Ein wenig Theorie zum Transistor muss doch noch sein. Darum findet ihr in diesem Tutorial auch keine Experimente.
Transistoren
Das Prinzip der Transistoren wurde bereits vor etwa 100 Jahren entdeckt. Erste praktische Ergebnisse wurden aber erst nach dem 2. Weltkrieg erzielt.
Basierten die frühen Transistoren noch weitgehend auf Germanium, sind die heutigen Elemente weitgehend mit Silizium realisiert.
Die grösste Anzahl von Transistoren werden nicht mehr als Einzelbauteile eingesetzt. Sie sind vielmehr in sehr grossen Stückzahlen in Chips eingebaut. Insbesondere bei Prozessoren im Bereich Computer und Mobiltelefonie, werden oft Millionen oder sogar Milliarden von Transistoren in einen Chip gepackt. Auf Wikipedia findet ihr eine schöne Übersicht.
Es gibt verschiedene Transistortypen:
Bipolartransistor
Momentan beschäftigen wir uns ausschliesslich mit diesem Typ. Bipolartransistoren sind stromgesteuert. Ein kleiner Basistrom kann den Strom im Kollektor / Emitter - Kreis steuern.
Feldeffekttransistor
Diese werden später ein Thema werden. Sie sind spannungsgesteuert. Der Steueranschluss (Gate) ist sehr hochohmig. Dadurch fliesst nahezu kein Strom und die Steuerung erfolgt nur durch die Spannung.
Thyristor, Fototransistor, Triac ...
Für den Moment sind sie für uns kein Thema. Sollten wir sie aber einmal in einem Experiment einsetzen, dann werden wir auch über die Details sprechen. Ich denke, bei Fototransistoren könnte das recht schnell der Fall sein.
Bipolartransistoren
Ein Bipolartransistor besteht aus 3 Schichten. Eine dünne Basisschicht ist eingeklemmt zwischen dem Emitter und dem Kollektor eingeklemmt. Wie bei den Dioden sind diese Schichten P oder N dotiert. Daraus ergeben sich die beiden Typen NPN und PNP.
Als Ersatzschaltbild kann man zwei zusammengeschaltete Dioden hinzuziehen. Dabei fällt auch, dass immer eine der Dioden sperrt, die Verbindung zwischen Kollektor und Emitter also immer unterbrochen ist. Wenn man das Modell mit den drei Schichten anschaut, ist es schnell klar, dass in der Basisschicht eine Zone ohne freie Ladungsträger existiert.
Wenn wir aber den Übergang von der Basis zum Emitter anschauen, sehen wir, dass es sich dabei um eine normale Diode handelt. Nun legen wir an der Basis eine positive Spannung an (der Emitter ist dabei mit Minus verbunden), die grösser als etwa 0.7V ist, beginnt diese Diode zu leiten.
Jetzt tritt ein Effekt auf, der die moderne Elektronik erst möglich macht. Durch diesen Strom wird die Basisschicht mit freien Ladungsträgern geflutet. Die positive Spannung am Kollektor konnte bisher keine Verbindung zum negativen Emitter aufbauen. Jetzt sind aber plötzlich Ladungsträger in der Basis vorhanden. Die Ladungsträger im Kollektor hängen sich hier an und finden so einen Weg zum Emitter. Der so entstandene Strom ist aber sehr viel grösser, als der ursprüngliche Basistrom.
Man kann sich das so vorstellen:
In einem Vergnügungspark steht eine beliebte Bahn. Viele Leute (am Kollektor) warten schon gespannt darauf, dass es endlich los geht. Der Betreiber der Bahn (die Basis), schickt darauf alle 3 Minute einen Wagen los. Dieses kann jeweils 5 Personen transportieren. Da es aber viele wartende Leute hat, erhöht er die Anzahl Wagen, die in diesen 3 Minuten fahren. Zuerst auf 2, dann auf 3 Wagen pro 3 Minuten. Das funktioniert gut, in diesen 3 Minuten können jetzt 15 Personen transportiert werden. Jetzt steigert er die Anzahl weiter, in der Hoffnung noch mehr Leute transportieren zu können. So richtig funktioniert das aber nicht mehr. Bei weniger als einer Minute Zeit, schaffen es oft nicht mehr alle 5 Personen einzusteigen. Somit sind nicht mehr alle Wagen gefüllt. Die Kurve flacht ab.
Beim Transistor ist es genau so. Ab einem gewissen Punkt führt eine weitere Steigerung des Basistromes nicht mehr zu einer proportionalen Vergrösserung des Kollektor / Emitter - Stromes. Bis zu diesem Punkt hat es aber wunderbar funktioniert. Deshalb ist es bei Transistoren wichtig, dass man nur in diesem linearen Bereich arbeitet.
Die Emitterschaltung
Wir haben mit Hilfe dieser Schaltung im letzten Video den Motor angesteuert. Wir haben dabei gesehen, dass ein kleiner Basistrom (< 1 mA) in der Lage war einen Kollektorstrom von mehr als 100 mA zu steuern.
Diese Anwendung ist etwas speziell. Viel häufiger versucht man den Transistor als Spannungsverstärker einzusetzen. Dabei interessiert die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung.
Der Widerstand an der Basis ist notwendig, um den Basisstrom zu begrenzen. Er kann recht hoch sein, da wir nur einen kleinen Basistrom benötigen.
Die Ausgangsspannung entnehmen wir direkt am Kollektor. Diese erreicht das Maximum (Betriebsspannung des Kollektor / Emitter - Kreises), wenn kein Basistrom fliesst. So bald ein Basistrom zu fliessen beginnt, fliesst ebenfalls ein Strom durch den Kollektorwiderstand. Durch den daraus entstehenden Spannungsabfall, vermindert sich die Ausgangsspannung.
Das nennt man einen invertierenden Verstärker. Je grösser die Eingangsspannung ist, um so kleiner wird die Ausgangsspannung.
Wenn wir den Basiswiderstand weglassen würden, hätten wir eine sehr grosse Spannungsverstärkung. In der Praxis geht es aber nicht ohne, so haben nebst dem Transistor selbst auch die beiden Widerstände einen grossen Einfluss auf die Spannungsverstärkung.
Wenn es um die Verstärkung von Wechselspannungen geht, gibt es aber Möglichkeiten, ohne den Basiswiderstand zu arbeiten.
Die Kollektorschaltung
Diese Schaltung nennt man auch einen Spannungsfolger. Wenn wir nur Basis und Emitter anschauen, dann sehen wir eine Diode und es ist klar, dass die Ausgangsspannung immer etwa 0.7 V unterhalb der Eingangsspannung liegt. Hier benötigen wir keinen Basiswiderstand, da der Emitterwiderstand diese Funktion übernimmt.
Der Ausgang kann aber wesentlich höhere Ströme liefern, als wir am Eingang zuführen. Daher ist diese Schaltung primär ein Stromverstärker.
Eine Warnung noch zum Schluss. Die Eingangsspannung sollte die Betriebsspannung am Kollektor nicht überschreiten. Sonst könnte es sein, dass dem Transistor eine kleine Rauchwolke entsteigt und er damit sein Leben aushaucht.
Was gibt es sonst noch ?
Es gäbe da noch die Basisschaltung. Sie wird seltener gebraucht und ich lasse sie hier einmal weg.
Wir haben nur das Verhalten bei Gleichstrom angeschaut. Im Zusammenhang mit Wechselstrom gibt es aber noch viele andere Dinge zu beachten. Eigentlich wird es dort erst so richtig spannend. Aber das ist ein Thema für später.
Willst du es genauer wissen ?
Wikipedia ist immer eine gute Informationsquelle:
Transistor
Bipolartransistor
Grundschaltungen
Diverse YouTube - Kanäle behandeln dieses Thema:
Playlist bei Stephan Mueller
hawa0643
Wie finde ich den richtigen Transistor