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.
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:
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
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. Der Aufbau belegt die Eignung des Transistors als Schalter von Lasten, denn an die Stelle der LED könnte auch eine größere ohmsche Last (kleinerer Widerstand = größerer Strom -> mehr Leistung) treten. Die in der Digitaltechnik unmittelbar geschalteten Lasten sind eher gering, die Ströme klein. Der ATmega328P des Arduino UNO schaltet immerhin bis zu 20 mA auf jedem seiner Ausgänge, was im Bereich der Prozessoren ein verhältnismäßig großer Strom ist. Selbst ein einfacher Transistor wie der bipolare NPN-Transistor 2N2222A kann für kurze Zeit bis zu 1 A Kollektorstrom aushalten.
Durch die gelbe Steckbrücke fließt über den Widerstand von 1 k ein geringer Strom in die Basis des Transistors. Ist die gelbe Steckbrücke mit dem +5 V-Potenzial verbunden, wird die Verbundung von Kollektor zum Emitter des Transistors leitend und die an den Kollektor angeschlossene LED beginnt zu leuchten. Liegt die Basis des Transistors über die gelebe Steckbrücke an 0 V, erlischt die LED. Der Transistor ist nicht mehr leitend.
Wie die Untersuchungen zu den Diodeneigenschaften des Transitors zeigen, bedarf es eines Mindestpotenzials von >0,6 V an der Basis des Transistors, damit der Siliziumtransistor leitend wird. Erst bei anliegenden Potenzialdifferenzen, bei denen die Basis des Transistors wenigstens um diesen Betrag höher als das Potenzial des Emitters ist, steuern den Transistor durch.
Lichtabhängiger Dämmerungsschalter
Der Transistor leitet den Strom also nur, wenn das Potenzial seines Basisanschlusses mehr als 0,6 V größer als der des Emitteranschlusses ist. Regelt ein Spannungsteiler das Potenzial der Basis und setzt sich der Spannungsteiler auf der Anodenseite aus einem lichtabhängigen Widerstand und auf der Kathodenseite aus einem einstellbaren Widerstand (Potenziometer) zusammen, so bestimmt die über das Potenziometer abfallende Spannung das prinzipielle Leitungsvermögen des Transistors. Der durch den lichtabhängigen Widerstand fließende Strom bestimmt (wegen des wirksamen Verstärkungsfaktors des Transistors) den möglichen Maximalstrom in den Collector mit.
Im dargestellten Aufbau erstrahlt die LED sobald ausreichend Licht auf den lichtabhängigen Widerstand fällt. Der Set-Punkt ist über den Widerstand des Potentiometers einstellbar. Soll die LED mit einsetzender Dunkelheit leuchten, müssen Potentiometer und lichtabhängiger Widerstand die Positionen tauschen. (im einfachsten Fall wird das Potentiometer mit der Anode (+) und der lichtabhängige Widerstand mit der Kathode (-) verbunden.
„FlipFlop“ oder elektronischer „bistabiler Kippschalter“
Der bistabile Kippschalter behält einen einmal angenommenen Zustand bis ein externer Auslöser seinen Zustand ändert und der Schalter damit die „andere“ Stellung einnimmt. Er ist also ein elektronischer Speicher mit der Kapazität von 1 Bit. Die FlipFlop-Schaltung benötigt 2 Transistoren. Der folgende Aufbau wurde dem „Flip Flop LED Circuit“ aus den Instructables von sooraj619 eng nachempfunden, die Schaltung lediglich nachgezeichnet.
Der Taster ist vom Typ „NC“, was für „normally closed“ steht. Die Schaltung steht also bis zum Druck auf den Taster unter Batteriespannung. Ist ein solcher Taster nicht zur Hand und wird der Aufbau der Schaltung auf dem Steckbrett durchgeführt, genügt eine Steckbrücke, die vorübergehend gelöst und wieder geschlossen wird. Die in der Schaltung enthaltenen Kondensatoren sorgen für eine verhältnismäßig lange Zeit für die Aufrechterhaltung des Gedächtnisses, sodass der vorangegangene Schaltzustand „erinnert“ werden kann.
Den Einsatz eines Transistor als verstärkendes Element demonstriert dieser Versuch von Leifiphysik. Der dortige Versuchsaufbau hier in einer auf das übliche Steckbrettformat abgewandelten Form. Die erforderliche Spannung von 5 V liefert das auf dem Steckbrett angebrachte Stromversorgungsmodul. Zusätzlich verwendet: Trimpotentiometer 10 k; Widerstand 10 k, NPN-Transistor 2N2222A (oder ähnlich), 2 Strommessgeräte mit dem erforderlichen Messbereich.
Die Verwendung des Beispiels zum NPN-Transistor als Verstärker von Herrn Popvic erscheint 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. Im obigen Beispiel ergeben Messungen beispielsweise für den Basisstrom sowie den Kollektorstrom:
Basisstrom IB | Kollektorstrom IC |
0,59 µA | 0,136 mA |
3,00 µA | 0,747 mA |
5,01 µA | 1,275 mA |
10,06 µA | 2,62 mA |
20,08 µA | 5,34 mA |
29,91 µA | 7,73 mA |
85,09 µA | 18,2 mA |
90,02 µA | 19,15 mA |
Für die grafische Darstellung des Kollektorstroms in Abhängigkeit vom Basisstrom ergibt sich das folgende Bild:
Das Verhältnis und damit die Verstärkung des Basisstroms beträgt etwas mehr als 200. Die Verstärkung verläuft in dem den Messungen zugrunde liegenden Bereich annähernd linear. Der bipolare NPN-Transistor wirkt demnach in der vorliegenden Schaltung als Stromverstärker. Ein Strom in die Basis des Transistors in der Höhe von 1 mA bedeutet im Fall des für den 2N2222A ermittelten Verstärkungsfaktors einen Strom von 200 mA der in den Kollektoreingang des Transistors fließen kann. Der durch den Emitter abließende Strom betrüge dann 200 mA + 1 mA = 201 mA.
- 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 bipolare NPN-Transistor kann nur dann einen Strom von der Seite des Kollektors zum Emitter leiten, wenn das Potenzial der Basis um einen transistorspezifischen Betrag (meist etwa 0,7 V bei Siliziumtransistoren) höher als das Potenzial des Emitters ist (Diodeneigenschaft des Transistors).
Sind hohe Leistungen / Verstärkungen des Stroms gefordert, können Transistoren auf in Form eines Darlington-Transistors kombiniert werden. In dieser Schaltungsform speist der Emitter des ersten Transistors die Basis des Folgetransistors. Hier die vereinfachte Darstellung.
Beim TIP120 wurden zusätzlich 2 Widerstände und eine Freilaufdiode implementiert, was diesen Leistungstransitor auch für das Schalten induktiver Lasten geeignet macht. Im Fall des Darlington-Transistors ergibt sich für den mindesten Potenzialunterschied um den das Potenzial der Basis höher als das des Emitters sein muss von 2 x 0,7 V = 1,4 V. Im Fall des TIP120 können bis zu 28 A durch den Transistor fließen, was zu einer entsprechend hohen Verlustleistung = Erwärmung des Transistor führt, dabei verträgt der Transistor Spannungen bis zu 100 V (Achtung Fangfrage: Für welche zu kühlende Verlustleistung / Wärmeleistung des TIP120 muss ein Kühlkörper im Fall maximaler Belastung gerechnet werden?).
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.