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BasiswiderstandIn diesem Artikel wird die Berechnung eines Basiswiderstandes, manchmal auch Basisvorwiderstand genannt, für die Verwendung eines Transistors als Schalter beschrieben.
[bearbeiten] Grundlagen & TransistorauswahlEin häufiger Einsatzzweck von Transistoren als Schalter liegt insbesondere im Bereich der Mikrocontrollertechnik. Hierbei wird der Transistor, ein NPN Typ, meist in der Emitterschaltung betrieben. Beim Betrieb als Schalter möchte man dann, dass die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors entweder so gut wie möglich sperrt ("Schalter" offen), oder so gut wie möglich leitet ("Schalter" geschlossen), wobei weder der Transistor noch der Mikrocontroller schaden nehmen soll. Zwei Werte sind hier besonders interessant. Der Kollektrorstrom - das ist der Strom, der duch die zu schaltende Last (z.B. LEDs) durchfließt. Sowie der Basistrom - das ist der Strom mit dem der Transistor in Emitterschaltung geschaltet wird. Der Transistor sollte normalerweise für mindestens den doppelten Wert des auftretenden Kollektorstroms geeignet sein. So mag im Datenblatt vom BC547 ein zulässiger Kollektorstrom vom 100mA stehen, praktisch hat jedoch jenseits von ungefähr 50mA ein kräftigerer Typ wie BC635 deutlich bessere Parameter. Das Sperren des Transistors ist der einfachere der zwei Fälle. In der Emitterschaltung sperrt der Transistor so gut es geht (es fließt immer ein sehr kleiner, vernachlässigbarer Kollektorreststrom), wenn der Basisstrom soweit wie möglich 0A ist. Das ist er, wenn die anliegende Spannung 0V ist. Also zum Beispiel dann, wenn der Ausgang eines Mikrocontroller, der die Basis steuert, die Basis auf low, also Masse legt. Um den Transistor zu schließen, muss er mit einem Basisstrom angesteuert werden. Man begrenzt den Basistrom durch einen Widerstand, den Basiswiderstand. Der Widerstand darf weder zu groß, noch zu klein sein. Ist er zu groß, schaltet der Transistor nicht voll durch und es entsteht mehr Verlustleistung am Transistor, wodurch er zerstört werden kann. Ist er zu klein wird der Ausgang des Mikrocontrollers überlastet. [bearbeiten] Berechnung
[bearbeiten] Beispiele[bearbeiten] Beispiel 1
Merke: Bei dieser Berechnung lieber abrunden, damit ein sicheres Schaltverhalten gewährleistet ist. [bearbeiten] Beispiel 2
hFE ist minimal 200 (Datenblatt) bei 2mA Kollektorstrom. Ein Blick ins Kennlinienfeld verrät, dass hFE auch bei 40mA noch in diesem Bereich liegt. Aber, etwas versteckt bei den Daten und der Kennlinie zu VCEsat (der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung) findet man, dass Daraus folgt: Der Mikrocontroller sei vom Typ ATmega oder ATtiny und liefert bei einer Versorgungsspannung von 5V abzüglich 5% Toleranz mindestens 4,5 Volt bei 2 mA. Etwa 0,780V fallen an der BE-Strecke ab (Datenblatt, aus Kennlinie geschätzt), also bleiben ca. 3,75V. Rb = Man wird hier also einen Basiswiderstand von < 1,8kΩ, beispielsweise 1,5kΩ wählen. [bearbeiten] Ältere MikrocontrollerMikrocontroller aus älteren Baureihen können oft nur wenig Strom liefern, viel weniger als beispielsweise die AVRs. So können etliche 8051-Varianten nur einen Basistrom von 50 µA liefern, da diese über Open Collector Ausgänge verfügen. Die oben gezeigte Schaltung ist dann ungeeignet, besser ist die folgende Schaltung. Doch Vorsicht, dabei ist der Transistor durchgesteuert wenn der Mikrocontroller sich im Reset befindet!
[bearbeiten] Offene Basis bei ResetEin weiteres Thema ist eine offene Basis: Ist ein Mikrocontroller im Reset, sind die Ausgänge meist hochohmig. Folglich hängt die Basis des Transistors, der nur über einen Basiswiderstand mit einem Portpin verbunden ist, hochohmig in der Luft. Das ist bei bipolaren Niedervolt-Transistoren zwar oft kein Problem, starke Störeinstrahlungen können jedoch bewirken, dass der Transistor mindestens teilweise leitet. Man vermeidet so etwas, in dem man die Basis definiert gegen Masse abschließt. Dies erfolgt mit einem zusätzlichen Widerstand zwischen Basis und Masse, meist im Bereich zwischen 50K-1M. Je größer der Widerstand, um so empfindlicher ist die Schaltung gegen elektromagnetische Umwelteinflüsse. Je niedriger dieser Widerstand, um so mehr Strom verbraucht die Schaltung im durchgesteuerten Zustand. In unkritischen Umgebungen hat sich ein Wert von 1M bewährt, im Automobilbereich verwendet man hingegen besser 100 K. Bei der Berechnung des Basiswiderstandes muss man natürlich den Strom, der durch diesen Abschlußwiderstand fließt (I=U_BE/R), berücksichtigen. Denn dieser wird ja nicht in der Basis wirksam. Der Basiswiderstand ist also entsprechend niedriger auszulegen.
[bearbeiten] Siehe auch
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. Da der Transistor als Schalter in Sättigung arbeiten soll, sollte der Basistrom mindestens dem 2-3-fachen dieses berechneten Wertes betragen. Bei Kleinsignaltransistoren kann man daher meist ersatzweise mit einer Stromverstärkung von 20-50 rechnen, bei Leistungstransistoren eher mit 10. Bei Darlington-Transistoren multiplizieren sich die Stromverstärkungsfaktoren beider Transistoren, hier kann man folglich bei Kleinleistungstransistoren von 400-2500 ausgehen.
; 
= 3,3 mA
bei Sättigung ist, und das ist der gewünschte Zustand. Also rechnet man mit einer Stromverstärkung in Sättigung von 20.
