3.2 Voll eingeschaltet?

von Andreas Thaler

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Diese Schaltung entspricht der aus 3.1 „Transistor-Schalter“ , die wir bereits besprochen haben. Hinzugekommen ist eine Überbrückung des Transistors, die als Schalter ausgeführt ist.

Jetzt geht es darum herauszufinden, ob der Transistor - den wir hier wieder als Schalter für die LED einsetzen - gleich gut wie ein „echter“ Schalter leitet. Es könnte ja sein, dass der Transistor weniger Kollektorstrom durchlässt, da in seinem Inneren komplizierte Halbleiterprozesse ablaufen. Und damit als Halbleiterbauteil wesentlich komplexer aufgebaut ist als ein einfacher Schalter, der nur zwei Leitungen miteinander verbindet.

Damit der Transistor voll durchschaltet, also den maximalen Kollektorstrom (abhängig von der vorgeschalteten Last) durchlässt, muss sein Basisstrom ausreichend groß sein. Wie wir bereits bei der Besprechung von 3.1 „Transistor-Schalter“ festgestellt haben, ist das in dieser Schaltung der Fall.

Wie stellen den Transistor außer Dienst

Nun möchten wir ermitteln, ob mehr Kollektorstrom durch die LED fließt, wenn wir den Transistor quasi außer Dienst stellen. Dazu unterbrechen wir den Basisstrom (linker Schalter im Schaltbild offen) und überbrücken am Steckbrett den Transistor mit einem Steckkabel als Schalter. Dabei gehen wir davon aus, dass die Kollektor-/Emitterstrecke des Transistors ohne Basisstrom hochohmig ist, also kein Kollektorstrom fließt. Wir werden das im Anschluss überprüfen. Mit dem Steckkabel ist die LED in Reihe mit ihrem 2,2-Kiloohm-Vorwiderstand direkt an Masse angeschlossen.

Strommessungen

Wir nehmen folgende Messungen mit dem Multimeter (Amperemeter) vor:

1. Emitterstrom bei durchgeschaltetem Transistor. Der Emitterstrom ergibt sich aus Kollektorstrom plus Basisstrom. Der Kollektorstrom kann daher nach der folgenden Gleichung berechnet werden:

I_C = I_E - I_B (Kollektorstrom = Emitterstrom – Basisstrom).

2. Basisstrom bei durchgeschaltetem Transistor

3. Laststrom¹ durch die LED plus Vorwiderstand bei überbrücktem und vom Basisstrom getrennten Transistor. Würden wir den Basisstrom nicht abschalten, könnte es sein, dass trotz der Überbrückung (der Schalter ist niederohmig) doch ein geringer Kollektorstrom durch den Transistor fließt und das würde das Ergebnis verfälschen. Wir wollen ja nur den Schalter belasten, ohne dafür den Transistor vom Steckbrett zu nehmen. Daher müssen wir den Transistor ganz vom Basisstrom trennen.

4. Emitterstrom bei offenem Basisschalter. Wir hatten zuvor angenommen, dass die Kollektor-/Emitterstrecke des Transistors ohne Basisstrom hochohmig ist, also kein Kollektorstrom fließt. Das überprüfen wir jetzt. Insgesamt soll kein Emitterstrom fließen.

Wir könnten es uns natürlich einfacher machen und die bereits in 3.1 „Transistor-Schalter“ ermittelten Messwerte übernehmen. Da aber gleiche Schaltungen selten auch idente Messwerte aufweisen (unterschiedliche Bauteile mit zwar gleichen Nennwerten aber ungleichen realen Werten, Messfehler, Kontaktprobleme am Steckbrett etc.), messen wir die frisch gesteckte Schaltung neu durch.

Ebenso verzichten wir auf die Ermittlung der jeweiligen Ströme durch Spannungsmessungen an den Widerständen, da wir nur ihre Nennwerte aber nicht ihre realen Widerstandswerte kennen. Dafür müssten wir die Widerstände ausbauen und mit dem Multimeter (Widerstandsmessung) die tatsächlichen Widerstandswerte ermitteln. Diesen Aufwand möchten wir vermeiden und ermitteln daher die tatsächlichen Ströme mit einer Amperemessung direkt in der Schaltung.

Simulation

Wie auch in den vorangegangenen Versuchen simulieren wir die Schaltung mit dem Schaltungssimulator EveryCircuit. Damit bekommen wir bereits einen ersten Hinweis, ob unsere Annahmen stimmen.

Transistor durchgeschaltet und nicht überbrückt: Der Kollektorstrom beträgt 3,24 mA. Zusammen mit dem Basisstrom in der Höhe von 0,305 uA ergibt das 3,54 mA als Emitterstrom. Am Transistor sehen wir einen Spannungsabfall von 73,2 mV. Das bedeutet, dass die Kollektor-/Emitterstrecke Transistor - obwohl voll durchgeschaltet - einen geringen Widerstand aufweist (s. dazu auch 3.1 „Transistor-Schalter“ ).

Transistor nicht durchgeschaltet und überbrückt: Der Laststrom beträgt 3,27 mA. Am (idealen) Schalter zur Überbrückung fallen 0 Volt ab, dh. der Schalter weist keinen Widerstand auf. Durch den Transistor fließen weder ein Basis- noch ein Kollektorstrom.

Transistor nicht durchgeschaltet und nicht überbrückt: Der Transistor ist ohne Basisstrom hochohmig, die gesamte Eingangsspannung in der Höhe von 9 Volt fällt an seiner Kollektor-/Emitterstrecke ab. Es fließt kein Kollektorstrom und insgesamt kein Emitterstrom.

Alle gemessenen Werte in der Übersicht:

Transistor	simulierte Werte (mA)	gemessene Werte (mA)
durchgeschaltet: I_E	3,540	3,520
durchgeschaltet: I_B	0,305	0,306
durchgeschaltet: I_C = I_E- I_B	3,235	(berechnet) 3,214
überbrückt: I_L	3,270	3,230
nicht durchgeschaltet: I_E	0	0

I_E: Emitterstrom; I_B: Basisstrom; I_C: Kollektorstrom; I_L: Laststrom

Fazit

Ob voll durchgeschalteter Transistor oder herkömmlicher Schalter - beide eignen sich für das Schalten gleich gut, wie unsere Messergebnisse bestätigen. Auch wenn am Transistor – trotz voller Durchschaltung – ein geringer Spannungabfall an der Kollektor-/Emitterstrecke auftritt (und damit geringfügig weniger Kollektorstrom durch die LED fließt als bei der Überbrückung): Der Unterschied ist gering und wirkt sich auf das Leuchten der LED nicht sichtbar aus.

Wo sinnvoll beziehungsweise erforderlich, können wir den Transistor daher ruhigen Gewissens als vollwertigen Schalter einsetzen. Zusätzlich erhalten wir dadurch den Vorteil, den Basisstrom schaltungstechnisch beeinflussen zu können, zum Beispiel durch einen LDR (light dependent resistor), der den Basisstrom durch Lichteinfall erhöht oder verringert. Damit ließe sich unsere LED je nach Lichtverhhältnissen an oder ausschalten bzw. dimmen.