NPN-Transistor als Low-Side-Schalter

Dein ESP32 liefert an seinen Pins 3,3 V und einige Milliampere. Das Stück LED-Streifen unter dem Regal will aber 12 V und über 100 mA, das Relais für die Gartenpumpe ebenso. Die Brücke dazwischen ist die wohl häufigste Transistorstufe überhaupt: Ein NPN-Transistor sitzt zwischen Last und Masse und schaltet sie auf Befehl des Pins ein. Weil er auf der „unteren“, der Masseseite der Last liegt, heißt die Schaltung Low-Side-Schalter.

Typische Lasten sind LED-Streifen, Relais, kleine Lüfter, Summer und Magnetventile bis einige hundert Milliampere. Das Prinzip und die allgemeine Rechnung stehen unter Transistor als Schalter; hier baust du die fertige Schaltung mit echten Teilen auf.

Schaltplan

• LED-Streifen (Last): 30 cm eines 12-V-Streifens mit 60 LEDs pro Meter. Je drei LEDs bilden mit einem 150-Ω-Widerstand ein Segment; sechs Segmente liegen parallel. Der Pluspol des Streifens geht an +12 V, der Minuspol an den Kollektor.
• T1, BC337-40: der Schalter. Kollektor an der Last, Emitter an Masse.
• R1, 1 kΩ: begrenzt den Basisstrom. Ohne ihn würde der Pin über die Basis-Emitter-Diode kurzgeschlossen.
• R2, 10 kΩ: zieht die Basis auf Masse, solange der Pin nichts vorgibt – etwa beim Booten oder wenn das Steuerkabel abgezogen ist.
• Gemeinsame Masse: Das 12-V-Netzteil und der Mikrocontroller teilen sich GND. Über diese Verbindung fließt der Basisstrom zurück.

So funktioniert die Schaltung

Pin low: An der Basis liegen 0 V, es fließt kein Basisstrom. Die Kollektor-Emitter-Strecke sperrt; durch den Streifen fließt nur der Reststrom des Transistors, beim BC337 höchstens 100 nA. Die LEDs bleiben dunkel.

Pin high: Durch R1 fließt Strom in die Basis. Die Basis-Emitter-Spannung steigt auf etwa 0,8 V, der Transistor leitet. Weil der Basisstrom mehrfach größer ist, als für den Laststrom nötig wäre, geht er in die Sättigung: Zwischen Kollektor und Emitter bleiben nur 0,1 bis 0,2 V. Den Strom bestimmt jetzt allein der Streifen mit seinen eingebauten Vorwiderständen, nicht der Transistor.

Der Trick des Low-Side-Schalters: Der Emitter liegt fest auf Masse. Deshalb genügt eine Steuerspannung von gut 1 V, ganz gleich, ob die Last an 5 V, 12 V oder 24 V hängt; die Basis sieht nie mehr als 0,8 V. Dazu passt, dass die meisten einfarbigen und RGB-Streifen eine gemeinsame Anode haben: Geschaltet wird die Minusseite.

Wie früh der Transistor voll durchschaltet, zeigt die Rechnung über die ganze Steuerspannung:

Dimensionierung

1. Laststrom. Der Streifen nimmt laut Datenblatt 4,8 W pro Meter auf. Für 30 cm:

Das passt zu sechs Segmenten mit je (12 V − 3 · 3,0 V) / 150 Ω = 20 mA.

2. Transistor wählen. Ein BC547 ist nur für 100 mA ausgelegt und fällt damit aus. Der BC337-40 verträgt 800 mA und 45 V zwischen Kollektor und Emitter, im TO-92-Gehäuse bis 625 mW. Beides reicht mit großem Abstand.

3. Kleinste Stromverstärkung. Das Datenblatt garantiert für den BC337-40 mindestens h_FE = 250 bei 100 mA, bei 300 mA aber nur noch 60. Für 120 mA rechnest du vorsichtig mit h_FE,min = 200.

4. Basisstrom mit Übersteuerung. Mit dem Faktor ü = 4:

Das Datenblatt nennt die Sättigungsspannung zwar bei I_C / I_B = 10, doch dafür müsste der Pin 12 mA liefern. Bei einer Last dieser Größe genügt die Übersteuerung um den Faktor 4 sicher.

5. Basiswiderstand. Durch R1 fließen der Basisstrom und der Strom durch R2. Mit U_BE ≈ 0,8 V bei 120 mA:

Der nächstkleinere Normwert der E12-Reihe ist 1,0 kΩ. Damit fließen 2,5 mA durch R1 und 2,42 mA in die Basis.

Die elektrische Leistung im Transistor ist das Produkt aus Restspannung und Strom. Wird er spürbar warm, sättigt er nicht.

Das Programm dazu ist kurz. Den Streifen schaltest du mit digitalWrite, dimmen kannst du ihn per PWM:

const int STREIFEN = 16;            // GPIO 16 → R1 → Basis von T1

void setup() {
  pinMode(STREIFEN, OUTPUT);
  digitalWrite(STREIFEN, LOW);      // Streifen aus
}

void loop() {
  digitalWrite(STREIFEN, HIGH);     // voll an
  delay(2000);
  analogWrite(STREIFEN, 64);        // PWM, etwa 25 % Helligkeit
  delay(2000);
  digitalWrite(STREIFEN, LOW);
  delay(2000);
}

Für die üblichen 1 kHz PWM ist der BC337 schnell genug: Seine Ausschaltverzögerung liegt unter einer Mikrosekunde, eine Periode dauert 1000 µs.

Bauteilliste

Varianten

Relais statt LED-Streifen. Ein 12-V-Relais mit 400 Ω Spule zieht 30 mA. Mit h_FE,min = 200 und ü = 3 genügen rund 0,45 mA Basisstrom; R1 wird 4,7 kΩ. Neu ist die Freilaufdiode parallel zur Spule, Kathode an +12 V. Sie fängt die Spannungsspitze beim Abschalten ab, sodass der Kollektor nur auf etwa 12,7 V steigt. Mehr dazu unter Induktive Lasten schnell abschalten und Relais am Arduino ansteuern.

Größere Ströme. Über etwa 0,5 A ist der MOSFET als Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOSFET die bessere Wahl, etwa für mehrere Meter Streifen (12-V-LED-Streifen dimmen).

Viele Kanäle. Für bis zu sieben Lasten nimmst du einen ULN2003 mit sieben Darlington-Transistoren, Basiswiderständen und Freilaufdioden. Er lässt aber rund 1 V Restspannung stehen statt 0,1 V.

Last muss an Masse bleiben. Hat ein Gerät eine feste Masseverbindung, etwa über das Gehäuse, schaltest du die Plusleitung mit dem PNP-Transistor als High-Side-Schalter.

Pegel umsetzen. Ersetzt du die Last durch einen Pull-up-Widerstand, wird aus der Stufe ein Open-Collector-Ausgang: Er übersetzt ein 3,3-V-Signal invertiert auf 12 V.

Typische Fehler

• Last am Emitter statt am Kollektor: Dann arbeitet der Transistor als Emitterfolger. Am Emitter kommen höchstens 3,3 V − 0,8 V = 2,5 V an, der 12-V-Streifen bleibt dunkel. Die Last gehört zwischen Plus und Kollektor.
• Massen nicht verbunden: Ohne gemeinsame Masse fehlt der Rückweg für den Basisstrom (Masse, Erde und Ground). Der Streifen reagiert gar nicht oder flackert.
• Anschlüsse vertauscht: BC337 und BC547 sind C-B-E belegt, der 2N2222 im TO-92 dagegen E-B-C. Verkehrt gesteckt schaltet er schlecht oder gar nicht.
• Transistor wird warm: Miss die Spannung zwischen Kollektor und Emitter im eingeschalteten Zustand. Über 0,3 V sättigt er nicht: R1 zu groß, Last stärker als gedacht oder Pinspannung zu niedrig.
• Streifen glimmt beim Einschalten: R2 fehlt, oder du hast einen Pin erwischt, der beim Booten kurz Signale ausgibt (beim ESP32 etwa GPIO 5, 14 und 15). Nimm einen ruhigen Pin.

Selbsttest