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  1. #1
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    Standard Kleines Elektronic 1x1

    Hallo Bastelfreund,




    In dem Bild siehst Du 2 Transistoren, links einen NPN- und rechts einen PNP-Typen. Was bedeutet das:

    1.) NPN -> Die Bezeichnung NPN bezieht sich auf den Schichtaufbau im Transistor. Die erste "N"-Schicht ist mit Beinchen 2 verbunden, die "P"-Schicht ist mit Beinchen 1 verbunden und die zweite "N"-Schicht ist dann mit Beinchen 3 verbunden. Warum die Schichten so genannt werden, kannst Du ja er-google-n, wir wollen ja nicht noch einen Grundkurs Physik einbauen.
    Der NPN-Transistor schaltet, wenn am P-Anschluss (Pin 1) eine POSITIVE Spannung (gegenüber Pin 3) anliegt, die Strecke 2 - 3 durch.

    2.) PNP - Schichtaufbau ensprechend umgekehrt... Der PNP-Transistor schaltet die Strecke 3 - 1, wenn am Pin 2 eine NEGATIVERE Spanung (gegenüber Pin 3) anliegt.

    Damit haben wir unsere Eselsbrücke der NP(ositiv)N schaltet bei positivem Eingang, der PN(egativ)P bei negativem Eingang.

    Den Eingang nennt man "Basis" (B), die Seite mit dem Pfeil "Emitter" (E) und den anderen "Collektor" (C).

    Wenn man jetzt etwas schalten möchte, kann man allerdings den Eingang nicht einfach an die Steuerspannung anschließen, dann verglüht der Transistor (bei ausreichender Leistung der Spannungsquelle). Warum? Ganz einfach, die Strecke 1-3 beim NPN ist lediglich eine Diode, also fast ein Kurzschluß. Damit das nicht passiert, schaltet man einen Widerstand vor.

    To be continued.....

    Gruß,

    Marcus
    Geändert von Maloe (14.01.11 um 20:25 Uhr)
    Gruß, Marcus
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  2. #2
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    Standard Transistor 2. Teil / der Transistor als Schalter, Grundschaltung

    ... und weiter geht's.

    Unten nun das erste Beispiel einer einfachen Transistorschaltung. Es soll mit einer Eingangsspannung von 3,3 Volt ein Verbraucher an 5 Volt geschaltet werden. Der Vorwiderstand ist R1 und die Last ist R2. Wenn keine Eingangsspannung anliegt, liegt der mit 3,3 Volt bezeichnete Punkt (zumindest nehmen wir das hier im Beispiel mal an) auch auf GND (Ground = Masse). Wir haben dann also einen "geschlossenen Stromkreis" ohne Strom über R1, die Basis des Transistors (T1), den Emitter von T1 auf GND und wieder auf den Punkt 3,3 Volt, der ja auch auf GND liegt (zumindest von seinem Potential her). In diesem Fall sperrt der Transistor den Strom von 5 Volt über R2 zu GND. Stellen wir uns den Transistor als echten Schalter vor, ist dieser geöffnet.
    Gruß, Marcus
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  3. #3
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    Standard Transistor 2. Teil / der Transistor als Schalter, wir schalten!

    So, jetzt legen wir "Saft" an....

    Lege ich jetzt tatsächlich eine Spannung mit einem Wert von 3,3 Volt and den entsprechenden Eingang an, fließt ein Strom durch R1, die Basis (B), den Emitter (E) zur Masse (GND). Durch diesen Stromfluß wird der Transistor "durchgeschaltet" und jetzt fließt auch ein Strom von 5 Volt über R2, den Collektor und den Emitter zu GND.

    Übertragen wir das auf den "normalen" Schalter, wäre dieser jetzt eingeschaltet.

    Dem aufmerksamen Betrachter wird nicht verborgen geblieben sein, dass der Strich bei der Eingangsspannung dünner und der auf der Lastseite dicker gezeichnet ist. Warum?

    Das klären wir im nächsten Teil, da wird dann endlich gerechnet...!!!!
    Gruß, Marcus
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  4. #4
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    Standard Transistor 3. Teil / der Transistor als Schalter, was geht ab

    Ein wenig Theorie muss sein...

    Damit das ganze Hand und Fuß hat, kommen wir um etwas Mathe nicht herum. Aber erst mal eine kleine Abhandlung über den gemeinen Transistor. Die wichtigste Informationsquelle ist das Datenblatt. Mit ein bisschen Hilfe von Google findet sich dieses zu jedem Transistor. Nehmen wir hier mal exemplarisch den BC 548 B (Datenblatt).

    Gleich auf der ersten Seite finden wir wichtige Infos (1. Tabelle):
    Collector - Emitter Voltage (Spannung über die Collector-Emitter-Strecke) = 30 Volt
    Collector Current — Continuous (Dauerstrom über den Collector) = 100 Milliampere
    Total Device Dissipation @ TC = 25°C (maximale Verlustleistung bei 25°C) = 1,5 Watt

    Auf der zweiten Seite geht es weiter mit wichtigen Infos:
    DC Current Gain (Gleichstromverstärkung) z.B. bei bei einem Collector-Strom von 2 mA und einer Collector-Emitter.-Spannung von 5 Volt = Verstärkung 200 - 450-fach
    Collector–Emitter Saturation Voltage (Sättigungsspannung Collector-Emitter) ca. 0,1-0,6 Volt

    Und noch einen Eintrag in der Tabelle auf Seite 2 ist wichtig:
    Base–Emitter Saturation Voltage (Basis-Emitter-Sättigungsspannung) = 0,7 Volt

    Was bedeuten diese Angaben jetzt für uns?
    Aus dem ersten Abschnitt entnehmen wir, dass der Transistor abraucht wenn:

    1.) wir mehr als 30 Volt damit schalten wollen (klar, oder?),
    2.) wir damit einen Heizlüfter einschalten (könnte etwas viel Strom fließen) und
    3.) das der Transister selber auch nicht als Heizung taugt (was sind schon 1,5 Watt).

    Wie schaffe ich es aber, dass er ganz bleibt? Mit Mathe natürlich!

    Schauen wir uns zuerst die Eingangsseite an (Grundschaltung3-1.jpg). Die 3,3 Volt fließen über den Widerstand R1 und über die B-E-Strecke des Transistors nach Masse. Jetzt kommt der Wert "Basis-Emitter-Sättigungsspannung" von der 2. Seite des Datenblatts ins Spiel. Um es kurz zu machen, wir nennen Sie Ube (wobei BE eigentlich Großbuchstaben sind, die tiefgestellt werden, sieht man ja in der Tabelle). Wenn wir jetzt die Strom- und Spannungsverhältnisse auf der Eingangsseite berechnen wollen, reicht einfache Mathematik:

    Berechnung der Spannung über dem Widerstand R1:

    Ust - Ube = Ur (Steuerspannung - Spannung über Basis-Emitter = Spannung über R1)

    Wir setzen mal ein:

    3,3 Volt - 0,7 Volt = 2,6 Volt

    Im Eingang fallen also 2,6 Volt über den Widerstand R1 ab (sagen wir halt so, ihr müsst aber nichts auffangen) und die restliche Spannung von 0,7 Volt über den Transistor. War doch ganz einfach, oder?

    Warum müssen wir das wissen? Die Frage stellen wir mal einen Moment zurück...

    Wir schauen uns mal die Ausgangsseite an (Grundschaltung3-2.jpg):

    Wie sieht hier der Spannungsabfall aus. Es liegen 5 Volt (Ub) an und wir haben wieder einen Widerstand und den Transistor. Nehmen wir mal an, der Transistor hätte eine Sättigungsspannung Collector-Emitter von 0,2 Volt, so berechnet sich der Spannungsabfall über R2 wie oben:

    Ub - Uce = Ur2

    5 Volt - 0,2 Volt = 4,8 Volt

    Und weil es so viel Spaß macht, berechnen wir jetzt auch noch den Strom der durch die Ausgangsseite fließt. Dazu nehmen wir mal an, der Widerstand R2 hätte 500 Ohm:

    Ur2 / R2 = Irc

    4,8 Volt / 500 Ohm = 0,0096 Ampere = 9,6 mA

    Warum haben wir das jetzt berechnet? Weil wir das jetzt brauchen, um den Widerstand R1 zu berechnen! Der typische Verstärkungsfaktor des Transistors beträgt laut Datenblatt bei Ic = 2 mA > 290 und bei Ic= 100 mA > 180, also schätzen wir jetzt mal munter, dass er ca. bei 250 liegen wird. Wir wollen den Transistor ja mit den 3,3 Volt schalten, dazu müssen wir jetzt berechnen, wie viel Strom dazu in den Eingang fließen muss. Dazu nehmen wir jetzt den Verstärkungsfaktor und rechnen damit auf den benötigten Eingangsstrom zurück:

    0,0096 A / 250 = 0,0000384 A = 0,034 mA

    Da wir aber kein Risiko eingehen wollen, nehmen wir lieber einen Strom, der 3 mal höher liegt um den Transistor auch wirklich durchzuschalten:

    0,0000384 A x 3 = 0,0001152 A = 0,1152 A

    So, jetzt wollen wir wissen, welchen Widerstand wir vor die Basis schalten müssen, also berechnen wir den auch noch:

    Ur / Irb = R1

    2,4 Volt / 0,0001152 A = 20833 Ohm (jajajaja ,Periode 3)

    Wir müssten also einen Widerstand von 20833 Ohm nehmen. Da es den vermutlich nicht so einfach zu kaufen gibt und wir ja Sicherheitsfanatiker sind, nehmen wir 18 kOhm, da wird der Transistor sicher schalten.

    ACHTUNG: Weiterlesen nur für Profis!

    Besteht denn Jetzt eine Gefahr, dass unser Transistor kaputtgehen könnte? Wir haben einen Strom von 9,6 Milliampere berechnet, damit bleiben wir deutlich unter dem maximalen Collector-Strom von 100 mA, keine Gefahr.
    Die Versorgungsspannung beträgt 5 Volt, damit bleiben wir auch unter der maximalen Collector-Emitter-Spannung von 30 Volt, auch hier keine Gefahr.
    Was ist aber mit der maximalen Verlustleistung von 1,5 Watt (P)?
    Also rechnen wir wieder:

    Irc x Uce = P

    0,0096 Ampere x 0,2 Volt = 0,00192 Watt

    Puh, 1,92 Milliwatt, auch damit bleiben wir weit unter dem kritischen Wert.

    Im nächsten (und letzten) Abschnitt erkläre ich dann noch kurz die benutzten Formeln.....
    Geändert von Maloe (14.09.11 um 08:21 Uhr)
    Gruß, Marcus
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  5. #5
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    Standard Transistor 4. Teil / der Transistor als Schalter, jetzt wirds trocken...

    So, jetzt habe ich genug Formel aus dem Hut gezaubert, jetzt mal die Erklärungen dazu:

    Widerstandsberechnung:

    Hierzu gibt es ein schönes Schaubild, dass URI-Dreieck:

    Code:
        U
    --------
     R  x  I
    Was will uns das Bild sagen? U ist die Spannung, R der Widerstand und I der Strom (aber das wusstet Ihr sicher schon). Wenn ich eine Größe berechnen will, wandert diese nach rechts vom Gleichheitszeichen. Nehmen wir also mal an, wir wollen den Strom berechnen, dann sieht das Ganze wie folgt aus:

    Code:
      U
    ----
      R      =   I
    Also ist der Strom I = U dividiert durch R.

    Wenn wir den Widerstand berechnen wollen, sieht das wie folgt aus:

    Code:
        U
    ------                 => U / I = R
        I     =   R
    Und was ist mit der Spannung:
    Code:
    --------     =   U    => R x I = U
     R  x  I
    Das ganze mal an einem simplen Beispiel betrachtet:

    Ich habe eine Versorgungsspannung von 5 Volt und möchte daran eine LED betreiben (hat sicher noch niemand gemacht). Wie berechne ich den Vorwiderstand?

    Wenn man mal das Datenblatt einer normalen grünen LED gesehen hat, steht dort ein Wert If von 20 mA (nennt sich Fotostrom). Das ist der optimale Strom, bei dem die LED auch nicht kaputt geht. Ausserdem wissen wir aus dem Datenblatt, dass die LED-Spannung 1,6 Volt beträgt. Als erstes ermitteln wir die Spannung (Ur), die am Widerstand anliegt:

    Uversorgung - Uf = Ur

    5 Volt - 1,6 Volt = 3,4 Volt

    Jetzt haben wir 2 Werte, mit denen wir über das URI-Dreieck den Widerstand R1 berechnen können:

    Ur / If = R1

    3,4 Volt / 0,02 A = 170 Ohm

    Merke: Immer mit den "ganzen" Einheiten rechnen! MILLI-Ampere vorher in Ampere umformen, sonst knallt's!

    Da es keine 170 Ohm Widerstände gibt, nehmen wir 180 Ohm. Warum? Rechnen wir doch mal:

    3,4 Volt / 180 Ohm = 0,018888.... A

    Damit fliessen 18,9 mA durch die LED und wir sind auf der sicheren Seite.

    NOCHMAL ACHTUNG: LED's bitte nur mit Gleichspannung benutzen, in Sperrichtung sind sie schlechte Dioden, da halten sie nichts aus!


    Watt ist jetzt mit der Verlustleistung?

    Die elektrische Leistung wird in Watt (P) gemessen. Klar, hat jeder schon mal gelesen, aber wie errechnet man die? Ganz einfach:

    U x I = P

    Jetzt kommen wir noch mal zurück auf unsere LED. Hält der Widerstand der Belastung stand oder raucht er? Lasst uns rechnen:

    3,4 Volt x 0,018888... A = 0,064221... W

    Wenn man jetzt weiß, dass ein "normaler" Widerstand 1/4 Watt ab kann, kann man beruhigt schlafen:

    0,0642 Watt liegen deutlich unter der Belastungsgrenze von 0,25 Watt.

    So, jetzt habe ich Euch eben bei der Leistungsberechnung des Transistors verar...!
    Dass muss natürlich aufgeklärt werden. Ich hatte folgendes berechnet:

    0,0096 Ampere x 0,2 Volt = 0,00192 Watt

    Dabei fehlt etwas! Wer weiß es? Genau, es fließt nicht nur ein Strom von 9,6 mA in den Collector, sondern auch noch ein Strom von 0,1152 mA in die Basis. Eigentlich müsste der noch dazugerechnet werden, aber mal ehrlich, das ist doch nicht wirklich nötig. Wer Spaß daran hat, kann ja mal berechnen um wieviel Prozent sich der Strom erhöht, wenn statt 9,6 mA tatsächlich 9,7152 mA durch den Transistor fließen... Gibt auch einen Fleißpunkt!

    Damit könnte die Diode eigentlich das nächste Thema werden, oder?
    Geändert von Maloe (05.01.12 um 15:21 Uhr)
    Gruß, Marcus
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  6. #6
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    Standard Transistor 5. Teil / Noch ein paar Gedanken...

    Wie es immer so ist, kommen einem hinterher noch so ein paar Gedanken zum Thema, daher hier noch einige Hinweise:

    1.) In der Tabelle steht bei der Collector-Emitter-Sättigungsspannung 0,1-0,6 Volt, warum rechnet er mit 0,2 Volt?

    Tja, das sind so Werte, die man wären der Ausbildung immer wieder als Berechnungsgrundlage benutzt. Aber mit einem Wert muss man ja rechnen (mit von-bis rechnet sich so schlecht). Dazu mal ein paar Überlegungen: Was passiert, wenn Uce größer wird? Na, dann fällt weniger Spannung am Widerstand ab (die 5 Volt verteilen sich halt nur anders). Und wenn weniger Spannung am Widerstand abfällt, wie verhält sich dann wohl der Strom? Klar, er wird weniger. So fließen also bei einer Uce von 0,6 Volt nur noch 8,8 mA durch den Transistor und den Widerstand. Die Verlustleistung liegt dann bei 1,76 mW, also auch unter der von Uce = 0,2 Volt. Wir bleiben also immer auf der sicheren Seite, kein Problem!

    2.) Auch wichtig: die Bauform und Pin-Belegung!

    Transistoren gibt es in allen möglichen und unmöglichen Gehäusen mit allen möglichen Pin-Belegungen. Letztendlich hilft auch hier wieder nur der Blick ins Datenblatt. Ihr seht dort das Schaltplansymbol mit den Zahlen 1-3 und den Bezeichnungen der Anschlüsse, daneben das "Bild" gibt die Nummerierung der Pins äquivalent zum Schaltplansymbol wieder. Mir hilft, bei den kleinen Transis im Plastikgehäuse, immer folgende Eselsbrücke: Man betrachte die abgeflachte Seite wie den Strich im Schaltplansymbol, wo sich alle Anschlüsse treffen. Dann passen die Anschlußbeinchen zur Reihenfolge auf dem Schaltplansymbol, also von oben Collector, Basis und Emitter. Aber das gilt nur für die Meisten und Ausnahmen bestätigen die Regel. Also immer ins Datenblatt schauen!

    3.) Wir haben bisher nur über die bipolaren Transistoren geredet!

    Es gibt noch jede Menge anderer Transistortypen, FET (Feldeffekttransistor), MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor), JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor), ... und Fototransistoren. Der meistverbaute Transistor ist übrigens der MOSFET, der steckt milliardenfach in Eurem PC-Prozessor und ein enger Verwandter, der Floating-Gate-MOSFET, steckt in Eurem Arbeitsspeicher. Zuguterletzt lesen dies hier einige von Euch auf Thin-Film-Transistoren (TFT's). Nein, ich werde Euch nicht erklären wie man TFT's selber baut, aber den Fototransistor sollten wir uns später noch mal ansehen...

    So, sollten jetzt noch fragen offen sein, postet die doch bitte in diesen Thread.
    Gruß, Marcus
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