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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.

Je nach Anwendungsfall verwendet man kleine oder große Transistoren. Auch hat man die Wahl zwischen bipolaren und den MOSFET Transistoren, die ich dir nun beide vorstellen werde.

In den Schaltplänen auf dieser Seite 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. 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:

Beide Schaltungen funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Auf der linken Seite wird ein kleiner mittels Widerstand begrenzter Steuerstrom in den Transistor geschickt. Der Transistor lässt dann einen größeren Laststrom 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	max. Strom
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

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

Je höher 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 mit zunehmender Stromstärke ab. Im Datenblatt findet man dazu stets eine Tabelle mit min/max Angaben, sowie ein Diagramm, dass den typischen Fall darstellt. Als Beispiel zeige ich das Diagramm vom BC337-40:

Man sieht an der schwarzen Kurve, dass der Verstärkungsfaktor bei mehr als 100 mA deutlich nachlässt. Bei 100 mA Laststrom lesen wir den typischen Verstärkungsfaktor 350 ab, aber bei 500 mA beträgt er nur noch 100.

Diese Diagramme stellen immer nur den typischen Fall dar. Der Verstärkungsfaktor unterliegt jedoch starken Material-Streuungen. Zur Verdeutlichung habe ich den geschätzten Kurvenverlauf für die beiden Extremfälle in blau eingezeichnet. Beim Schaltungsdesign muss man diese Extremfälle einkalkulieren, denn die tatsächlich gelieferten Transistoren liegen immer irgendwo dazwischen.

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 ganz bequem 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 zulässigen 500 mA des Transistors ausreizen wollen:

• 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. Das ist typisch. Die maximalen Leistungen scheitern fast immer an irgendwelchen anderen nicht ganz so offensichtlichen Grenzen. Daran sollte man immer denken, wenn man Datenblätter liest.

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.

• Geräte mit Netz-Stecker müssen auf 2500 Volt isolieren
• Geräte ohne Netz-Stecker müssen auf 4000 Volt isolieren

Die Relais der rechts gezeigten Bauart bieten keinen ausreichenden Schutz vor alltäglichen Überspannungs-Ereignissen. Quellen:

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

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. Zum Schalten des Plus-Pol verwendet man hingegen die P-Kanal Variante.

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

Der Eingang des MOSFET verhält sich elektrisch gesehen wie ein kleiner Kondensator. Wenn er erst einmal aufgeladen ist, fließt kein weiterer Strom mehr in den Steuereingang. Alleine das Vorhandensein der Steuerspannung genügt, um den Transistor eingeschaltet zu halten. Wenn du die Batterie weg nimmst, bleibt der Transistor noch lange geladen und eingeschaltet. Du musst ihn aktiv entladen, um ihn aus zu schalten, zum Beispiel durch einen Widerstand:

Für erste Experimente empfehle ich diese Transistoren:

Modell	Typ	Gehäuse	QG	Spannung	RDS bei 100°C	Strom 1,2	Leistung 1,2
IRF3705N	N	TO220	98 nC	55 V	27 mΩ bei 4,0 V   15 mΩ bei 10 V	25 A 35 A	18 W
IRF3708	N	TO220	24 nC	30 V	44 mΩ bei 2,8 V   20 mΩ bei 4,5 V	18 A 27 A	15 W
IRLML6344	N	SOT23	6,8 nC	30 V	56 mΩ bei 2,5 V   44 mΩ bei 4,5 V	3 A 3,4 A	0,5 W
NDP6020P	P	TO220	25 nC	20 V	105 mΩ bei 2,7 V   75 mΩ bei 4,5 V	10 A 13 A	12 W
IRF4905	P	TO220	180 nC	55 V	30 mΩ bei 10 V	24 A	18 W
IRLML2244	P	SOT23	6,9 nC	20 V	127 mΩ bei 2,5 V   81 mΩ bei 4,5 V	1,9 A 2,5 A	0,5 W
IRLML6402	P	SOT23	12 nC	20 V	203 mΩ bei 2,5 V   98 mΩ bei 4,5 V	1,6 A 2,3 A	0,5 W

1. Bei der Stromstärke und Verlusteistung habe ich mich um realistische Werte bemüht, die mit passiver Kühlung erreichbar sind. Dabei gelten folgende Annahmen:
   • Der Transistor soll bei 40°C Umgebungstemperatur maximal 100°C warm werden.
   • Der TO220 ist an einen großen Kühlkörper mit 2 K/W montiert. Siehe dazu das Kapitel Kühlkörper.
   • Beim SOT23 gehe ich von 2 cm² Kühlfläche am Drain Anschluss aus.
   • Der maximale Strom ergibt sich aus der maximalen Verlusteistung und dem Innenwiderstand:
2. Ohne Kühlkörper sind die Transistoren weniger belastbar:
   • TO220 vertragen ohne Kühlkörper ungefähr 1 Watt, wenn sie stehend montiert sind.
   • SOT23 vertragen ohne Kühlfläche nur 0,25 Watt, was 70% der oben angegebenen Stromstärke ergibt.

Statische Ladungen

Das Gate ist empfindlich gegen Überspannung. Die meisten MOSFET vertragen höchstens 20 Volt zwischen Gate und Source, einige sogar noch weniger. Statische Ladung auf deiner Körperoberfläche kann unter Umständen schon zur Zerstörung des MOSFET führen. Darum solltest du deinen Körper immer entladen, bevor du eine elektronische Schaltung mit MOSFET Transistoren 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 (Polyester) zu verzichten. Das betrifft auch die Schuhe.

Steuerspannung

Abhängig von der Steuerspannung lässt der MOSFET einen bestimmten maximalen Laststrom fließen. Schau dir dazu das folgende Diagramm an, es stammt aus dem Datenblatt des IRLU024N:

Du kannst an den schwarzen Kurven ablesen, wie viel Strom der Transistor fließen lässt, wenn eine bestimmte Steuerspannung am Gate anliegt. Wie du siehst verläuft die Kurve je nach Temperatur etwas unterschiedlich.

Dieser Transistor lässt bei 3 Volt Steuerspannung und 25°C Temperatur typischerweise bis zu 3 Ampere fließen. Eine Überschreitung dieser Grenze würde dazu führen, dass am Transistor viel Spannung abfällt und er heiß wird. 3 Ampere klingt erst mal gut aber jetzt kommt der Haken:

Diese Diagramme stellen nur das typische Verhalten dar. Da die "Gate Threshold Voltage" dieses Modells aufgrund von Materialstreuungen zwischen 1 Volt und 2 Volt variieren kann, wird sich diese Kurve erwartungsgemäß um bis zu 0,5 Volt nach links oder rechts verschieben.

Meine Schätzung für den ungünstigsten Fall bei 25°C habe ich in blau eingezeichnet. Dort kommen wir bei 3 Volt Steuerspannung nur noch auf 0,3 Ampere Laststrom! Dieser Transistor ist offenbar für deutlich höhere Steuerspannungen vorgesehen, deswegen fehlt er in der obigen Tabelle mit den Empfehlungen.

Schauen wir uns zum Vergleich den IRLML6344 an:

Seine typische „Gate Threshold Voltage“ ist mit 0,8 Volt angegeben, der maximale Wert jedoch 1,1 Volt. Die ganze Kurve könnte sich also um bis zu 0,3 Volt nach rechts verschieben. Das habe ich in blau eingezeichnet. Auch dann kann der Transistor mit 3 Volt immer noch viele Ampere schalten.

Verlustleistung wegen R_DS

MOSFET Transistoren haben in voll durchgeschaltetem Zustand typischerweise einen Innenwiderstand von weniger als 0,1 Ω. Der Innenwiderstand hängt ein bisschen von der Steuerspannung ab und steigt an, wenn der Transistor heiß wird. Bei 100°C muss man den Wert typischerweise mit Faktor 1,5 multiplizieren. Im Datenblatt gibt es dazu ein Diagramm.

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 5V und 25°C einen R_DS von ungefähr 30 mΩ. Bei einem Laststrom von 2 Ampere verheizt der Transistor demnach 0,12 Watt. Dabei wird er warm, so dass der Innenwiderstand steigt und die Verlustleistung ebenfalls größer wird. Die maximal zulässigen 250 mW (ohne extra Kühlfläche) sind bei 2 Ampere schnell erreicht.

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 Zeitspanne 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 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. Bei Frequenzen oberhalb von 1 kHz muss man den Effekt unbedingt berücksichtigen. Man bevorzugt dann Transistoren mit geringer Gate-Kapazität oder verwendet starke MOSFET-Treiber, welche das Gate mit viel Strom schnell umladen.

Wir haben also zum einen die Verlustleistung am Innenwiderstand R_DS, die nur in eingeschaltetem Zustand anfällt, sowie zwei weitere kurzzeitige Verluste bei jedem Ein- und Aus-Schalten. Alle zusammen heizen den Transistor auf.

Ausgänge mit N-MOSFET Verstärken

MOSFET Transistoren sind beliebt geworden, weil sie hohe Ausgangs-Lasten schalten können und (zumindest bei niedrigen Frequenzen) praktisch gar keinen Steuerstrom brauchen. 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.

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.

Beachte, dass nur wenige P-Kanal MOSFET Transistoren bei 3,3 Volt Steuerspannung sicher durch schalten. 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 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.

Der Spannungsteiler (R2/R3) soll so ausgelegt werden, dass der MOSFET sicher einschaltet, aber auch nicht überlastet wird. Für die meisten MOSFET sind 10 V ideal. Aber schau dazu sicherheitshalber ins Datenblatt des MOSFET Transistors.

Wegen der Gate-Kapazität sollte dieser Spannungsteiler nicht allzu hochohmig sein, denn sonst schaltet der MOSFET Transistor zu träge ein und wird heiß. Die oben gezeigten Widerstände eignen sich für wenige Schaltvorgänge pro Sekunde. Wenn du jedoch häufiger zwischen ein/aus wechselst, solltest du kleinere Widerstände wählen. Für eine Drehzahlregelung mittels PWM würde ich 220 Ω und 1 kΩ versuchen. Bei Frequenzen über 1kHz würde ich zu einem "MOSFET Driver IC" raten, die können das Gate schneller umladen und dadurch Verluste (Wärme) reduzieren.

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 einfaches 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) pro Watt wärmer als seine Umgebung. Je kleiner die Zahl ist, umso besser besser kühlt er.

Berechnung

Für die Berechnung ist neben dem Wärmewiderstand des Kühlkörpers auch wichtig, wie gut der Transistor seine Wärme an den Kühlkörper abgeben kann. Im Datenblatt des Transistors findest du dazu den "Junction-to-Case" Wärmewiderstand R_θJC für den Übergang vom Silizium zum Gehäuse des Transistors, und den "Case-to-Sink" Wärmewiderstand für den Übergang vom Gehäuse zum Kühlkörper. Fall kein "Case-to-Sink" angegeben ist, kannst du beim TO220 Gehäuse von 0,5 K/W ausgehen. Manche Datenblätter geben auch den "Sink-to-Air" Wert an, welcher für eine Nutzung ohne Kühlkörper relevant wäre.

Bei der Montage an einen Kühlkörper muss man drei Wärmewiderstände addieren, um den gesamtem Wärmewiderstand zu erhalten. Je größer der Wärmewiderstand ist, umso schlechter die Kühlung. Beispiel für einen IRF3708 an einem recht großen 2 K/W Kühlkörper:

• Wärmewiderstand im Transistor (junction-to-case): 2,2 K/W
• Wärmewiderstand zum Kühlkörper (case-to-sink): 0,5 K/W
• Wärmewiderstand des Kühlkörpers (sink-to-air): 2 K/W

Wenn man den Wärmewiderstand mit der elektrischen Verlustleistung multipliziert, erfährt man, um wie viel Grad sich der Transistor gegenüber seiner Umgebung erwärmt. Beispiel-Rechnung für 10 Watt:

10 W · (2,2 K/W + 0,5 K/W + 2 K/W) = 47 K

Der Transistor wird 47 Grad (Kelvin oder Celsius) wärmer, als die Umgebung. Bei 40 °C Umgebungstemperatur würde das 87 °C ergeben, was ein guter Wert ist, denn kritisch wird es erst ab 130 °C.

So berechnen wir die elektrische Leistung welche den Transistor 60 Grad über seine Umgebung erwärmt.

60 K / (2,2 K/W + 0,5 K/W + 2 K/W) = 12,8 W

Die folgende Rechnung findet heraus, wie viel Kühlung für 10 Watt mindestens nötig ist, um gerade eben unter den kritischen 130 °C zu bleiben:

Der Kühlkörper darf in diesem Fall maximal 3,33 K/W haben.

Montage

Um den Transistor mit dem Kühlkörper zu verbinden, bohrt man an geeigneter Stelle ein 3mm Loch durch den Kühlkörper. Ganz wichtig: 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 fest mit dem Kühlkörper. Aber nicht zu fest, die Teile dürfen sich sich dabei nicht verformen!

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.

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