aktive Bauteile

Transistor

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Ein Transistor ist ein sog. aktives Bauteil. Dies bedeutet, das über einen "Steueranschluss" (die Basis oder das Gate) die Leitfähigkeit der Stromführenden Anschlüsse (z.B. E = Emitter und C = Collektor) gesteuert werden kann. Ein Transistor wird auch als Verstärker bezeichnet, wobei das nicht ganz korrekt ist. Allerdings kann mit einem Transistor und einiger ergänzender Bauteile eine Verstärkerschaltung (z.B. für Tonsignale, aber auch für alle anderen Arten von Signalen) aufgebaut werden.

Transistoren können (und das ist oft auch der Fall) auch in sog. "integrierten Schaltungen" (dazu folgt hier noch ein Beitrag) in hoher Zahl und in bestimmter Zusammenschaltung zusammen gefasst sein. Denn der Transistor selber ist sehr klein - er wird nur durch das Gehäuse (absichtlich) groß gemacht.

Neben den hier beschriebenen Bipolaren Transistor (Germanium, Silizium, oder anderes (Misch)Kristall) gibt es auch noch unipolare Transistoren, nämlich die Feldeffekttransistoren, die später noch beschrieben werden.

Transistor bedeutet "transfer Resistor", also wie oben beschrieben, ein steuerbarer Widerstand. Diese Wirkungsweise ist ähnlich wie die einer bekannten Elektronenröhre, und zwar der Triode. Das ist der Grund, warum ein Transistor auch gelegentlich als Halbleitertriode bezeichnet wird. Mittels des Stromes der durch die Basis fliest, wird also der Strom, der durch Kollektor und Emitter fliesst, eingestellt. In welche Richtung jeweils die Ströme fließen sollen/müssen, wird über den Typ des Transistors (NPN / PNP) bestimmt.

Hintergrund Triode: die "original Triode" ist eine Röhre, welche eine Heizspannung benötigt und eine (hohe) Anodenspannung. Sie ist kein Halbleiter. Zum Thema "Röhre" folgt hier noch ein Beitrag.

Wissen: Was kaum jemand weiß; Bipolare Transistoren sind später entwickelt worden als Feldeffekttransistoren, zu denen wir später noch in einem Artikel kommen werden.

Typen: als die gängigsten Transistortypen (Reihenfolge Ihrer Entwicklung) können genannt werden;

  • Feldeffekttransistoren (werden heute eingesetzt), ca. 1934
  • Germaniumtransistoren Bipolar (werden heute praktisch nicht mehr eingesetzt), ca. 1942
  • Siliziumtransistoren Bipolar (werden heute eingesetzt), ca. 1956 (Patent zumindest).
  • Isolatet Gate Bipolar Transistor, IGBT (werden heute eingesetzt), ca. 1990

Hinweis: Feldeffekttransistoren, sowie  IGBT werden in separaten Artikeln abgehandelt (folgt hier noch).

Germaniumtransistoren werden heute praktisch nicht mehr eingesetzt, und werden aktuell auf dieser Website auch nicht weiter behandelt. Vereinfacht kann man sagen, dass die ersten Transistoren überwiegend Germaniumtransistoren waren. Diese Typen waren die ersten Transistoren überhaupt, und lösten als Massenbauteil die Röhre ab.

 

Bild oben: der Prinzipaufbau eines Transistors. Dargestellt sind zwei unterschiedliche Darstellungsarten, die nur zufällig oben links den NPN Transistor und unten rechts den PNP Transistor zeigen. Es handelt sich um drei Halbleiterschichten, wobei die mittlere, die Basis, sehr dünn ist. Als Ersatzschaltbild für die drei Schichten werden manchmal auch zwei in Reihe geschaltete Dioden verwendet. Jedoch können zwei solche Dioden in der Praxis nicht einen Transistor ersetzen, da "normale" Dioden nicht steuerbar sind. Bild oben: Bauformen verschiedener Transistoren, die heute am häufigsten anzutreffen sind. Bild oben: Schaltzeichen des Transistors (Bipolarer Transistor). Der Kreis wird oft auch weg gelassen. Der hereinzeigende Pfeil kennzeichnet den PNP Transistor, der herauszeigende Pfeil den NPN Transistor.

Transistoren (heutige Bipolare) haben also einen PNP bzw. NPN Übergang. Die "mittlere" Schicht stellt vereinfacht gesagt den Steueranschluss dar - die Basis. Die beiden äusseren sind die Anschlüsse der zu steuernden Stromstrecke (Emitter und Collektor / Kollektor).

Eigenschaft NPN: beim NPN Transistor wird üblicherweise der E an negatives Potenzial (Schaltungsmasse) angeschlossen. Zwischen C bzw. K (Collektor / Kollektor) und pos. Betriebsspannung liegt der Verbraucher, angenommen eine Glühlampe. An der Basis wird nun ein Vorwiderstand zwecks Begrenzung des Basisstromes angeschlossen. Wird die Basis um ca. mehr als 0,5 V positiver als der Emitter, beginnt der Transistor zu leiten. Da der Basisstrom meist sehr gering ist, bzw. sehr gering sein muss, um den Transistor nicht zu zerstören, wird der Vorwiderstand an der Basis verwendet.

Eigenschaft PNP: Genauso ist es beim PNP Transistor, nur das hier der Emitter an pos. Betriebsspannung geklemmt wird, der Verbraucher (z. B. Glühlampe) zwischen Kollektor und Masse liegt, und der Vorwiderstand an der Basis ebenfals an neg. Potenzial. Wird die Basis des PNP Transistors um ca. mehr als 0,5 V negativer als der Emitter, beginnt der Transistor zu leiten. Auch hier muss darauf geachtet werden, den Basisstrom zu begrenzen.

Ergänzung: von Emitter nach Basis liegt beim Transistor eine Silizium Schicht, die ähnlich wie eine Diode arbeitet. Deshalb fällt in Flussrichtung (hier in "Leitent-Richtung des Transistor") vom Emitter nach Basis nie mehr als ca. 0,5 bis 0,7 Volt ab. Die gleiche Spannung fällt in Flussrichtung (Leitent-Richtung) auch auf eine "normale" Diode ab.

Das Besondere am Transistor ist jedoch, dass der Hauptstromkreis des Transistor, nämlich die Kollektor-Emittor Strecke, extrem niederohmig werden kann. Es gibt Transistoren, die können im leitenden Zustand selbst bei vielen Ampere Strom so niederohmig sein, dass auf dieser Strecke weniger Spannung abfällt, als auf einen mechanischen Schalter. In der Praxis können Werte von wenigen Millivolt erreicht werden. In so einem Schaltzustand erzeugt der Transistor natürlich auch extrem wenig Wärme, also extrem wenig Verlustleistung.

Merke: NPN leitet, wenn Basis ca. 0,5 V positiver ist als Emitter.

Merke: PNP leitet, wenn Basis ca. 0,5 V negativer ist als Emitter.

Einleitung zu Formeln und Gesetze: es gibt massenweise Formeln zur Berechnung von Transistoren. Das Thema ist recht komplex und soll hier zu einem späteren Zeitpunkt in einem separaten Artikel ergänzt werden.

Formeln auflisten; folgt.

Nun Diagramme zum Bauteil. Die Kennlinien des Transistors sind generell sehr umfangreich und nicht einfach zu verstehen. Damit die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Strömen und Spannungen der verschiedenen Anschlüsse des Transistors nicht in zig Diagrammen (über 20) dargestellt werden muss, verwendet man ein sog. 4 Quadrantendiagramm. Es zeigt die Verhältnisse der Spannungen und Ströme.

 
Bild oben: Kennlinie Bild oben: kein Bild

Erläuterung zu den Kennlinien; Das sog. 4 Quadranten Kennlinienfeld nicht nicht ganz einfach zu verstehen.

Oben links ist das Verhältnis vom Ic (Kollektorstrom) zum IB (Basisstrom).

Oben rechts sind verschiedene Basiströme dargestellt, und zeigen den Einfluss auf die Spannung zwischen Kollektor und Emitter, sowie dem Kollektorstrom.

Unten links wird das Verhältnis von Basisstrom und Kollektor/Emitterspannung separat dargestellt.

So, weiter möchte ich dieses Thema "Transistor" hier in den Grundlagen nicht ausführen :-)

Freut euch schon mal auf die ersten Schaltungen :-)