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Transistor als Schalter

 1. Grundlagen

Der Transistor ist ein elektrischer Schalter, der zum Schalten von kleinen Strömen geeignet ist. Als Schaltimpuls bzw. Signal benötigt er eine bestimmte Spannung die an der Basis- Emitter Strecke anliegt (UBE ). Der eigentliche Schalter ist die Kollektor-Emitter Strecke des Transistors, die bei einem gewissen Basisspannungswert niederohmig wird (R CE ).

 

Der Vergleich zwischen Transistor und mechanischen Schalter zeigt das Es vom Prinzip her dasselbe ist, nur ihre Betätigung ist unterschiedlich. Beim Transistor erfolgt das Durchschalten über eine Spannung (U BE ) und beim Schalter über eine Kraft, die die Kontakte verbindet.

2. Schalten von Lasten

2.1 Schalten von ohmschen Lasten (Widerstand)

Das Schalten von ohmscher Last mit einem Transistor ist kein Problem, wenn der Weg des Arbeitspunktes nur kurz P tot durchstreift. Dauert es allerdings länger, wird der Transistor zerstört aber dies tritt bei ohmscher Belastung eigentlich nie auf. Der Widerstand R C im Kollektorzweig der Schaltung steht für die ohmsche Belastung und der Widerstand R B sorgt für eine konstante Durchschaltspannung U BE und schütz vor zu hohen Basisströmen.

 

 

2.2 Schalten von kapazitiven Lasten (Kondensator)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bei kapazitiver Belastung befindet sich im Kollektorzweig der Schaltung noch ein Kondensator. Wichtig zu beachten ist das der Strom begrenzt wird, weil der Kondensator im Einschaltmoment wie ein Kurzschluss wirkt, und dadurch ein hoher Kurzschlussstrom fließt. Diesen Kurzschlusstrom kann man begrenzen mit dem Vorwiderstand R C , über den man die Aufladezeit bzw. den Ladestrom des Kondensators bestimmen kann. Wird der Strom nicht begrenzt, wird der Transistor durch den großen Kurzschlussstrom höchstwahrscheinlich zerstört. Dadurch das sich ein Kondensator langsam auflädt ist der Transistor natürlich länger im Bereich P tot und das führt zur thermischen Überlastungen, und das kann den Transistor zerstören.

 

2.3 Schalten induktiven Lasten (Spule)

Beim Schalten von Induktivitäten ist besonders auf das Abschaltmoment zu achten, weil beim Abschalten von Spulen hohe Abschaltspannungen entstehen, wodurch der Transistor zerstört werden kann, weil er nur eine bestimmte Spannungsfestigkeit besitzt. Um die Abschaltspannung zu begrenzen wir parallel zur Spule eine Diode geschaltet, die dafür sorgt das die Abschaltspannung begrenzt wird. Der Widerstand R C simuliert nur den Innenwiderstand einer Spule und hat weiterhin keine Bedeutung.

 

 

3. Logische Grundverknüpfungen mit Transistoren

 3.1 UND-Gatter

 

Schalter1

Schalter2

Lampe

Masse

Masse

Aus

Masse

UDC

Aus

UDC

Masse

Aus

UDC

UDC

EIN

 

1.) Wenn beide Basisschalter der Transistoren auf Masse gelegt sind, leuchtet die Lampe nicht, weil die Transistoren nicht durchgeschaltet haben und der Ausgangswiderstand der Transistoren sehr hochohmig ist.

2.) Wenn man einen Basisschalter auf High und den anderen auf Low legt, leuchtet die Lampe auch nicht, weil es eine Reihenschaltung von Transistoren ist, und der Transistor, der auf LOW gelegt ist, ist weiterhin sehr hochohmig.

3.) Beide Transistoren sind auf High gelegt, das heißt, beide Transistoren werden niederohmig, die Ausgangswiderstände werden gering, und die Lampe beginnt zu leuchten.

3.2 ODER-Gatter

 

Schalter1

Schalter2

Lampe

Masse

Masse

Aus

Masse

UDC

EIN

UDC

Masse

EIN

UDC

UDC

EIN

 

1.) Beide Basisschalter sind auf Low gelegt, das heißt, keiner der beiden Transistoren kann durchschalten. Die Lampe leuchtet nicht!

2.) Einer der beiden Basisschalter ist auf High, Transistor schaltet durch und die Lampe leuchtet. Da die Transistoren parallel sind, muss nur eine Transistor durchschalten!

3.) Beide Transistoren sind auf High gelegt, das heißt, beide Transistoren schalten durch und die Lampe leuchtet!

4. Kippstufen

4.1 Astabile Kippstufe:

 

Die astabile Kippstufe hat keinen stabilen Zustand, die kippt die ganze Zeit vom einen in den anderen Zustand. Wenn man also die Spannung über einen der Transistoren abgreift, dann erhält man ein Rechtecksignal. Deshalb wird die abstabile Kippstufe auch gerne als Reckeckgenerator benutzt und bezeichnet. Etwas besonders ist außerdem noch das die astabile Kippstufe feste Impuls- und Pausenzeiten hat, die man über die Größe des Kondensators bzw. seines Vorwiderstands und dem Basisvorwiderstand dimensionieren kann.

4.2 Bistabile Kippstufe:

 Die bistabile Kippstufe hat zwei stabile Zustände, durch das Betätigen, von einem der beiden Schalter fällt sie von einem in den anderen Zustand. Durch das Betätigen des anderen Schalters kann die Schaltung vom einem stabilen Zustand in den anderen versetzt werden.

Sobald man an die Schaltung die Betriebsspannung anlegt, schaltet ein Transistor aufgrund der Bauteileigenschaften als Erstes durch! In unserem Fall nehmen wir dann das es der Transistor V 1 ist. Die Spannung U A1 wird gering da der Ausgangswiderstand niederohmig wird, die Lampe H1 leuchtet. Wenn nun der Schalter S1 betätigt wird, passiert nichts, der Schaltzustand bleibt erhalten. Wenn allerdings der Schalter S2 geschlossen wird, schaltet Transistor V2 durch, V1 sperrt und Lampe H2 beginnt zu leuchten, dies ist dann solange der Fall bis man wieder den Schalter S1 betätigt. Für die Schaltung alleine ist es nicht möglich aus einem Schaltzustand wieder herauszukommen bzw. in einen anderen umzuschalten. Umschalten der Schaltzustände erfolgt immer über einen externen Schaltimpuls (, S2S2).

4.3 monostabile Kippstufe:

 

Die monostabile Kippstufe hat nur einen stabilen Zustand, in unserem Fall ist das dann, wenn Transistor V 1 geschaltet ist. Dies ist die Ruhelage der Schaltung, in die Sie auch immer wieder zurückfällt. Der zweite Zustand der Schaltung ist instabil und hält auch nur eine gewisse Zeit an. Der instabile Zustand wird durch das Betätigen des Schalters S1 ausgelöst, dann schaltet V 2 durch und der Kondensator C 1 beginnt sich aufzuladen. Hat der Kondensator sich bis zu einem bestimmten Spannungswert aufgeladen, schaltet der Transistor V 1 wieder durch und die Schaltung fällt in ihre Ruhelage zurück. Erst durch ein erneutes Betätigen des Schalters schaltet die Schaltung in den instabilen Zustand. Wie lange sich die Schaltung im instabilen Zustand hält, kann man über die Größe des Kondensators oder des Widerstands R 1 bestimmen.

5. Schmitt- Trigger

 

Besonderheiten an der Schaltung sind das Transistor V 1 und V 2 immer abwechselnd durchgeschaltet , und das die beiden Transistoren einen gemeinsamen Emitterwiderstand haben

Die Schmitt-Trigger Schaltung hat zwei stabile Zustände, die Ruhelage und die Arbeitslage. Die Zustände können nur über den Spannungswert der Eingangsspannung U E umgeschaltet werden. Man bezeichnet diese beiden Zustände auch als High für die Arbeitslage und Low für die Ruhelage.

.

Wenn man an dem Eingang der Schaltung eine Spannung anlegt, die die Einschaltspannung nicht überschreitet ist die Schaltung in Ruhelage, das heißt, Transistor V 2

ist nicht durchgeschaltet. Also hat die Ausgangsspannung einen geringen Spannungswert, der auch als Low bezeichnet wird, der kann beliebig sein, hängt von der Dimensionierung der Widerstände ab.

Überschreitet der Spannungswert am Eingang die Einschaltspannung, schaltet Transistor V 1 durch, und V 2 sperrt die Schaltung geht in die Arbeitslage über, in den Zustand High. Der Spannungswert des Zustandes hängt auch von der Dimensionierung der Widerstände ab, in unserem Fall ist U A = U S . Unterschreitet der Spannungswert dann wieder die Ausschaltspannung, so fällt die Schaltung in die Ruhelage zurück. Ein solches

Schaltverhalten wie die Schmitt-Trigger Schaltung bezeichnet man auch als Schalthysterese oder Schwellwertschalter. Die Spannungsdifferenz zwischen der Einschalt- und der Ausschaltspannung bezeichnet man als Hysteresespannung. Das Einsatzgebiet des Schmitt-Triggers ist hauptsächlich die Digitaltechnik, zum Regenerieren von Rechteckimpulsen oder um aus Wechselsignalen aller Art ein Rechtecksignal herzustellen.

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Transistor als Schalter
 
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