Transistor

Schon die Bauformen deuten es an: Nicht alle Transistoren sind gleich! Transistoren sind Kombinationen dotierter Halbleiter. Sie können als elektrische Schalter oder als regelbare Ventile für Strom arbeiten. Transistoren sind verstärkende Bauelemente.

Transistors-white.jpg
Von Benedikt.Seidl – Eigenes Werk, Gemeinfrei, Link

Es gibt unterschiedliche Bauformen von Transistoren, sodass es absolut erforderlich ist, die jeweilige Belegung der „Beinchen“ aus den Datenblättern des jeweiligen Transistors zu entnehmen. In der Regel besitzen sie 3 erkennbare Leitungen/Drähtchen, aber bei Bauformen mit Metallgehäuse kann dieses eines der „Beinchen“ ersetzen. Auch Temperatur oder Hallsensoren gleichen in ihrer äußeren Erscheinung oft Transis­toren. Bei der Planung von Schaltungen und spätestens vor der Inbetriebnahme einer Schaltung sind zudem die maximalen Ströme und Spannungen entsprechend der Datenblätter abzuschätzen. Generell werden für Ansteuerung der Basis eines Transistors nur kleine Ströme benötigt. Aus dem Datenblatt eines Transistors geht zudem hervor, ob es sich um eine NPN- oder PNP-Bauform handelt. In aller Regel werden NPN-Transistoren eingesetzt. Besondere Formen sind Darlington-Transistoren, die eigentlich zwei Transistoren mit etwas zusätzlicher Beschaltung enthalten. Nach außen hin können sie in der Regel wie einfache, aber besonders leistungsfähige Transistoren behandelt werden.

Auf Feldeffekttransistoren (FET) und ähnliche Erweiterungen des Transistorkonzepts wird in diesem Zusammenhang nicht gesondert eingegangen, wenn sie in Treiber-Bausteinen auch verwendet werden.

Ein beachtenswertes Tutorial zu Transistoren beherbergen die Webseiten von Sparkfun hier.

Eigenschaften von Transistoren

Exemplarisch einige im Makerbereich oft verwendete Transistoren:

BC547B-Datenblatt

2N2222-Datenblatt

TIP120-Datenblatt

Eine sehr geeignete, niederschwellige Einführung liefert die Webseite www.leifiphysik.de , auf deren experimentelle Aufbauten hier nicht erneut wiedergegeben sondern auf die verwiesen wird.

Transistoreffekt

Die drei Kontakte/Beinchen eines Transistors werden Emitter, Basis und Collector genannt. Hier der NPN-Typ

BJT NPN symbol.svg
Von Omegatron Der Quelltext dieser SVG-Datei ist valide. Dieses Symbol wurde von user Omegatron mit Inkscape erstellt. , CC BY-SA 3.0, Link

Liegt das Potenzial am Basis-Pin ausreichend über dem Potenzial des Emitter-Pins, fließt ein mindestens kleiner Strom durch den Basis-Pin und aus dem Emitter-Pin. Zugleich bewirkt dieser Strom, dass ebenfalls – und nur während der Strom in die Basis fließt – ein Strom in den Collector-Pin einströmen und den Transistor über den Emitter-Pin verlassen kann. Die in den Basis- sowie den Collector-Pin zufließenden Ströme addieren sich also und verlassen den Transistor über den Emitter. Zusätzlich tritt ein für den jeweiligen Transistor typischer Verstärkereffekt auf. Ein kleiner Basiseinstrom bewirkt die Möglichkeit eines viel größeren Collectoreinstroms. Es liegt ein Verstärker-Effekt vor.

Der Transistor-Effekt und seine erklärung auf Leifiphysik.

Diodeneigenschaften des Transistors

Mit einem einfachen Beispiel zeigt Leifophysik die Diodeneigenschaften eines NPN-Transistors. Eine Diode leitet den Strom stets nur in einer Richtung. Die Dotierungen des Transistorhalbleiters entsprechen genau denen einer Diode.

Da ein Transistor Diodeneigenschaften zeigt, sollte sich diese auch in Form der Aufnahme einer Diodenkennlinie sichtbar machen lassen. In der Regel besteht der Halbleiter eines Transistors aus Silizium. In Diodenkennlinien macht sich dies durch eine Schwellenspannung von 0,7 V bemerkbar. Je nach Versuchsziel ist die Messschaltung nach Art der Stromfehler- beziehungsweise Spannungsfehlerschaltung durchzuführen und die Spannungen im Bereich der Schwellenspannung behutsamst zu erhöhen.

Auch wenn die Kennlinie der oben genannten Transistoren ihren jeweiligen Datenblättern zu entnehmen ist, soll sie exemplarisch verifiziert werden. Dies ist in Form der Aufnahme einer Eingangskennlinie des Transistors entsprechend des in Leifiphysik dargestellten Versuchs leicht nachzuvollziehen. Unter „Eingang“ versteht man den Basis-Kontakt des Transistors. Es wird also der Strom in die Basis hinein und aus dem Emitter heraus betrachtet, während der Collector unbeschaltet bleibt.

Da die Intensität des in den Collector hinein und aus dem Emitter hinaus fließenden Stroms von der Höhe des Basisstroms abhängt, gibt es nicht die eine Ausgangskennlinie die für einen Collectorstrom gemessen werden kann. Es gibt, wie der in Leifiphysik beschriebene Versuchsaufbau zum Ausgangskennlinienfeld beschreibt, sondern ganz viele Kennlinien, die alle von der große des Basistroms abhängen. Insbesondere sind die in dem verlinkten Artikel beschriebenen Überlegungen zur Verlustleistung zu beherzigen.

Transistor als Schalter und Verstärker

Transistoren finden ihren derzeit häufigsten Einsatz als Schaltelement in integrierten Schaltkreisen (IC). Dort kommt es meist auf eindeutige Schaltzustände an. Der Versuchsaufbau Transistor als Schalter in Leifphysik vermittelt diese Transistoreigenschaft. Die dort verwendete Glühlampe entspricht weniger den heute üblichen Lichtquellen. Der in dem Aufbau verwendete Darlington Transitor TIP142 würde zudem eine neue Variation in die Betrachtung bringen, weshalb auf eine der zuvor verwendeten Transistortypen zwecks Nachvollzug zurückgegriffen werden sollte. Anstelle des Glühlämpchens leistet auch eine LED gute Dienste, wenn ein geeignet dimensionierter Vorwiderstand eingesetzt wird.

Den Einsatz eines Transistor als verstärkendes Element demonstriert zwar auch dieser Versuch von Leifiphysik, jedoch erscheint die Verwendung des Beispiels zum NPN-Transistor als Verstärker von Herrn Popvic zeitgemäßer, wobei der Code aus „Töne mittels Lautsprecher ausgeben“ auf der gleichen Webseite oder „Nr.08 – Töne erzeugen“ geeignet anzupassen wäre. Die von der Regelung des Basisstrom mittels Potenziometer abhängige Lautstärke kann organoleptisch beurteilt oder der Collectorstrom und Basisstrom mittels entsprechender Schaltung gemessen werden.

Der verwendete Steuerstrom kann sich aus einer anderen Spannungsquelle speisen als der Collectorstrom. Spannungsquelle für den Basisstrom und Spannungsquelle für den Collectorstrom benötigen jedoch stets den gemeinsamen Massebezug.

Der Transistor kann auch auch Aktion in Form von Bewegung vermitteln. Der Einsatz von Mikrocontrollern in MSR-T-Systemen erfordert auf den Einsatz und die korrekte Dimensionierung von Transistoren. Die Firma Adafruit konnte Simon Monk als Autoren für ein Tutorial über den Einsatz von Transistoren zur Steuerung von Kleinmotoren gewinnen.  Hier weist Simon Monk auf die Notwendigkeit der Verwendung einer Diode beim Betrieb von Induktivitäten hin. Zusätzlich erweitert er den Ansatz um die Eingriffsmöglichkeit über den seriellen Monitor, um die Drehzahl eines Kleinstmotors unabhängig vom Neucomplilieren und Hochladen eines Programms zu ermöglichen. Die Steuerung erfolgt nahezu stufenlos durch Nutzung der Pulsweitenmodulation. Dieses Verfahren ermöglicht nach der einfachen On/Off-Regelung eine Proportionalregelung in MSR-Systemen. Als Umsetzungsbeispiel diesmal mit PNP-Transistor und ohne einführende Erläuterung zum Transistor kann auch „DC-Motor and Transistor“ verwendet werden. Nicht jeder Digitalausgang ist PWM-fähig. Hier bedarf es der Rückversicherung durch die Unterlagen des verwendeten Mikrocontrollersystems.