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Transistoren Grundlagen

Transistoren benutzt man in digitalen Schaltungen, um große Lasten (Lampen, Motoren, ...) mit schwachen Steuersignalen zu schalten. In der Welt von analogen Schaltungen verwendet man Transistoren auch als Verstärker, aber dieser Artikel beschränkt sich auf digital schaltende Anwendungen, wo nur die Zustände "an" und "aus" vorgesehen sind.

Dieser Artikel setzt Grundlagen-Kenntnisse zu Strom, Widerstand, Dioden und Kondensatoren voraus.

In den Schaltplänen benutze ich das Symbol der Glühlampe als Stellvertreter für die Last, die der Transistor schalten soll. Überall wo ich 3,3 Volt hingeschrieben habe, kann man auch 5 Volt verwenden ohne Bauteile zu ändern.

Bipolare Transistoren

Bipolare Transistoren können mit einem geringen Steuerstrom größere Lasten schalten. Sie eignen sich für Steuerspannungen ab ca. 1 Volt. Mit der Bauart NPN kann man den Minus-Pol schalten, und mit der Bauart PNP kann man den Plus-Pol schalten.

Die Basis (B) ist der Steuereingang und der Kollektor (C) ist der Ausgang, wo die Last angeschlossen wird. Der Emitter (E) gehört an die Stromversorgung. So benutzen wir diese beiden Transistoren:

Zwischen Basis und Emitter liegt im Transistor eine Diode. Wenn ein richtig herum gepolter Strom durch diese Diode fließt, schaltet der Transistor ein und lässt einen viel größeren Laststrom vom Kollektor zum Emitter fließen.

Der Steuerstromkreis beginnt bei der 1,2 V Batterie, geht über den 220 Ω Widerstand in die Basis des Transistors und kehrt über dessen Emitter wieder zurück zur Batterie. Auf der rechten Seite beginnt der Last-Stromkreis bei der Batterie, geht über die Glühlampe in den Kollektor des Transistors und kehrt über den Emitter wieder zurück zur Batterie. Der Emitter ist also doppelt belegt.

Für erste Versuche empfehle ich diese Transistoren:

Modell	Typ	Verstärkung bei 100 mA Last	max. Spannung UCE	max. Strom ICE
BC337-40	NPN	250 - 600	45 V	500 mA
BC327-40	PNP	250 - 600	45 V	500 mA

Höher belastbare Transistoren haben einen geringeren Verstärkungsfaktor. Deswegen nimmt man zum Schalten höherer Ströme meistens MOSFET Transistoren.

Steuerstrom

Je größer der Steuer-Strom durch die Basis ist, umso mehr Last-Strom lässt der Transistor durch den Kollektor fließen. Das Verhältnis dieser Ströme ist der Verstärkungsfaktor, kurz HFE oder β. Der Verstärkungsfaktor nimmt allerdings mit zunehmender Stromstärke ab. Siehe dazu die schwarze Kurve im folgenden Diagramm:

Achtung: Diese Diagramme stellen immer nur den typischen Fall dar. Der Verstärkungsfaktor unterliegt starken Material-Streuungen. Zur Verdeutlichung habe ich den geschätzten Kurvenverlauf für die beiden Extremfälle in blau hinzugefügt.

Die Stärke des Steuerstroms wird normalerweise durch einen Widerstand vor der Basis festgelegt. Dazu muss man noch wissen, dass an der Basis-Emitter Strecke (Diode) von gewöhnlichen Transistoren etwa 0,7 V abfallen. Nun können wir den Steuerstrom ausrechnen:

Verlustleistung

Der Laststrom bewirkt, dass am Transistor (zwischen Kollektor und Emitter) Spannung verloren geht und dass der Transistor deswegen warm wird. Man reduziert die Verluste deutlich, indem man den Transistor dreifach übersteuert. Dass heißt, man steuert ihn mit drei mal soviel Strom an, als gemäß dem Verstärkungsfaktor rein rechnerisch nötig wäre.

Mit den oben genannten BC327/337-40 kann man problemlos Lasten bis 200 mA schalten:

• Der Verstärkungsfaktor beträgt im ungünstigsten Fall etwa 200
• Laststrom durch Verstärkungsfaktor geteilt ist: 200 mA / 200 = 1 mA
• Mit dreifacher Übersteuerung ist der benötigte Steuerstrom: 3 · 1 mA = 3 mA

Das passt prima zu jedem beliebigen Mikrocontroller. Anders sieht es aus, wenn wir die maximal zulässigen500 mA des Transistors ausreizen wollten:

• Der Verstärkungsfaktor beträgt im ungünstigsten Fall nur noch 40
• Laststrom durch Verstärkungsfaktor geteilt ist: 500 mA / 40 = 12,5 mA
• Mit dreifacher Übersteuerung ist der benötigte Steuerstrom : 3 · 12,5 mA = 37,5 mA

So viel Strom ist realistisch betrachtet aus keinem Mikrocontroller heraus zu holen.

Es gibt größere bipolare Transistoren für höhere Ströme, allerdings haben sie noch kleinere Verstärkungsfaktoren und hohe Verlustleistungen. Sie wurden daher inzwischen weitgehend durch die moderneren MOSFET Transistoren abgelöst.

Ausgänge mit NPN Verstärken

Die Ausgänge von Mikrocontrollern sind stark genug, um einzelne Leuchtdioden anzusteuern. Aber für Glühlampen, Motoren, Relais, usw. benötigen Sie Verstärkung durch Transistoren. Hierzu eignen sich sowohl bipolare, als auch MOSFET Transistoren.

Der BC337-40 eignet sich prima für Lasten bis zu 45 Volt und 0,2 Ampere. Wenn der Ausgang des Mikrocontrollers einen High-Pegel liefert, schaltet der Transistor durch, so dass die Lampe leuchtet. Die hier gezeigte Schaltung eignet sich für Lasten bis ca. 150 mA. Für höhere Stromstärken müsste man den Widerstand verringern.

Freilaufdiode

Wenn die Last eine Spule enthält (wie z.B. bei einem Relais oder Motor), brauchst du eine sogenannte Freilauf-Diode.

Die Diode wird in dem Moment wirksam, wo der Transistor abschaltet. Die Spule erzeugt dabei nämlich einen sehr kurzen aber hohen Spannungsimpuls mit umgekehrter Polarität, welcher ohne Schutzvorkehrung den Transistor zerstören würde. Durch die Freilauf-Diode wird der Impuls kurzgeschlossen.

Wenn der Transistor pulsierend geschaltet wird, muss die Diode den vollen Laststrom aushalten können. Außerdem muss die Diode für die Schaltfrequenz geeignet sein. Für kleine Ströme bis 200 mA empfehle ich die 1N4148. Diese Diode ist schnell und billig. Für größere Ströme bis 1A verwendet ich die 1N5819.

Relais

Relais sind eine einfache und fast narrensichere Lösung, um Lasten mit beliebiger Spannung und Strom zu schalten. Relais enthalten eine Magnet-Spule, die einen oder mehrere mechanische Schalt-Kontakte betätigt. Sie können allerdings nur langsam umschalten, in der Regel nicht viel schneller als 5 mal pro Sekunde.

Bei Wikipedia ist die Funktionsweise von Relais sehr schön beschrieben. Im Klipp-Klapp Tutorial habe ich eine weitere detaillierte Beschreibung von Relais mit zahlreichen Anwendungsbeispielen.

Relais kannst du nicht direkt mit Mikrocontrollern ansteuern, weil ihre Spulen zu viel Strom aufnehmen. Du benötigst zur Verstärkung immer einen Transistor und eine Freilaufdiode.

Für Relais bis maximal 200 mA Spulenstrom kannst du den Transistor BC337-40 mit einem Vorwiderstand von 1 kΩ verwenden. Als Freilaufdiode taugt hier jede normale Siliziumdiode.

Achte beim Kauf auf die Spulen-Spannung und Belastbarkeit der Kontakte. Bei Anschluss an das 230V Netz ist auch die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Isolation wichtig. Kurz gesagt: Geräte mit Netz-Stecker müssen auf 2500 Volt isolieren, Geräte ohne Netz-Stecker müssen auf 4000 Volt isolieren. Quellen:

• § 49 EnWG Abs. 1 und 2
• Überspannungskategorienin der VDE-Norm DIN EN 60664-1 VDE 0110-1
• Installationsvorschriften für Überspannungsschutzeinrichtungen
• Verstehen der IEC-Überspannungskategorien

Die Relais der rechts gezeigten Bauart eignen sich in der Regel nicht für unser 230 V Netz, da sie nur auf 1500 V isolieren. Kleinspannung aus einem Netzteil darfst du damit schalten.

Ausgänge mit PNP Verstärken

PNP Transistoren benutzt du, wenn der Plus-Pol geschaltet werden muss. Solange die zu schaltende Spannung mit der Versorgungsspannung des Mikrocontrollers identisch ist, geht das ganz einfach:

Wenn der Ausgang des Mikrocontrollers einen Low-Pegel liefert, schaltet der Transistor durch, so dass ein Laststrom fließen kann. Die hier gezeigte Schaltung eignet sich für Lasten bis ca. 150 mA. Für höhere Stromstärken müsste man den Widerstand verringern.

Meistens ist die zu schaltende Spannung allerdings viel höher, als die des Mikrocontrollers. Zum Beispiel 12 Volt. In diesem Fall kommst du nicht umhin, zwei Transistoren zu kombinieren.

Der erste Transistor ermöglicht uns, eine höhere Spannung zu schalten. Sein Kollektor verträgt bis zu 45 V. Es gibt natürlich andere Transistoren die noch mehr Spannung vertragen. Der zweite Transistor schaltet den Laststrom. Den Widerstand R2 musst du an den maximal erwarteten Last-Strom anpassen. Die gezeigten 1 kΩ reichen bei 12V für Lasten bis ca. 350 mA aus. Für den Widerstand R1 kannst du einfach immer 4,7 oder 10 kΩ verwenden.

Generell gilt: Wenn die Last eine Spule enthält (wie z.B. ein Relais oder ein Motor) benötigt man eine Freilaufdiode.

MOSFET Transistoren

Der MOSFET Transistor benötigt keinen Steuerstrom, sondern lediglich eine Spannung. Mit der N-Kanal Variante kann man den Minus-Pol einer Last schalten. Mit einem P-Kanal MOSFET kann man den Plus-Pol schalten.

Das Gate (G) ist der Steuereingang und Drain (D) ist der Ausgang für den Laststrom. Der Source (S) Anschluss gehört an die Stromquelle. So verwenden wir MOSFET Transistoren:

Im MOSFET befindet sich ein kleiner Kondensator zwischen Gate und Source. Wenn dieser mit mit einer richtig herum gepolten Spannung aufgeladen wird, schaltet der Transistor ein. Wenn du die Batterie weg nimmst, bleibt der Kondensator noch lange geladen, so dass der Transistor eingeschaltet bleibt. Du musst ihn aktiv entladen, um ihn aus zu schalten:

Für erste Experimente empfehle ich diese Transistoren:

Modell	Typ	Gehäuse	Ladung QG	max. Spannung UDS	Innenwiderstand RDS 1	max. Leistung P 2	max. Strom IDS 3
IRF3708 4	N	TO220	24 nC	30 V	50 mΩ bei 2,8 V 23 mΩ bei 4,5 V	26 W	22 A 33 A
IRL3705N	N	TO220	98 nC	55 V	32 mΩ bei 4,0 V 18 mΩ bei 10 V	32 W	32 A 42 A
IRLML6344	N	SOT23	6,8 nC	30 V	63 mΩ bei 2,5 V 49 mΩ bei 4,5 V	1,1 W	4,1 A 4,7 A
NDP6020P 4	P	TO220	25 nC	20 V	108 mΩ bei 2,7 V 77 mΩ bei 4,5 V	22 W	14 A 17 A
IRF4905	P	TO220	180 nC	55 V	34 mΩ bei 10 V	34 W	31 A
IRLML2244	P	SOT23	6,9 nC	20 V	123 mΩ bei 2,5 V 70 mΩ bei 4,5 V	1,1 W	3 A 4 A

1. Ich habe Innenwiderstand, Leistung und Strom bei 150 °C am Kristall berechnet.
2. Die maximale Verlustleistung gilt für 40 °C Umgebungstemperatur mit einem sehr großen Kühlkörper:
   • TO220: mit 2 K/W Kühlkörper (ohne Kühlkörper nur 1 Watt)
   • SOT23: mit 1 Quadratzoll (6,5 cm²) Kupferfläche an Drain (ohne Kupferfläche nur 0,25 Watt)
3. Der maximale Strom ergibt sich aus der maximalen Verlusteistung und dem Innenwiderstand:
4. Die Markenhersteller produzieren MOSFET für weniger als 4 V nur noch in SMD. Chinesische Händler bieten nachgemachte Transistoren an, zum Beispiel die IRF3708 und NDP6020 von VBsemi. Oft werden sie mit gefälschten Hersteller-Logos bedruckt als "Original" angepriesen. Diese Transistoren haben erfahrungsgemäß einen etwas höheren R_DS und vertragen dem entsprechend weniger Strom.

Bedenke bei den kleinen SMD Transistoren, dass ihre kurzen Beine und die Lötstellen mechanischem Stress ausgesetzt sind, wenn sie heiß werden. Es ist daher ratsam, sie nicht maximal zu belasten.

Statische Ladungen

Das Gate ist empfindlich gegen Überspannung. Die meisten MOSFET vertragen höchstens 10 oder 20 Volt am Gate, manche sogar noch weniger. Statische Ladung auf deiner Körperoberfläche kann zur Zerstörung des MOSFET führen. Darum solltest du deinen Körper immer entladen, bevor du MOSFET anfasst.

Du kannst deinen Körper entladen, indem du die Metallfläche eines Heizkörpers oder Wasserhahn anfasst. Es ist in diesem Sinne auch vorteilhaft, einen hölzernen Arbeitstisch mit unlackierter Oberfläche zu verwenden und auf das Tragen von Kleidung aus Kunststoff (Nylon, Polyester, Polyamid, Polyacryl, alles mit Poly...) zu verzichten. Das betrifft auch die Schuhe.

Steuerspannung

In diesem Absatz erkläre ich die markierten Angaben aus dem Datenblatt des IRL3705N.

Im rosa umrahmten Block gibt der Hersteller den Innenwiderstand bei unterschiedlichen Steuerspannungen an. Daraus ergibt sich, das dieser Transistor für Steuerspannungen ab 4 Volt aufwärts vorgesehen ist.

Die "Gate Threshold Voltage" darunter ist die Schwelle, ab welcher der Transistor zu leiten beginnt. Um richtig durch zu schalten brauchen MOSFET jedoch etwa die doppelte Steuerspannung.

Transistoren schalten nicht schlagartig an/aus wie Relais, sondern es sind analoge Bauteile mit fließendem Übergang zwischen an und aus. Je höher die Steuerspannung ist, umso mehr Strom kann fließen. Das wird in folgendem Diagramm (in schwarz) dargestellt:

Gemäß der 25°C Kurve lässt dieser Transistor bei 3 Volt Steuerspannung typischerweise 20 Ampere durch. Typischerweise heißt jedoch nicht "Garantiert".

Die "Gate Threshold Voltage" kann laut Datenblatt zwischen 1 Volt und 2 Volt variieren, so dass sich diese Kurve entsprechend nach links oder rechts verschiebt. Meine Schätzung für den schlechteren Fall bei 25°C habe ich in blau eingezeichnet. Wenn du Pech hast, lässt dein IRL3705N bei 3 Volt Steuerspannung nur 3 Ampere fließen. Genau genommen darf es sogar noch weniger sein, denn in diesem Bereich ist nichts garantiert.

Der Versuch, mehr Strom fließen zu lassen, als der Transistor zulässt, führt zu einem erhöhten Innenwiderstand und Spannungsabfall, wodurch der Transistor heiß wird.

Schauen wir uns zum Vergleich den IRLML6344 an:

Sein Innenwiderstand ist ab 2,5 Volt Spezifiziert und die "Gate Threshold Voltage" liegt zwischen 0,5 und 1,1 Volt. Wieder habe ich den worst case in blau eingezeichnet:

Mit 3 Volt schaltet der IRLML6344 ganz sicher voll durch.

Verlustleistung wegen R_DS

MOSFET haben in voll durchgeschaltetem Zustand einen Innenwiderstand (R_DS) von weniger als 200 mΩ. Der Wert hängt ein bisschen von der Steuerspannung ab und steigt an, wenn der Transistor heiß wird.

Wenn du den Laststrom mit dem Innenwiderstand multiplizierst, erhältst du die Verlust-Spannung: U_DS = R_DS · I_DS

Wenn du die Verlustspannung mit dem Strom multiplizierst, erhält du die Verlustleistung: P = U_DS · I_DS

Der IRLML6344 hat bei 25 °C und 2,5 Volt Steuerspannung einen Innenwiderstand von maximal 37 mΩ. Bei einem Laststrom von 2 Ampere verheizt der Transistor demnach 0,074 Watt. Dabei wird er warm, so dass der Innenwiderstand steigt und die Verlustleistung größer wird. Bei den maximal zulässigen 150 °C sind es dann schon 63 mΩ und 0,252 Watt.

Verlustleistung wegen Q_G

Der große Nachteil von MOSFET Transitoren ist ihre hohe Gate-Kapazität. Sie ist typischerweise 100 mal größer, als bei bipolaren Transistoren! Das Gate kann wegen der internen Kapazitäten nicht schlagartig umgeladen werden. Demzufolge kann der Transistor nicht schlagartig zwischen "an" und "aus" umschalten. Das folgende Diagramm zeigt diesen sogenannten Miller-Effekt:

In den gelb markierten Zeitabschnitten wird der Transistor besonders warm, weil er einen hohen Innenwiderstand hat. Er ist dabei weder vollständig ein noch vollständig aus geschaltet. Die Dauer der gelb markierten Zeitspannen (zusammen) lässt sich ungefähr mit folgender Formel berechnen: t = Q_G / I_G

Beim IRLML6344 ist Q_G im Datenblatt mit 6,8 nC angegeben. Wenn dessen Gate zum Beispiel mit 20 mA geladen wird, dann dauern die gelb markierten Zeitspannen 0,34 µs. Die Verlustleistung ist während dessen ungefähr ¼ der Last. Also wenn die Last 40 Watt hat, dann verheizt der Transistor in den gelb markierten Zeitabschnitten 10 Watt.

Wenn der Transistor zwischen den Schaltvorgängen genügend Zeit zum Abkühlen hat, stört das nicht weiter. Je öfter man pro Sekunde schaltet, umso heißer wird er jedoch.

Wir haben also zum einen die Verlustleistung am Innenwiderstand R_DS sowie zwei weitere kurzzeitige Verluste bei jedem Ein- und Aus-Schalten. Zusammen heizen sie den Transistor auf.

Achtung

Die Leistungsangaben in den Datenblättern beziehen sich immer auf 25 °C. In der Praxis werden die Bauteile aber warm, so dass die maximalen Leistungsdaten nur für sehr sehr kurze Zeit erreichbar sind.

Manche Datenblätter werben in den Kopfzeilen mit unrealistischen Leistungsdaten, wie dieses extreme Beispiel:

Die 409 Ampere sind totaler Quatsch, weil sie für den nackten Kristall gelten, nicht für das ganze Produkt (samt Gehäuse und Anschlussbeinchen). Auch die 195 Ampere sind unrealistisch, weil man dazu 50 Watt Verlustleistung abführen müsste ohne dabei über 25 °C zu kommen. Das ist bei der Gehäuseform nahezu unmöglich. Auch die Kühlung der Anschlussbeine wäre eine sehr spezielle Herausforderung.

Ausgänge mit N-MOSFET Verstärken

MOSFET Transistoren sind beliebt geworden, weil sie ohne großen Aufwand viel Strom schalten können. Ein typischer Anwendungsfall sieht so aus:

Ich hatte bereits weiter oben darauf hingewiesen, dass MOSFET Transistoren eine relativ große Gate-Kapazität haben. R1 begrenzt dabei den Ladestrom, so dass der Mikrocontroller und dessen Spannungsversorgung nicht übermäßig belastet werden.

R2 verhindert einen undefinierten Zustand in der Reset-Phase des steuernden Mikrocontrollers. Solange das Programm den I/O Pin noch nicht als Ausgang konfiguriert hat, würde die Schaltung ohne diesen Widerstand für elektrische Felder aus der Luft empfänglich sein. Es könnte passieren, dass der MOSFET unbeabsichtigt halb oder ganz ein schaltet. Ein halb eingeschalteter MOSFET wird heiß.

Wenn die Last eine Spule enthält (wie z.B. ein Relais oder ein Motor) benötigt man eine Freilaufdiode.

Mit einem zusätzlichen Transistor kannst du die 3,3 Volt des Mikrocontrollers erhöhen, so dass du mehr MOSFET zur Auswahl hast. Allerdings schaltet der MOSFET dann anders herum (LOW=an, HIGH=aus):

Der Spannungsteiler (R2/R3) soll so ausgelegt werden, dass der MOSFET sicher ganz einschaltet. Um ihn zum Beispiel mit 10 Volt anzusteuern gilt die Formel: R3 = R2 · 10V / (U_Last - 10V)

Diese einfache Schaltung taugt nur für langsame Schaltvorgänge. Oberhalb von 100 Hz würde ich einen "MOSFET Driver" IC erwägen, der das Gate schneller umladen kann und dadurch Verluste (Wärme) reduziert.

Ausgänge mit P-MOSFET Verstärken

P-Kanal MOSFET verwendest du, wenn der Plus-Pol geschaltet werden muss. Solange die zu schaltende Spannung mit der Versorgungsspannung des Mikrocontrollers identisch ist, geht das ganz einfach:

Wenn der Ausgang des Mikrocontrollers einen Low-Pegel liefert, schaltet der Transistor durch, so dass sich der Motor dreht. R1 begrenzt dabei den Ladestrom von der Gate Kapazität, so dass der Mikrocontroller und dessen Spannungsversorgung nicht übermäßig belastet werden.

R2 verhindert einen undefinierten Zustand in der Reset-Phase des steuernden Mikrocontrollers. Solange das Programm den I/O Pin noch nicht als Ausgang konfiguriert hat, würde die Schaltung ohne diesen Widerstand für elektrische Felder aus der Luft empfänglich sein. Es könnte passieren, dass der MOSFET unbeabsichtigt halb oder ganz ein schaltet. Ein halb eingeschalteter MOSFET wird heiß.

Wenn die Last eine Spule enthält (wie z.B. ein Relais oder ein Motor) benötigt man eine Freilaufdiode.

Nur wenige P-Kanal MOSFET Transistoren schalten mit 3,3 Volt Steuerspannung sicher durch. Für 3,3 Volt musst du einen MOSFET verwenden, dessen Gate Threshold Spannung weit unter 3,3 Volt liegt.

Wenn die zu schaltende Spannung höher ist als die des Mikrocontrollers, brauchst du zwei Transistoren. Zum Beispiel so:

Der Spannungsteiler (R2/R3) soll so ausgelegt werden, dass der MOSFET sicher ganz einschaltet. Um ihn zum Beispiel mit -10 Volt anzusteuern gilt die Formel: R3 = R2 · 10V / (U_Last - 10V)

Diese einfache Schaltung taugt nur für langsame Schaltvorgänge. Oberhalb von 100 Hz würde ich einen "MOSFET Driver" IC erwägen, der das Gate schneller umladen kann und dadurch Verluste (Wärme) reduziert.

Wenn die Last eine Spule enthält (wie z.B. ein Relais oder ein Motor) benötigt man eine Freilaufdiode.

Kühlkörper

Transistoren im TO220 Gehäuse vertragen ohne Kühlkörper dauerhaft etwa 1 Watt, für mehr ist ein Kühlkörper nötig. Der Sinn des Kühlkörpers ist, die Wärme des Transistors aufzunehmen und über eine viel größere Oberfläche an die umgebende Luft abzuleiten. Je mehr Oberfläche ein Kühlkörper hat, umso mehr Wärme kann er daher ableiten. Mit einem Lüfter lässt sich Wirkung des Kühlkörpers um Faktor 2 bis 10 verbessern.

Kühlkörper für Transistoren bestehen in der Regel aus einem schwarz eloxiertem Aluminium-Gerippe, weil die so behandelte Oberfläche ihre Wärme besser abgeben kann, als blankes Aluminium. Die Kühl-Leistung, bzw. der sogenannte Wärmewiderstand, wird in Kelvin pro Watt oder Grad Celsius pro Watt (was das Gleiche ist) angegeben.

Ein Kühlkörper mit Wärmewiderstand 2 K/W wird ohne Lüfter zwei Kelvin (= 2 Grad Celsius) pro Watt wärmer als seine Umgebung. Je kleiner die Zahl ist, umso besser kühlt er.

Berechnung

Für die Berechnung musst du die Wärmewiderstände aller Kontaktstellen addieren. Als Beispiel soll ein IRF3708 10 Watt über einen recht großen Kühlkörper abführen:

• Wärmewiderstand im Transistor (junction-to-case): 1,73 K/W (gemäß Datenblatt)
• Wärmewiderstand zwischen Transistor und Kühlkörper (case-to-sink): 0,5 K/W (typischer Wert für TO220)
• Wärmewiderstand des Kühlkörpers (sink-to-air): 2 K/W

Wenn man den gesamten Wärmewiderstand mit der Verlustleistung multipliziert, erfährt man, um wie viel Grad sich der Transistor im Innern gegenüber seiner Umgebung erwärmt:

(1,73 + 0,5 + 2 K/W) · 10 W = 42,3 K

In diesem Szenario wird der Transistor 42 Kelvin (= 42 Grad Celsius) wärmer, als die Umgebung. Bei 40 °C Umgebungstemperatur sind das 82 °C, was ein guter Wert ist

Die folgende Rechnung findet heraus, wie viel Leistung der Transistor am genannten Kühlkörper maximal verträgt. Dabei muten wir dem Transistor 150 °C bei 40°C Umgebung zu:

150 - 40 °C	= 26 W
1,73 + 0,5 + 2 K/W

Montage

Um einen Transistor im TO220 Format mit dem Kühlkörper zu verschrauben, bohrt man ein 3mm Loch durch den Kühlkörper. Die Kanten des Bohrloches müssen entgratet werden, denn sonst könnten sich Grate zwischen Transistor und Kühlkörper klemmen und so den Kontakt erheblich verschlechtern. Die Kontaktflächen müssen glatt und sauber sein!

Anschließend gibt man einen kleinen Tropfen Wärmeleitpaste auf den Transistor und verschraubt ihn dann mit einer M3 Schraube mit dem Kühlkörper. Aber nicht zu fest, denn die Teile dürfen sich sich dabei nicht verformen! Als Alternative zur Schraube gibt es Klammern aus Federstahl, die mittig auf den Transistor drücken. Materialverformung ist damit ausgeschlossen.

Wärmeleitpaste sieht wie Penaten-Creme aus. Meistens weiß, manchmal auch silbern. Sie enthält Metall-Partikel, welche den Übergang der Wärme zum Kühlkörper verbessern. Die Paste erfüllt ihren Zweck nur dann, wenn sie sparsam aufgetragen wird. Zu viel Wärmeleitpaste ist noch aus einem zweiten Grund schlecht: Sie könnte die Anschlüsse des Transistors beschmutzen und zu Kurzschlüssen führen, denn Wärmeleitpaste ist elektrisch leitfähig.

Montage mit Glimmer

Bei allen Transistoren im TO220 Gehäuse ist der Kühlkörper-Anschluss mit dem mittleren Pin verbunden (das ist meistens der Drain Anschluss). Der ganze Kühlkörper steht daher unter Strom! Schraubt man mehrere Transistoren an einen gemeinsamen Kühlkörper, dann sind deren Drain Anschlüsse miteinander verbunden.

Um dies zu verhindern benutzt man zwischen Transistor und Kühlkörper ggf. eine Glimmerscheibe als Isolator. Derart isolierte Transistoren können sich einen gemeinsamen Kühlkörper teilen. Im Fachhandel werden entsprechende Montage-Sets (Glimmer, Schraube, Mutter, Isoliernippel) angeboten.

Die Glimmerscheibe sorgt dafür, dass der Transistor den Kühlkörper nicht direkt berührt. Sie ist elektrisch isolierend, leitet Wärme jedoch sehr gut. Zwischen Kühlkörper und Glimmerscheibe platziert man einen winzig kleinen Tropfen Wärmeleitpaste. Auch der Transistor bekommt einen ganz kleinen Tropfen Wärmeleitpaste:

Den Isoliernippel steckt man in die Bohrung des Transistors, dann schraubt man das Ganze so zusammen:

Die Schraube berührt den Transistor nicht, dafür sorgt der Isoliernippel. Nachdem die Schraube fest angezogen ist, verteilt sich die Wärmeleitpaste unter dem Druck. Wenn du zu viel Paste verwendest, quillt sie am Rand über und kann so einen Kurzschluss verursachen.

An der markierten Stelle im rechten Bild ist Wärmeleitpaste über die Kante der Glimmerscheibe hinaus gequollen. Da sie leitfähig ist, ist mein Transistor nun doch mit dem Kühlkörper verbunden! Die Isolation durch die Glimmerscheibe ist wegen diesem Fehler wirkungslos. Überschüssige Wärmeleitpaste muss daher sorgfältig entfernt werden.

Die Glimmerscheibe erhöht den Wärmewiderstand um ungefähr 1K/W.

Alternativ gibt es auch Isoliermaterial aus Silikon, das ohne Wärmeleitpaste verwendet wird.