Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement. Man verwendet Transistoren zum Schalten und Verstärken. Die Bezeichnung Transistor ist ein Kunszwort, das sich vom englischen Transfer Varistor ableitet, und den Transistor als einen durch Strom steuerbaren Widerstand umschreibt.
Transistoren werden in zwei Gruppen unterteilt:
- Bipolare Transitoren
- Feldeffekttransistoren (FETs)
Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Die Anschlüsse des Bipolaren Transistors sind Kollektor, Basis und Emitter. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. Es wird unter anderem auch zwischen NPN und PNP Transitoren unterschieden.
Bei FETs werden die Anschlüsse als Gate (engl. Tor, Gatter), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung erfolgt stromlos.
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Inhaltsverzeichnis
Funktionsprinzip
Gehen wir zunächst von einem NPN-Transistor aus, dessen Emitter auf Masse liegt. Durch ihn können zwei Ströme fließen: Der Basis-Emitter-Strom (Kurz: Ib) und der Collector-Emitter-Strom (Kurz: Ic). Der Basisstrom Ib ist der Steuerstrom. Die Spannungs-Strom-Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke ähnelt einer Diodenkennlinie: Bis ca. 0,6V fließt kaum Strom, danach steigt die Stromstärke schnell an (siehe Grafik). Diese Kennlinie ist auch noch temperaturabhängig, bei höheren Temperaturen kann ein höherer Strom fließen. Wenn man nun eine Spannung von z.B. 0,7V an die Basis anlegen würde, würde zuerst nur ein kleiner Strom fließen. Mit der Zeit würde sich der Transistor erwärmen, wodurch ein höherer Strom fließen kann. Dadurch wird jedoch auch wieder die Wärmeabgabe größer, ein Teufelskreis entsteht und irgendwann brennt der Transistor durch. Um das zu verhindern, benutzt man, je nachdem wie groß die Last ist, die am Transistor angeschlossen ist, Basis-Vorwiderstände in der Größenordnung von 220 Ohm bis 100 kOhm. Diese werden zwischen die Ansteuerung und die Basis des Transistors geschaltet und begrenzen den Strom, der durch die Basis fließen kann.
Die Collector-Emitter-Strecke des Transistors hat eine Kennlinie, die zuerst in etwa linear ansteigt und dann bei einer bestimmten Stromstärke in eine fast waagrechte Gerade übergeht (siehe Grafik).
Bei welcher Stromstärke die Gerade abknickt, hängt von dem Strom ab, der durch die Basis-Emitter-Strecke fließt. Je höher dieser ist, desto später knickt die Gerade ab, und desto größere Lasten kann man schalten. In einem begrenzten Bereich ändert sich der Basisstrom linear zum Collectorstrom. Die Basis-Emitter-Stromstärken betragen in der Grafik von unten nach oben 0mA, 5mA, 10mA, 15mA und 20mA.
Das Verhältnis aus dem Strom, der auf der Collector-Emitter-Strecke fließen kann, und dem Strom, der dazu als Steuerstrom benötigt wird, nennt man Verstärkungsfaktor. Der Verstärkungsfaktor, der bei einem Transistor angegeben ist, ist jedoch eine rein theoretische Größe. Die Werte, die im Datenblatt angegeben sind, beziehen sich auf eine Collector-Emitter-Spannung von 5V, bei höheren Lastströmen sinkt der Verstärkungsfaktor weiter. In der praktischen Anwendung wäre ein so hoher Spannungsabfall katastrophal, da, wenn man mit niedrigen Spannungen arbeitet, keine bzw. kaum noch Spannung für den Verbraucher übrig bleibt.
Wie groß man Ib wählen muss, probiert man am besten in einer Schaltungssimulation aus, die Berechnung dauert in den meisten Fällen länger.
Bei einem PNP-Transistor sind im Grunde alle Spannungen umgedreht. Der Emitter liegt nicht auf Masse, sondern auf Vcc (meist 5V). Die Basis muss auf einer niedrigeren Spannung liegen, beispielsweise 4,3V, damit der Transistor durchschaltet. Der Strom fließt aber weiterhin von + nach - (technische Stromrichtung angenommen)
Schaltsymbol und Anschlussbelegung
Grundschaltungen
Emitterschaltung
Grundschaltung
Die Emitterschaltung besteht hauptsächlich aus dem Transistor, dem Kollektorwiderstand und dem Basis-Vorwiderstand. Wenn man keine Spannung oder 0V am Eingang anlegt, ist der Transistor nicht leitend. Der Ausgang der Schaltung wird durch den Widerstand auf die positive Versorgungsspannung (Vcc) "gezogen". Wenn man nun eine Spannung am Eingang anlegt, die größer als ca. 0,6V ist, fließt ein Strom durch die Basis des Transistors. Der Transistor wird leitend und zieht den Ausgang der Schaltung auf 0V (GND).
Durch die Offsetspannung von 0,6V ist diese Schaltung nicht zum linearen Verstärken von Signalen geeignet. Die Schaltung kann nur als Schalter genutzt werden, sei es um die Flanken auf einem Signal zu verbessern (steiler zu machen) oder um Lasten zu schalten.
In ersterem Fall muss man beachten, dass die Emitterschaltung das Signal invertiert, d.h. bei 0V am Eingang liegen 5V am Ausgang an und umgekehrt.
In letzterem Fall wird die Last (beispielsweise eine Glühbirne) statt Rc angeschlossen. Sobald man nun eine Spannung an die Basis anlegt, wird der Transistor leitend und es kann ein Strom durch die Last fließen, die Lampe leuchtet.
Bei großen Lasten benötigt der Transistor einen entsprechend hohen Basisstrom, der durch den Basis-Vorwiderstand eingestellt wird.
Erweiterte Emitterschaltung
Wenn man die Emitterschaltung zum linearen Verstärken eines Signals nutzen will, muss man sie noch ein wenig erweitern. An die Basis wird zusätzlich ein Pullup-Widerstand angeschlossen. Dieser sorgt dafür, dass der Transistor "vorgespannt" wird. Der Widerstand wird dabei gerade so groß gewählt, dass der Ausgang möglichst genau zwischen GND und der Versorgungsspannung liegt.
Hinter den Ausgang und vor den Eingang müssen zusätzlich so genannte Koppelkondensatoren geschaltet werden. Diese sorgen am Eingang dafür, dass die angelegte Eingangsspannung die Vorspannung nicht zerstört und am Ausgang dafür, dass kein Gleichstrom durch die Last fließen kann. Dies ist vor allem bei Lautsprechern wichtig.
Die Emitterschaltung kann in dieser Form sowohl negative als auch positive Wechselspannungen verstärken. Für Gleichspannungen ist sie nicht mehr geeignet, da die Koppelkondensatoren diesen sperren.
Wenn man eine Wechselspannung anlegt, fließt zusätzlich zu dem Vorspannstrom ein Eingangsstrom, der den Transistor entweder leitender (positive Halbwelle) oder weniger leitend (negative Halbwelle) macht.
In ersterem Fall wird der Kollektor des Transistors durch selbigen auf eine negativere Spannung gezogen. Durch den Koppelkondensator am Ausgang fließt dann ein Strom in Richtung des Kollektors, bis der Kondensator durch diesen weit genug aufgeladen ist.
im anderen Fall wird der Transistor weniger leitend, der Kollektor des Transistors wird dann durch den Widerstand Rc auf eine positivere Spannung gezogen. Folglich fließt durch den Koppelkondensator am Ausgang ein Strom in Richtung der Last, allerdings auch hier nur solange der Kondensator nicht vollständig geladen ist.
Kollektorschaltung
Grundschaltung
Für eine Kollektorschaltung werden zunächst nur ein Transistor und ein Widerstand benötigt.
Ohne Eingangsspannung leitet der Transistor nicht, der Ausgang liegt also auf 0V.
Sobald man am Eingang eine Spannung anlegt, wird der Transistor jedoch leitend, die Ausgangsspannung wird größer. Gleichzeitig wird dadurch die Basis-Emitterspannung kleiner. Der Ausgang erreicht also maximal etwa die Eingangsspannung abzüglich der 0,7 Volt, die benötigt werden, damit auf der Basis-Emitterstrecke ein Strom fließen kann. Die Spannungsverstärkung ist folglich kleiner als 1. Im Gegenzug besitzt die Kollektorschaltung eine sehr hohe Stromverstärkung und dadurch auch einen sehr hohen Eingangswiderstand
Bei dieser Schaltung kann auf den Basis-Vorwiderstand verzichtet werden, solange man am Eingang keine Spannung anlegt, die größer ist als die Versorgungsspannung. Der Strom durch die Basis reguliert sich durch die variable Emitterspannung selbst. Allerdings kann ein Basis-Vorwiderstand auch als Kurzschlussschutz dienen, da bei einem begrenzten Basisstrom auch der Kollektor-Emitterstrom begrenzt ist.
Basisschaltung
Prinzipien
Verstärkungsregelung
bspw. stromgegenkopplung
Logische Interpretation der Schaltungen
Die NOT Verknüpfung
Diese einfache Schaltung, bestehend aus einem NPN Transistor und zwei Widerständen, invertiert das Eingangssignal, sodass aus beispielsweise +5V (oder logisch 1) 0V (oder logisch 0) erzeugt werden. Die daraus resultierende Wertetabelle sieht folgendermaßen aus:
| Eingang | Ausgang |
| 0V | +5V |
| +5V | 0V |
Wenn also an der Transistorbasis +5V angelegt werden (+0,7V reichen meistens auch schon), dann schaltet der Transistor durch und am Ausgang liegen 0V an. Der Strom, der nun durch den Transistor fließt wird durch den Widerstand R2 begrenzt. Wird dieser Widerstand weggelassen, dann wird durch den entstehenden Kurzschluss der Transistor unweigerlich zerstört. Legt man nun am Eingang 0V an, so sperrt der Transistor und am Ausgang liegen +5V an.
Der Basisstrom wird durch den Widerstand R1 bestimmt. Ein kleiner Widerstand beschleunigt die Schaltgeschwindigkeit des Transistors, ein großer ermöglicht die Ansteuerung auch mit kleinen Strömen.
Die NAND Verknüpfung
Die NAND (NotAND, d.h. die invertierte Form einer AND Verknüpfung) Verknüpfung besteht aus zwei Transistoren und damit auch zwei Eingängen. Es gibt auch NAND Verknüpfungen, mit mehr Transistoren und folglich auch mehr Eingängen, diese sind im Aufbau aber sehr ähnlich zu der vorgestellten Grund-NAND Verknüpfung. Schauen wir uns zunächst die Wertetabelle an:
| Eingang 1 (E1) | Eingang 2 (E2) | Ausgang (A1) |
| 0V | 0V | +5V |
| +5V | 0V | +5V |
| 0V | +5V | +5V |
| +5V | +5V | 0V |
Wie kommt es nun zu dieser Werte- oder auch Wahrheitstabelle?
Wenn an den beiden Eingängen 0V anliegen, dann schaltet keiner der beiden Transistoren durch und der Ausgang ist über den Widerstand R3 mit +5V verbunden. Wechselt nun einer der beiden Eingänge auf 1, dann schaltet auch nur einer der beiden Transistoren durch und am Ausgang liegen immer noch +5V an. Werden nun aber beide Eingänge mit +5V verbunden, dann schalten beide Transistoren durch und der Ausgang ist leitend mit Masse verbunden.
Die Widerstände (R1, R2, R3) haben die gleiche Funktion wie auch in der NOT Verknüpfung.
Transistor-Kennwerte
Die Transistorkennwerte sind grundsätztlich in Grenzdaten und Kenndaten unterteilt. Grenzwerte dürfen auf keinen Fall überschritten werden, da eine Zerstörung des Transistors unvermeidlich ist. Eigenschaften eines Transistors werden als Kenndaten angegeben, die das Verhalten in bestimmten Arbeitspunkten kennzeichnen.
Grenzwerte für Sperrschichttemperatur
Durch die Verlustleistung bei Dauerbetrieb entsteht in der Sperrschicht Wärme, durch die sich die Sperrschichttemperatur erhöht, diese Sperrschichttemperatur TJ , darf bestimmte Werte nicht überschreiten, da die Halbleitereigenschaften des Transistors stark verändert würden, was die Zerstörung zur Folge hat. Diese Temperatur hängt vom Halbleitermaterial ab.
TJ : 90°C Germaniumtransistoren
TJ : 150 - 200°C Siliziumtransistoren
Grenzwerte für Umgebungstemperatur
Einige Hersteller geben statt der maximalen Sperrschichttemperatur die höchstzulässige Umgebungstemperatur TU als Grenzwert an. TU ist stets kleiner als TJ . Zu diesen beiden Angaben ist in den Datenblättern meistens ein Diagramm zu finden in dem die Temperaturabhängigkeit der höchstzulässigen Gesamtverlustleistung aufgezeigt wird. Aus diesem Diagramm kann die Verlustleistung bei bestimmten Umgebungstemperaturen entnommen werden. Als Parameter ist der Wärmewiderstand RTh des Halbleiters aufgetragen. Denn wird durch einen Kühlkörper oder durch die Montage des Transistors an einem Gehäuse die Wärme besser abgeführt, so ist die Gesamtverlustleistung auch bei höheren Umgebungstemperaturen zulässig.
Zulässiger Arbeitsbereich
In Transistorschaltungen dürfen bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden. Der zulässige Arbeitsbereich einer Transistorschaltung wird somit durch den Kollektorstrom Ic , durch die Kollektor - Emitterspannung UCE und durch die Verlustleistung Ptot begrenzt. Wird der Transistor außerhalb des erlaubten Arbeitsbereiches betrieben wird der Transistor zerstört.
Autor: ZwieBack - Wiki Konvertierung Frank
Siehe auch
externer Link zu Grundlagen Transistorschaltungen http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/elektronik/nav/k5t2.html
