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Praktische Elektronik


Wir lernen, was NPN und PNP sowie komplementäre Transistoren sind.

Ein Verpolungsschutz mit MOSFET wird vorgestellt.


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Praktikum

Transistoren

Komplementäre Transistoren

Inhalt


Komplementäre Transistoren

Transistoren

Wenn wir uns mit Transistoren beschäftigt haben, haben wir meistens den BC337 im Blick gehabt. An dieser Stelle wollen wir uns mit seinem Komplementär ;-) beschäftigen, dem BC327 . Er ergänzt den BC337. Er hat identische Daten bis auf eins, seine Polarität ist umgedreht. Das sehen wir schon an den Typen. Der BC337 ist ein NPN-Transistor, der BC327 ein PNP-Transistor. Die Buchstaben bezeichnen die Schichten aus denen der Transistor besteht.

Transistor-NPN-PNP.png
Bild 1: NPN- und PNP-Transistoren

Die obige Schaltung zeigt links die uns bekannte Schaltung mit einem Transistor als Schalter. Der rechte Teil sieht fast genauso aus, nur spiegelverkehrt. Nicht ganz: die LED2 zeigt auch nach Minus. Der BC327 hat einen Pfeil im Emitter, der zur Basis und nicht zum Emitter zeigt.

Soweit ist es klar. Aber wie sieht das mit der Logik aus?

Wenn das Gatter IC1A eine logische 1 ausgibt, wird der NPN-Transistor eingeschaltet und es leuchtet die LED1.

Der PNP-Transistor ist jedoch ausgeschaltet und die LED2 leuchtet nicht. Ein PNP Transistor wird durch einen Basisstrom eingeschaltet, der von seinem Emitter aus über die Basis nach Minus fließt. Das ist der Fall, wenn IC1A eine logische 0 ausgibt. Dann kann der Strom von Plus über den Emitter von Q2 zur Basis und R3 den Ausgang von IC1A zu dessen negativen Stromversorgungs-Pin nach Minus fließen. Der PNP-Transistor schaltet ein und die LED2 leuchtet.

Eigentlich arbeitet der PNP-Transistor genauso wie der NPN-Transistor außer, dass

  • er nach Plus schaltet und
  • durch eine 0 eingeschaltet wird.

Die Ströme und Spannungen eines PNP-Transistors werden mit negativem Vorzeichen geschrieben. Der Basisstrom fließt aus der Basis des PNP-Transistors ebenso heraus wie sein Kollektorstrom. Die Spannung zwischen Basis und Emitter ist negativ, aber wie beim NPN-Transistor 0,6V eben -0,6V.

Wir können die Schaltungen für NPN-Transistoren auf PNP-Transistoren übertragen. Es müssen nur Minus und Plus vertauscht werden. Als Beispiel eine Darlington-Schaltung:

Transistor-NPN-PNP2.png
Bild 2: Darlington-Schaltung mit PNP-Transistoren

Die Werte der Darlington-Schaltung für PNP sind mit der für NPN identisch. Nur die Polarität hat sich geändert.

Interessant ist eine Schaltung, die NPN- und PNP-Transistoren verwendet:

Transistor-NPN-PNP3.png
Bild 3: NPN-Transistor mit PNP-Treiber

Hier hat sich nur die Polarität des Treibers geändert.

  • Eine Schaltung mit einem NPN-Treiber und einem PNP-Leistungsschalter aufzubauen, ist ein interessanter Versuch.

Eine Darlington-Schaltung mit gemischten NPN- und PNP-Transistoren ist auch möglich:

Transistor-NPN-PNP4.png
Bild 4: PNP-Komplementär-Darlington

Der erste Transistor bestimmt die Art der Darlington-Schaltung. Die Schaltung in Bild 4 ist insofern interessant, als ein PNP-Darlington mit einem meisten preisgünstigem NPN-Leistungstransistor aufgebaut werden kann.

Komplementäre Transistoren

Der BC337 und BC327 haben weitgehend übereinstimmende Eigenschaften. Nur die Polarität der Ströme und Spannungen sind beim PNP-Typ BC327 mit negativem Vorzeichen versehen. Sie weichen zwischen einem NPN- und PNP-Typ nicht mehr von einander ab als auch zwei Transistoren vom gleichen Typ abweichen. NPN- und PNP-Transistoren mit derartig vergleichbaren Eigenschaften werden als zu einander komplementär bezeichnet.

Nicht jeder NPN-Transistor ist zu einem PNP-Transistor komplementär. Es gibt eine ganze Reihe von komplementären Typen. BC337 und BC327 sind ein Beispiel.

MOSFET

MOSFET gibt es auch mit zwei Polaritäten. Es gibt N-MOSFET und P-MOSFET. Der 2N7000 ist beispielsweise ein N-MOSFET.

MOSFET-N-P.png
Bild 5: MOSFET von N- und P-Typ

Wie bei NPN- und PNP-Transistoren ist alles identisch bis auf die Polarität und natürlich die Pfeile in den Symbolen.

Komplementäre MOSFET

Komplementäre MOSFETs gibt es nicht in der Weise wie bei NPN- und PNP-Transistoren. Sie werden meistens nur auf einem Chip im gemeinsamen Gehäuse angeboten.

Für unsere Zwecke können wir den N-MOSFET IRLML6244 und den P-MOSFET IRLML6402 verwenden. Ihre Daten sind zwar ähnlich, aber sie sind nur eingeschränkt komplementär. Sie werden außerdem nur im winzigen SMD-Gehäuse angeboten.

CMOS

MOSFET-CMOS.png
Bild 6: CMOS-Inverter

In Bild 6 haben wir die beiden MOSFET aus Bild 5 einfach zusammengeschlossen und die Last an den gemeinsamen Ausgang gelegt. Bei einer 1 an den Gates leitet Q1 und LED1 leuchtet. Bei einer 0 leitet Q2 und LED1 leuchtet. Es leitet immer nur einer der beiden MOSFET.

Wenn die Last - die beiden LEDs - am Ausgang entfernt wird, fließt kein Strom über die beiden MOSFET. Aber dennoch ist der Zustand am Ausgang eindeutig: Entweder ist er 0, wenn Q1 leitet oder 1, wenn Q2 leitet.

Ein Gate des 4049 oder 74HC00 würde diesen Zustand eindeutig erkennen.

Die Schaltung in Bild 6 hat die Digital-Technik geradezu revolutioniert. Die beiden MOSFET bilden ein einfaches logisches Gatter, einen Inverter. Die Schaltung stimmt im Prinzip mit einem Inverter im 4049 überein.

Für ein NAND-Gatter werden nur je ein weiterer N- und P-MOSFET geschickt verschaltet. Diese Technologie nennt sich CMOS von complementary MOS. Moderne Digital-Technik ist fast ausschließlich mit CMOS aufgebaut.

In die Gates der beiden MOSFET fließt kein Strom. Das Gatter selbst braucht keinen Strom und dessen Eingang auch nicht. Wir haben keinen Stromverbrauch. Tatsächlich braucht z.b. ein 74HC00 nur ein paar Nanowatt, das sind milliardstel Watt. Unsere LEDs mit ein paar Milliwatt sind dagegen Energiefresser.

Warum werden dann unsere Computer so heiß? Wenn CMOS-Gatter schaltet, fließt jedes Mal eine winzige Menge Strom. Die CPUs von Computern schalten sehr oft, über Milliarden mal in der Sekunde (GHz) und enthalten Milliarden von Gattern.

MOSFET kann auch invers

Ein N-MOSFET wird mit einer positiven Spannung zwischen Gate und Source eingeschaltet. Ein P-MOSFET mit einer negativen Spannung.

Wir sind bisher davon ausgegangen, dass die Spannung zwischen Drain und Source die gleiche Polarität wie am Gate hat. Die folgende Schaltung stellt das auf den Kopf.

MOSFET-invers.png
Bild 7: Normal und invers betriebener MOSFET

Die linke Schaltung mit Q1 ist der uns bekannte Betrieb eines MOSFET als Schalter. Wenn der Taster betätigt wird leuchten die beiden LED.

Bei der rechten Schaltung sind bei Q2 lediglich Source und Drain vertauscht.

Zunächst fällt auf, das die im MOSFET enthaltene (integrierte) Diode in Durchlassrichtung betrieben wird. Die Leuchtdioden werden also leuchten. Zwischen Drain und Source fällt die Flussspannung der Diode, d.h. etwa 0,6V ab. Diese Diode wird Body-Diode genannt.

  • Wenn der Taster offen ist, liegt damit zwischen Source und Gate eine Spannung -0,6V.
  • Der N-MOSFET sperrt.
  • Schließen wir den Taster, liegt eine Gate-Source-Spannung von 5V-0,6V=4,4V an.
  • Der N-MOSFET leitet.

Der leitende, eingeschaltete MOSFET schließt die Diode kurz. Die Spannung an LED3, LED4 und R3 wird höher. Durch die LEDs fließt ein höherer Strom und sie werden heller.

Inverser Betrieb

Die Spannung zwischen Drain und Source ist negativ.

Dennoch schaltet der MOSFET.

Wir sagen: Der MOSFET wird invers betrieben.

Image

Versuch

Die Schaltung in Bild 7 ist sehr einfach aufzubauen.

Wir bauen nur die linke Schaltung auf. Für die rechte drehen wir einfach den 2N7000 um.

Auf den ersten Blick erscheint die Schaltung sinnlos. Es wird lediglich eine bereits leitende Diode kurzgeschlossen. Wie wir in der nächsten Schaltung sehen werden, hat dieser Kurzschluss einen durchaus positiven Effekt.

Verpolungsschutz

Wir haben in dem Praktikum Dioden einen einfachen Verpolungsschutz kennengelernt. Dieser Schaltung hatte den Nachteil eines Spannungsabfalls von über 0,6V über die Diode.

Verpolungsschutz-MOSFET.png
Bild 8: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

Die Diode wird durch einen P-MOSFET ersetzt. Über die Body-Diode fließt ein Strom in den Lastwiderstand RL. An RL fällt dann eine Spannung ab, die fast der Eingangsspannung entspricht. Fast, weil an der Body-Diode 0,6V abfallen. Die Ausgangsspannung ist die Gate-Source-Spannung Ugs des P-MOSFET. Ugs=-Ua. Damit wird der P-MOSFET leitend, wenn die Gate-Source-Spannung hoch genug ist ist. Ab Spannungen von 2,5V schließt der MOSFET IRLML6402 die Diode kurz. Der Spannungsabfall an der "Diode" wird dadurch viel geringer. Es treten auch bei einem Laststrom von 1,5A um 0,05V auf.

Bei einer negativen Eingangsspannung sperrt einerseits die Body-Diode und andererseits wird der P-MOSFET durch eine positive Gate-Source-Spannung gesperrt: Die "Diode" sperrt. Unser Verpolungsschutz funktioniert.

Der MOSFET ist falsch herum gepolt. Das ist möglich, weil MOSFETS in beide Richtungen leiten.

  • Der Verpolungsschutz mit IRLML6402 darf mit maximal 12V betrieben werden.
  • Der IRLML6402 kann bis zu 1,5A eingesetzt werden.
  • Eine komplementäre Schaltung kann mit dem N-MOSFET IRLML6244 aufgebaut werden. Er wird in die Minus-Leitung eingebaut.
Attention attention

Keine Dioden-Wirkung

Der Verpolungsschutz darf nicht als Ersatz für Dioden verwendet werden.
Wenn am Ausgang ein Akku liegt, dann hat dieser Verpolungsschutz keine Dioden-Wirkung.
Siehe: Ideale Diode.

High-side und Low-side

  • Ein High-side-Schalter schaltet nach Plus.
  • Ein Low-side-Schalter schaltet nach Minus.

Ein High-side-Schalter wird meistens durch einen PNP-Transistor oder P-MOSFET realisiert. Ein Low-side-Schalter wird meistens durch einen NPN-Transistor oder N-MOSFET realisiert.

Regeln

  • Mit NPN-Transistoren und N-MOSFET werden Lasen an Minus geschaltet.
  • Mit PNP-Transistoren und P-MOSFET werden Lasten an Plus geschaltet.
  • Bei NPN-Transistoren und N-MOSFET haben Ströme und Spannungen negative Werte.
  • Bei PNP-Transistoren und P-MOSFET haben Ströme und Spannungen negative Werte.
  • Komplementäre Transistoren haben identische Eigenschaften mit umgekehrter Polarität.
  • NPN- und PNP-Transistoren lassen sich hintereinander schalten, um höhere Lasten zu bewältigen.
  • Komplementär-Darlington-Schaltungen verbinden je einen PNP- und NPN-Transistor unmittelbar miteinander, um höhere Lasten zu bewältigen.
  • Bei CMOS werden zwei komplementäre MOSFET so miteinander verschaltet, dass immer nur einer leitend ist.
  • Ein MOSFET kann invers betrieben werden. Die Drain-Source-Spannung wird negiert. Die Gate-Source-Spannung nicht. Wenn er einschaltet, schießt er seine Body-Diode kurz.

Schichten

Die Bezeichnung NPN und PNP beschreibt wie die Transistoren aufgebaut sind. Sie bestehen aus drei Schichten. NPN-Transistoren aus zwei N-Schichten mit einer P-Schicht dazwischen. PNP-Transistoren haben eine N-Schicht zwischen zwei P-Schichten. Weil NPN- bzw. PNP-Transistoren aus zwei verschiedenen Schichtarten bestehen, werden sie als bipolar bezeichnet.

N-MOSFET haben nur eine Schicht, nämlich N. Bei P-MOSFET ist es eine P-Schicht. Weil MOSFETs nur eine Schichtart enthalten, werden sie als unipolar bezeichnet.

Wir werden uns nicht weiter mit diesen Schichten und der Physik dahinter beschäftigen.

Bei Wikipedia gibt es ein schönes Bild eines Transistors und eine Beschreibung von Transistoren, die halbe Leitungen mit Löchern für Elektronen enthalten :-)

Attention ;-)

Schichten-Kalauer

Schichten kennen wir von ominösen Schnitzeln, die es an manchen Imbissen gibt:

PNP-Schnitzel, Panade - Nichts - Panade.
NPN-Schnitzel gibt es natürlich auch.