Der Transistor
Schlagwörter: Transistor, npn-Transistor, Verstärker, verstärken, Halbleiter; Bauelement, Emitter, Basis, Kollektor
Der Transistor ist ein Halbleiter-Bauelement. Mit Hilfe des Transistors lassen sich Ströme regulieren. Die ersten Transistoren wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erfunden und in den folgenden Jahrzehnten weiter entwickelt. Dabei hat kaum ein Bauelement den Lauf der technischen Entwicklung so beeinflusst, wie der Transistor. Die Rechentechnik, die Computer und deren Miniaturisierung, wären ohne Transistoren nicht möglich gewesen.
Symbol
- E-Emitter
- B-Basis
- C-Kollektor
Aufbau des Transistors
Um den Aufbau des Transistors zu untersuchen, überprüfen wie zunächst sein Leitungsverhalten. Wir legen jeweils eine Spannung (Gleichspannung) von 6 V an 2 Pole des Transistors an. Als Indikator für den Stromfluss nutzen wir eine Lampe.
Wir stellen fest, dass der Transistor den Strom nur auf der Basisstrecke leitet, wenn an der Basis der Pluspol liegt. Damit können wir den Transistor auf das folgende Ersatzschaltbild ►04 reduzieren.
Bild ► 05 zeigt das Ersatzschaltbild eines Transistors. Dabei erkennen wir zwei gegenläufig geschaltete Dioden.
Vom Leitungsverhalten der Diode wissen wir, dass sie den Strom nur in eine Richtung leiten. Damit wird schnell klar, warum der Strom auf der C-E-Strecke nicht fließen kann. Eine der beiden Dioden ist für den Strom stets in Sperrrichtung geschaltet.
Die Anschlüsse bei Kollektor und Emitter (blau) sind jeweils n-dotiert Die Basis (rosa) ist p-dotiert.
Daraus ergibt sich die Bezeichnung npn-Transistor.
Wir nutzen die Basis zur Steuerung des Stroms
Um das Schaltverhalten eines Transistors zu überprüfen, bauen wir die Schaltung ►06 auf.
Das Poti wird hier als Spannungsteiler eingesetzt. Die Spannungen U1 und U2 verhalten sich dabei wie die Teilwiderstände am Poti.
{ \large \begin{array}{l}\frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{2}}}=\frac{{{R}_{1}}}{{{R}_{2}}}\\\\{{R}_{1}}+{{R}_{2}}={{R}_{Poti}}\\\\{{U}_{1}}+{{U}_{2}}={{U}_{ges}}\end{array}}
Je weiter das Poti nach oben gedreht wird, desto größer ist der Widerstand R2. Je größer R2, desto größer U2 bzw. die Spannung zwischen Basis und Emitter UBE. (U2=UBE)
Die C-E-Strecke wird zunehmend leitend.
Ab einer Schwellenspannung US beginnt der Transistor zu leiten (vgl. Kennlinie Transistor). Die Lampe beginnt zu leuchten. Je größer die Spannung UBE, desto stärker leuchtet die Lampe.
Wenn die Spannung zwischen Basis und Emitter kleiner ist als die Schwellenspannung US, dann fließt zwischen Emitter und Kollektor kein Strom.
UBE<US => ICE=0
Bei vielen Transistoren liegt die Schwellenspannung US bei 0,6 V. Wenn wir das Ersatzschaltbild mit den Kenntnissen zur Kennlinie einer Diode abgleichen, dann erkennen wir die Analogie.
Um das Leitungsverhalten am Transistor genauer zu untersuchen, müssen wir eine Kennlinie aufnehmen.
Leitungsverhalten im Modell
Um das Leitungsverhalten am Transistor zu veranschaulichen, können wir das folgende Modell des Wasserkreislaufs nutzen.
Die C-E-Strecke ist von einer Sperre blockiert. Hier kann kein Wasser fließen.
Erst wenn auf der Basisstrecke ausreichend Wasser fließt (UBE>US), dann hebt sich die Klappe auf der Basisstrecke.
Die Klappe auf der Basisstrecke ist mit der Sperre auf der C-E-Strecke verbunden.
Je mehr Wasser auf der Basisstrecke fließt, desto stärker wird die Sperre auf der C-E-Strecke geöffnet. Es kann ein Strom auf der C-E-Strecke fließen.
Je größer IB, desto größer ICE.
Steuer- und Arbeitskreis
Über den Basisstrom IB ist es also möglich den Strom auf der C-E-Strecke ICE zu regeln. Dabei werden nur sehr kleine Basisströme benötigt. Es ist also möglich, mit kleinen Steuerströmen (IB), große Arbeitsströme (ICE) zu regeln.
Das ist die Grundlage für die Verstärkertechnik. Ein kleines Eingangssignal (z.B. vom Smartphone, Laptop, …) kann über einen Verstärker so stark verstärkt werden, dass wir damit eine Konzerthalle beschallen können.
- Grün: Steuerkreis
- Rot: Arbeitskreis
Berechnung
Es liegt eine Spannung UB von 6 V an. Das Potentiometer hat einen Widerstand von 10 kΩ. Durch die Lampe fließt bei einer Spannung von 6 V ein Strom von 300 mA. Damit fließt im Arbeitskreis maximal ein Strom von 300mA.
Berechnung des Stroms im Steuerkreis:
{ \large I=\frac{U}{R}=\frac{6\,\text{V}}{10\,\text{k }\!\!\Omega\!\!\text{ }}\,=\,\frac{6\,\text{V}}{10.000\,\text{ }\!\!\Omega\!\!\text{ }}=0,0006\,\text{A}\,=\,0,6\,\text{mA} }
Der Strom im Arbeitskreis (300mA) ist 500-mal höher, als der Strom im Steuerkreis (0,6mA).
Transistor als Verstärker
Wir haben gesehen, dass Transistoren Ströme verstärken können. Das wollen wir auf einfache Weise nutzen. Mit einem Transistor, einer LED mit Vorwiderstand und einer Spannungsquelle können wir einen einfachen Lügendetektor bauen.
Wenn wir unter Stress stehen, dann beginnen wir zu schwitzen. Dabei muss der Stress nicht körperlich sein. Auch eine geistige Anstrengung wie das Lügen, versetzt unseren Körper in Stress. Dabei werden auch unsere Schweißdrüsen aktiviert. Die Folge ist, dass sich die Feuchtigkeit unserer Haut und damit ihre Leitfähigkeit erhöht. Der Widerstand zwischen den Fingern unserer Hand sinkt. Hauptgrund dafür ist der geringere Übergangswiderstand zwischen Haut und Kabel.
Mit der folgenden Schaltung ►10 kannst du die Leitfähigkeit deines Körpers testen. Führe den Versuch mit trockenen Fingern durch. Erhöhe dann den Druck zwischen Kabel und Finger. Feuchte deine Finger an. Was beobachtest du?
Der Vorwiderstand RV begrenzt den Strom durch die LED.
Die Finger wirken hier wie ein Widerstand. Je geringer der Widerstand zwischen den Fingern, desto mehr Strom kann zur Basis fließen. Die C-E-Strecke wird leitend.
Der Versuch sollte auch mit einer Personenkette funktionieren.
Hochwertige Lügendetektoren messen noch mehrere körperliche Parameter wie den Blutdruck, den Puls und die Atmung. Aber alle diese Geräte nehmen auch die Transpiration, also die Feuchtigkeit unserer Haut auf.