NPN oder PNP?

Welcher Transistor wird benötigt?

Generell ist ein Transistor ein Bauteil, mit dem man Ströme verstärken kann. Man kann mit einem kleinen Steuerstrom einen großen Laststrom schalten.

Es gibt viele verschiedene Arten von Transistoren. Wir beschäftigen uns hier zunächst nur mit den sogenannten Bipolar-Transistoren. Diese können für die verschiedensten Aufgaben verwendet werden.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Bipolar-Transistoren: NPN und PNP-Typen. Ihre Schaltbilder sehen so aus:

Schaltbild NPN- und PNP-Transistor

Links ist der NPN-Transistor zu sehen, rechts der PNP-Transistor

Die Abkürzungen bedeuten:

Diese werden jedoch normalerweise nicht dazugeschrieben. Man kann diese aus dem Schaltbild erkennen:
Die Basis befindet sich alleine auf einer Seite des dicken Balkens in der Mitte.
Der Emitter ist der Anschluss mit dem kleinen Pfeil.
Der Kollektor ist der übrige Anschluss gegenüber des Emitters.

Am Pfeil am Emitter kann man erkennen, um welchen Transistortyp es sich handelt.
Wenn der Pfeil nach außen zeigt (vom Basis-Anschluss weg), ist es ein NPN-Transistor.
Wenn der Pfeil nach innen zeigt (zum Basis-Anschluss hin), ist es ein PNP-Transistor.

Schalten mit NPN-Transistor

Nehmen wir an, wir haben eine Steuerspannung von 5V, mit der wir eine LED schalten wollen, die an 12V angeschlossen ist. Der Schaltplan dazu könnte so aussehen:

Schaltplan: Schalten einer LED mit einem NPN-Transistor

Wir haben also einen Schalter (S1), mit dem wir unsere Steuerspannung von 5V (+5V) schalten. Der Widerstand (R2) sorgt dafür, dass bei geöffnetem Schalter auf jeden Fall eine Spannung von 0V an die Basis des Transistors gelangt, damit dieser vollständig sperrt (Pull-down-Widerstand). Widerstand (R1) begrenzt den Strom, der in die Basis des Transistors fließt. Lies und verstehe dazu bitte auch den Artikel Transistor, der von der Berechnung des Basiswiderstands handelt.

Bei geöffnetem Schalter (S1) fließt kein Strom in die Basis des Transistors (Q1). Dadurch sperrt der Transistor, es fließt kein Kollektor-Strom und die LED (LED1) leuchtet nicht.

Wenn wir den Schalter schließen, fließt ein kleiner Strom, begrenzt durch den Widerstand (R1), in die Basis des Transistors (Q1). Dieser wird vom Transistor (Q1) verstärkt, und erzeugt einen großen Kollektorstrom. Der Kollektorstrom fließt durch die LED (LED1) und lässt diese leuchten. Wie man den Vorwiderstand für die LED berechnet, kannst du im Artikel Die LED nachlesen.

Der Basisstrom fließt nach getaner Arbeit über den Emitter zur Masse (0V) ab.

Schalten mit PNP-Transistoren

Im Prinzip funktionieren PNP-Transistoren genauso wie NPN-Transistoren, nur exakt andersrum ;-). Dies führt allerdings häufig zu Verwirrung, der ich hier entgegenwirken möchte.

Mit einem NPN-Transistor haben wir eben Masse (0V) geschaltet, und dazu eine positive Steuerspannung (+5V) verwendet.

Mit einem PNP-Transistor können wir positive Spannungen schalten, z.B. +12V. Dies ist manchmal notwendig, führt jedoch gerade bei Anfängern häufig zu falschen Annahmen über die Funktion. Häufig besteht das Problem mit einer kleinen Spannung (z.B. 5V) eine große Spannung (z.B. 12V) zu schalten. Dabei habe ich oft Schaltpläne mit dieser Schaltung gesehen:

Schaltplan: Schalten einer LED mit einem PNP-Transistor (FALSCH!)

Diese Schaltung sieht zunächst nicht falsch aus: Wenn wir den Schalter (S1) einschalten fließt ein kleiner Strom über den Widerstand (R1) in die Basis des Transistors (Q1) und steuert diesen auf. Es fließt ein großer Kollektorstrom und die LED leuchtet.

Wenn wir den Schalter aber ausschalten, leuchtet die LED jedoch weiterhin. Dies ist so zu erklären: Es fließt jetzt ein Strom von +5V über den Pull-up-Widerstand (R2) und den Basisvorwiderstand (R1) in die Basis des Transistors, sodass dieser trotzdem noch aufsteuert. Das kommt daher, dass 5V kleiner als 12V sind.

Eine Möglichkeit dieses Problem zu lösen ist es auch als Steuerspannung 12V zu verwenden:

Schaltplan: Schalten einer LED mit einem PNP-Transistor (funktioniert)

Hier bleibt der Effekt der Stromverstärkung erhalten, jedoch müssen die Steurspannung und die Lastspannung die Gleiche sein.

Aber auch hierfür gibt es eine Lösung!

Wir erweitern die Schaltung um einen zweiten Transistor, um die Spannung anzupassen:

Schaltplan: Schalten einer LED mit einem PNP-Transistor und einem NPN-Transistor

Bei geöffnetem Schalter (S1) sorgt der Widerstand (R2) dafür, dass über den Widerstand (R1) 0V (GND) an der Basis des Transistors (Q1) anliegen, sodass dieser sperrt.
Weiterhin sorgt der Widerstand (R4) dafür, dass über den Basiswiderstand (R3) an der Basis des Transistors (Q2) eine Spannung von 12V ansteht. Da der Emitter von (Q2) ebenfalls an 12V angeschlossen ist, sperrt auch dieser Transistor. Es fließt kein Kollektorstrom, die LED (LED1) leuchtet nicht.

Wenn wir nun den Schalter (S1) schließen, fließt ein kleiner Strom unserer Steuerspannung (+5V) über den Basiswiderstand (R1) in die Basis des Transistors (Q1) und steuert diesen auf. Jetzt fließt ein kleiner Strom durch den Pull-up-Widerstand (R4), an dem ein Spannungsabfall entsteht. Siehe hierzu auch Widerstand.
Am Kollektor von (Q1) bleibt eine Restspannung von ca. 0,4V (Kollektor-Emitter-Spannung). Jetzt fließt ein kleiner Strom von (+12V) in den Emitter von (Q2), zur Basis raus, durch den Basiswiderstand (R3), durch den Transistor (Q1) zu 0V (GND). Dieser Strom sorgt dafür, dass der Transistor (Q2) leitend wird. Es fließt ein großer Strom vom Emitter zum Kollektor von (Q2), der die LED leuchten lässt.