UniversitätÉOsnabrück Fachbereich Physik Dr. Wolfgang

Universität Osnabrück
Fachbereich Physik
Dr. Wolfgang Bodenberger
Der Transistor als Schalter.
In vielen Anwendungen der Impuls- und Digital- Elektronik wird ein Transistor als einfacher
Ein- und Aus-Schalter verwendet.
Grundschaltung:
Im offenen Zustand des npn-Transistorschalters (Basis negativ - ist der Transistor gesperrt.
Es fließt nur der sehr kleine Kollektorstrom iCE0 , (Punkt A im Kennlinienfeld). Es liegt fast
die gesamte Spannung UC , am Kollektor:
UCE UC
Der Transistor stellt einen hohen Widerstand dar, mit den in der. Figur angegebenen Werten:
ROffen = iUC ≥ 10MΩ
CE0
Im geschlossenen Zustand wird RB an eine positive Spannung U+ gelegt. Es fließt der Basisstrom
U+
I+
B R
B
Ist jetzt I+
B ≥
UC , wobei β die Stromverstärkung im aktiven Bereich ist, wird der Tranβ · RL
sistor in die Sättigung getrieben (Punkt B im Kennlinienfeld).
Im Zahlenbeispiel ist :
12
−3
I+
= 400µA
B = 30 · 10
mit β = 100 wird damit
β · I+
B = 40mA
Maximal fließen können aber über den Kollektor nur 6mA fließen,
(Begründen Sie warum!!!)
d.h. der Transistor wird tief in die Sättigung gebracht.
(Was versteht man unter, ein Transistor wird tief in die Sättigung gebracht?)
Die am Kollektor verbleibende Restspannung UCR ist sehr klein, die Größenordnung ist o,1
Volt.
Damit wird der Widerstand des geschlossenen Transistorschalters:
Rgeschlossen gleich 17 Ω
(Wie berechnet sich Rgeschlossen ?)
Zeitlicher Ablauf eines schnellen Schaltvorganges:
Der zeitliche Ablauf des schnellen Schaltens wird am besten mit einem Rechteck als Eingangsspannung u1 untersucht.
Die Nachteile eines Transistorschalters werden damit am
deutlichsten sichtbar.Zuerst wird der Einschaltvorgang
und anschließend der Ausschaltvorgang an Hand von
Skizzen unterschucht.
a) Einschalten:
Unter Einschalten versteht man den Übergang vom gesperrten in den leitenden Zustand des
Transistors:
Die Eingangsspannung u1 : springt von U− auf U+
+
Der Basisstrom IB : springt von −ICE0 auf U
RB .
(Wie groß ist dann IB ?)
Der Eingangssprung von IB ist sehr schnell, da
die beiden Streukapazitäten CE und CC beim
Einschalten keine Ladungen tragen.
Die Spannung an der Basis UB steigt
exponentiell an, zunächst mit einer
Zeitkonstanten, die im wesentlichen
durchRB und die Streukapazitäten
CE und CC bestimmt sind, (CC ist wegen ICE0 0 zunächst zu vernachlässigen), steigt dann weiter auf einen kleinen positiven Wert (UB 0, 6V bei Si)
an und wird dann durch die Begrenzerwirkung der Basis-Emitter-Diode auf
konstantem Potential gehalten.
Durch den allmählichen Anstieg von
UB kommt die Basis-Emitter-Diode
nicht sofort, sondern erst nach einer
gewissen Verzögerungszeit τV in den
vorwärtsleitenden Zustand, wobei
dies von der Zeitkonstanten τV des
Eingangs- und den Spannungswerten
U+ abhängt.
Dadurch bleibt der Transistor zunächst für die Zeit τV gesperrt, d.h. iC bleibt praktisch gleich
0 ( Zero).
Erst nachdem UB das Potential 0 Volt überschritten hat, d. h. der Transistor in den aktiven
Bereich kommt, fängt iC an zu wachsen.
Der weitere Anstieg von iC ist durch den Aufbau der Basisladung , d.h. durch CE und
die Rückwirkung der Kollektorspannungsänderung über CC auf die Basis (Millereffekt) bestimmt.
Die Anstiegszeit τA definiert man wie üblich als die Zeit, die iC benötigt, um von 1o% auf
90% seines Endwertes zu steigen.
UCE fällt Synchron mit ic von UC auf
UCR ungefähr Null ab.
Ausschalten:
Das Ausschalten ist der Übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand des Transistors.
U1 springt von U+ auf U− .
+
iB springt von U
RB auf einen negativen Wert, der durch den Abbau der Basisladung zustandekommt.
Im Sättigungszustand ist bei einem npn-Transistor die Elektronendichte an der Basis-Kollektorgrenzschicht
nicht mehr Null, da auch die Basis Kollektor-Diode in Vorwärtsrichtung betrieben wird.
Springt U1 von U+ auf U− , muß erst einmal das zuviel an Ladung aus der Basis abtransportiert werden, ehe derTransistor in den aktiven Zustand kommt.
Die Zeit, die für den Abtransport der zuviel gespeicherten Ladung benötigt wird, bezeichnet
man als Speicherzeit τS .
Erst nach Ablauf von τS steigt iB mit einer Zeitkonstanten, die durch die Kapazitäten des
Eingangs bestimmt ist, auf iB 0 an.
UB : Fällt synchron mit iB nach der Zeit τS auf U− ab.
C
iC : Bleibt auf dem Wert U
RL bis nach Ablauf von τS , fällt dann erst ab auf iCE0 0. iCEo
wird erreicht, wenn UB = 0Volt.
Die Fallzeit τF ist entsprechend τA definiert.
UCE : Steigt synchron mit iC auf UC .
Alle hier diskutierten charakteristischen Schaltzeiten sind stark von den Betriebsbedingungen
des Transistors abhängig. Z.B. ist τS um so größer, je tiefer der Transistor in der Sättigung ist.
Für sehr schnelle Schalteranwendungen stört vor allem diese Speicherzeit τS .
Es gibt eine ganze Reihe von Methoden um τS zu verkürzen.
Die einfachste Möglichkeit ist die, den Widerstand RB mit einem Kondensator C zu überbrücken:
Springt hier U1 von U+ auf U− , so
wird die auf dem Kondensator befindliche Ladung Q = C*U in die Basis des
Transistors getrieben, wo sie im Endeffekt die gespeicherte Ladung kompensiert und so die Speicherzeit verkürzt.
Diese Methode ist dann sehr wirksam,
wenn die Signalquelle U1 einen kleinen
Innenwiderstand Ri hat, denn nur so
wird der Ladestrom über C groß.
Eine andere sehr effektvolle Methode, die Speicherzeit zu verkürzen, besteht darin, den Transistor im leitenden Zustand gar nicht erst bis in die Sättigung zu treiben.
Der Widerstand des Transistor-Schalters ist dann zwar etwas größer als bei Sättigung, aber
für die meisten Anwendungen immer noch klein genug. Der einfachste Weg hierzu, RB zu
vergrößern oder U+ zu verkleinern, führt zu keiner verläßlichen Schaltung, da z.B. β des
Transistors eine unsichere Größe ist, von der Temperatur abhängt und von Transistorexemplar zu Transistorexemplar streut.
Eine Schaltung, die zuverlässig funktioniert, ist folgende:
Ist der Transistor gesperrt, fließt über D ein
E
Strom iD = U
RE zur negativen Spannungsquelle −UE .
Da das Emitterpotential leicht negativ ist,
muß U− ≤ −1Volt sein, um den Transistor
in diesem Zustand sicher zu sperren.
Wird durch U+ der Transistor geöffnet,
steigt das Emitterpotential an und sperrt
die Diode. Der ganze über RE kommende
Strom fließt in den Emitter.
Ist U+ ≤ UE , dann bleibt der Wert dieses Stromes annähernd konstant, d.h.
E
−iE = iD = iC = U
RE .
iD wird einfach zwischen der Diode D und dem Transistor hin- und hergeschaltet, wenn
U1 zwischenU− und U+ wechselt.
UE
C
Sind jetzt UC und RL so gewählt, daß der Sättigungsstrom iCSaett = U
RL ≥ RE , d.h. größer
ist als iD , kann der Transistor niemals in den Sättigungsbereich kommen.
Eine noch flexiblere Schaltung erhält man, wenn man die Diode D durch einen Transistor
ersetzt:
E
Hier wird der Strom iE = U
RE zwischen den beiden Transistoren hin- und hergeschaltet.
Gegenüber der vorherigen Schaltung hat man den Vorteil, zusätzlich ein komplementäres
Ausgangssignal am Kollektor des zweiten Transistors zur Verfügung zu haben.