Themen:
- Allgemeines
- Funktionsweise des Transistors
- Der Transistor als Schalter
- Der Transistor als Verstärker
- Transistorcharakteristik
- Beispielschaltung mit einer Kennlinie
- Darlington-Transistor
Gesamt:
Transistoren haben zwei verschiedene Anwendungen: Sie werden verwendet als:
- Verstärker (denken Sie an einen Audioverstärker)
- Schalter (ein Transistor kann große Leistungen sehr schnell schalten und wird unter anderem in Steuergeräten im Auto eingesetzt).
Transistoren werden mit Strom gesteuert. Bei Mikroprozessoren beispielsweise möchte man den Strom aufgrund der Wärmeentwicklung möglichst gering halten. Dabei kommt häufig der MOSFET zum Einsatz.
Es gibt zwei Arten von Transistoren, nämlich den NPN- und den PNP-Transistor. Diese werden im Folgenden beschrieben.
NPN-Transistor:
Das B steht für „Base“, das C für „Collector“ und das E für „Emitter“.
Beim NPN-Transistor zeigt der Pfeil vom Transistor weg. Dieser Transistor wird häufig verwendet, wenn es sich um einen „Massekreis“ handelt, bei dem der Emitter mit Masse verbunden ist.
PNP-Transistor:
Beim PNP-Transistor zeigt der Pfeil in Richtung Transistor. Eine nützliche Mnemonik für PNP ist „Arrow to Plate“.
Funktionsweise des Transistors:
In der Automobiltechnik wird der Transistor am häufigsten als Schalter verwendet, daher gehen wir nun näher darauf ein. Als Beispiel nehmen wir einen NPN-Transistor.
Das Bild zeigt links die Basis, oberhalb des Kollektors und unterhalb des Emitters. Wenn ein Grundstrom zu fließen beginnt (blauer Pfeil), folgt er seinem Weg zum Emitter. Dadurch fließt auch ein Kollektorstrom zum Emitter. Sobald der Basisstrom verschwindet, stoppt auch der Strom vom Kollektor zum Emitter.
Fließt der halbe Grundstrom, fließt auch der halbe Strom (im Vergleich zu I max.). Es ist daher deutlich zu erkennen, dass der durch den Transistor geschaltete Strom (von C nach E) vollständig von der Höhe von B abhängt.
Ein Transistor hat aufgrund des PN-Übergangs immer Spannungsverluste. Zwischen Basis und Emitter beträgt sie 0,7 Volt und zwischen Kollektor und Emitter 0,3 Volt.
Der Transistor als Schalter:
Im folgenden Beispiel wird eine 12 Volt / 5 Watt Lampe mit einem Transistor angesteuert. Die Spannung von UB1 (Spannungsquelle 1) ist die Batteriespannung von 12 Volt. Die Lampe ist mit Erde verbunden. Die Basis des Transistors wird mit UB2 gesteuert; „die Spannungsquelle 2“ von 6 Volt.
Die Verlustspannung zwischen Kollektor – Emitter (UCE) beträgt 0,3 Volt und zwischen Basis – Emitter (UBE) 0,7 Volt. Wir werden dies in der folgenden Berechnung sehen. Der Verstärkungsfaktor ist auf 200 eingestellt. Dieser kann immer abweichen. Der Verstärkungsfaktor ist das Verhältnis zwischen Basisstrom und Kollektor-Emitter-Strom.
Ein Stromkreis muss immer mit einem bestimmten Widerstand aufgebaut werden (RB im Diagramm oben). Wäre dieser Widerstand nicht vorhanden, würde der Transistor sofort ausfallen. Der Wert, den der Widerstand RB haben sollte, hängt von allen Faktoren ab; nämlich die Spannungen sowohl an UB1 als auch an UB2 und den erforderlichen Strom für die Komponenten (Widerstände oder Lampen) usw. Wir berechnen nun den Lastwiderstand RB.
Um den Lastwiderstand RB zu berechnen, muss zunächst der Widerstand durch die Lampe berechnet werden.
Da nun der Widerstand RL bekannt ist, kann der Kollektorstrom (IC) berechnet werden.
UCEsat steht für „Saturation“ oder mit anderen Worten; Sättigung. Sobald der Transistor leitet, entsteht zwischen den Punkten C und E (Kollektor – Emitter) ein Spannungsabfall von 0,3 Volt.
Im nächsten Schritt wird der Basisstrom (IB) ermittelt:
Für jede Transistorschaltung gilt eine Sicherheitsmarge (IBK) von 1,5 x IB. Der Wert von IB muss also noch einmal mit 1,5 multipliziert werden. Der Grund dafür wird später erläutert.
Der Basisstrom beträgt nur 12 % des Kollektor-Emitter-Stroms. Es ist nun deutlich zu erkennen, dass aus einem kleinen Bassstrom ein Transistor in einen großen Hauptstrom umgewandelt werden kann.
Da nun alle Ströme im Diagramm bekannt sind, kann der Widerstand RB berechnet werden.
UBE ist die Spannung zwischen Basis und Emitter. Aufgrund des leitfähigen Materials im Transistor gibt es zwischen den Punkten B und E immer einen Spannungsabfall von 0,7 Volt.
Es gibt keine Standardwiderstände mit genau 1,74 kOhm (Kilo-Ohm). Daher muss ein Standardwiderstand mit einem anderen Wert gewählt werden. Die Auswahl muss aus den verfügbaren Widerständen der E12-Serie getroffen werden.
Der erforderliche Widerstand von 1,74 k liegt zwischen 1,5 k und 1,8 k. In diesem Fall sollte der niedrigere Widerstandswert gewählt werden; für 1,5k. Dadurch soll sichergestellt werden, dass Alterung und Verschleiß der Komponenten keinen Einfluss auf die Ströme im Stromkreis haben.
Der Transistor als Verstärker:
Der Transistor kann als Verstärker verwendet werden. Der Basisstrom kann durch Drehen eines Potentiometers verändert werden. Durch Variation des Basisstroms ändert sich die Verstärkungsspannung und damit die Spannung am Kollektor-Emitter.
Transistorcharakteristik:
Eine Kennlinie kann für einen NPN-Transistor erstellt werden, siehe Bild unten:
1. Quadrant (oben rechts) = UCE – IC
Die Linie steigt bis zu 0,3 Volt an. Dieser Bereich ist UCEsat (Transistorsättigung). Danach verläuft die Linie nahezu horizontal.
2. Quadrant (oben links) = IB – IC
Hier wird die Verbindung zwischen UB und IC angezeigt. IC = HFE x IB, bei dieser Charakteristik ist HFE= 10, also ist IC zehnmal so groß wie IB. Der Sicherheitsfaktor von IB = 10 x IBK ist noch nicht berücksichtigt.
3. Quadrant (unten links) = UBE – IB
Der Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter eines Transistors ist die Schwellenspannung einer Diode. Die Schwellenspannung beträgt 0,7 Volt. Ab dieser Spannung beginnt der Transistor zu leiten und der Basisstrom IB beginnt zu fließen. Dies lässt sich auch auf die Charakteristik zurückführen.
Beispielschaltung mit einer Charakteristik:
Jetzt ist es Zeit für eine (einfache) Beispielschaltung mit zugehöriger Transistorkennlinie. Hier ist IB = 1,5 x IBK enthalten, was zu einer horizontalen Linie auf der IB-Achse führt. In der folgenden Schaltung ist UB1 die Batteriespannung und UBE (Basis-Emitter-Spannung) kommt von einem Schalter oder Signal in einem Steuergerät. Um den Strom auf UBE zu berechnen, muss zunächst der Strom IC (Kollektorstrom) berechnet werden;
Jetzt wissen wir, dass an der Basis des Transistors ein Strom von 15 mA fließen muss, damit der Transistor (mit den erwähnten UB1 und RB) einschließlich des Sicherheitsfaktors vollständig leitet. Anschließend kann die Charakteristik vervollständigt werden:
In dieser Kennlinie ist zu erkennen, dass der IB (Strom am Sockel) auf 10mA ansteigt. Dieser Teil von 0 bis 10 mA wird mit der Formel berechnet: IB = IC : HFE. Die Leitung verläuft dann komplett horizontal von 10 bis 15mA. Dieser Teil ist der Verstärkungsfaktor von 1,5 (aus der Berechnung von IB = 1,5 x IBK). Bei einem Basisstrom von 15mA fließt ein Kollektorstrom (IC) von 1000mA.
Transistoren werden mit Strom gesteuert. Bei Mikroprozessoren beispielsweise möchte man den Strom aufgrund der Wärmeentwicklung möglichst gering halten. Dazu gehört oft auch die MOSFET angewandt.
Darlington-Transistor:
Ein Steuergerät sendet einen Basisstrom an den Transistor. Ein Transistor kann durch ein Steuergerät mit einem Strom von 0,1 bis 0,5 mA leitend gemacht werden. Wenn wir einen Aktuator steuern möchten, der einen hohen Strom benötigt, kann das Steuergerät den erforderlichen Strom für den Transistor nicht liefern. Der Primärstrom einer Zündspule beträgt etwa 8 Ampere. Der Steuerstrom muss verstärkt werden, um den Transistor leitend zu machen. Dies führt zu einem Problem: Der Mikroprozessor kann den Transistor nicht mit dem gewünschten Strom versorgen.
Mittels eines Darlington-Transistors kann ein kleiner Steuerstrom vom Steuergerät genutzt werden, um einen großen Strom zum Aktor zu schalten.
Der Darlington-Transistor besteht aus zwei in einem Gehäuse miteinander verbundenen Transistoren.
Der Kollektor-Emitter-Strom von T1 liefert den Basisstrom von T2. Dadurch ergibt sich ein großer Verstärkungsfaktor, da die Verstärkungsfaktoren beider Transistoren miteinander multipliziert werden können.
Ein sehr kleiner Basisstrom von T1 (nur ein Zehntel Milliampere) reicht oft aus, um T2 leitend zu machen.
Der Stromverstärkungsfaktor (Hfed) des Darlington-Transistors liegt oft zwischen 1000 und 10.000. Die Formel zur Berechnung des Verstärkungsfaktors eines Darlington-Transistors lautet:
Hfed = Hfe1 * Hfe2
- Vorteil: Dank des großen Stromverstärkungsfaktors (Hfed) kann ein kleiner Steuerstrom ausreichen, um den Darlington-Transistor leitend zu machen;
- Nachteil: Die Basis-Emitter-Spannung der Darlington-Schaltung ist doppelt so hoch wie die eines einzelnen Transistors. Der Spannungsabfall des Darlington-Transistors ist daher erheblich größer als der eines einzelnen Transistors.
Im Abschnitt „Ausgangssignale“ auf der Seite Schnittstellenschaltungen Beispiele und Anwendungen des Darlington-Transistors werden gegeben.
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