Transistoren

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Transistor als Schalter

Es werden auch einige Schaltungsbeispiele erläutert.

In dieser Arbeit finden Sie keine Antwort auf die Frage, warum ein Transistor so funktioniert!

zuletzt bearbeitet am 6. 6. 2003

Eigenschaften von Transistoren

Transistoren sind Halbleiterbauteile. Im Gegensatz zu Dioden bestehen sie aus drei Schichten mit unterschiedlicher Dotierung. Daher unterscheidet man je nach Schichtfolge die beiden Typen npn (Schichtfolge negativ, positiv negativ dotiert) und pnp Transistoren. Jede Schicht hat einen elektrischen Anschluß an die Restschaltung, so dass Transistoren im Allgemeinen 3 Anschlüsse haben.Diese werden Basis, Emitter und Kollektor genannt und mit B, E und C abgekürzt.
Passen dzu den unterschiedlichen Anforderungen an Transistoren stellt die Industrie viele Typen her, die in einigen standardisierten Gehäuseformen geliefert werden.

npn- / pnp - Transistor - Symbole

Die Pfeile in den Transistorsymbolen geben in beiden Typen die jeweils möglichen Stromrichtungen an. So kann im pnp -Transistor der Basisstrom I_B (=Steuerstrom) nur von Plus über den Emitter in den Transistor hinein- und durch die Basis wieder heraus- über einen Widerstand nach Minus fließen, während der Kollektorstrom I_C (= Arbeitsstrom) nur von Plus über den Emitter in den Transistor hinein-, durch den Kollektor wieder hinaus- und anschließend durch den zu schaltenden Verbraucher nach Minus fließen kann.

Transistor - Schaltung 6

Eine einfache Schaltung mit einem Transistor zeigt das Bild. Die Schaltungsart wird Emitterschaltung genant, weil hier der Emitter der gemeinsame Anschluss für Steuer- und Arbeitskreis ist.
Wenn der Schalter S betätigt wird, kann der Steuerstrom von der 12V Spannungsquelle über den Schalter und den Widerstand R1 weiter über die Basis und Emitter des Transistors zurück zur Spannungsquelle fließen. Der Basisstrom sorgt dafür, dass im Transistor die Strecke C-E durchgeschaltet wird, so dass dann auch der Arbeitsstrom von derselben Spannungsquelle über die Lampe (Verbraucher) über Kollektor - Emitter nach Masse der Spannungsquelle fließen kann. Der Arbeitsstromkreis ist damit geschlossen.

Die bei geschlossenem Schalter vorliegenden Spannungen bzw. fließenden Ströme sind in der Abbildung eingetragen. Es gilt insbesondere:

Die Spannung am Verbraucher ist 12V - 0,3V = 11,7V (fast die komplette Versorgungsspannung)
An der Strecke B-E fällt eine Spannung von 0,7V (tatsächlich hat dieser p-n-Übergang dieselbe Kennlinie wie eine Si-Diode
Die Spannung an R2 = 0,7V (parallel zu BE geschaltet)
Damit fällt an R1 die Restspannung von 12V - 0,7V = 11,3V
Die Stromverstärkung B_I dieses Transistors beträgt 250mA / 10mA = 25
Die Spannungsverstärkung B_U dieses Transistors beträgt 11,7V / 0,7V = 16,7
Die Leistungsverstärkung B_P dieses Transistors beträgt 25 * 16,7 = 418
Der Widerstand R1 schützt als Vorwiderstand die Basis des Transistors vor zu hohen Strömen ( wie der Vorwiderstand einer Diode)
Der Widerstand R2 sorgt nach dem Abschalten dafür, dass die Basis schnell auf Massepotenzial kommt, und der Transistor den Arbeitsstrom abschaltet
R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, der die Gesamtspannung im Verhältnis 11,3V / 0,7V aufteilt
Die Verlustleistung P_tot in dieser Schaltung beträgt I_C * U_CE = 250mA * 0,3V = 75mW Diese Leistung heizt den Transistor auf und muss gegebenenfalls über Kühlbleche abgeleitet werden.
Emitterstrom = Kollektorstrom + Basisstrom I_E = I_C + I_B (Knotenregel)

Fließt durch den Transistor kein Basisstrom, so ist die Strecke C - E hochohmig, d.h. es kann (fast) kein Arbeitsstrom fließen.

Fließt durch den Transistor der Basisstrom, so wird die Strecke C - E (fast) widerstandslos, d.h. der Arbeitsstrom kann fließen.

In Datenblättern findet man zu jedem Transistor die zugehörigen Kennwerte. Dazu gehören mindestens

die Gehäuseabmessungen (Platz auf der Platine),
die Pinabstände (Bohrungsabstände der Platine),
die Anschlussbelegung (Transistor),
die maximal zulässigen Spannungen und Ströme,
die maximal zulässige Verlustleistung,
die Verstärkungen und
die erreichbare Schaltfrequenze.

Für Schaltungen, wo es auf hohe Schaltgeschwindigkeiten ankommt, benötigt man zusätzlich noch Angaben zu Stromanstiegszeiten und Stromabfallzeiten, da auch Transistoren nicht unendlich schnell schalten .
Will man einen Transistor jedoch als Verstärker einsetzen, so reichen diese Angaben nicht aus. Es müssen alle Kennlinien / Kennfelder vorliegen, um die Eigenschaften des Transistors als Verstärker beurteilen zu können.

Eigenschaften von Transistoren

Vergleich Relais - Transistor

Darlington - Schaltung

Im linken Teil des Bildes ist eine Relaisschaltung und im rechten Teil eine Transistorschaltung dargestellt.
Genau wie bei einem Relais unterscheidet man beim Transistor den Steuerstrom (rot) vom Arbeitsstrom (blau). Ein kleiner Steuerstrom schaltet bei beiden Bauteilen einen wesentlich größeren Arbeitsstrom, wobei die jeweiligen Werte je nach Ausführung der Komponenten sehr unterschiedlich sein können. So gibt es Transistoren, die mit einem Steuerstrom von einigen mA Arbeitsströme von einigen mA aber auch solche, die bei einem Steuerstrom im mA-Bereich Arbeitsströme im A-Bereich schalten können.