Komplementäre Transistoren

NPN- und PNP-Transistoren

Wenn wir uns mit Transistoren beschäftigt haben, haben wir meistens den BC337 betrachtet. An dieser Stelle wollen wir uns mit seinem komplementären Transistor, dem BC327, beschäftigen. Er ergänzt den BC337. Bis auf eine Ausnahme, nämlich die umgekehrte Polarität, hat er die gleichen Daten. Das sehen wir schon an den Typen. Der BC337 ist ein NPN-Transistor, der BC327 ist ein PNP-Transistor. Die Buchstaben bezeichnen die Schichten, aus denen der Transistor besteht.

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 zeigt und nicht zum Emitter.

Soweit ist es klar. Aber was ist mit der Logik?

Wenn das Gatter U1A eine logische 1 (5V) ausgibt, ist der NPN-Transistor eingeschaltet und die LED1 leuchtet.

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 U1A eine logische 0 (0V) ausgibt. Dann kann der Strom von Plus über den Emitter von Q2 zur Basis, über R4 zum Ausgang von U1A und über dessen negativen Stromversorgungs-Pin nach Minus fließen. Der PNP-Transistor schaltet ein und die LED2 leuchtet.

Im Prinzip arbeitet der PNP-Transistor genauso wie der NPN-Transistor außer, dass

• er nach Plus schaltet und

• durch eine 0 (0V) eingeschaltet wird.

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

Darlington-Schaltung

Wir können die Darlington-Schaltung für NPN-Transistoren auf PNP-Transistoren übertragen. Wir müssen nur Minus und Plus vertauschen. Ein Beispiel:

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

Interessant ist eine Schaltung, mit NPN- und PNP-Transistoren:

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 ebenfalls möglich:

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

MOSFET

Komplementäre MOSFET

Im Gegensatz zu NPN- und PNP-Transistoren sind komplementäre MOSFETs nicht erhältlich. Sie werden, wenn überhaupt, 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 ähnlich, aber nicht komplementär. Außerdem werden sie nur in winzigen SMD-Gehäusen angeboten.

In Bild 6 haben wir die beiden MOSFETs aus Bild 5 einfach miteinander verbunden 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 MOSFETs.

Wenn die Last - die beiden LEDs - am Ausgang entfernt wird, fließt kein Strom durch die beiden MOSFETs. Dennoch ist der Zustand am Ausgang eindeutig: Er ist entweder 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 Digitaltechnik geradezu revolutioniert. Die beiden MOSFETs bilden ein einfaches logisches Gatter, einen Inverter. Die Schaltung entspricht im Prinzip einem Inverter im 4049.

Für ein NAND-Gatter werden lediglich ein weiterer N-MOSFET und ein weiterer P-MOSFET geschickt verschaltet. Diese Technologie wird CMOS von "Complementary MOS" genannt. Moderne Digitaltechnik ist fast ausschließlich mit CMOS aufgebaut.

In die Gates der beiden MOSFETs fließt kein Strom. Das Gatter selbst benötigt keinen Strom. Es gibt keinen Stromverbrauch. Tatsächlich verbraucht z.B. ein 74HC00 nur wenige Nanowatt, das sind Milliardstel Watt. Unsere LEDs mit ein paar Milliwatt sind dagegen Energiefresser.

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

Ein MOSFET kann auch invers

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

Bisher haben wir angenommen, dass die Spannung zwischen Drain und Source die gleiche Polarität haben muss wie die Spannung am Gate. Die folgende Schaltung stellt dies auf den Kopf.

Die linke Schaltung mit Q1 ist der uns bekannte Betrieb eines MOSFET als Schalter. Wenn der Taster betätigt wird, leuchten die beiden LED1 und LED2.

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

Zunächst fällt auf, das die im MOSFET enthaltene (integrierte) Diode in Durchlassrichtung betrieben wird. Dadurch leuchten die Leuchtdioden LED3 und LED4 auch dann, wenn T2 offen ist. Zwischen Drain und Source von Q2 fällt nur die Flussspannung der Diode von ca. 0,6V ab. Diese Diode wird als Body-Diode bezeichnet.

• Wenn der Taster offen ist, liegt also zwischen Source und Gate eine Spannung -0,6V.

• Der N-MOSFET Q2 sperrt.

• Schließen wir den Taster, liegt eine Gate-Source-Spannung von 5V-0,6V=4,4V an.

• Der N-MOSFET Q2 leitet.

Der leitende, eingeschaltete MOSFET schließt seine Body-Diode kurz. Die Spannung an LED3, LED4 und R₄ wird höher. Durch die LEDs fließt ein höherer Strom und sie werden etwas heller.

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

Verpolungsschutz

Im Praktikum Dioden haben wir einen einfachen Verpolungsschutz kennengelernt. Diese Schaltung hatte den Nachteil, dass über der Diode ein Spannungsabfall von mehr als 0,6V auftrat.

Die Diode wird durch einen P-MOSFET ersetzt. Über die Body-Diode fließt ein Strom in den Lastwiderstand R_L. An R_L fällt dann eine Spannung ab, die fast der Eingangsspannung entspricht. Fast deshalb, weil an der Body-Diode 0,6V abfallen. Die Ausgangsspannung ist die Gate-Source-Spannung Ugs des P-MOSFET. U_gs=-U_a. Der P-MOSFET wird leitend, wenn die Gate-Source-Spannung hoch genug ist ist. Ab einer Spannung von 2,5V schließt der MOSFET IRLML6402 die Diode kurz. Dadurch wird der Spannungsabfall an der "Diode" wesentlich geringer. Er beträgt selbst bei einem Laststrom von 1,5A nur 0,05V.

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 wird falsch herum betrieben. Das ist möglich, weil MOSFETs in beide Richtungen leiten.

• Der Verpolungsschutz mit IRLML6402 darf mit maximal 12V betrieben werden.

• Der IRLML6402 kann mit bis zu 1,5A belastet werden.

• Eine komplementäre Schaltung kann mit dem N-MOSFET IRLML6244 aufgebaut werden. Er wird in die Minus-Leitung eingebaut.

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.

Schichten

Die Bezeichnungen NPN und PNP beschreiben den Aufbau der Transistoren. Sie bestehen aus drei Schichten. NPN-Transistoren bestehen aus zwei N-Schichten mit einer P-Schicht dazwischen. PNP-Transistoren haben eine N-Schicht zwischen zwei P-Schichten. Da NPN- und PNP-Transistoren aus zwei verschiedenen Arten von Schichten bestehen, werden sie als bipolar bezeichnet.

N-MOSFETs haben nur eine Schicht, die N-Schicht, P-MOSFETs haben eine P-Schicht. Da MOSFETs nur aus einer Art von Schichten bestehen, 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

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