====== Transistoren ihre Praktische Anwendung, Auslegung und Auswahl ====== Ziel dieses Artikels ist es, die 80% der Fragen die im Forum zum Thema Transistor auflaufen abzufangen und einmalig ausführlich genug zu beantworten d.h. ohne sämtliches Grundlagenwissen. Die Zielgruppe sind all jene, die zum ersten oder 2. mal mit dem Thema Transistor in Berührung kommen. ===== Grundlagen: ===== Die Welt der Transistoren wird in die Bipolaren und in die Feldeffekttransistoren aufgeteilt. Bipolare Transistoren sind Stromverstärkende Bauteile. Sie werden anhand ihrer Dotierungsreihenfolge in NPN und in PNP Typen eingeteilt. Feldeffekttransistoren sind Spannungsgesteuerte Bauteile. Sie werden feiner unterteilt, Unterscheidungsmerkmale sind auch hier die Dotierungsreihenfolgen, Selbstleitend oder Selbstsperrend aber auch wie zwischen Steueranschluss und den restlichen Anschlüssen Isoliert wird (z.B. MOS-Typen). Zudem sind noch Mischformen vorhanden, z.B. mit der Bezeichnung IGBT. Auf diese soll aber nicht weiter eingegangen werden (wer sowas einsetzt/kennt der weiß im allgemeinen was er macht). ===== Bipolare Transistoren: ===== Die Anschlüsse werden mit Kollektor, Basis und Emitter bezeichnet. In vielen Anwendungsfällen wird die Basis als Steuereingang verwendet. Im Bereich der Biporlaren Transistoren deckt der NPN Typ ca.90% der Anwendungsfälle ab. Die Basis-Emitter strecke entspricht einer Diode. Diese wird ab ca. 0,65V leitfähig dementsprechend beginnt ein Basisstrom zu fliesen. Dieser Basisstrom bewirkt ein fliesen des Kollektorstromes. Die Abhängigkeit zwischen Basisstrom und Kollektorstrom wird im Datenblatt als hFE-Wert oder als Stromverstärkung B (oder Beta) angegeben. Die Stromverstärkung bewegt sich je nach Transistor im Bereich von 5 (Leistungstransistoren) bis 800 (Kleinsignal und HF-Transistoren). Zur Auslegung müssen folgende Parameter bekannt sein: Kollektorstrom im leitenden Zustand, Kollektor-Emitter-Spannung im gesperrten Zustand, der zur Verfügung stehende Basisstrom sowie die Höhe der möglichen Basisspannung. Daraus kann, indem der Kollektorstrom durch den Basisstrom geteilt wird, der mindest Hfe-Wert bestimmt werden. Aus diesen Angaben kann nun ein Transistor ausgewählt werden. In der Nachfolgenden Tabelle sind relativ gängige Typen dargelegt, welche eine großen Einsatzbereich abdecken. Für weitere Typen sei auf ein kurze freundliche Frage im Forum verwiesen mit den bisher ergründeten Angaben oder auf die Webseiten einschlägiger Hersteller welche meist eine sehr umfangreiche Auswahlmaske bieten. BC547 80V 100mA 400 TO-92 (BC557 PNP Komplementärtyp) BC327 80V 800mA 80 TO-92 (BC337 PNP Komplementärtyp) BD139 80 V 1,5 A 40 TO-126 2N3055 100v 15A 20 TO-3 Es sein noch darauf hingewiesen das eine Kombination von hohem Hfe und hohem Ic nur in der Schaltungsvariante Darlington zu erreichen ist. Dieser Transistortyp benötigt dann aber eine höhere Basisspannung, da hier in einem Gehäuse 2 Transistoren nacheinander geschaltet sind. Die CE - Sättigungsspannung gibt an wieviel Spannung bei einer bestimmten Belastung über die CE-Strecke verloren gehen, wenn der Transistor maximal ausgesteuert, also in [[http://de.wikipedia.org/wiki/S%C3%A4ttigung_(Elektronik)|Sättigung]] betrieben wird. Im maximal ausgesteuerten Zustand wird die CE-Spannung minimal. ==== Der NPN Transistor ==== === als Schalter === Einen häufigen Anwendungsfall stellt das Schalten eines Verbrauchers dar. In der Regel handelt es sich dabei um eine Stromverstärkung - eine Schaltung, die nur einen geringen Strom liefern kann, soll einen starken Verbraucher steuern. Der Transistor wird hier im Allgemeinen in Sättigung betrieben. Die notwendigen Berechnungen sind einfach. Als zentraler Wert muss die Stromverstärkung hFE bekannt sein. Es ist wichtig zu wissen, dass die Stromverstärkung eines Transistors stark variabel ist. Sie hängt unter anderem ab von: * Exemplarstreuungen (Transistoren eines Typs, aber unterschiedlicher Hersteller oder Chargen können sich um 200-300 % unterscheiden) * Kollektorstrom (Belastung des Transistors) Vor allem der Einfluß des Kollektorstroms ist in der Praxis wichtig. Die hFE-Werte der Transistoren sind in den Tabellen der Datenblätter meist für geringgradige Teilbelastungen angegeben. Im Datenblatt des BC547 ist der hFE-Wert des BC547A mit typ. 180 angegeben, allerdings bei lediglich 2 mA Kollektorstrom. Bei 80 mA Kollektorstrom knickt die Stromverstärkung auf unter 100 ein. Daher sollten Transistoren nicht nur aus thermischen Gründen nicht voll belastet werden, denn nahezu alle Parameter verschlechtern sich deutlich. Im folgenden eine Beispielberechnung: Die Fragestellung ist, wie eine kleine Lampe durch einen µC geschaltet werden kann. gegben: Lampe: Leistung 5W Spannung 12V Steuerausgang: ein CMOS-µC mit 5V und maximal 20mA Schaltung: Ic = 5W/12V = 420mA Sperrspannung 12V Hfe min = 420/20= 21 Bereits aus diesen Angaben erwählen wir den BC327 als Transistor. Der Widerstand R1 wird wie folgt berechnet UR1 = Uµc-Ube = 5V-0,7V = 4,3V Ib wird nun nochmal mit den Transistorkennwerten errechnet um den Ausgang nicht unnötig hoch zu belasten. Zudem wird ein Sicherheitszuschlag gegeben von 10-20% Ib = Ic/Hfe = 6mA Zur Berechnung sollte hier der vom Hersteller garantierte Minimal-Wert eingesetzt werden, um sicher zu gehen, dass die Exemplarstreuungen sich nicht auswirken. R1 = UR1/Ib = 710 ohm wir wählen aus der gängigen E24 Reihe ein Widerstand von 680 Ohm. Für hohe Schaltfrequenzen ist der Betrieb des Transistors in [[http://de.wikipedia.org/wiki/S%C3%A4ttigung_(Elektronik)|Sättigung]] nicht optimal, da der Ladungsüberschuss in der Basis zu einem verlangsamten Abschalten führt (sogenannte "Stromfahne"). === Als analoger Verstärker === fürs erste verweise ich auf das Forum sollte wirklich intensiver Bedarf bestehen wird dieser Teil erweitert. ==== Der PNP-Transistor ==== Hier sei vorerst soviel gesagt das die Berechnung sich nicht vom NPN Typ unterscheidet. Bedingt durch die gedrehte Dotierungsreihenfolge ergibt es sich das die Basis negativer werden muss als der Emitter um einen Kollektorstrom zu bewirken. ===== Feldeffekttransistoren (im folgenden nur noch FET) ===== Die Anschlüsse eines FET werden mit Source, Gate und Drain (Bulk im allgemeinen nicht herausgeführt) bezeichnet. Das Gate dient hier als Steueranschluss um die Größe des leitenden Kanales zwischen Source und Drain zu Steuern. Ähnlich wie im Bereich der Bipolaren Transistoren, deckt im Bereich der FET, der N-Kanal MOS Isolierschicht Verarmungstyp Typ eine Vielzahl der Anwendungsfälle ab. Die Steuerspannung am Gate muss um ein sauberes Durchschalten zu gewährleisten müssen derzeit bei 80-90% der Typen Spannungen zwischen 10 und 20V angelegt werden. Bei den sogenannten Logiklevel Typen wurde diese Spannung auf 3-5V verringert. Mit der Höhe der Spannung wird bei den FET nicht der Stromfluss direkt sondern die Leitfähigkeit (G) des Kanals bestimmt oder eben 1/G der Widerstand bestimmt. Der Ron bewegt sich in Größenordnungen von wenigen Ohm bis 0, mOhm. Diese Eigenschaft machen die FET zu sehr Leisungsverlustarmen Bauteilen. FET sind dafür im Gegensatz zu Bipolaren Transistoren bedeutend gefärdeter gegenüber statischen Aufladungen und sollten daher sinnvoll behandelt werden. Zudem sollte in Schaltungen bei welchen die Eingangsschaltung getrennt werden kann stehts ein hochohmiger Widerstand von Gate zum Drainanschluss geschaltet werden um ein spontanes umschalten zu verhindern zusätzlich dient dieser Widerstand auch zum Schutz des FET. Zur Auswahl eines FET ist es ausreichend zu wissen Welcher Sourcestrom, Source-Drain-Spannung und Gatespannung auftreten. Auch hier eine Auflistung gängiger empfehlenswerter Typen: ==== Der N-Kanal MOS Isolierschicht Verarmungstyp ==== === als Schalter === Einen häufigen Anwendungsfall Stellt auch hier das Schalten eines Verbrauchers dar. Im folgenden eine Beispielberechnung: gesucht ist, wie eine kleine Lampe durch einen µc geschaltet werden kann. Allgemeines: Schalten Induktiver Lasten Leistungsverluste und Abwärme Parallelschalten von Transistoren --[[Benutzer:Luchs2a|Luchs2a]] 23:07, 10. Mai. 2007 (CEST)