Der Transistor - Ein Tausendsassa
Materialbedarf
Anz. | Bezeichnung | Datenblatt |
1 | Batterie/Spannungsquelle 9V | |
2 | Transistor BC548C (BC546C-BC550C) |
![]() |
1 | Transistor BC558C (BC556C-BC560C) |
![]() |
2 | Widerstand 470 Ohm | |
1 | Widerstand 22 kOhm | |
2 | Widerstand 47 kOhm | |
1 | Trimmpotentiometer 25 kOhm |
![]() |
1 | Mikrotaster |
![]() |
1 | Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm |
![]() ![]() |
1 | Multimeter |
Grundlagen
Der Transistor ist wohl das wichtigste und vielfältigste Bauelement in der Elektronik überhaupt. Nahezu kein elektronisches Gerät würde heutzutage ohne dieses Bauteil funktionieren. Ob nun als Einzelelement, wie er hier verwendet wird, oder zu Millionen, wie er in Computern und anderen elektronischen Schaltkreisen zu finden ist. Die Möglichkeiten des Transistors sind so vielfältig, dass es gar nicht möglich ist, sämtliche Anwendungen hier aufzuführen.
Diverse Transistoren
Den Typ den wir hier verwenden ist der BC548C. Und als gleichwertiger Komplementärtyp den
|
Das europäische Transistorenangebot ist unterteilt in verschiedenen Familien, die durch die ersten beiden Buchstaben bestimmt wird. Der erste Buchstabe gibt an, aus welchem Material der Transistor besteht. Dabei sind
A = Germanium
B = Silizium
C = Selen
Heutzutage findet man fast nur noch Typen aus der B-Gruppe. Die A-Gruppe wurde früher viel hergestellt. Aus Selen gab es nahezu nie Transistoren. Daher gibt es in diesem Bereich auch fast keine Typen. Der zweite Buchstabe zeigt den Einsatzbereich an. Dies wird wie folgt aufgeteilt:
C = Allgemeine und Kleinsignalanwendungen
D = Leistungstransistor und Darlingtontypen
F = Hochfrequenz und Feldeffekttransistoren
L = Leistungs-Hochfrequenztransistoren
S = Kleinleistungs-Schalttypen
U = Leistungs-Schalttransistoren
Nach der Typenbezeichnung wird oft auch noch ein Buchstabe oder eine Zahl angehängt. Diese gibt an, welche Verstärkungsfaktor der entsprechende Typ besitzt. Hier wird der BC548C verwendet. Dies bedeutet, dass dieser Typ einen Verstärkungsfaktor von ca. 500 besitzt. Ein BC548A hätte einen Wert von ca. 200 und ein BC548B ca. 300. Diese Faktoren müssen aber nicht auf jeden Transistortyp zutreffen. Die exakten Werte stehen im entsprechenden Datenblatt.
Steht hinter der Typbezeichnung eine Ziffer, gibt diese Zahl den Faktor*10 an. Ein BC338-40 hat einen Verstärkungsfaktor von ca. 400. Diese Angaben, egal ob mit einem Buchstaben oder als Wert, sind aber nur Mittelwerte. Sie können um einiges schwanken. Um Schaltungen zu dimensionieren, rechnet man aber immer mit diesen Mittelwerten. Wo der Faktor eine große Rolle spielt, werden dann Trimmpotentiometer zum Abgleich eingesetzt.
Für die Versuche hier, sollte man den von mir empfohlenen Typ verwenden. Andere Typen könnten evtl. zu anderen Ergebnisse führen. Des Weiteren haben die Transistoren auch sehr viele verschiedene Gehäuse. Aber auch ein gleiches Gehäuse heißt noch nicht, das man diesen Typ einfach einsetzen kann. Es ist gut möglich, das die Anschlussbelegung sich anders gestaltet. Näheres kann immer dem entsprechenden Datenblatt entnommen werden.
Der Transistor als Schalter
Wenn nun die Batterie angeklemmt wird, passiert gar nichts. Dies ist auch richtig so. Man muss dem Transistor ja erst mitteilen, dass er schalten soll. Dies passiert durch den dritten Anschluss, der Basis. |
Wozu denn aber einen Transistor? Wir könnten doch die Leuchtdiode gleich direkt über den Taster und einem 470 Ohm Widerstand schalten. Bei dieser Schaltung schon. Aber interessant wird es erst dann, wenn wir den Vorwiderstand R1 gegen einen Widerstand mit einen erheblich höheren Wert tauschen. Setzen wir doch mal einen Widerstand mit 47 kOhm in die Schaltung ein. |
Hier zeigt sich die Stärke des Transistors. Er verstärkt den Strom, der in die Basis fließt und lässt einen erheblich größeren Strom passieren. Diesen Faktor nennt man Stromverstärkungsfaktor. Bei dem BC548C liegt der zwischen 350-600. |
Damit der Transistor seinen Dienst verrichten kann benötigt er auch bestimmte Spannungen. Dabei sind die beiden wichtigsten Spannungen die Basis-Emitter-Spannung (Ube) und die Kollektor-Emitter-Spannung (Uce). Die BE-Spannung beträgt immer ca. 0,7 V wenn der Transistor durchgesteuert ist. Wird dieser Wert unterschritten, macht der Transistor 'dicht'. Die BE-Spannung stellt sich automatisch ein, sobald ein Basisstrom fließt. Die zweite wichtige Spannung ist die CE-Spannung. Diese ist vor allem dann von Bedeutung, wenn man die Verlustleistung des Transistors feststellen möchte. Je höher der Kollektorstrom ist, je höher ist auch diese Spannung. Die CE-Spannung und den Kollektorstrom sollte man immer ein wenig im Auge haben, wenn man eine Schaltung entwickelt. Es kann sonst schnell passieren, dass der Transistor überlastet wird. Wenn man bei unserer Schaltung einen Basisstrom von 177 µA annimmt, dann würde der Transistor einen Kollektorstrom zwischen 62 und 106 mA erlauben. Da die Leuchtdiode aber nur einen Strom von ca. 15 mA benötigt, ist der Transistor übersteuert. Man sagt auch, er ist gesättigt. Im Schaltbetrieb ist dieser Effekt sogar gewünscht um garantieren zu können, das der Transistor auch wirklich durchsteuert. Soll der Transistor jedoch als Signalverstärker arbeiten, sollte eine Sättigung streng vermieden werden um Verzerrungen des Ausgangssignals zu vermeiden. Wie dies genau geschieht, wird später noch erklärt. |
|
Man muss nur dafür sorgen, dass diese Energie abgeführt wird und der Transistor nur dann durchsteuert, wenn ein stärkerer Strom in die Basis fließt. Dies wird hier durch den Einsatz eines weiteren Widerstandes, der von der Basis zum Minus-Pol geht, erreicht. Wenn man nun die Basis berührt bleibt D1 dunkel. Sie leuchtet erst dann auf, wenn der Taster betätigt wird. Der zusätzliche Widerstand R2 sorgt dafür, dass die 'wilde Energie' abgeführt wird. Durch diesen zusätzlichen Widerstand, erreicht die Basis aber auch ein etwas geringerer Strom. Dieser Verlust ist in der Regel aber vernachlässigbar. Anstelle von 177 µA bekommt die Basis nun 145 µA, welches aber immer noch ausreicht um, in unserer Schaltung, eine mehrfache Sättigung des Transistors zu erreichen. |
|
|
|
Doppelt verstärkt besser - Die Darlingtonstufe
Wie man in diesen Schaltplan erkennen kann, wird der Emitter von T1 direkt mit der Basis von T2 verbunden. Die Kollektoren werden zusammengefasst. Wird hier nun der Taster betätigt, leuchtet die LED auf. Soweit nichts besonderes. Tauschen wir hier aber nun die Widerstand R1 und R2 gegen Werte aus, die um ein Vielfaches höher liegen, z.B. R1=1 MOhm, R2=470 kOhm, und betätigen wiederum den Taster, leuchtet D1 ebenso auf. Würden diese Widerstände bei einem einzelnen Transistor eingesetzt, würde die Leuchtdiode nur noch schwach glimmen. Was ist hier passiert? Durch das hintereinander schalten der beiden Transistoren, haben wir dafür gesorgt, dass sich die Verstärkungsfaktoren multiplizieren. Der Basisstrom von T1 wird verstärkt. Dieser resultierende Strom wird von T2 wiederum verstärkt. So entsteht eine Transistorschaltung die selbst kleinste Ströme verstärken kann. In unserem Beispiel würde sich einem Basisvorwiderstand von 1 MOhm, ein Kollektorstrom von min. 0,4 A einstellen. Diese Transistorstufe ist mit unserer LED um ein Vielfaches gesättigt. Wie sieht es hier mit Spannungsverhältnissen aus? |
Hier spielt die Basis-Emitter-Strecke von T2 eine große Rolle. Da sich die BE-Spannung immer auf 0,7 V einregelt, wird diese Spannung auch in der Gesamtspannung vom Kollektor-Emitter gemessen. Da bei der Darlingstufe, zwei BE-Strecken hintereinander geschaltet sind, ist diese Spannung dann auch höher? |
|
Der erste Transistor verstärkt die 1 µA auf 300 µA. Da sich die Ströme aus dem Emitter addieren, fließt dort ein Strom von 301 µA. Die Basis vom zweiten Transistor wird nun mit diesen Strom versorgt und verstärkt diesen wieder 300-Fach und erlaubt dann einen Stromfluss von 90,3 mA. Da die beiden Kollektoren der Transistoren zusammen geschaltet sind, addieren sich auch hier die Ströme und es kommt zu einem Gesamtstrom von 90,6 mA, wenn dieser nicht durch eine angeschlossene Last begrenzt wird.
Man muss eine Darlingtonstufe aber nicht immer mit Einzeltransistoren
aufbauen. Die Industrie bietet schon fertige Transistoren in einem
Gehäuse an. Dies sind unter anderem der
|
Die bessere Darlington-Stufe - Die Komplementär-Darlingtonschaltung
Hier kann man dann eine andere Schaltung einsetzen: Die Komplementär-Darlington-Schaltung. Diese Schaltung, im übrigen auch Sziklai-Schaltung oder Szilkai-Paar bezeichnet, werden die große Stromverstärkung und die geringe Basis-Emiterspannung vereint. Wird die nebenstehende Schaltung in Betrieb genommen, so kann man schnell mit dem Multimeter feststellen, dass hier wieder unsere typische Basisspannung von 0,6-0,7V anliegt, wenn der Taster betätigt wird. Die Stromverstärkung jedoch fast genauso hoch, wie bei der herkömmlichen Darlington-Schaltung. |
Dies ermöglicht der erste Transistor und so wird der PNP mit 300 µA angesteuert. Dieser Strom wird wieder 300-Fach verstärkt und es kommt aus dem Kollektor ein Strom von 90 mA. |
|
|
Der Transistor wird zum Signalverstärker
Nehmen wir unsere Schaltung vom Anfang dieses Lehrganges und ergänzen diese durch einen Trimmpotentiometer. Wird die Schaltung in Betrieb genommen und dreht man am Trimmer, leuchtet die LED lange Zeit hell und geht dann relativ rasch aus. Durch die hohe Verstärkung des Transistors, reicht auch ein kleiner Basisstrom damit dieser voll durchsteuert. Erst wenn der Basisstrom unter dem benötigten Strom sinkt, wird die LED dunkler. Dieser Effekt ist für Verstärkeranwendungen nicht geeignet. Hier soll die Ausgangsspannung sich sofort verringern, wenn sich auch die Eingangsspannung verringert. Dazu muss man die Schaltung nur ein wenig umbauen. |
|
Wird nun die Spannung Uin erhöht, steigt die Spannung nicht nur an der Last, sondern auch am Basiswiderstand. Und so regeln sich die beiden Spannungen so ein, dass die Ausgangsspannung der Eingangsspannung folgt. Ist der Lastwiderstand groß genug, kann man sogar auf einen Basisvorwiderstand verzichten. Der Basisstrom wird hier ja auch durch den Lastwiderstand begrenzt. |
Arbeitspunkteinstellung des Transistors
Oftmals ist es nötig, dass Signale verstärkt werden sollen, die aus einer Wechselspannung bestehen. Dazu gibt es für Transistorschaltung zwei Möglichkeiten, damit diese es bewerkstelligen können. Die eine Möglichkeit wäre, die Verstärkerschaltung mit einer symmetrischen Betriebsspannung zu versorgen und die Vorsorgung der Schaltung nur über den positiven bzw. negativen Pol laufen zu lassen. Für kleine Verstärker ist dieses aber nicht sehr Sinnvoll. Dort greift man auf eine andere Möglichkeit zurück. Man hebt den Arbeitsbereich des Transistors einfach an und gibt dem Transistor so die Möglichkeit, nach oben oder auch unten zu steuern.
|
Der Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R1 und R2, führen der Basis eine Spannung von ca. 4,5 V zu. Der Transistor benötigt selbst wieder die 0,7 V an der Basis-Emitter-Strecke. Den Rest der Spannung liegt nun an der Last an. In unserem Fall eben die LED und dem Vorwiderstand. |
Nun hat man den Möglichkeit den Transistor noch weiter nach oben aussteuern zu lassen sowie auch noch weiter nach unten. Wie haben also hier den Arbeitspunkt des Transistors festgelegt. |
Dreht man hier am Trimmer kann man die Leuchtdiode in jede beliebe Helligkeitsstufe steuern. |
|
Vor- und Nachteile der Grundschaltungen
Diese Schaltung zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: - Hohe Stromverstärkung - Hoher Eingangswiderstand - Geringe Belastung des Transistors - Hohe Spannung an der Last
Diese Schaltung eignet sich weniger für das verstärken von Signalen, da der Transistor hier schnell in die Sättigung gerät. |
Folgende Eigenschaften zeichnen diese Schaltung aus. - Hohe Stromverstärkung - Hoher Eingangswiderstand - Spannungsverstärkung <= 1 - Verstärkung von Wechselspannungen möglich - Kleinere Spannung an der Last |
Unter den Schaltungsarten für Transistoren gibt es noch eine dritte Schaltung. Die Basisschaltung. Diese findet hauptsächlich in der HF-Technik Verwendung und ist für NF- und Schaltanwendungen weniger geeignet.
PNP-Transistor - der nicht ganz vergessene Typ
Auch wenn in der heutigen Elektronik der NPN-Transistor den größten Teil des Bedarfs abdeckt, wird der PNP doch immer mal wieder gebraucht.
Beim PNP sind auch alle Spannungsverhältnisse umgekehrt welches dazu führt, dass man die Grundschaltung des Transistors komplett 'falsch' aufbauen muss. |
2 Sachen fallen hier gleich auf. Der Basisstrom muss hier aus dem Transistor fließen und nicht hinein, wie es bisher beim NPN war und der Transistor steuert vom Emitter zum Kollektor durch. Also der Strom fließt in den Emitter, wir also an den Pluspol der Spannungsquelle geklemmt, und aus dem Kollektor wieder raus. |