Worum es geht: Der Bipolartransistor als Schalter — wie man ihn ansteuert und wie man seinen Basiswiderstand berechnet.
Wozu du das brauchst: Ein GPIO-Pin darf rund 20 mA liefern. Ein Relais will 70 mA, ein Motörchen 300 mA, ein LED-Streifen ein Ampere. Ohne ein Bauteil dazwischen ist bei der LED Schluss — mit diesem Bauteil steuerst du beliebige Lasten mit demselben Pin.
Danach kannst du: einen Basiswiderstand rechnerisch auslegen statt zu raten, den Transistor sicher in die Sättigung bringen, und erkennen, wann er für deine Last nicht mehr reicht.
Die Grenze, an die du gestossen bist
Ein GPIO-Pin darf rund 20 mA liefern, absolut höchstens 40 mA. Das reicht für eine LED und für nichts sonst. Ein Relais will 70 mA, ein Motörchen 300 mA, ein LED-Streifen ein Ampere und mehr.
Die Lösung ist nicht ein stärkerer Pin, sondern ein zweites Bauteil: Der Pin steuert, und ein anderes Bauteil trägt den Strom. Beim Bipolartransistor heisst dieses Steuern «Basisstrom».
Der Typ, den du dafür nimmst, heisst NPN. Die drei Buchstaben beschreiben den inneren Aufbau — zwei n-leitende Schichten mit einer p-leitenden dazwischen. Für die Schaltung brauchst du davon nur eines zu behalten: Ein NPN schaltet gegen Masse und wird mit einer positiven Spannung an der Basis eingeschaltet.
Vom GPIO führt die Leitung über 470 Ω auf die Basis des Transistors — den senkrechten Balken links im Kreis. Der Emitter unten liegt an Masse, der Kollektor oben führt über die Last nach 5 V. Am Basisknoten hängt zusätzlich ein Pulldown von 10 kΩ.
Diese Anordnung heisst Low-Side-Schalter: Der Transistor sitzt zwischen Last und Masse, also auf der «unteren» Seite. Das ist die einfachere von zwei Möglichkeiten und die, die du fast immer nehmen willst — die Alternative, der High-Side-Schalter, braucht eine Ansteuerung über der Versorgungsspannung und gehört nicht in diesen Kurs.
Beachte, was hier nicht steht: Die Last hängt an 5 V, nicht an 3.3 V. Der Transistor trennt die beiden Welten, denn der Pin sieht die 5 V nie.
Der Transistor ist ein Stromverstärker
Ein Bipolartransistor macht aus einem kleinen Basisstrom einen grossen Kollektorstrom. Das Verhältnis heisst hFE (oder β):
I(C) = hFE · I(B)
Als Schalter willst du diese Beziehung aber gar nicht ausnutzen. Du willst den Transistor in die Sättigung treiben — so weit aufsteuern, dass er nicht mehr verstärkt, sondern nur noch leitet. Dann fallen über ihm nur noch etwa 0.2 V ab statt eines beliebigen Wertes.
Dafür gibst du absichtlich mehr Basisstrom, als die Rechnung verlangt. Der Faktor heisst Übersteuerung und liegt bei 5 bis 10.
hFE ist keine Bauteileigenschaft, sondern eine Kurve
Der klassische Fehler ist, den hFE-Wert aus der Kopfzeile des Datenblatts zu nehmen. Dort steht oft «hFE = 200» — gemessen bei 2 mA und bei 25 °C.
Derselbe Transistor hat bei 100 mA vielleicht noch hFE = 100, bei 500 mA noch 40. Und das ist der typische Wert; der garantierte Mindestwert liegt darunter. Ein Exemplar aus derselben Tüte kann den halben Wert haben.
Nimm hFE(min) bei dem Strom, den du wirklich schaltest. Er steht im Diagramm hinten im Datenblatt, nicht in der Übersicht vorn. Und rechne dann noch mit Übersteuerung obendrauf.
Den Basiswiderstand rechnen
Drei Schritte, jedes Mal dieselben.
1. Wie viel Basisstrom? Last 100 mA, hFE(min) bei diesem Strom = 100, Übersteuerung 5:
I(B) = 5 · 100 mA / 100 = 5 mA
2. Welche Spannung liegt über dem Widerstand? Über der Basis-Emitter-Strecke fallen rund 0.7 V ab — wie bei einer Diode, und ebenso wenig verhandelbar:
U(R) = 3.3 V − 0.7 V = 2.6 V
3. Ohmsches Gesetz.
R(B) = 2.6 V / 5 mA = 520 Ω
Die E24-Reihe kennt 510 Ω und 560 Ω. Hier ist nach unten zu runden, denn kleinerer Widerstand heisst mehr Basisstrom heisst tiefere Sättigung. 510 Ω wäre also richtig — in der Praxis greift man zu 470 Ω, weil dieser Wert in jeder Schublade liegt und noch etwas mehr Reserve gibt. Damit fliessen tatsächlich:
I(B) = 2.6 V / 470 Ω = 5.53 mA
Das sind 5.5 mA aus dem Pin — weit unter seiner Grenze, und der Sinn der ganzen Übung.
Was der Transistor selbst verbraucht
Im durchgeschalteten Zustand bleibt zwischen Kollektor und Emitter eine Restspannung stehen, U(CE,sat), typisch 0.2 V. Sie ist der Preis dafür, dass der Transistor kein perfekter Schalter ist:
P = 0.2 V · 100 mA = 20 mW
Das ist harmlos. Bei 1 A wären es schon 200 mW, und das merkt ein kleines Gehäuse. Genau hier hört der Bipolartransistor auf, die richtige Wahl zu sein — die nächste Lektion zeigt, warum ein MOSFET dort besser ist.
Der Pulldown an der Basis ist kein Zierrat
Zwischen dem Einschalten der Versorgung und dem Moment, in dem deine Firmware den Pin konfiguriert, ist der GPIO ein Eingang — also hochohmig, also offen. Was ein offener Eingang bedeutet, weisst du aus dem Grundkurs.
Ohne Pulldown ist die Basis in dieser Zeit undefiniert, und die Last kann anlaufen. Bei einer LED ist das ein Blitzen. Bei einem Motor ist es ein Ruck, bei einem Heizelement ein Problem.
Die 10 kΩ ziehen die Basis in dieser Zeit sicher auf null und stören später nicht: Sie nehmen bei 0.7 V nur 70 µA weg, gegenüber 5.53 mA aus dem Pin.
Wann es nicht mehr aufgeht
Rechne dasselbe für eine Last von 500 mA mit einem Transistor, dessen hFE(min) dort nur noch 50 beträgt, und mit Übersteuerung 10:
I(B) = 10 · 500 mA / 50 = 100 mA
Hundert Milliampere aus einem GPIO — das ist mehr als das Doppelte des absoluten Maximums. Diese Schaltung ist nicht knapp, sie ist unmöglich.
Drei Auswege:
- MOSFET statt Bipolartransistor — er braucht Spannung am Gate, keinen Dauerstrom. Nächste Lektion.
- Darlington — zwei Bipolartransistoren hintereinander, die hFE multiplizieren. Dafür fallen statt 0.2 V etwa 1 V ab, was die Verlustleistung verfünffacht.
- Treiberbaustein — etwa ein ULN2003: sieben Darlington-Schalter in einem Gehäuse, jeder mit Basiswiderstand und Freilaufdiode bereits eingebaut. Wenn du acht Relais schalten willst, ist das ein Bauteil statt vierundzwanzig.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Du schaltest 100 mA mit einem NPN, dessen hFE(min) bei diesem Strom 100 beträgt, und rechnest mit Übersteuerungsfaktor 5. Welchen Basiswiderstand brauchst du an einem 3.3-V-Pin?
2.Warum treibt man einen Transistor als Schalter absichtlich mit mehr Basisstrom, als die Verstärkung verlangt?