Bei Lastschalter-Anwendungen muss der Transistor den Basisstrom exakt so stark verstärken, dass die Ausgangsspannung nahe Null ist bzw. nur noch die Sättigungsspannung des Transistors messbar ist. Hierfür kommen meistens MOSFETs zum Einsatz, weil sie als spannungsgesteuerte Bauteile keine Basisansteuerung benötigen. Im Gegensatz dazu erfordern Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors, BJTs) als stromgesteuerte Bauteile eine dauerstromfähige Basisansteuerung.
Bipolartransistoren mit einer deutlich höheren Stromverstärkung (hFE) und einer wesentlich geringeren Sättigungsspannung (VCEsat) genügt jedoch ein erheblich kleinerer Basisstrom. Ihre höhere Stromverstärkung reduziert diesen so weit, dass sie mit kleinen Strömen direkt vom Mikrocontroller schalten können. Soll ein Transistor z.B. einen Strom von 1 A leiten und hat er eine hFE von 100, muss der Basisstrom mindestens 10 mA betragen, um sicherzustellen, dass der Transistor gesättigt ist. Bringt der Transistor eine Stromverstärkung von 500 mit, reichen 2 mA.
Zudem verringern sich die Verluste über die Basis-Vorspannungswiderstände und die Basis-Emitter-Spannung (VBE) deutlich. Wird der Transistor als Niederfrequenzschalter betrieben, reduzieren die geringen Abfälle der Sättigungsspannung hingegen die Leistungsverluste über den Kollektor-Emitter-Übergang und erlauben höhere Kollektorströme (IC) auf einer normierten Chipfläche.
Zum vollständigen Einschalten benötigen die Low-VCEsat-BJTs deshalb eine geringe Basis-Emitter-Spannung von nur 0,3 bis 0,9 V, sodass sie sich ideal für Schaltanwendungen im Niederspannungsbereich eignen. Diese Ansteuerspannung gilt über den ganzen Temperaturbereich.
Werden Bipolartransistoren als gesättigte Schalter genutzt, können sie zudem die Leitfähigkeit der Kollektor-Region auf dem Chip beeinflussen und so den Kollektor-Emitter-Widerstand in gesättigtem Zustand (RCE(sat)) erheblich reduzieren. Diese Leitfähigkeit haben MOSFETs nicht. Es verlängert sich allerdings die Ausräumzeit der Basis, das heißt: die Schaltzyklen werden größer.
Aufgrund ihrer Transitfrequenz lassen sich die Transistoren jedoch nur für Anwendungen mit bis zu einigen hundert kHz nutzen. Teilt man die Transitfrequenz durch den Stromverstärkungsfaktor, erhält man die Grenzfrequenz. Sie ist definiert als die Schwelle, bei der die Stromverstärkung auf -3 dB (das sind 0,707) abgesunken ist. Von dieser Grenzfrequenz gilt es Abstand zu halten.
Längere Lebensdauer für mobile Applikationen
Aufgrund ihrer hohen Verstärkung haben die Low-VCEsat-BJTs zudem einen höheren Wirkungsgrad verglichen mit klassischen BJTs und MOSFETs. So können sie zusammen mit einem Basiswiderstand einen MOSFET und eine Schottky-Diode ersetzen. Dies bringt vor allem mobilen und/oder batteriebetriebenen Applikationen wie elektrischen Zahnbürsten, Rasierapparaten oder Handmixern Vorteile durch eine längere Akku-Laufzeit und geringere Bauteilekosten. Zudem sind die Bipolartransistoren deutlich unempfindlicher gegenüber ESD (Electro Static Discharge) als MOSFETs: Sie haben eine ESD-Toleranz von über 8000 V, außerdem einen Selbstschutz gegen Spannungsspitzen.
Mit höheren Temperaturen steigt die Verstärkung der Transistoren noch. Gleichzeitig sinkt der Anteil der Basis-Emitter-Spannung an der bei maximal zulässigem Basisstrom anliegenden Vorwärtsspannung (UBE(sat)). Damit ist der Kollektor-Emitter-Widerstand in gesättigtem Zustand (RCE(sat)) bei Bipolartransistoren geringer als der On-Widerstand (RDS(on)) eines vergleichbaren MOSFET. Zudem erzeugen Bipolartransistoren bei hohen Stromdichten und/oder Dauerströmen weniger Wärme als MOSFETs mit derselben Chipfläche.
Hinzu kommt, dass sich die Sättigungsspannung bei einem gegebenen Laststrom proportional zur Verlustleistung verhält. Low-VCEsat-BJTs haben also auch eine geringere Verlustleistung, d.h. es muss weniger Wärme abgeführt werden. Betrachtet man die Gesamtverlustleistung, sind jedoch auch die Verluste zur Ansteuerung der Basis zu berücksichtigen. Diese sind bei Low-VCEsat-BJTs mit hoher Verstärkung ebenfalls geringer.
Weiteres Plus der Bipolartransistoren: Sie sperren in beide Richtungen, sodass kein zusätzlicher antiparallel geschalteter MOSFET nötig ist. Zudem sind sie günstiger, sodass sie gegenüber MOSFETs einen deutlichen Kostenvorteil bieten.
Hohe Schaltleistung
Bipolartransistoren können eine Schaltleistung realisieren, die ein Vielfaches ihrer maximal zulässigen Verlustleistung beträgt. Denn ein Transistor als Schalter hat zwei stationäre Arbeitspunkte. Fließt im ersten ein Basisstrom in ausreichender Höhe, ergibt sich ein Kollektorstrom, der den Schalter schließt. Über diesen fällt nur eine Restspannung ab. Da der Basisstrom im zweiten Arbeitspunkt damit Null ist, sperrt der Transistor, an dem die volle Betriebsspannung anliegt. Der Übergang zwischen den Arbeitspunkten geschieht sehr schnell. Dadurch lässt sich die Arbeitsgerade so legen, dass sie die Hyperbel der Verlustleistung schneidet, wenn der Übergang vom durchgeschalteten in den Sperrzustand und umgekehrt ausreichend schnell und nicht zu oft erfolgt. Die stationären Arbeitspunkte müssen sich dabei nur unterhalb der Hyperbel befinden.
Da Bipolartransistoren ein sehr schnelles Schalten im linearen Bereich erlauben und dabei einen hohen Impuls-Strom bei hoher Stromdichte liefern, eignen sie sich auch als Treiber zur Ansteuerung von MOSFETs. Das bedeutet geringere Abmessungen und niedrigere Kosten als mit speziellen IC-Treiber-Lösungen.
Kleine Bauteile mit großer Leistung
Low-VCEsat-BJTs sind typischerweise mit 12 bis 100 V maximaler Kollektor-Emitter-Spannung (VCEO) und Kollektorströmen von bis zu mehreren Ampere in SOT-Gehäusen erhältlich. Die derzeit weltweit kleinsten Bipolartransistoren kommen im DFN0606-3-Miniaturgehäuse von Diodes. Mit einem Footprint von 0,36 mm2 und einer Höhe von nur 0,4 mm ist der 45-V-NPN-Kleinsignal-Bipolartransistor BC847BFZ um 40 % kleiner als vergleichbare DFN1006-, SOT883- und SOT1123-Bauteile. Dabei liefert er eine höhere Leistung als vergleichbare Transistoren in deutlich größeren Formfaktoren. Denn sein bleifreies Gehäuse erlaubt mit einem Wärmewiderstand von nur 135 °C/W eine höhere Leistungsdichte. Mit den Modellen von Diodes können Niederspannungsapplikationen mit weniger als 1 V schalten. So lassen sich mobile Anwendungen auch mit geringer Leistung vollständig einschalten. Mit einem Kollektorstrom von 100 mA und einer Verlustleistung von 925 mW eignen sie sich besonders für Wearables wie Smart Watches, Gesundheits- und Fitness Gadgets sowie Konsumgüter wie Smartphones und Tablets. Der passende PNP-Transistor ist der BC857BZ (Bild 2).
Fazit
Für viele Schaltanwendungen sind Bipolartransistoren mit geringer Sättigungsspannung nicht nur ein adäquater Ersatz für MOSFETs, sondern bringen auch noch einige Vorteile mit: Sie haben einen geringeren On-Widerstand, arbeiten mit einer Ansteuerspannung von unter 1 V, haben eine hervorragende Temperaturstabilität und sind unempfindlich, was ESD angeht. Da sie in beide Richtungen sperren, können sie einen zweiten MOSFET überflüssig machen. Ihre Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung ist geringer, ebenso wie ihr Preis.
Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.
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