Der Transistor

Transistoren zum Schalten von LEDs und mehr

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

Bei der Verwendung eines Transistors gibt es einige Dinge zu beachten, die ich hier erläutern möchte. Dazu beginnen wir mir einer kleinen Schaltung: Ein Transistor, der eine Lampe schaltet.

Schaltung mit Transistor und Lampe

Das Bild zeigt einen NPN-Transistor. Sein Emitter (der Anschluss mit dem Pfeil) ist an Minus (Masse, 0V) angeschlossen. An seinem Kollektor ist eine Lampe angeschlossen, die mit einer Spannung von 12V versorgt wird. An der Basis des Transistors ist ein Strombegrenzungswiderstand angeschlossen, der mit einem Schalter auf +5V geschaltet werden kann.
Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt kein Strom in die Basis des Transistors. Der Transistor "sperrt" deshalb (er lässt keinen Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen), und die Lampe leuchtet nicht.
Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt ein kleiner Basisstrom über den Basisvorwiderstand in die Basis des Transistors. In unserem Fall ist beträgt dieser Strom ca. 1mA. (siehe Widerstandsberechnung.
Dieser geringe Stromfluss in die Basis bewirkt, dass der Transistor leitend wird. Das bedeutet, dass er selbst einen Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen lässt, der bis zu mehrere hundert mal größer ist, als der Strom, der in seine Basis fließt. Dies ist abhängig vom Verstärkungsfaktor des Transistors, den man aus dem entsprechendem Datenblatt entnehmen kann. Ein typischer Wert ist z.B. 100.

Berechnen des Basisstroms

Wenn wir eine bestimmte Schaltung haben, und diese über einen Transistor schalten möchten, müssen wir einen geeigneten Transistor auswählen, und den Basisstrom berechnen, der nötig ist, damit der Transistor voll durchschaltet. Bei zu geringem Basisstrom wird sich der Transistor stark erwärmen. Hier ein Beispiel, bei dem zwölf LEDs geschaltet werden sollen:

viele LEDs mit einem Transistor schalten

Um den Basiswiderstand berechnen zu können, müssen wir wissen, wie viel Strom geschaltet werden muss, und wie groß der Verstärkungsfaktor des verwendeten Transistors ist.
In unserem Beispiel können wir erkennen, dass ein Kollektorstrom von 60mA geschaltet werden muss.
Wir nehmen an, dass unser Beispieltransistor einen Verstärkungsfaktor von B=100 hat. Damit können wir den benötigten Basisstrom ausrechnen:
Basisstrom = Kollektorstrom / Verstärkungsfaktor = 0,06A (60mA) / 100
Wir erhalten einen Basisstrom von 0,0006A. Das sind 0,6mA. Damit der Transistor auch wirklich gut schaltet, verwenden wir das 5-Fache des errechneten Basisstrom.
0,6mA * 5 = 3mA
Unsere Steuerspannung beträgt 5V. Beim Berechnen des Widerstands müssen wir noch darauf achten, dass die Basis des Transistors auch noch ca. 0,7V "benötigt". Diese muss von der Steuerspannung abgezogen werden, um den korrekten Widerstand ermitteln zu können.
5V (Steuerspannung) - 0,7V (Basisspannung des Transistors) = 4,3V (Rest für Widerstand)
Der Widerstand errechnet sich, wie bekannt, mit dem Ohmschen Gesetz mit
R = U / I = 4,3V / 0,003A (3mA) = 1433 Ohm
Wir wählen hier den nächstniedrigeren Widerstand aus der E-12-Reihe: 1200 Ohm. Damit wird die Schaltung gut funktionieren.

NPN oder PNP? - Welcher ist der Richtige?