NPN + LED
Ein kleines Signal übernimmt.
Steuere den LED-Strom mit einem kleinen Basisstrom.
- NPN · NPN-Transistor
- n-type / p-type / n-type. N–P–N bezeichnet drei Halbleiterbereiche: n-Typ, p-Typ, n-Typ. Die Mehrheitsträger sind Elektronen im n-Typ und Löcher im p-Typ. Hier steuert ein kleiner Basisstrom den LED-Strom.
- LED · Leuchtdiode
- Light-emitting diode. Ein Halbleiterbauteil, das bei Strom in Durchlassrichtung Licht aussendet. In dieser Schaltung begrenzt ein Widerstand den Strom.
EXPERIMENTIERTISCH
Ändere die Schaltungseinstellungen, sage die Messwerte voraus und prüfe eine Aufgabe. Dies sind Lernmodelle; die Annahmen werden in jeder Lektion erklärt.
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Zwei Strompfade.
NPN-Modell: Verstärkung 100, VBE 0,7 V, Sättigung VCE 0,2 V, LED 2 V. Angenommene Werte.
Basisstrom: Rb und B–E. Kollektorstrom: Rc, LED und C–E. In Sättigung begrenzt Rc den Strom.
Schwierigkeit
Aufbauen · Licht einschalten
Versorgung und Basissignal einschalten. LED-Strom 5–20 mA.
Brauchst du einen Tipp?
Rb = 10 kΩ, Rc = 330 Ω.
Erforschen · Licht ausschalten
Versorgung anlassen, Basissignal ausschalten. LED-Strom muss null sein.
Brauchst du einen Tipp?
Der Basistreiber schaltet zwischen 5 V und 0 V.
Selbst lösen · Effizient steuern
Basissignal an: Sättigung, 8–12 mA, Basisstrom ≤0,20 mA.
Brauchst du einen Tipp?
Rb = 33 kΩ, Rc = 330 Ω. Reale Schaltungen brauchen Verstärkungsreserve.
Zusatzwissen und Schaltungsrezepte
Kleines Signal, eigener Leistungspfad
Ein kleiner Basisstrom eines NPN steuert den Kollektorstrom. Die LED erhält Energie aus der Versorgung. Das Basissignal steuert den Pfad, erzeugt aber keine Energie. Hier beginnt elektronische Steuerung.
Ib ≈ (Vin − 0.7) / Rb; Ic ≤ (5 − 2 − 0.2) / Rc
Rb = 10 kΩ liefert etwa 0,43 mA Basisstrom. Rc = 330 Ω begrenzt den gesättigten LED-Strom auf etwa 8,48 mA. Die Kollektor-Emitter-Spannung beträgt im Modell etwa 0,2 V.
Verstärkung ist kein Versprechen
Das Modell nutzt im aktiven Bereich eine Verstärkung von 100. Reale Werte hängen von Bauteil, Strom und Temperatur ab. Ein zuverlässiger Schalter braucht Reserve.
Mehr Eingang hilft irgendwann nicht mehr
In Sättigung bestimmen vor allem LED-Widerstand und Versorgung den Strom. Mehr Basisstrom vervielfacht den LED-Strom dann nicht weiter mit Faktor 100.
Masse ist der gemeinsame Bezug
Eine separate Signalquelle braucht den passenden gemeinsamen Bezug mit der Schaltung. Sonst sind „5 V am Eingang“ für den Transistor möglicherweise bedeutungslos.
Eine typische Falle vermeiden
Motor oder Relais sind keine große LED. Induktive Lasten können beim Abschalten hohe Spannungen erzeugen. Der Treiber braucht geeigneten Freilaufschutz und ausreichende Strombelastbarkeit. Dieser Schutz wird hier nicht simuliert.
Der Transistor ist bereits gesättigt. Du verkleinerst Rb. Der LED-Strom…
- muss sich verdoppeln
- wird vor allem durch Rc begrenzt
- wird null
Weiterlesen
Der Basisstrom steigt, aber Rc und die verfügbare Spannung begrenzen bereits den Kollektorstrom.
Signalgesteuerte Anzeige
Schalte das Basissignal aus und ein. Beobachte beide Ströme.
Etwa 0,43 mA steuern etwa 8,48 mA. Die Ströme fließen auf verschiedenen Wegen.
Weniger Ansteuerung, gleiches Licht?
Verringere den Basisstrom bei gleichem Rc.
Etwa 0,091 mA reichen im idealen Modell mit Verstärkung 100 noch zur Sättigung. Für eine reale Schaltung ist das keine Garantie.