Transistorschaltung für Relais, Motoren und LEDs

Ein Transistor kann als elektronischer Schalter fungieren, um den Strom in einer Schaltung zu steuern. Es verwendet ein kleines Signal, um größere Verbraucher ein- oder auszuschalten, was es in vielen elektronischen Systemen nützlich macht. In diesem Artikel wird erläutert, wie BJT- und MOSFET-Transistoren beim Schalten verwendet werden, einschließlich Low-Side- und High-Side-Steuerung, Basis- und Gate-Widerständen, induktivem Lastschutz und Mikrocontroller-Schnittstellen im Detail.

Übersicht über das Schalten von Transistoren

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das als elektronischer Schalter fungieren kann, um den Stromfluss in einer Schaltung zu steuern. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, die einen Pfad physisch öffnen oder schließen, schaltet ein Transistor elektronisch mit einem Steuersignal, das an seine Basis (BJT) oder sein Gate (FET) angelegt wird. In Schaltanwendungen arbeitet der Transistor nur in zwei Hauptbereichen: dem Cut-Off-Bereich (OFF-Zustand), in dem kein Strom fließt und sich der Transistor wie ein offener Schalter verhält, und dem Sättigungsbereich (ON-Zustand), in dem der maximale Strom mit minimalem Spannungsabfall fließt und sich wie ein geschlossener Schalter verhält.

Schaltzustände von Transistoren

Transistoranwendungen in Schaltkreisen

Relais- und Magnetsteuerung

Transistoren treiben Relais und Magnete an, indem sie den erforderlichen Spulenstrom bereitstellen, den Mikrocontroller nicht direkt liefern können. Zum Schutz vor Spannungsspitzen wird eine Flyback-Diode verwendet.

LED- und Lampenschaltung

Transistoren schalten LEDs und kleine Lampen mit geringen Steuersignalen und schützen gleichzeitig den Steuerkreis vor Überstrom. Sie werden in Anzeigen, Displays und Beleuchtungssteuerungen verwendet.

Motortreiber

Transistoren treiben Gleichstrommotoren an, indem sie als Hochstromschalter fungieren. Power BJTs oder MOSFETs werden für die zuverlässige Steuerung in Robotik, Lüftern, Pumpen und Automatisierungssystemen eingesetzt.

Schaltkreise für die Energieverwaltung

Transistoren werden zum Schalten, Schützen und Regulieren von elektronischer Leistung verwendet. Sie kommen in Batterieladegeräten, DC-Wandlern und automatischen Stromsteuerungsschaltungen vor.

Mikrocontroller-Schnittstellen

Transistoren verbinden Mikrocontroller mit Hochleistungslasten. Sie verstärken schwache Logiksignale und ermöglichen die Steuerung von Relais, Motoren, Summern und Hochstrom-LEDs.

NPN-Transistor als Schalter

Ein NPN-Transistor kann als elektronischer Schalter verwendet werden, um Lasten wie LEDs, Relais und kleine Motoren mit einem stromsparenden Signal von Geräten wie Sensoren oder Mikrocontrollern zu steuern. Wenn der Transistor als Schalter arbeitet, arbeitet er in zwei Bereichen: Cut-off (AUS-Zustand) und Sättigung (ON-Zustand). Im Cut-Off-Bereich fließt kein Basisstrom, und der Transistor blockiert den Strom auf der Kollektorseite, so dass die Last ausgeschaltet bleibt. Im Sättigungsbereich fließt genügend Basisstrom, um den Transistor vollständig einzuschalten, sodass der Strom vom Kollektor zum Emitter geleitet und die Last mit Strom versorgt werden kann.

Um einen NPN-Transistor als Schalter zu verwenden, ist ein Basiswiderstand (RB) erforderlich, um den in die Basis fließenden Strom zu begrenzen. Der Basisstrom wird berechnet mit:

wobei IC der Strom durch die Last ist und βforced ein reduzierter Verstärkungswert ist, der für sicheres Schalten verwendet wird, β/10. Der Basiswiderstand wird dann berechnet mit:

wobei VIN die Steuerspannung und VBE die Basis-Emitter-Spannung ist (ca. 0,7 V für Siliziumtransistoren). Diese Formeln tragen dazu bei, dass der Transistor genügend Basisstrom erhält, um ordnungsgemäß zu schalten, ohne beschädigt zu werden.

PNP-Transistor als Schalter

Ein PNP-Transistor kann auch als Schalter verwendet werden, wird jedoch beim High-Side-Schalten eingesetzt, bei dem die Last mit Masse verbunden ist und der Transistor die Verbindung zur positiven Versorgungsspannung steuert. In dieser Konfiguration ist der Emitter des PNP-Transistors mit +VCC verbunden, der Kollektor wird mit der Last verbunden und die Last wird mit Masse verbunden. Der Transistor schaltet sich ein, wenn die Basis nach unten gezogen wird (unter die Emitterspannung), und er schaltet sich aus, wenn die Basis nach oben gezogen wird (nahe +VCC). Dadurch eignen sich PNP-Transistoren zum Schalten von Schaltkreisen, bei denen die Last direkt an die positive Schiene angeschlossen werden muss, wie z. B. in der Automobilverkabelung und in Stromverteilungssystemen.

Um den in die Basis fließenden Strom zu begrenzen, ist ein Basiswiderstand (RB) erforderlich. Der Basisstrom wird berechnet mit:

Dabei ist der IC der Kollektorstrom und βforced wird als ein Zehntel der typischen Verstärkung des Transistors für ein zuverlässiges Schalten angenommen. Der Wert des Basiswiderstands wird dann berechnet mit:

In PNP-Transistoren beträgt VBE bei Durchlassvorspannung etwa -0,7 V. Das Steuersignal muss tief genug gezogen werden, um den Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung zu spannen und den Transistor einzuschalten.

Basiswiderstand in BJT-Schaltung

Bei Verwendung eines BJT-Transistors als Schalter ist ein Basiswiderstand (RB) erforderlich, um den Strom zu steuern, der in den Basisanschluss fließt. Der Widerstand schützt den Transistor und die Steuerquelle, wie z. B. einen Mikrocontroller-Pin, vor zu viel Strom. Ohne diesen Widerstand könnte der Basis-Emitter-Übergang übermäßigen Strom ziehen und den Transistor beschädigen. Der Basiswiderstand sorgt zudem dafür, dass der Transistor einwandfrei zwischen OFF- und ON-Zustand schaltet.

Um den Transistor vollständig einzuschalten (Sättigungsmodus), muss genügend Basisstrom bereitgestellt werden. Der Basisstrom IB wird unter Verwendung des Kollektorstrom-IC und eines sicheren Verstärkungswerts namens erzwungenes Beta berechnet:

Anstatt die normale Verstärkung (Beta) des Transistors zu verwenden, wird aus Sicherheitsgründen ein niedrigerer Wert verwendet, der als erzwungenes Beta bezeichnet wird:

Nach der Berechnung des Basisstroms wird der Wert des Basiswiderstands nach dem Ohmschen Gesetz ermittelt:

Dabei ist VIN die Steuerspannung und VBE die Basis-Emitter-Spannung, etwa 0,7 V für Silizium-BJTs.

MOSFET-Schaltung in der Logikpegelregelung

MOSFETs werden als elektronische Schalter in modernen Schaltungen eingesetzt, da sie im Vergleich zu BJTs einen höheren Wirkungsgrad und einen geringeren Leistungsverlust bieten. Ein MOSFET funktioniert, indem er eine Spannung an seinen Gate-Anschluss anlegt, die den Stromfluss zwischen dem Drain und der Quelle steuert. Im Gegensatz zu BJTs, die einen kontinuierlichen Basisstrom benötigen, sind MOSFETs spannungsbetrieben und ziehen fast keinen Strom am Gate, wodurch sie für batteriebetriebene und Mikrocontroller-basierte Systeme geeignet sind.

MOSFETs werden bevorzugt für Schaltanwendungen verwendet, da sie schnellere Schaltgeschwindigkeiten, eine höhere Strombelastbarkeit und einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand RDS(on) unterstützen, wodurch Erwärmung und Energieverluste minimiert werden. Sie werden häufig in Motortreibern, LED-Streifen, Relais, Stromrichtern und Automatisierungssystemen verwendet. MOSFETs auf Logikebene wurden speziell für das vollständige Einschalten bei niedrigen Gate-Spannungen von 5 V oder 3,3 V entwickelt, was sie ideal für die direkte Anbindung an Mikrocontroller wie Arduino, ESP32 und Raspberry Pi macht, ohne dass eine Gate-Treiberschaltung erforderlich ist.

Zu den häufig verwendeten MOSFETs auf Logikebene gehören:

• IRLZ44N – geeignet zum Schalten von Hochleistungslasten wie Gleichstrommotoren, Relais und LED-Streifen.

• AO3400 – kompakter SMD-MOSFET, geeignet für digitale Schaltanwendungen mit geringem Stromverbrauch.

• IRLZ34N – wird für mittlere bis hohe Strombelastungen in der Robotik und Automatisierung eingesetzt.

Low-Side- und High-Side-Umschaltung

Low-Side-Umschaltung

Beim Low-Side-Schalten wird der Transistor zwischen Last und Masse platziert. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, schließt er den Weg zur Masse ab und lässt Strom durch die Last fließen. Diese Methode ist einfach und leicht zu bedienen, weshalb sie in digitalen und Mikrocontroller-basierten Schaltungen üblich ist. Die Low-Side-Umschaltung erfolgt über NPN-Transistoren oder N-Kanal-MOSFETs, da sie mit einem Steuersignal, das auf Masse bezogen ist, einfach zu steuern sind. Diese Methode wird für Aufgaben wie das Schalten von LEDs, Relais und kleinen Motoren verwendet.

High-Side-Schaltung

Beim High-Side-Switching wird der Transistor zwischen dem Netzteil und der Last platziert. Wenn sich der Transistor einschaltet, verbindet er die Last mit der positiven Spannungsversorgung. Diese Methode wird verwendet, wenn die Last aus Sicherheits- oder Signalreferenzgründen mit Masse verbunden bleiben muss. Die High-Side-Umschaltung erfolgt über PNP-Transistoren oder P-Kanal-MOSFETs. Es ist jedoch etwas schwieriger zu steuern, da die Basis oder das Gate auf eine niedrigere Spannung als das Netzteil getrieben werden muss, um es einzuschalten. High-Side-Switching wird häufig in Automobilschaltungen, batteriebetriebenen Systemen und Leistungssteuerungsanwendungen verwendet.

Induktiver Lastschaltschutz

Wenn ein Transistor zur Steuerung induktiver Lasten wie Motoren, Relais, Magnetspulen oder Spulen verwendet wird, muss er vor Spannungsspitzen geschützt werden. Diese Lasten bauen in einem Magnetfeld Energie auf, während Strom durch sie fließt. In dem Moment, in dem sich der Transistor ausschaltet, bricht das Magnetfeld zusammen und gibt diese Energie als plötzliche Hochspannungsspitze ab. Ohne Schutz kann dieser Spike den Transistor beschädigen und die gesamte Schaltung beeinträchtigen.

Um dies zu verhindern, werden Schutzkomponenten quer über die Last hinzugefügt. Die gebräuchlichste ist eine Flyback-Diode, wie z. B. 1N4007, die rückwärts über die Spule geschaltet ist. Diese Diode gibt dem Strom einen sicheren Weg zum Fließen, wenn sich der Transistor ausschaltet, und stoppt so die Spannungsspitze. In Schaltkreisen, in denen elektrisches Rauschen kontrolliert werden muss, wird ein RC-Snubber (ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe) verwendet, um scharfe Impulse zu reduzieren. Bei Schaltungen, die mit höheren Spannungen umgehen, wird eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppression) verwendet, um gefährliche Spitzen zu begrenzen und elektronische Teile zu schützen.

Mikrocontroller-Schnittstelle mit Transistorschaltung

Mikrocontroller wie Arduino, ESP32 und STM32 können nur einen geringen Ausgangsstrom von ihren GPIO-Pins liefern. Dieser Strom ist auf etwa 20–40 mA begrenzt, was nicht ausreicht, um Geräte wie Motoren, Relais, Magnetspulen oder Hochleistungs-LEDs mit Strom zu versorgen. Um diese höheren Strombelastungen zu steuern, wird ein Transistor zwischen dem Mikrocontroller und der Last verwendet. Der Transistor funktioniert als elektronischer Schalter, der es einem kleinen Signal vom Mikrocontroller ermöglicht, einen größeren Strom von einer externen Stromquelle zu steuern.

Achten Sie bei der Auswahl eines Transistors darauf, dass er sich mit der Ausgangsspannung des Mikrocontrollers vollständig einschalten lässt. Logik-MOSFETs sind eine gute Wahl für größere Lasten, da sie einen niedrigen Einschaltwiderstand haben und während des Betriebs kühl bleiben. BJTs wie der 2N2222 eignen sich gut für kleinere Lasten.

Fazit 

Transistoren sind zuverlässige elektronische Schalter, die zur Steuerung von LEDs, Relais, Motoren und Stromkreisen verwendet werden. Durch die Verwendung des richtigen Basis- oder Gate-Widerstands, das Hinzufügen eines Flyback-Schutzes für induktive Lasten und die Wahl der richtigen Schaltmethode werden Schaltkreise sicher und effizient. Das Verständnis der Transistorumschaltung hilft bei der Entwicklung stabiler elektronischer Systeme mit angemessener Steuerung und Schutz.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

Warum sollte man sich für das Schalten für einen MOSFET anstelle eines BJT entscheiden?

Ein MOSFET schaltet schneller, hat eine geringere Verlustleistung und benötigt keinen kontinuierlichen Gate-Strom.

Was führt zur Überhitzung eines Transistors in Schaltkreisen?

Wärme entsteht durch Verlustleistung beim Schalten, berechnet als P = V × I, wenn der Transistor nicht vollständig eingeschaltet ist.

Was ist RDS(on) in einem MOSFET?

Es ist der Einschaltwiderstand zwischen Abfluss und Quelle. Ein niedrigerer RDS(on) bedeutet weniger Hitze und einen besseren Wirkungsgrad.

Kann ein Transistor AC-Lasten schalten?

Nicht direkt. Ein einzelner Transistor funktioniert nur für Gleichstrom. Für AC-Lasten werden SCRs, TRIACs oder Relais verwendet.

Warum sollte das Tor oder der Sockel nicht schwimmend gelassen werden?

Ein schwebendes Tor oder eine Basis kann Geräusche aufnehmen und zufällige Schaltvorgänge verursachen, was zu einem instabilen Betrieb führt.

Wie kann ein MOSFET-Gate vor Hochspannung geschützt werden?

Verwenden Sie eine Zenerdiode zwischen dem Gate und der Quelle, um zusätzliche Spannung zu klemmen und Schäden am Gate zu vermeiden.