Der Transistor - nicht nur ein Schalter
Ein Winzling mit großer Leistung
Transistoren können auf dreierlei Art verwendet werden: als Schalter, als Verstärker und als Regler. Obwohl die Handhabung von Transistoren unkritisch ist, muss ein wenig Theorie beachtet werden, damit dieses Bauteil nicht durch zu hohe Spannung zerstört wird oder Anschlüsse versehentlich vertauscht werden, wodurch dessen korrekte Funktion unterbleibt.
Der Transistor ist ein interessantes Stück Technik. Hier hat man es eigentlich mit einem Relais im Miniaturformat zu tun, was jedoch nur rudimentär stimmt, da ein Transistor anders funktioniert und zudem als Regler arbeiten kann. Ganz abgesehen davon, dass man damit in der Regel nicht ähnlich hohe Ströme damit schalten kann, wie dies mit einem Relais möglich ist. Zudem erlauben Relais getrennte Stromquellen für Steuer- und Arbeitskreis.
Dennoch erstaunt der Transistor mit seinen Fähigkeiten. Bemerkenswert hohen Verstärkungsfaktoren zwischen 25 und 1000 zeigen, dass er angesichts seiner Größe Eindrucksvolles leistet. Vor seiner Erfindung wurden Röhren für all die Dinge genutzt, für die heute ein Transistor herangezogen wird. Diese waren sehr energiehungrig und wenig dauerfest. Dennoch hatten sie auch Vorteile. Damit gebaute Verstärker beispielsweise erzeugten einen sehr warmen Klang, weshalb diese bei sündhaft teuren Geräten nach wie vor verbaut werden.
Die Bezeichnung eines Transistors gibt bereits eine ganze Menge Auskunft über dessen Eigenschaften. Seine Wichtigste ist der Verstärkungsfaktor hFE , der es erlaubt, ein schwaches, an der Basis anliegendes Signal kräftig zu Puschen. Damit können dann Verbraucher, wie etwa LED-Lampen betrieben werden.
Transistoren sind für unterschiedliche Betriebsspannungen zu beziehen. Die Maximalwerte sind im Datenblatt unter der Angabe VCEO ersichtlich. In der Regel werden sie jedoch mit weit geringeren Spannungen betrieben. Sie können je nach Bauart Ströme bis zum 800fachen und mehr verstärken. Diesbezüglich der entscheidende Faktor ist der hFE-Wert. Der Wert VEBO gibt zudem an, wie groß die Eingangspannung an der Basis, genauer in der Strecke Emitter-Basis maximal sein darf. Diese liegt in der Regel stets zwischen fünf und sechs Volt und bildet die Grundlage für die Berechnung des korrekten Vorwiderstands für den jeweiligen Transistor.
Funktionsweise des Transistors
Ein Transistor besteht im Grunde aus zwei zusammengeschalteten Dioden, die einen gemeinsamen Katodenanschluss besitzen, der als Basis (B) bezeichnet wird. Die beiden Anoden der zusammengefassten Dioden werden beim Transistor als Kollektor (C) beziehungsweise Emitter (E) bezeichnet.
Doch dies ist nicht die volle Wahrheit. Ein Transistor würde nicht funktionieren, wenn er sich exakt wie zwei zusammengeschaltete Dioden verhalten würde, da sonst in der Kollektor-Emitter-Strecke niemals ein Strom fließen würde. Damit dies dennoch geschieht, wurde zu einem Trick gegriffen: die Basisschicht wurde sehr dünn ausgeführt. Auf diese Weise können die Elektronen diese Sperre überwinden. Es ist somit es die Geometrie, die einen Transistor sein erstaunliches Werk verrichten lässt.
Um die Funktionsweise des Transistors zu verstehen, ist es ganz entscheidend, sich die tatsächliche Stromrichtung vor Augen zu führen, die von Minus nach Plus erfolgt. Die technische Stromrichtung, die für Schaltungen und mathematische Berechnungen verwendet wird, verläuft hingegen von Plus nach Minus.
Die alles entscheidende Voraussetzung für das Schalten eines Transistors ist eine Spannung von 0,7 Volt, die zwischen Basis und Emitter anliegen muss (UBE). Der Vorwiderstand des Transistors ist daher so zu wählen, dass an der Basis des Transistors diese 0,7 Volt anliegen. Beträgt beispielsweise die Betriebsspannung der Schaltung 9 Volt so müssen 8,3 Volt „zurückgehalten“ werden, damit der erlaubte Basisstrom von 0,7 Volt fließen kann. Dieses „Zurückhalten“ geschieht mit einem passend berechneten Widerstand, der den überschüssigen Strom in Wärme umwandelt und an die Umgebung abgibt. Der Fachbegriff für das Vernichten von Spannung wird übrigens als Spannungsabfall bezeichnet.
Die Basisspannung von 0,7 Volt bewirkt, dass Elektronen von der N-Schicht des Emitters zur P-Schicht der Basis wandern. Sie werden vom Plus-Pol der Spannung UBE angezogen. Dadurch, dass die P-Schicht nur sehr dünn ist, wird lediglich ein kleiner Teil der wandernden Elektronen in der P-Schicht weitergeleitet. Der größere Teil bewegt sich weiter in Richtung obere Grenzschicht, wodurch diese leitend wird. In der Folge zieht der Plus-Pol der Spannung UCE die Masse der Elektronen an und es fließt der Kollektorstrom IC. Etwa 99 Prozent der vom Emitter kommenden Elektronen wandern auf diese Weise zum Kollektor. In der dünnen Basisschicht fließt der Rest ab.
Dieser Basisstrom ist für einen Kollektorstrom verantwortlich, der weit größer als der auslösende Basisstrom ist, was im Verstärkungsfaktor des Transistors zum Ausdruck kommt.
Der Kollektorstrom nimmt im selben Verhältnis zu, in dem der Basisstrom erhöht wird. Beträgt beispielsweise der Basisstrom 0,5 mA und der Kollektorstrom 25 mA, so wird der Kollektorstrom auf 50 mA erhöht, wenn der Basisstrom auf 1 mA steigt. Der Verstärkungsfaktor beträgt in diesem Fall 50, wie die Rechnung 1 mA*50=50 mA bestätigt.
Dadurch, dass sich der Kollektorstrom mit dem Basisstrom ändert, verhält sich ein Transistor wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand.
Beim Transistor ist es wichtig zu wissen, wo welche Anschlüsse zu finden sind und wie diese korrekt bezeichnet werden: Als Basis (B) wird derjenige Anschluss bezeichnet, der als Steuereingang fungiert. Er befindet sich in aller Regel in der Mitte des Transistors. Sobald an der Basis eine Spannung anliegt, die über der Schaltschwelle des jeweiligen Transistors liegt, schaltet der Transistor die Verbindung Kollektor (C)-Emitter (E) durch. Auf dieser Strecke fließt dann ein wesentlich größerer Strom, als derjenige, der zum Schalten des Transistors benötigt wurde. Diese Tatsache kommt im Verstärkungsfaktor des Transistors zum Ausdruck.
Betriebsarten:
Transistoren können in drei verschiedenen Betriebsarten zum Einsatz kommen. Diese werden als Emitter-, Kollektor und Basisschaltung bezeichnet. Sie können leicht unterschieden werden, da es genügt zu prüfen, welcher der Anschlüsse des Transistors direkt mit der Stromversorgung verbunden ist, wie anhand der grünen Linien in den Musterschaltungen zu sehen ist.
Die Emitterschaltung erkennt man daran, dass der Emitteranschluss des Transistors direkt mit der Spannungsversorgung verbunden ist. Es sind keine Verbraucher zwischengeschaltet. Diese Schaltung eignet sich optimal zum Verstärken von Spannungen. Der Vorwiderstand am Basisanschluss muss so bemessen werden, dass der gewünschte Laststrom sicher erreicht, der Basisstrom jedoch nicht unnötig groß wird.
Die Kollektorschaltung wird daran erkannt, dass der Kollektoranschluss des Transistors direkt mit der Spannungsversorgung verbunden ist. Mit dieser Schaltung werden kleine Steuerströme vom Basisanschluss in größere umgesetzt. Daher eignet sie sich auch nicht zur Spannungsverstärkung, da die am Emitter erzielbare Spannung nie größer werden kann, als diejenige Spannung, die an der Basis anliegt.
Dieses Verhalten ist optimal, um den Transistor für Regelungsaufgaben einzusetzen. Für Kleintransistoren liegt die zulässige Spannung (VEBO) zwischen fünf und sechs Volt. Ist die Steuerspannung größer, muss ein Vorwiderstand den Strom an der Basis auf das zulässige Maß reduzieren, ansonsten kann auf diesen verzichtet werden.
Merkmale der Basisschaltung:
Die Basisschaltung wird hauptsächlich in der Hochfrequenztechnik verwendet. In der Basisschaltung bildet der Basisanschluss des Transistors den gemeinsamen Anschluss. Die Ansteuerung erfolgt über den Emitter, daher sind große Steuerströme, aber nur geringe Spannungen zur Ansteuerung nötig. Aus diesem Grund ist die Basisschaltung im Niederfrequenz- und Logikbereich selten anzutreffen. Gleichwohl eignet sie sich für bestimmte Aufgaben, etwa zum Umsetzen von Logikpegeln.
Fazit:
Gilt es, den Transitor als Schalter einzusetzen, so ist die Emitterschaltung zu verwenden.
Soll hingegen der Transistor als Regler oder Verstärker eingesetzt werden, ist die Kollektorschaltung die richtige Wahl.
Die Basisschaltung hingegen eignet sich hauptsächlich für HF-Anwendungen, aber auch für Aufgaben aus dem Bereich der Logik.
Die Emitterschaltung ist der häufigste Anwendungsfall, in der Transistoren eingesetzt werden. Sie eignet sich ideal, um Verbraucher über den Transistor ein- und auszuschalten. Der Verbraucher sitzt hier im Kollektorstrang. Obwohl es grundsätzlich egal ist, ob der Verbraucher am Kollektor- oder am Emitterstrang verbaut wird, sollten im Fall von Schaltvorgängen diese immer im Kollektorstrang verbaut sein, da hier der Durchlassstrom konstant ist. Hinzu kommen die bereits erwähnten Einschränkungen hinsichtlich der Spannung, die für Schaltvorgänge den Einbau des Verbrauchers am Emitter nur bei geringen Spannungen zweckmäßig erscheinen lassen.
Am Emitterstrang lässt sich der Strom mit geeigneter Ansteuerung durch die Basis regeln, sodass in diesem Strang vorzugsweise Verbraucher eingebaut werden, die nicht nur geschaltet, sondern auch geregelt werden müssen.
Regelung per Kollektorschaltung
Wie erwähnt, kann über den Basistrom der Emitterstrom geregelt werden. Für diesen Zweck eignen sich Trimmpotentiometer, deren Widerstandswert sich über einen Schleifer einstellen lässt. LEDs zum Beispiel können mit einer passenden Schaltung in ihrer Helligkeit variiert werden.
Deutlich ist sichtbar, dass mittels eines Trimmpotentiometers die Helligkeit einer LED in einer Kollektorschaltung regelbar ist. In diesem Beispiel ist die LED gerade noch hell genug, um wahrgenommen zu werden.
Ein Transistor lässt zwischen Kollektor und Emitter einen Strom fließen, wenn an der Basis eine Spannung von 0,4 bis 0,7 Volt anliegt. Damit ein Transistor zuverlässig schaltet, sollte der Basiswiderstand R1 so dimensioniert werden, dass die zwischen Basis und Emitter aufgebrachte Spannung deutlich über 0,5 Volt liegt, damit der Transistor voll durchschalten kann.
Der Vorwiderstand R1 muss jedoch mindestens so groß dimensioniert werden, dass die maximal zulässige Spannung an der Basis (in der Regel 5V) nicht überschritten wird. Spannungen unter 0,5 Volt (hervorgerufen durch zu große Vorwiderstände) verhalten sich wie schleifende Kupplungsscheiben im PKW: Es entsteht in beiden Fälle Hitze, ohne dass die Kraft des Motors beziehungsweise der mögliche Strom zu 100 Prozent übertragen werden. Nach einiger Zeit kommt es wegen dieser Hitze zur Zerstörung der Kupplungsscheiben beziehungsweise des Transistors.
Berechnen des Basiswiderstands:
Das Berechnen des passenden Basiswiderstands ist ein mehrstufiger Prozess. Zunächst ist der Strom zu ermitteln, der durch den Verbraucher fließt. Das Ergebnis bestimmt, welcher Transistor genutzt werden muss, damit nicht die Gefahr besteht, dass ein unzulässig hoher Strom einen dafür nicht ausgelegten Transistor zerstört. Das Ergebnis dieser Berechnung ist der später durch den Kollektor fließende Kollektorstrom Ic.
Im vorliegenden Beispiel bildet eine LED zusammen mit einem Vorwiderstand den Verbraucher. Bei zwei Volt Spannung und einem Stromfluss von 20 mA kann nach dem Ohmschen Gesetz ein Widerstand von 100 Ohm für die LED berechnet werden. Zusammen mit dem Vorwiderstand von 470 Ohm ist somit ein Arbeitswiderstand von 570 Ohm bei der Berechnung des Basiswiderstands für den Transistor zu berücksichtigen.
Gegeben:
Arbeitsspannung: 9V
Widerstand R2: 470 Ohm
Widerstand LED: 100 Ohm
Arbeitswiderstand: 570 Ohm
Verstärkungsfaktor hFE: 500fach
Sicherheitsfaktor: 5
Steuerspannung UBasis: 9V
Leistungsabfall UBE: 0,7V
Resultierende Basisspannung URES: 8,3V
Rein rechnerisch müsste der passende Basiswiderstand circa 52 kOhm besitzen, um den Basistrom auf circa 0,7 V zu begrenzen. Doch auch ein Widerstand mit 47 kOhm wird in dieser Schaltung funktionieren. In diesem Fall ist das sichere Durchschalten des Transistors auf knapp den Faktor 6 erhöht, was dem sicheren Durchschalten des Transistors entgegenkommt. Der Fachmann bezeichnet das sichere Durchschalten des Transistors als „Sättigung“. In diesem Zustand fließt der maximal mögliche Kollektorstrom.
Die Spannung am Basisanschluss des Transistors müsste bei Verwendung eines Vorwiderstands von 47 kOhm rechnerisch 1,48 V betragen. Sie liegt damit weit unter der zulässigen Basisspannung, die bei einem BC 547C maximal 5 V beträgt. In der Praxis wird sich wegen der physikalischen Gegebenheiten beim Durchschalten des Transitors an der Basis jedoch stets eine Spannung von 0,7 V einstellen, wie Messungen zeigen.
