Transistoren im Kfz

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauteil mit drei Anschlüssen. Seine Grundidee: Ein kleiner Steuerstrom oder eine kleine Steuerspannung an einem Anschluss steuert einen viel größeren Strom zwischen den beiden anderen. Damit kann er zwei Aufgaben übernehmen:

• Schalter: ganz aus oder ganz an, ohne Mechanik, verschleißfrei und sehr schnell. Das ist im Fahrzeug die häufigste Anwendung.
• Verstärker: Ein kleines Signal wird zu einem großen Signal mit gleicher Form, etwa in Audioverstärkern oder an Sensoreingängen.

Der Transistor wurde 1947 in den Bell Laboratories erfunden. Heute enthält ein einziger Mikrocontroller in einem Steuergerät Millionen davon. In dieser Lernunterlage geht es um die einzelnen Transistoren, die im Fahrzeug Leistung schalten.

Der Bipolartransistor besteht aus drei Halbleiterschichten. Je nach Reihenfolge unterscheidet man NPN- und PNP-Transistoren. Die Anschlüsse heißen:

• Basis (B): der Steueranschluss.
• Kollektor (C): hier fließt der Laststrom hinein (bei NPN).
• Emitter (E): hier fließt der Gesamtstrom heraus. Im Schaltzeichen trägt er den Pfeil, der die Stromrichtung zeigt.

Beim NPN-Transistor fließt ein Kollektorstrom, sobald ein Basisstrom fließt. Dazu muss die Basis etwa 0,7 V positiver als der Emitter sein, denn zwischen Basis und Emitter liegt eine Diodenstrecke. Im Verstärkerbereich ist der Kollektorstrom ein Vielfaches des Basisstroms:

Im Simulator schaltet ein NPN-Transistor eine Lampe mit 12 W. Erhöhe langsam den Basisstrom und beobachte, was mit Lampe, Spannung und Verlustleistung im Transistor passiert.

Drei Zustände sind wichtig:

• Gesperrt: Kein Basisstrom, kein Kollektorstrom. Am Transistor liegt die volle Spannung, aber es fließt kein Strom, also entsteht keine Wärme.
• Verstärkerbereich: Der Transistor ist „halb offen“. Es fließt Strom und gleichzeitig liegt Spannung an. Die Verlustleistung P = U_CE · I_C ist hier am größten.
• Sättigung: Der Transistor ist voll durchgeschaltet. Es fließt der volle Strom, aber am Transistor liegen nur noch etwa 0,2 V. Die Verlustleistung ist wieder klein.

In modernen Fahrzeugen schalten meist MOSFETs die Lasten. Ihre Anschlüsse heißen Gate (G), Drain (D) und Source (S). Der wichtigste Unterschied zum Bipolartransistor: Der MOSFET wird nicht über einen Strom, sondern über eine Spannung am Gate gesteuert. Das Gate ist durch eine hauchdünne Oxidschicht isoliert, im eingeschwungenen Zustand fließt praktisch kein Steuerstrom.

Leistungs-MOSFETs enthalten außerdem eine eingebaute Diode zwischen Source und Drain, die Body-Diode. Sie leitet, wenn der Strom in Rückwärtsrichtung fließen will, etwa bei induktiven Lasten.

Überall, wo ein Steuergerät etwas schaltet, arbeitet ein Transistor. Tippe auf eine Karte.

Transistoren in Steuergeräten werden in der Werkstatt nicht einzeln geprüft oder getauscht. Wichtig ist, die Ansteuerung von außen richtig zu beurteilen.

1. Ansteuerung messenAm Aktor mit dem Oszilloskop prüfen, ob das Steuergerät schaltet. Bei Low-Side-Schaltern fällt die Spannung am Steuergerätepin beim Einschalten auf nahezu 0 V.
2. Stellglieddiagnose nutzenViele Aktoren lassen sich mit dem Diagnosegerät gezielt ansteuern. So trennt man Fehler in der Logik von Fehlern in Endstufe, Leitung oder Aktor.
3. Last prüfenHäufig ist nicht der Transistor die Ursache, sondern ein Aktor mit Windungsschluss, der die Endstufe überlastet. Vor dem Steuergerätetausch den Widerstand des Aktors prüfen.
4. Einzelne Transistoren testenAusgebaute Bipolartransistoren lassen sich mit der Diodenprüfung testen: Basis-Emitter und Basis-Kollektor verhalten sich wie Dioden, zwischen Kollektor und Emitter darf in keiner Richtung Durchgang sein.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Damit ein Bipolartransistor sicher in der Sättigung arbeitet, muss der Basisstrom größer sein, als rechnerisch nötig wäre. Man spricht von Übersteuerung. Der Übersteuerungsfaktor ü liegt typisch bei 2 bis 5. Der Basisvorwiderstand berechnet sich dann so:

Kennlinienfeld und Arbeitspunkt

Das Ausgangskennlinienfeld zeigt I_C über U_CE für verschiedene Basisströme. Zeichnet man die Lastgerade der Schaltung ein, liegen die möglichen Betriebspunkte auf ihr: oben links die Sättigung, unten rechts der Sperrzustand. Für Verstärker legt man den Arbeitspunkt in die Mitte, damit das Signal nach beiden Seiten Platz hat. Für Schalter springt man möglichst schnell zwischen den beiden Enden hin und her.

Auch ein perfekt angesteuerter Schalttransistor erzeugt Wärme. Man unterscheidet zwei Verlustarten:

Die Wärme muss über das Gehäuse, die Leiterplatte und einen Kühlkörper abgeführt werden. Wird der Transistor zu heiß, schalten moderne Leistungshalbleiter selbstständig ab. Ältere Bauteile werden dauerhaft zerstört, meist durchlegiert, sodass die Last dann dauerhaft eingeschaltet bleibt.

Darlington-Schaltung

Zwei Bipolartransistoren werden so zusammengeschaltet, dass der erste den Basisstrom des zweiten liefert. Die Stromverstärkungen multiplizieren sich, B_ges ≈ B₁ · B₂. Nachteil: Die Sättigungsspannung ist höher, weil zwei Basis-Emitter-Strecken in Reihe liegen. Darlington-Transistoren fanden sich früher häufig in Zündendstufen und Steuergeräten.

IGBT

Der Insulated Gate Bipolar Transistor kombiniert das spannungsgesteuerte Gate eines MOSFET mit dem leistungsfähigen Ausgang eines Bipolartransistors. Er ist besonders für hohe Spannungen geeignet. Im Fahrzeug findet man IGBTs in zwei wichtigen Anwendungen:

• Zündendstufe: Beim Abschalten des Primärstroms entstehen an der Zündspule primärseitig einige hundert Volt. Der IGBT hält diese Spannung aus und hat oft eine eingebaute Spannungsbegrenzung.
• Wechselrichter im Elektroantrieb: IGBT-Module schalten dort Ströme von mehreren hundert Ampere bei Spannungen von einigen hundert Volt.

Für 800-V-Systeme setzen sich zunehmend Siliziumkarbid-MOSFETs durch. Sie schalten schneller und mit geringeren Verlusten als Silizium-IGBTs und vertragen höhere Temperaturen. Das erhöht den Wirkungsgrad und damit die Reichweite.

Ein Transistor kann eine Last auf zwei Arten schalten: Low-Side, also zwischen Last und Masse, oder High-Side, zwischen Plus und Last. Für die Fehlersuche ist das entscheidend, denn derselbe Leitungsfehler wirkt sich je nach Schaltart völlig unterschiedlich aus. Probiere es aus.

Intelligente Halbleiterschalter

Moderne Endstufen sind integrierte Bausteine mit Leistungs-MOSFET und Schutzlogik. Sie messen laufend Strom und Temperatur, schalten bei Kurzschluss oder Überhitzung ab und melden den Zustand an den Mikrocontroller. Im ausgeschalteten Zustand prüfen sie mit kleinen Messströmen, ob die Last angeschlossen ist. So entstehen die detaillierten Fehlercodes wie „Kurzschluss nach Masse“ oder „Leitungsunterbrechung“.

High-Side-Schalter mit Strommessung ersetzen zunehmend Relais und Schmelzsicherungen. In neuen Zonenarchitekturen versorgen Zonensteuergeräte ganze Fahrzeugbereiche über solche elektronischen Sicherungen, die sich nach einem Fehler per Software wieder einschalten lassen.

Elektromotoren in Fahrzeugen sind meist Drehstrommaschinen. Die Hochvoltbatterie liefert aber Gleichspannung. Der Wechselrichter erzeugt daraus einen Drehstrom mit variabler Frequenz und Amplitude und steuert so Drehzahl und Drehmoment.

Das Herzstück ist eine B6-Brücke aus sechs Leistungsschaltern, je zwei pro Phase. Pro Phase ist immer entweder der obere oder der untere Schalter eingeschaltet, nie beide gleichzeitig, denn das wäre ein Kurzschluss der Batterie. Durch schnelles Umschalten mit PWM, typisch mit einigen bis einigen zehn Kilohertz, entsteht an jedem Motoranschluss eine Spannung, deren Mittelwert sinusförmig schwankt. Die Induktivität der Motorwicklungen glättet den Strom zu einem annähernden Sinus.

• Antreiben: Der Wechselrichter speist Energie aus der Batterie in den Motor.
• Rekuperieren: Beim Bremsen arbeitet der Motor als Generator. Über die Schalter und ihre Dioden fließt die Energie zurück in die Batterie.

Weil die Schaltverluste mit der Frequenz und der Spannung steigen, sind schnelle Halbleiter wie Siliziumkarbid besonders bei 800-V-Systemen ein großer Vorteil. Die Wärme wird über eine Flüssigkeitskühlung abgeführt, die oft mit dem Kühlkreis von Motor und Batterie verbunden ist.

Profitipps

• Vor dem Tausch eines Steuergeräts wegen „defekter Endstufe“ immer Aktor und Leitung prüfen. Sonst ist das neue Steuergerät nach wenigen Minuten ebenfalls defekt.
• Die Schaltart eines Ausgangs steht im Schaltplan: Kommt die Versorgung des Aktors direkt aus einer Sicherung, schaltet das Steuergerät meist Low-Side.
• Bei PWM-Ausgängen misst das Multimeter nur einen Mittelwert. Tastgrad und Flanken sieht man nur mit dem Oszilloskop.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.