Transistor als Schalter

Um die Wirkungsweise eines Transistors als Schalter richtig zu verstehen, ist es sinnvoll, ihn mit einem mechanischen Schalter zu vergleichen und zunächst die Verhältnisse in einem einfachen Stromkreis mit mechanischem Schalter zu betrachten.

Vorgänge an mechanischen Schaltern

In erster Näherung ist ein Schalter ein Bauelement in einem Stromkreis, das entweder einen unendlich großen Widerstand (geöffnet) oder praktisch den Widerstandswert null hat (geschlossen). In Bild 1 ist ein einfacher Stromkreis mit Schalter dargestellt.
Wegen seiner elektrischen Eigenschaften ergeben sich in beiden Fällen unterschiedliche Spannungsverteilungen. Bei geöffnetem Schalter fließt kein Strom, also liegt die gesamte Spannung am geöffneten Schalter, am Lastwiderstand liegt keine Spannung.
Bei geschlossenem Schalter ist der Schalterwiderstand praktisch null, die gesamte Spannung liegt am Lastwiderstand, am Schalter ist sie null.

Stellt man diese Situation in einem I-U- Diagramm dar, so erhält man auf der Widerstandsgeraden nur zwei Arbeitspunkte, zwischen denen bei Schalterbetätigung lediglich gewechselt wird. Das beschreibt Bild 2.
Die Widerstandsgerade wird wegen des sehr kleinen Innenwiderstandes einer technischen Spannungsquelle praktisch durch den Lastwiderstand bestimmt.
Bei mechanischen Schaltern sind nur wenige Schaltvorgänge je Sekunde erreichbar. Darüber hinaus zeigen solche Schalter in vielen Fällen ein Verhalten, das als Prellvorgang bezeichnet wird. Darunter ist folgendes zu verstehen: Nähert man z.B. den beweglichen Schalterkontakt dem feststehenden, so beträgt (er ist ja geöffnet) die Spannung zwischen diesen beiden Punkten $U_0$. Während des Annäherns erhöht sich aber die elektrische Feldstärke nach $E=\frac{U_0}{s}$.

Da in der Luft zwischen den Schalterkontakten stets einige Ionen existieren, werden diese durch die wachsende Feldstärke immer größeren beschleunigenden Kräften ausgesetzt. Ihre Geschwindigkeit wird so hoch, dass sie beim Zusammenprall mit neutralen Luftmolekülen diese ionisieren (Stoßionisation). Dadurch kann die Gasstrecke zwischen den Kontakten leitend werden, es kommt zu einer sogenannten Bogenentladung (elektrischer Funke). Wenn dieser Fall eintritt, entsteht eine neue Spannungsverteilung, denn die leitende Gasstrecke zwischen den Kontakten hat jetzt nur einen kleinen Widerstand. Die Spannung am Schalter wird dadurch klein, die Entladung reißt ab. Dadurch verlischt der Funke. Nun ist wieder die ursprüngliche Situation, wegen der fortgesetzten Annäherung aber mit größerer Feldstärke, entstanden. Es bildet sich erneut eine Funkenentladung usw. Es werden durch diesen Mechanismus in rascher Folge Ein - Aus - Zustände erzeugt, bis die einander genäherten Kontakte mechanisch einander konstant berühren.

Die umgekehrten Vorgänge spielen sich beim mechanischen Öffnen ab. Wegen des anfänglich sehr kleinen Abstandes beginnen diese aber bei sehr hohen elektrischen Feldstärken. Diese kurzzeitigen Bogenstrecken zerstören mit der Zeit die Schalterkontakte. Deshalb sind beispielsweise Lichtschalter so gebaut, dass sie beim Betätigen zunächst einen Spannvorgang für eine Zugfeder auslösen, die dann bei Überschreiten einer bestimmten Spannkraft den eigentlichen Schalterkontakt mit einer Geschwindigkeit bewegt, die vom Fingerdruck auf den Schalter völlig unabhängig ist. Den Öffnungsfunken eines Schalters kann man sogar durch die Schalterabdeckung hindurch im dunklen Raum sehen.
Schalter, die Stromkreise mit hohen Spannungen schließen oder öffnen, haben deshalb eine sehr aufwendige Konstruktion und gehören z.B. in Elektroenergieverteilungen zu den teuersten Baugruppen.

Wegen der geringen Schaltfrequenz (mechanische Trägheit) und des beschriebenen Prellvorgangs sind mechanische Schalter für einen elektronischen Einsatz praktisch bedeutungslos. Sie haben nur dort einen Sinn, wo bei geringen Schaltfrequenzen große elektrische Energien geschaltet werden müssen.

Transistor als elektronischer Schalter

In der Elektronik, insbesondere in der Digitaltechnik, gibt es umfangreiche Aufgaben, bei deren Durchführung kleine elektrische Leistungen mit hoher Frequenz und insbesondere prellfrei zu schalten sind, z.B. bei Oszillografen oder bei digitalen Zählern (Uhren).

Für einen npn-Transistor in Emitterschaltung zeigt Bild 3 die Schaltung und die Verhältnisse im Kennlinienfeld. Soll ein Transistor sich hinsichtlich der Spannungs- und Stromverhältnisse wie ein Schalter verhalten, so muss der dem eingeschalteten Zustand entsprechende Arbeitspunkt eine möglichst kleine Kollektor-Emitter-Spannung und einen möglichst hohen Kollektorstrom haben. Der dem ausgeschalteten Zustand entsprechende Zustand muss dagegen eine möglichst große Kollektor-Emitter-Spannung und einen möglichst kleinen Kollektorstrom besitzen.
Um den Punkt $A_2$ trotz Exemplarstreuungen des eingesetzten Transistors immer sicher zu erreichen, arbeitet man mit einer Übersteuerungstechnik, d.h. man wählt einen um 20% bis 50% überhöhten Basisstrom.
Um den Punkt $A_1$ sicher zu erreichen, darf kein Basisstrom mehr fließen, der Kollektorstrom muss praktisch der Kollektorreststrom sein. Man könnte also zusammenfassend formulieren:

Durch die sprunghafte Änderung des Basisstromes ändert sich auch der Kollektorstrom sprunghaft. Damit wirkt ein Transistor als trägheitsloser elektronischer Schalter.

Im Bild 4 ist eine häufig eingesetzte Anwenderschaltung zu sehen, in der Helligkeitsschwankungen in elektrische Spannungen, die nur zwei Werte entsprechend den beiden Schalterarbeitspunkte n besitzen.
Fällt Licht auf die Fotodiode, verringert sich ihr Widerstand. Die Basis-Emitter-Spannung reicht nicht mehr zum Durchsteuern des Transistors, er sperrt. Am Kollektor liegt praktisch die Betriebsspannung. Ohne Lichteinfall ist der Diodenwiderstand so groß, dass ein hoher Basisstrom fließt, der Transistor ist also durchgesteuert, seine am Kollektor liegende Spannung ist nur die Sättigungsspannung von etwa 0,2 V. Da die Diode ihre Leitfähigkeit mit hoher Frequenz ändern kann, lässt sich diese Schaltung vielfach nutzen.
Ein Beispiel ist die Drehzahlmessung. Bei jeder Umdrehung wird ein Lichtweg einmal unterbrochen. Die dabei entstehenden Spannungen werden mithilfe eines Zählers immer 1s lang gezählt und angezeigt. Nach Ablauf einer Sekunde wird der Zählvorgang neu gestartet, die Zähleranzeige auf null zurück gesetzt.

Schalten induktiver Lasten

Liegt in der Kollektorleitung ein Bauelement mit einer Induktivität, so kommt es während des Schaltvorganges wegen der auftretenden Selbstinduktion zu Problemen. Wird der Kollektorstrom eingeschaltet, so induziert das sich in der Spule aufbauende Magnetfeld (lenzsche Regel) eine Induktionsspannung entgegengesetzter Polarität zur anliegenden Spannung. Dadurch wird das sprunghafte Ansteigen des Kollektorstroms verhindert, der Arbeitspunkt verschiebt sich langsamer auf der Widerstandsgeraden. Bei genügend großer Induktivität darf diese dann die Verlustleistungshyperbel nicht mehr schneiden, da eine unzulässige Erwärmung des Transistors die Folge wäre.
Unter Umständen viel problematischer wird dagegen der Ausschaltvorgang. Die dabei entstehende Selbstinduktionsspannung ist zur anliegenden gleich-gerichtet, beide addieren sich. Da der gesperrte Transistor den größten Widerstand hat, fällt praktisch die Summe aus Betriebs- und Induktionsspannung über der Emitter-Kollektor-Strecke ab. Diese Spannungssumme übersteigt in den meisten Fällen den zulässigen Maximalwert von $U_{CE}$, der Transistor wird zerstört. Abhilfe schafft hier eine parallel zur Induktivität geschaltete Richtdiode, die für die Selbstinduktionsspannung in Flussrichtung liegt, also ihren Aufbau verhindert. Eine solche Diode wird als Freilaufdiode bezeichnet.