendurchflussspannung. Nachteil dieser Methode ist allerdings eine erhöhte Abfallverzögerung des Relais.

Schneller Transistor-Schalter mit Diode

	R1 10k R2 2k2 D1 BAT 85 T1 BC 547

Durch die Diode D₁, zwischen Basis und Kollektor, wird beim Einschalten des Transistors T₁ der Basisstrom begrenzt. Dieser wird durch die geringe Durchlassspannung zum Kollektor abgeführt und deshalb wird der Transistor weniger stark gesättigt. Beim Ausschalten braucht der Transistor viel weniger Zeit, weil weniger Ladungsträger entfernt werden müssen. Die Diode BAT85 ist eine Kleinsignal-Schottky-Diode. Diese Dioden schalten sehr schnell. Darum eignen sie sich speziell für diesen Einsatz. Dazu kommt, dass die Flussspannung mit etwa 0,25 V wesentlich niedriger ist als die einer herkömmliche Silizium-Diode mit etwa 0,65 V.