Transistoren in elektronischen Schaltungen

Transistoren in elektronischen Schaltungen
1 Der Transistor - ein steuerbares Ventil
Eine wichtige Gruppe der Halbleiterbauelemente sind die
Transistoren (Bilder 2 u. 3).
Transistoren haben drei Anschlüsse. Sie heißen Kollek­
tor (C), Basis (B) und Emitter (E).
Bei allen Schaltungen müssen die verschiedenen An­
schlüsse entsprechend der jeweiligen Schaltskizze ver­
wendet werden. Sonst besteht die Gefahr, daß der Tran­
sistor zerstört wird.
Vor dem Aufbau der Schaltung muß man sich unbe­
dingt darüber informieren, welches "Beinchen" welchen
Anschluß darstellt. In Bild 4 sind einige Transistoren und
ihre Anschlußbelegungen abgebildet.
c­ B­ 2
E""'--------­
Schaltzeichen
C
Kollektor
B
Basis
Immer in Bewegung.
Wo ist der Antrieb?
E
Emitter
3
V 1 Baue die einfache Transistor­
schaltung nach Bild 5 auf. Beachte
beim Aufbau der Schaltung die oben­
stehenden Hinweise.
Bewege einen kräftigen Stabma­
gneten ruckartig in die Spule hinein
und aus der Spule heraus. Was beob­
achtest du?
Was ändert sich, wenn du den Ma­
gneten umdrehst?
V 2 Baue die Transistorschaltung
von Bild 6 auf. Verwende für die
Schaltung die Rücklichtlampe eines
Fahrrades.
a) Welche Stromstärke I, zeigt der
Strommesser 1an, wenn der Schalter
geöffnet ist? Schalte auf den emp­
findlichsten Meßbereich um.
b) Schalte den Strommesser 1 auf
einen weniger empfindlichen Meß­
bereich zurück, und schließe dann
den Schalter. Vergleiche die von den
beiden Strommessern angezeigten
Stromstärken.
c) Die vom Strommesser 2 ange­
zeigte Stromstärke 12 läßt sich mit
Hilfe des veränderbaren Widerstan­
des regulieren.
Wie ändert sich die Stromstärke 11,
wenn du 12 änderst?
d) Vertausche nacheinander die An­
schlüsse an den bei den Spannungs­
quellen. Was beobachtest du?
e) Man bezeichnet den Transistor
auch als steuerbares Ventil. Erläutere
diese Bezeichnung.
9
Skalenlampe
4 V; 40 mA
6V
0,1 A
+
4,5 V
N= 10 000
+
b
K
4,5 V
0...100 kQ
5
6
10
die
ek­
GV
0,1 A
~n­
c~
er­
3.n­
4,5 V
4,5 V
Steuerstromkreis
+
Steuer­
stromkreis
Arbeitsstromkreis
IU
GV
Arbeitsstromkreis
Je­
len
7
md
B
V 3 Baue die Transistorschaltung
von Bild 7 auf.
a) Öffne und schließe den Schalter
einige Male. Welche Aufgabe erfüllt
der Transistor in dieser Schaltung?
b) Baue die Relaisschaltung von Bild
8 auf. Vergleiche die Wirkungsweise
von Transistor- und Relaisschaltung.
c) Welche Unterschiede bestehen
zwischen einer Transistorschaltung
und einer Relaisschaltung?
Welche Vorteile und welche Nach­
teile haben die Schaltungen?
V 4 So kannst du einen Regenmel­
der bauen (Bild 9): Du benötigst eine
~e­
mit
3.n­
ih
4,5-V-Flachbatterie, einen Transistor,
eine Leuchtdiode und zwei Wider­
stände. Außerdem brauchst du zwei
blanke Kupferdrähte, die eng bei­
einanderliegen, sich aber nicht ge­
genseitig berühren.
b) Was ändert sich, wenn du die An­
schlüsse an einer der beiden Spulen
oder auch an beiden vertauschst?
c) Baue zwei Strommesser in die
Schaltung ein, und beobachte den
zeitlichen Verlauf der Ströme durch
die beiden Spulen.
a) Baue die Schaltung nach Bild 10
auf.
b) Was geschieht, wenn du mit
einem Wassertropfen die beiden
blanken Drähte benetzt?
d) Wie funktioniert die Schaltung?
c) Erläutere den Unterschied zu den
vorhergehenden Schaltungen. War­
um kommt man in dieser Schaltung
mit nur einer Spannungsquelle aus?
V 6 Baue die Schaltung von Bild 12
auf. Beobachte die Glühlampe, wenn
du den Photowiderstand mit der
Hand abdunkelst. Wie wird hier der
Basisstrom verändert?
d) Für welche Zwecke könnte diese
Schaltung noch verwendet werden?
~s­
V 5 In diesem Versuch kannst du
herausfinden, wie das Spielzeug von
Bild 1 funktioniert. Bild 11 zeigt den
Schaltplan.
tor
a) Baue die Schaltung auf. Versetze
den Magneten in ganz leichte Bewe-
I.n­
gung. Beobachte dann, wie sich der
Magnet bewegt.
-±
4,5
vr:­
~re
Technische Daten
des Transistors Be 547 A
Folgende Werte sollten nicht über­
schritten werden (Grenzdaten):
)
~
.~
9
-_.­
----~~­
Spannung UCE zwischen
Kollektor und Emitter
11
45V
Stromstärke Jc im Arbeitsstromkreis
(Kollektorstrom)
100mA
-+
r
blanke
Kupferdrähte
I.
j
10 kQ
--
10
4842
I
4843
---
q
-­
+
4,5
'TI
GV
0,1 A
Stromstärke J8 im Steuerstromkreis
(Basisstrom)
5mA
-.l±
Der Strom im Arbeitsstromkreis kann
ca. 180mal so groß sein wie der Strom
im Steuerstromkreis.
4,5 VI:.
Ersatztypen: BC 107, BC 237, BC 238,
BC 337, BC 338, BC 546, BC 550, ..
12
409
Transistoren in elektronischen Schaltungen
Info: Der Transistor - Verstärker und Schalter
Der Transistor wurde 1948 von den Amerikanern Bardeen, Brat­
tein und Shockley erfunden. Die drei Wissenschaftler erhielten
dafür 1956 den Nobelpreis.
Schon zwei Jahrzehnte nach seiner Erfindung steckte dieses
Bauteil in jedem Radio, Fernseher und Computer.
Der Transistor wird mit seinen drei Anschlüssen immer in zwei
Stromkreise eingebaut, einen Steuerstromkreis und einen Ar­
beitsstromkreis (Bild 1). Wenn die Stromstärke im Steuerkreis
geändert wird, ändert sich auch die Stromstärke im Arbeitskreis.
Mit dem Strom im Steuerstromkreis kann also der Strom im
Arbeitsstromkreis gesteuert werden.
Die Stromstärke im Arbeitskreis ist in der Regel erheblich
größer als die im Steuerkreis. Daher kann man sagen, daß mit ei­
nem kleinen Strom ein großer Strom ge­
steuert wird.
Bauteile mit dieser Eigenschaft nennt
man Verstärker (genauer: Stromverstär­
ker). Beim Transistor BC547 A kann der
Arbeitsstrom etwa 180mal so groß sein
wie der Steuerstrom. Das heißt: Es reicht
aus, wenn als Steuerstrom der 180ste Teil
des Arbeitsstromes fließt.
In beiden Stromkreisen können die
Ströme jeweils nur in einer bestimmten
Richtung durch den Transistor fließen. Es
kommt also auf die richtige Polung der
Anschlüsse an. Der Transistor stellt ein
Ventil dar. Im Unterschied zur Diode ist er
ein steuerbares Ventil.
geschlossen oder geöffnet. Auch einen Transistor kann man als
Schalter benutzen:
Wenn kein Steuerstrom fließt, ist der Widerstand des Transi­
stors so groß, daß er wie ein geöffneter Schalter wirkt. Man sagt
dann: "Der Transistor sperrt."
Bei genügend großem Strom im Steuerkreis wird der Wider­
stand des Transistors dagegen so klein, daß er wie ein ge­
schlossener Schalter wirkt. In diesem Fall sagt man: "Der Tran­
sistor schaltet durch."
Mit einem Transistor kann man - wie mit einem Relais - durch
einen kleinen Steuerstrom einen großen Strom ein- und aus­
schalten. Gegenüber einem Relais hat der Transistor aber einen
erheblichen Vorteil: Der Transistor ist ein kontakt/oser Schalter.
Im Transistor werden keine Kontakte
geöffnet oder geschlossen. Daher kön­
nen dort auch keine Funken übersprin­
gen. Außerdem schaltet ein Transistor
schneller als ein Relais.
Arbeits·
stromkreis
Da der Transistor nur drei Anschlüsse hat,
aber Teil von zwei Stromkreisen ist, muß
stets einer der drei Anschlüsse zu beiden
Stromkreisen gehören. Nach diesem An­
schluß wird die Schaltung benannt. Man
spricht z. B. von einer Emitterschaltung,
wenn der Emitter sowohl zum Steuerkreis
als auch zum Arbeitskreis gehört.
In der Emitterschaltung ist der Steuer­
strom der Strom, der durch die Basis
fließt. Man nennt ihn daher Basisstrom I B.
Der Arbeitsstrom ist der Strom durch den
Kollektor. Er heißt Kollektorstrom I c'
+
Bei einem Schalter gibt es nur zwei mög­
liche Zustände: Entweder ist der Schalter
Info: Was im Innern eines Transistors vor sich geht
Viele Transistoren bestehen aus drei un­
terschiedlich dotierten Halbleiterschich­
ten. Je nach Abfolge der drei Schichten
unterscheidet man zwischen npn-Transi­
storen und pnp-Transistoren. In unseren
bisherigen Versuchen haben wir den
npn-Transistor BC 547 verwendet.
Die Funktionsweise eines npn-Transi­
stors soll jetzt erläutert werden:
Im Transistor gibt es zwei p-n-Über­
gänge (Bild 2). An beiden bildet sich eine
Sperrschicht, genau wie in einer Diode.
Man kann den Transistor mit zwei
Dioden vergleichen, die wie in Bild 3 ge­
schaltet sind. Wie auch immer man die so
miteinander verbundenen Dioden in ei­
nen Stromkreis einsetzt, eine der beiden
Dioden ist auf jeden Fall in Sperrichtung
n
n­
Silicium
n­ Silicium
n
3
2
410
geschaltet. Daher sperrt der Transistor,
wenn man Kollektor und Emitter mit den
Polen einer Spannungsquelle verbindet ­
unabhängig davon, wo der Pluspol und
wo der Minuspol ist.
Wird der Kollektor mit dem Pluspol und
der Emitter mit dem Minuspol der Batte­
rie verbunden (Bild 4), liegt Grenzschicht
2 in Sperrichtung. Diese Grenzschicht
wird durch die angelegte Spannung ver­
breitert. Da sie einen sehr großen Wider­
stand darstellt, fällt fast die gesamte
Spannung an dieser Grenzschicht ab.
Wenn sich bewegliche Ladungsträger
in der Grenzschicht 2 befinden, werden
sie angetrieben: Elektronen in Richtung
auf den Kollektor, Löcher in Richtung auf
die Grenzschicht 1.
Ein Strom kommt trotzdem nicht zu­
stande, denn in der Grenzschicht 2 sind
keine beweglichen Ladungsträger vor­
handen; es werden auch keine nachge­
liefert.
Was geschieht nun, wenn man die Basis
des Transistors mit dem Pluspol und den
Emitter mit dem Minuspol einer zweiten
Spannungsquelle verbindet?
Der Basis-Emitter-Übergang verhält sich
wie eine in Durchlaßrichtung geschaltete
Diode. Solange die Spannung UBE kleiner
als die Schwellenspannung dieser Diode
ist, fließt kein Strom.
Wenn die Spannung größer wird, be­
ginnt ein Basisstrom zu fließen. Jetzt aber
passiert etwas Überraschendes: Auch im
Kollektorkreis fließt nun ein Strom, der
sogar erheblich größer als der Basis­
strom (Bild 5) ist. Das Auftreten des
Koll
Tral
VI
und
Sch
sis!
Koll
D
Bec
oe
o
u
V\
kon
der
Bas
Loc
Die
lich
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Grenz­
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4844
4845
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hat,
muß
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1 An­
Man
tung,
kreis
l
~uer­
Kollektorstromes bezeichnet man als
Transistoreffekt.
Wenn die Spannung zwischen Basis
und Emitter größer als ein bestimmter
Schwellenwert ist, fließt ein kleiner Ba­
sisstrom (im Steuerkreis) und ein großer
Kollektorstrom (im Arbeitskreis).
Der Transistoreffekt wird durch zwei
Bedingungen ermöglicht:
o Die Basisschicht ist sehr dünn,
o und sie ist nur sehr schwach dotiert.
Wie der Transistoreffekt zustande
kommt, läßt sich so erklären: Nur wenige
der Elektronen, die vom Emitter in die
Basisschicht eindringen, treffen auf ein
Loch, mit dem sie rekombinieren können.
Die Elektronen bleiben also als beweg­
liche Ladungsträger erhalten.
Die Elektronen führen neben ihrer ge­
richteten Bewegung, die den Basisstrom
ausmacht, noch eine ungeordnete ther­
mische Bewegung durch, ähnlich wie die
Moleküle eines Gases.
Da nun die Basis so dünn ist, geraten
fast alle Elektronen aufgrund dieser un­
geordneten Bewegung in den Bereich
der Grenzschicht 2. Dort aber werden sie
in Richtung auf den Kollektor getrieben.
Nur ganz wenige der Elektronen, die sich
3asis
ImIs ·
lden
-
sich
Iltete
'liner
liode
, be­
aber
:h im
, der
asis­
des
A
J
4844
in Bewegung gesetzt haben, erreichen
den Basisanschluß. Fast alle gelangen
zum Kollektoranschluß.
Deshalb ist der Kollektorstrom I c viel
größer als der Basisstrom I s'
Wenn man die Spannung im Steuerkreis
vergrößert, setzen sich mehr Elektronen
vom Emitter aus in Bewegung. Der Strom
wird größer. Aber der prozentuale Anteil
der Elektronen, die den Basisanschluß
erreichen, bleibt etwa gleich. Das heißt:
Der Kollektorstrom ist proportional
zum Basisstrom.
In der Schaltung von Bild 5 ist beim
Tansistor BC 547 A ist die Stromstärke I c
im Arbeitskreis fast 180mal so groß wie
die Stromstärke I s im Steuerstromkreis.
Im Arbeitsstromkreis befindet sich nor­
malerweise ein Verbraucher. Er stellt den
Kollektorwiderstand dar. Die Spannung
der Quelle verteilt sich auf diesen Wider­
stand und den Transistor.
Eine Vergrößerung des Basisstromes
bewirkt nun, daß der Transistor besser
leitet. Die Spannung UCE am Transistor
wird geringer, die Spannung am Kollek­
torwiderstand nimmt zu. Dieses Absinken
von UCE hat aber kaum einen Einfluß auf
die Stromverstärkung des Transistors.
Die Stromverstärkung des Transistors
ist weitgehend unabhängig von der
Größe des Kollektorwiderstandes.
Erst wenn UCE kleiner wird als etwa 1 V,
kann doch ein merklicher Anteil der Elek­
tronen den Basisanschluß erreichen. Man
sagt dann, der Transistor sei übersteuert.
Fragen und Aufgaben zum Text
1 Einen Transistor kann man - ähnlich
wie ein Relais - als Schalter verwenden.
Welche Unterschiede gibt es zwischen
Relais und Transistor?
2 "Transistoren wirken als Verstärker."
Erkläre, was man hier mit dem Begriff Ver­
stärker meint.
3 Wenn die Spannung im Steuerkreis ei­
nes Transistors langsam von 0 V aus er­
höht wird, geschieht im Arbeitskreis
zunächst gar nichts. Wenn dann aber die
Spannung den Wert 0,6 V erreicht hat,
bewirkt eine geringfügige weitere Span­
nungserhöhung eine starke Zunahme der
Stromstärke im Arbeitskreis.
Gib dafür eine Erklärung.
Aus Umwelt und Technik: So werden Transistoren hergestellt
Die ersten Transistoren, die 1948 her­
gestellt wurden, bestanden aus ei­
nem dotierten Halbleiter, auf den
dicht nebeneinander zwei Metalispit­
zen aufgesetzt wurden. Der Halblei­
ter stellte die Basis dar. Die beiden
Metallspitzen waren Emitter und Kol­
lektor. Das Schaltzeichen für Transi­
storen erinnert noch heute an diese
Form der Transistoren.
CD
Oxidieren der Siliciumoberfiache
,
Siliciumdioxid
®
:Silici~mkristall (n-ieit~nd) : . ' +
' "
"
" .' "­
...
• '.
..
...... .....
Ätzen eines Fensters in das Oxid
E···· --0
•
~
.. ".. ......
@
?" ..
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p:
1. Schritt: Bei 1200 oe läßt man die
Siliciumscheibe in feuchter Atmo­
sphäre oxidieren.
4845
.:-­
.."
• .-
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..
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8)
Ätzen eines Fensters in das Oxid
®
Dotierung mit Phosphor und Oxidation
.
EaEg"'-:~""'2E?l
•• n . . . . . . .,. •••
...
• n. ..
®
.. ".
Dotierung mit Bor und zweite Oxidation
.. n-.SI
Schon ein Jahr später wurden diese
Spitzentransistoren durch PIanar­
oder Flächentransistoren ersetzt, die
haltbarer und leistungsfähiger wa­
ren. Wie Planartransistoren heute
hergestellt werden, soll am Beispiel
eines npn-Transistors gezeigt wer­
den (Bild 6).
Grundlage ist eine n-dotierte Si­
liciumscheibe von ungefähr 10 cm
Durchmesser, auf der gleichzeitig
Tausende von Transistoren herge­
stellt werden.
-S"
n... I.
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Ätzen eines Fensters in das Oxid
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O __ :
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L.t .• n
~
.: . ..,,"
Metall
6
'Kollektoranschluß
2. Schritt: Für jeden Transistor wird
ein Fenster in die Oxidschicht geätzt.
3. Schritt: Die Bereiche der Schei­
be, die nicht durch eine Oxidschicht
geschützt sind, werden bei 1000 oe
in borhaltigem Gas p-dotiert. An­
schließend läßt man die Scheibe wie­
der vollständig oxidieren.
4. Schritt: In die Oxidschicht wird
ein neues, kleineres Fenster geätzt.
5. Schritt: Die nicht durch eine
Oxid schicht geschützten Bereiche
werden bei 1000 oe in phosphor­
haltigem Gas n-dotiert. Anschlie­
ßend läßt man wieder die ganze
Scheibe oxidieren.
6. Schritt: Nun ätzt man Fenster
in die Oxidschicht, um metallische
Anschlüsse an die verschiedenen
Schichten anbringen zu können.
7. Schritt: Die Scheibe wird so ge­
ritzt und gebrochen, daß man einzel­
ne Transistoren erhält.
Die verschieden dotierten Schichten
des fertigen Transistors sind teil­
weise dünner als ein Tausendstel­
millimeter.
411
Transistoren in elektronischen Schaltungen
-
Info: Was man beim Aufbau einer Transistorschaltung beachten muß
Transistoren werden in einen Steuer- und
in einen Arbeitsstromkreis eingebaut. Für
die bei den Stromkreise benötigt man
nicht unbedingt zwei voneinander unab­
hängige Spannungsquellen. Die Ströme
in Steuer- und Arbeitsstromkreis können
auch durch eine einzige Spannungsquel­
le hervorgerufen werden.
Allerdings ist die Spannung der Quelle
in der Regel viel zu hoch, als daß man sie
direkt zwischen Basis und Emitter legen
könnte.
Der Basis-Emitter-Übergang verhält
sich wie eine Diode. Solange die Span­
nung UBE zwischen Basis und Emitter klei­
ner als 0,6 V ist, fließt praktisch kein Basis­
strom I B.
Mit zunehmender Spannung steigt der
Basisstrom dann steil an. Damit der Strom
nicht zu groß wird und den Transistor zer­
stört, darf der Basisstrom nicht zu groß
sein.
Wie groß der Basisstrom I B werden
darf, hängt vom jeweiligen Transistortyp
ab. Beim Transistor BC 547 sollte I B nicht
größer als 5 mA sein. Die Spannung UBE
liegt dabei in der Größenordnung von
0,7 V bis 0,8 V.
Beispiel 1: In der Schaltung von Bild 1 er­
reicht man einen kleinen Basisstrom da­
durch, daß man einen Widerstand R) vor
die Basis schaltet. R1 und der Widerstand
RBE des Basis-Emitter-Übergangs sind in
Reihe geschaltet. An RBE soll eine Span­
nung UBE von ca. 0,7 V abfallen. Weil die
Spannung der Quelle 4,5 V beträgt,
müssen am Vorschaltwiderstand etwa
3,8 V anliegen.
Der Basisstrom 1B soll höchstens 5 mA
betragen, daher muß R 1 größer sein als
;'~X=7600.
Der Transistor ist auch schon bei Steuer­
strömen von z. B. 1 mA voll durchgeschal­
tet. Daher wählt man in der Praxis meist
einen größeren Widerstand.
Soll der Transistor als Schalter benutzt
werden, darf R1 nicht größer als 3,7 kO
sein. Sonst ist nämlich die Basisstrom­
stärke kleiner als 1 mA, und der Transistor
schaltet nicht mehr voll durch. Man könn­
te also z. B. einen 3,3-kO-Widerstand neh­
men.
Beispiel 2: Ein NTC-Widerstand von 1 kO
(bei 20°C) wird als Sensor eingesetzt
(Bild 2). Wenn die Temperatur des Sen­
sors zu hoch wird, soll eine Warn lampe
aufleuchten.
Zur Lösung dieses Problems ist eine
Schaltung nach Bild 1 ungeeignet. Würde
412
1 0
kanr
Mod
6V
0,1 A
R1
NE
deli
4,5V­
B
4,5 V
2 Ir
Basi:
W
wide
W
und
torw
2
man nämlich den NTC-Widerstand für R1
einsetzen, wäre der Transistor voll durch­
geschaltet. Temperaturänderungen des
NTC-Widerstandes würden sich im Ar­
beitsstromkreis kaum auswirken.
Damit eine Temperaturerhöhung ein
Aufleuchten der Glühlampe bewirkt, baut
man eine Schaltung gemäß Bild 2 auf. In
dieser Schaltung wird ein Teil des Stro­
mes, der durch R, fließt, über R2 an der Ba­
sis vorbeigeleitet.
Man wählt R2 so groß, daß die Glühlam­
pe bei Zimmertemperatur gerade noch
nicht aufleuchtet. Wenn der Widerstand
von R) sinkt, steigt der Basisstrom an, und
die Lampe leuchtet auf.
Wie groß R2 zu wählen ist, können wir
uns so überlegen:
Die verwendete Lampe leuchtet bei ei­
ner Stromstärke von 30 mA gerade noch
nicht auf. Für einen Kollektorstrom von
30 mA benötigt man beim Transistor
BC 547 A (Stromverstärkung: ca. 180) ei­
nen Basisstrom von
30mA
I B = --:;so = 0,17 mA.
Die Spannung UBE muß dafür etwa 0,7 V
betragen. Die gleiche Spannung liegt an
R2 • Also beträgt die Spannung an R 1 etwa
4,5 V - 0,7 V = 3,8 V. Durch R) fließt dann
ein Strom von
- 3,8 V - 3 8 mA
I Rl-10000-'
.
Durch R2 muß also der Strom
I R2
= I RI - I B = 3,8 mA - 0,17 mA = 3,63 mA
an der Basis vorbeigeleitet werden.
Nun können wir R2 berechnen:
R -
0,7 V
2-3,63mA
3'--_ _-"
I
193 O.
Belasteter Spannungsteiler: Die Wider­
stände R1 und R2 bilden eine Spannungs­
teilerschaltung
(Potentiometerschal­
tung), die durch den Basisstrom belastet
wird.
Bei einer unbelasteten Spannungstei­
lerschaltung hängt U2 (bei festem U) nur
vom Verhältnis der beiden Widerstände
R, und R2 ab.
Statt der Widerstände von 10000 und
1930 könnte man demnach z. B. auch
die Werte 100000 und 19300 wählen.
Wenn wir jedoch obige Rechnung für
R) = 10 000 0 wiederholen, so erhalten
wir I RI = 0,38 mA. Daraus ergibt sich, daß
der Strom I R2 = 0,21 mA an der Basis vor­
beigeleitet werden muß; R2 müßte somit
den Wert 3300 0 haben.
Nur wenn man R1 so dimensioniert, daß
der Strom durch R1 wesentlich größer ist
als der Basisstrom (etwa 10mal so groß),
kann man von einem unbelasteten Span­
nungsteiler ausgehen.
Verlustleistung: In der zweiten Schaltung
ist der Transistor nicht voll durchgeschal­
tet. Die Spannung U der Batterie verteilt
sich dann auf die Glühlampe und den
Transistor:
U= UG + UT.
Das hat zur Folge, daß ein Teil der von der
Batterie gelieferten Energie im Transistor
in Wärme umgewandelt wird. Die elektri­
sche Leistung läßt sich dabei nach der
Gleichung PT = UT. Ic berechnen.
In unserer Schaltung beträgt die Span­
nung an der Glühlampe (wenn sie gerade
noch nicht aufleuchtet) ca. 0,9 V. Daraus
folgt: UT = 3,6 V. Für die Leistung des Tran­
sistors gilt also:
PT = 3,6 V . 0,03 A = 0,108 W.
Wird der Transistor zu heiß, kann er zer­
stört werden. Um die erzeugte Wärme
besser (durch Konvektion und Strahlung)
abführen zu können, vergrößert man die
Oberfläche des Transistors (Bild 3). Die
Leistung (Verlustleistung) des Transistors
BC 547 A muß kleiner als 0,5 W sein.
4846
3
[
SCh1
W
tung
heit!
6
Bild
den
Feld
elek'
einfe
,1
4847
-
Aufgaben
1 Die Vorgänge in einem Transistor
kannst du dir mit einem einfachen
Modell veranschaulichen (Bild 4).
Nenne Gemeinsamkeiten von Mo­
dell und Transistor.
5 Wenn sich ein Transistor er­
wärmt, leitet er besser. Der Basis­
strom wird größer - und daher auch
der Kollektorstrom. Das Ansteigen
des Kollektorstromes bei Erwär­
mung ist unerwünscht. In Bild 9 siehst
du eine Möglichkeit, wie man diesen
Effekt vermeiden kann. (Der NTC­
Widerstand befindet sich sehr nahe
beim Transistor, so daß er von ihm er­
wärmt werden kann.)
Erkläre die Wirkung des NTC-Wi­
derstandes in dieser Schaltung.
200
Q
........±
2 In der Schaltung von Bild 5 soll ein
Basisstrom von 0,05 mA fließen.
Wie groß muß dazu der Basisvor­
widerstand gewählt werden?
Wie groß sind der Kollektorstrom
und der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand?
ler­
4,5
4
5
4 In der Darlington-Schaltung wer­
den zwei Transistoren wie in Bild 8
zusammengeschaltet.
Die Darlington-Schaltung zeichnet
sich durch eine besonders große
Stromverstärkung aus.
Gib dafür eine Erklärung.
gs­
lal­
3 Die Bilder 6 u. 7 zeigen dir zwei
Schaltungen für Lichtschranken.
Wie reagieren die beiden Schal­
tungen auf Helligkeit und auf Dunkel­
heit? Erkläre die Funktionsweise.
;tet
tei­
nur
lde
"
md
Jch
len.
für
ten
6V
0,1 A
V1­
6 Ein Phototransistor stellt im Prin­
zip eine Kombination einer Photo­
diode mit einem Transistor dar.
Erläutere anhand von Bild 10, wie
ein Phototransistor funktioniert.
6V
0,1 A
jaß
--.....:!:.
--.....:!:.
'or­
4,57­
4.57­
+
4,5
mit
jaß
. ist
)ß),
6
7
9
8
10
an­
mg
lal­
eilt
jen
der
;tor
(tri­
2 Der Feldeffekttransistor
Bild 11 zeigt eine einfache Methode,
den Wasserstrom zu steuern. Mit
Feldettekttransistoren läßt sich der
elektrische Strom auf eine ähnlich
einfache Art steuern.
Die Feldeffekttransistoren (abge­
kürzt FET) besitzen im allgemeinen
- wie herkömmliche Transistoren ­
drei Anschlüsse. Sie werden auch in
gleicher Weise in Schaltungen ein­
gebaut.
Bild 12 zeigt das Schaltzeichen für
Feldeffekttransistoren.
Die Anschlüsse heißen Source
(statt Emitter), Drain (statt Kollektor)
und Gate (statt Basis).
der
an­
~de
aus
'an­
In Bild 13 sieht du die Soureeschal­
tung. In dieser Schaltung wird der
Strom über Drain und Source durch
die Spannung zwischen Gate und
Source gesteuert.
~er­
me
4,5V
ng)
die
Die
'­
s-
o..........
G/
:ors
12
'846
-+
13
413
Transistoren in elektronischen Schaltungen
V 7 Schließe nach Bild 1 Drain und
Source eines Feldeffekttransistors
an eine Spannungsquelle an.
+
4,5
a) Halte einen Finger an den Gate­
kontakt. Tippe nun mit einem Finger
der anderen Hand abwechselnd an
den Pluspol und an den Minuspol der
Batterie. Wie verhält sich dabei die
Glühlampe?
b) Nähere dem Gate-Kontakt einen
geriebenen Kunststoffstab (ohne ihn
zu berühren), und entferne ihn wie­
der. Was beobachtest du?
V 8 Du benötigst eine verbrauchte
Flachbatterie, deren Spannung noch
2,5 V erreicht. Verwende diese Batte­
rie als Spannungsquelle im Steuer­
stromkreis von Bild 13 der Vorseite.
Ersetze den Feldeffekttransistor
durch einen npn-Transistor, und wie­
derhole den Versuch.
Wie erklärst du die Versuchs­
ergebnisse?
V 9 Die Spannung zwischen Gate
und Source läßt sich auch mit einem
Spannungsteiler einstellen (Bild 2).
Man kommt dann mit einer einzigen
Spannungsquelle aus. Wähle R] und
R2 so, daß die Glühlampe schwach
leuchtet. Welchen Einfluß hat es,
wenn du R, und R2 verzehnfachst?
Was passiert, wenn du R2 aus der
Schaltung entfernst? Welchen Ein­
fluß hat jetzt noch R]?
v_
V 11 Wir vergleichen einen Feld­
effekttransistor mit einem npn-Tran­
sistor.
Bild 4 zeigt den Versuchsaufbau.
Parallel zum 600-kO-Widerstand
wird ein Seignettesalz-Kristall ange­
schlossen. Wenn man den Kristall
zusammenpreßt, entsteht eine elek­
trische Spannung zwischen den
Flächen, auf die die Kräfte wirken.
414
Der t
Drah
wiec
rohr
stror
"Leit,
nen
stellt
in dil
b) Führe den Versuch auch mit ei­
nem npn-Transistor durch.
6V
0,1 A
+
c) Wie sind die Versuchsergebnisse
zu erklären?
Lilier
Ab
4,5 V­
Zeit
naeh
V 12 Baue die Schaltung von Bild 5
2
6V
0,1 A
+
4,5V -
3
6V
0,' A
+
4,5
-
4
5
6
+
4,5 V­
7
auf. Vergrößere langsam die Span­
nung zwischen Gate und Source. Bei
welcher Spannung fängt die Glüh­
lampe gerade an zu leuchten? Bei
welcher Spannung leuchtet sie hell?
Notiere die Meßwerte.
Ersetze jetzt die Kurzschluß­
strecke KS durch Widerstände von
100 kO bzw. 1 MO. Welchen Einfluß
hat die Vergrößerung des Widerstan­
des auf die Meßwerte?
met~
mußI
lung
saml
Feldl
Be
wir ir
delt
Abkl
Aufb
Met~
D~
dotie
sieh
dotie
ehe I
Gate
ne S
dem
Wi
sehe
kann
V 13 In Rechnern benötigt man
nicht nur Transistoren, sondern auch
Widerstände. Als Widerstände ver­
wendet man häufig auf den Chips er­
zeugte Transistoren, deren Drain­
und Gateanschluß kurzgeschlossen
sind.
Nimm die J-U-Kennlinie einer sol­
chen Schaltung auf. Vergleiche die
Kennlinie mit der eines Ohmschen
Widerstandes.
p-n-i
ten c
wird
dotie
Drair
V 14 Bedecke eine Glühlampe (6 V;
30 W) mit einer Kappe aus Alu­
miniumfolie, und baue die Schaltung
nach Bild 6 auf.
Die 30-W-Glühlampe ist zunächst
ausgeschaltet. Die 0,6-W-Glühlampe
wird zum Leuchten gebracht, indem
man die Aluminiumkappe kurzzeitig
mit einem am Pluspol der Batterie
angeschlossenen Kabel berührt. An­
schließend wird die 30-W-Glühlampe
eingeschaltet. Was passiert?
Versuche eine Erklärung zu geben.
V 10 Baue die Schaltung von Bild 3
auf. Bewege einen kräftigen Stabma­
gneten ruckartig in die Spule hinein
und aus der Spule heraus. Was beob­
achtest du? Was ändert sich, wenn
du den Stabmagneten umdrehst?
Vergleiche die Beobachtungen mit
denen von Versuch 1.
-
a) Baue die Schaltung auf. Beobach­
te Lampe und Strommesser, wenn du
auf den Kristall drückst.
Ersetze die beiden Widerstände
durch 100mal kleinere Widerstände,
und wiederhole den Versuch.
V 15 Wir bauen eine einfache Tele­
fonschaltung auf (Bild 7). Du be­
nötigst dafür einen alten Telefon­
hörer.
Welche Funktion hat der Span­
nungsteiler in der Schaltung?
4848
Kar
9
4849
Info: Was im Innern eines Feldeffekttransistors geschieht
Ich­
1 du
Der elektrische Strom fließt durch einen
Draht oder einen anderen Leiter ähnlich
wie der Wasserstrom durch ein Leitungs­
rohr oder einen Schlauch. Einen Wasser­
strom kann man durch Abschnüren des
"Leiters" steuern, warum nicht auch ei­
nen elektrischen Strom? Bereits 1925
stellte sich der aus Leipzig stammende,
in die USA ausgewanderte Physiker J. E.
Lilienfeld diese Frage.
Aber die Idee Lilienfelds ließ sich lange
Zeit nicht verwirklichen. Dies gelang erst
nach 1960, als man Halbleiter anstelle von
metallischen Leitern verwendete. Auch
mußten erst Erfahrungen mit der Herstel­
lung sehr dünner Materialschichten ge­
sammelt werden. Das Ergebnis war der
Feldeffekttransistor.
Beim Feldeffekttransistor BSS 97, den
wir in den Versuchen benutzt haben, han­
delt es sich um einen MOS-FET. Die
Abkürzung MOS verrät etwas über den
Aufbau des Transistors; sie steht für
Metall-Oxid-Silicium (Bild 8).
Das Grundmaterial (Substrat) ist stark
dotiertes p-Silicium. Darüber befindet
sich eine dünne Schicht, die schwach pdotiert ist und in die zwei n-leitende Berei­
che (Source und Drain) hineinragen. Das
Gate ist ein Aluminiumbelag, der durch ei­
ne Schicht aus Silicium-Oxid gegenüber
dem Halbleiter isoliert ist.
Wird zunächst nur die Spannung zwi­
schen Source und Drain angelegt (Bild 9),
kann kein Strom fließen. An den beiden
p-n-Übergängen bilden sich Sperrschich­
ten aus. Durch die angelegte Spannung
wird die Sperrschicht zwischen dem p­
dotierten Material und dem n-dotierten
Drainbezirk verbreitert.
nde
lde,
t ei­
isse
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Jan­
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lluß­
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man
wch
ver­
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rain­
ssen
sol­
die
;hen
i
(6V;
Alu­
tung
sistoren ist das Grundmaterial n-dotiert,
Source und Drain sind p-dotiert. Die Bil­
der 10 u. 11 zeigen die Schaltzeichen von
n- und p-Kanal-Transistoren sowie die
Polung der Steuerspannung, wie sie zum
Durchschalten der Transistoren erforder­
lich ist.
Der MOS-FET funktioniert also so ähn­
lich wie ein Schlauch. Je nachdem, wie
breit der n-Kanal ist, leitet der Transistor
besser oder schlechter. Beim Transistor
BSS 97 ist die Spannung am Gate aller­
dings nicht dazu da, um den Kanal "abzu­
quetschen", sondern um ihn zu öffnen.
Der Kanal ist um so breiter, je höher die
Spannung UGS zwischen Gate und Source
ist. Bei UGS = 0 V sperrt der Transistor.
+0 Gate
n-Ieitendes
Silicium
p-Ieitendes
Silicum
8
Wenn zusätzlich eine genügend große
Spannung (U GS > 2 V) zwischen Gate und
Substrat (und damit zwischen Gate und
Source) gelegt wird, geschieht folgendes:
Vorhandene Löcher werden aus dem pdotierten Bereich unter dem Gatean­
schluß weggedrängt. Freie Elektronen,
die aufgrund der Eigenleitung des Halb­
leiters in geringer Anzahl auch im pSilicium vorhanden sind, sammeln sich
dort. Unter dem Gateanschluß entsteht
ein schmaler n-Ieitender Kanal.
Durch den Kanal, der die n-Ieitenden
Source- und Draingebiete miteinander
verbindet, fließen die Elektronen vom
Source- zum Drainanschluß. Vorausset­
zung ist, daß zwischen diesen beiden An­
schlüssen eine Spannung herrscht.
Je höher die Spannung UGS zwischen
Gate und Source ist, desto breiter ist der
Kanal und desto größer ist der Strom.
Der Strom zwischen Source und Drain
wird also durch die Spannung zwischen
Gate und Source gesteuert. Da die Oxid­
schicht zwischen Metall und p-Schicht ein
Isolator ist, fließt kein Steuerstrom.
Die npn- oder pnp-Transistoren werden
durch den Steuerstrom I s gesteuert. Da­
mit er fließt, ist eine Steuerspannung
USE notwendig. Das Produkt aus Steuer­
spannung und Steuerstrom ist die zum
Steuern erforderliche Leistung.
Bei den Feldeffekttransistoren ist der
Innenwiderstand im Steuerkreis extrem
groß. Es fließt also praktisch kein Steuer­
strom. Damit ist auch die Steuerleistung
gleich Null.
Feldeffekttransistoren werden durch
eine Spannung leistungslos gesteuert.
Feldeffekttransistoren haben gegen­
über den herkömmlichen Transistoren
außer der leistungslosen Steuerung noch
einen weiteren wesentlichen Vorteil: Sie
benötigen weniger Platz. Überall, wo es
auf eine hohe Packungsdichte der Transi­
storen ankommt, z. B. in Rechnern, wer­
den heute ausschließlich Feldeffekttran­
sistoren verwendet.
Der BSS 97 ist ein n-Kanal-MOS-Feld­
effekttransistor. Es gibt auch p-Kanal­
Feldeffekttransistoren. Bei p-Kanal-Tran-
Siliciumdioxid
Kanal
n-Silicium
p-Siiicium
chst
Source
mpe
dem
eitig
terie
. An­
mpe
t
G
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4,5VT ­
+
Siliciumatom
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10
Elektron ab­
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aufgenomme­
4.5V I+
nem Elektron)
Loch (Elektronenlücke
eines Atoms)
o = freies Elektron
9
,"'.
1I
11
4849
415
Transistoren in elektronischen Schaltungen
V
Aufgaben
b,
1 Nenne Gemeinsamkeiten und
Unterschiede zwischen einem n-Ka­
nal-Feldeffekttransistor und einem
npn-Transistor.
2 Erläutere die Funktionsweise ei­
nes p-Kanal-MOS-Feldeffekttransi­
stors analog zu dem im Info
beschriebenen n-Kanal-MOS-Feld­
effekttransistor.
3
Was bedeuten die Namen Sour­
ce, Drain und Gate?
Sind die Namen für die Anschluß­
elektroden eines Feldeffekttransi­
stors passend gewählt worden?
3
4 In der Schaltung von Bild 1 wird
ein Motor durch das Licht gesteuert,
das auf einen Photowiderstand fällt.
a) Würde die Schaltung auch funktio­
nieren, wenn man den npn-Transistor
durch einen Feldeffekttransistor er­
setzte? Begründe!
Andererseits kann man aber mit
einer Reihenschaltung aus einer 4,5­
Volt-Flach batterie und einem 1-MO­
Widerstand zwar einen Feldeffekt­
transistor ansteuern, aber keinen
npn-Transistor.
Erläutere diese Aussagen.
a)
V'I
bl
ar
dl
K.
b) Wie müßte eine Schaltung mit ei­
nem Feldeffekttransistor aussehen,
die ähnlich reagiert wie die angege­
bene Schaltung?
cl
di
pI
SI
5
Ein Feldeffekttransistor benötigt
zum Ansteuern eine höhere Span­
nung als ein npn-Transistor.
V
rL
di
s(
Speichern und Verarbeiten von Daten
sc
6V
0.1A
6V
0,1 A
+
2
4,5 V
4,5V -
4.5V
3
-
+
4
Welche der Glühlampen in den Schaltungen der Bilder
2-4 leuchten? Begründe!
9
V16 Welchen Einfluß hat es, wenn du erst die Punkte A
und B in der Schaltung nach Bild 4 durch einen Draht
verbindest und dann den Leiter zwischen Bund C ent­
fernst?
Versuche das Ergebnis vorherzusagen, und überprüfe
deine Vermutung im Versuch.
4,5
v
+
SI
s1
s1
S
TI
p
D
5
V17 Baue die Schaltung nach Bild 5 auf. Dabei sollen
die Punkte A und B miteinander verbunden werden. An­
schließend entfernst du die Verbindung zwischen den
Punkten Bund D.
Was geschieht?
V18 Sowohl in Versuch 16 als auch in Versuch 17 er­
hältst du schließlich eine Schaltung, wie sie in Bild 6 dar­
gestellt ist.
Wovon ist es also abhängig, welche der beiden Glüh­
lampen in der Schaltung von Bild 6 leuchtet?
Probiere die Schaltung aus.
416
In
CI
T
9'
4,5
v
+
la
d
F,
Z
Z
6
4850
48
-
V 19 Die Schaltung von Bild 6 wird jetzt durch den Ein­
bau zweier Schalter (Taster) ergänzt (Bild 7).
. mit
r 4,5­
a) T1 soll durchgeschaltet sein, T2 soll sperren. Welche
Wirkung hat es, wenn einer der Schalter gedrückt wird?
-MO­
ffekt­
einen
b) Was passiert, wenn ein Schalter mehrfach nachein­
ander gedrückt wird? Wie wirkt es sich aus, wenn die bei­
den Schalter abwechselnd betätigt werden?
Die Schaltung aus Bild 7 heißt Flipflopschaltung.
Kannst du dir den Namen erklären?
~
c) Die Schalter werden so eingebaut, daß mit ihrer Hilfe
die Gateanschlüsse der Transistoren direkt mit dem Plus­
pol der Batterie verbunden werden können. Zeichne das
Schaltbild, und probiere die Schaltung aus.
~
V 20 Auch die Schaltung von Bild 8 stellt eine Erweite­
rung der Schaltung von Bild 6 dar. Wie erreicht man, daß
die Klingel nicht läutet?
Was geschieht, wenn man die Drahtverbindung zwi­
schen E und F durchtrennt?
Welche Folge hat es, wenn man die Verbindung an­
schließend wieder herstellt?
Wozu könnte die Schaltung verwendet werden?
1
J
6V
0,1 A
4.5 V
+.
7
+
E
F
8
Info: Speicherung von Informationen mit Flipflopschaltungen
Ci
+
Q
+
T2
T1
s
1
J
1
J
4850
AI
I
c
In Computern werden alle Informationen durch Folgen von Bits
codiert und gespeichert. Jedes Bit wird realisiert durch einen
Speicher, der genau zwei Zustände annehmen kann. Diese Zu­
stände werden 0 und 1 genannt.
Zwei Transistoren, die wie in Bild 9 zusammengeschaltet sind,
steuern sich gegenseitig. Wenn der Transistor T1 sperrt, ist die
Spannung zwischen den Punkten A und B hoch. Daher ist der
Transistor T2 durchgeschaltet, und die Spannung zwischen den
Punkten C und D ist niedrig. Diese Spannung hält den Transistor
T1 im gesperrten Zustand.
Beide Transistoren behalten also den Zustand, in dem sie sich
gerade befinden.
Das gleiche gilt, wenn T2 sperrt und T1 durchschaltet.
Zwischenzustände, bei denen T1 und T2 nur wenig leiten, sind
labil. Das System geht also immer nach ganz kurzer Zeit in einen
der beiden stabilen Zustände über.
Man hat dieser Schaltung einen klangvollen Namen gegeben:
Flipflop. In diesem Wort hört man geradezu das "Umkippen" des
Zustandes.
Eine Flipflopschaltung stellt ein System dar, das genau zwei
Zustände annehmen kann.
4851
R
I
9
10
Die Schaltung eignet sich zur Darstellung eines Bits. Dazu fügt
man in die Flipflopschaltung zwei Eingänge Rund S sowie einen
Ausgang Q ein (Bild 10).
Je nachdem, welcher Transistor durchschaltet, ist die Span­
nung zwischen dem Ausgang Q und dem Minuspol der Span­
nungsquelle hoch oder niedrig. Hohe Spannung entspricht dem
Zustand 1 oder H (von engl. high: hoch). Niedrige Spannung ent­
spricht dem Zustand 0 oder L (von engl. low: niedrig).
Die Eingänge dienen dazu, 0 oder 1 einzugeben. Wird der
Punkt S kurzzeitig mit dem Pluspol der Batterie verbunden, wird
eine 1 in das System geschrieben (setzen). Wird dagegen der
Punkt R mit dem Pluspol der Batterie verbunden, wird eine 0 in
das System eingegeben (rücksetzen).
Die einmal eingeschriebene Information, also die 0 oder die 1,
bleibt solange eingeschrieben, wie das System an die Span­
nungsquelle angeschlossen ist.
Zum Verarbeiten der Informationen ist es zweckmäßig, wenn
auch die jeweils gegenteilige Information wie in Q zur Verfügung
steht. Daher baut man noch einen zweiten Ausgang Q ein, an
dem die gegenteilige (oder invertierte) Information abgerufen
werden kann. Diese Schaltung wird R-S-Flipflop genannt.
417
Transistoren in elektronischen Schaltungen
-
Aus Umwelt und Technik: Ein elektronischer Polwender
AI
Transistor
Speicher 1
1
Transistor 1
(p-Kanal)
'-­
~ransistor
+
E1
0­
Transistor 3
(n-Kanal)
'-­
Transistor
2
Eil
~ransistor
E:
f"E
0­
2
Ein Modellauto mit einem Gleich­
strommotor erst vorwärts und dann
rückwärts laufen zu lassen, ist kein
großes Problem.
Man braucht dazu nur die Rich­
tung des Stromes durch den Motor
umzukehren, zum Beispiel durch
Vertauschen der Anschlüsse an der
Spannungsquelle.
Man kann aber auch eine elektro­
nische Schaltung mit zwei n-Kanal­
und zwei p-Kanal-Transistoren ver­
wenden (Bild 1). Sie macht es mög­
lich, den Motor über einen Computer
zu steuern.
Sind in der Schaltung von Bild 1 die
Transistoren 1 und 4 durchgesteuert,
so fließt ein Strom in die Richtung A.
Wenn dagegen die Transistoren 2
und 3 durchgesteuert sind, fließt ein
Strom in die Gegenrichtung (Rich­
tung B).
Die p-Kanal-Transistoren schalten
durch, wenn man ihre Gates mit dem
Minuspol der Spannungsquelle ver­
bindet. Damit die n-Kanal-Transisto­
ren durchschalten, verbindet man ih­
re Gates mit dem Pluspol.
Man kann die Schaltung auch mit
zwei npn- und zwei pnp-Transistoren
aufbauen. Dann muß man die Steuer­
• • • • • • •
• •
• • •
•
•
• • • • • ••
ströme aber mit Basisvorwiderstän­
den begrenzen.
Zu unangenehmen Überraschun­
gen könnte es kommen, wenn die
Transistoren T1 und T3 (oder T2 und
T4) gleichzeitig durchsteuerten. Der
Strom würde dann nämlich nicht
mehr durch den Motor fließen. Nur
die Transistoren würden ihn noch
begrenzen. Ein solcher Schaltfehler
muß unbedingt vermieden werden.
Das kann man erreichen, indem man
die Transistoren über eine logische
Schaltung ansteuert.
Wir verwenden zwei R-S-Flipflops
als Speicher. Den möglichen Zustän­
den der Ausgänge ordnen wir die
Strom richtung durch den Motor wie
folgt zu:
Speicher
0, O2
Strom durch den
Motor
L
L
H
H
kein Strom
Strom in Richtung A
kein Strom
Strom in Richtung B
L
H
L
H
Die Ausgänge der Speicher werden
mit den Eingängen der einzelnen
Logik-Grundschaltungen verbunden
(--+ Info auf der rechten Seite; Bild 2).
4
Wie die einzelnen Transistoren ange­
steuert werden, überlegen wir uns
z. B. für Transistor T1 :
Der Ausgang der AND-Schaltung 1
liegt nur dann auf H, wenn der Aus­
gang 0, von Speicher 1 auf L und
der Ausgang O2 von Speicher 2 auf
H liegt.
Durch die folgende NICHT-Schal­
tung (Inverter) werden die Span­
nungszustände vertauscht. Wir er­
halten folgende Spannungen am
Gate von Transistor T1:
Speicher
0,
O2
Spannung
an Gate T1
Transistor
T1
L
L
H
H
H
L
H
H
sperrt
leitet
sperrt
s p errt
L
H
L
H
In Bild 3 ist die logische Schaltung
realisiert.
Die Speicher-Glieder verfügen
über einen zusätzlichen Takteingang.
Dadurch kann man erreichen, daß
ein Tastendruck ausreicht, um die
Speicher von einem der vier Zu­
stände in den nächsten übergehen
zu lassen. Der Motor wurde in das
Modellauto eingebaut, so daß man es
per Knopfdruck vorwärts oder rück­
wärts fahren lassen kann.
•
Fragen und Aufgaben zum Text
1 Ermittle die Spannungszustände an
den Gates der Transistoren 2 bis 4 und
deren Leitungsverhalten bei den vier
Speicherzuständen.
2 Überprüfe, ob die vier Transistoren
bei allen vier Speicherzuständen richtig
angesteuert werden.
3
418
4852
In
E
0­
6
OieA
u.5)
gen
sind:
high I
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Wert
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stets
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Span
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mit 2
folge
AND
~
Und
lisch
NebE
eswi
Oe
Eingc
'853
Info: Logische Grundschaltungen
OR-Schaltung
AND-Schaltung
Q
sv 2
T-
El
sv
Eingangsspannung 1
El
E2
o
Eingangsspannung 2
E2
+
0­
0­
S
4
e­
1S
Inverter
NANO-Schaltung
11
,,1T-
Q
-0
s­
E
1d
uf
Q
E1
sv
0­
+
E2
~I­
n­
~r­
m
6
7
u­
,m
Die ANO- und die OR-Schaltung (Bilder 4
u. 5) gehören zu den logischen Schaltun­
gen (Gatter). Als Eingangsspannungen
sind zwei Werte zugelassen: low (0 V) und
high (z. B. 5 V). Als Ausgangsspannung er­
hält man ebenfalls immer einen dieser
Werte.
Ein- und Ausgangsspannung werden
stets zwischen dem Eingang bzw. dem
Ausgang und dem negativen Pol der
Spannungsquelle gemessen.
Die Wirkungsweise logischer Schal­
tungen kann man am besten in Funk­
tionstabellen darstellen: Den verschiede­
nen Möglichkeiten für die Spannungs­
zustände an den Eingängen wird der
Spannungszustand am Ausgang zuge­
ordnet. Für die AND- und OR-Schaltung
mit zwei Eingängen sehen die Tabellen
folgendermaßen aus:
as
ANO
19
~n
19·
3ß
lie
es
k-
an
nd
ier
en
tig
1852
E1
E2
Q
E1
E2
Q
L
L
H
H
L
H
L
H
L
L
L
H
L
L
H
H
L
H
L
H
L
H
H
H
Und so werden die Schaltungen symbo­
lisch dargestellt:
-r&L
-p1l_
OR~
Neben der AND- und OR-Schaltung gibt
es weitere logische Grundschaltungen:
Der Inverter (Bild 6) besitzt nur einen
Eingang. Der Zustand H am Eingang be­
4853
Inverter
Der Name ist abgeleitet von "exclusive
or". Im Gegensatz zur OR-Schaltung liegt
der Ausgang der EX-OR-Schaltung auf L,
wenn beide Eingänge auf H liegen.
Symbol:
---F1L
TI
EX-OR ~
Die NANO-Schaltung entspricht in der
Funktion einer AND-Schaltung mit nach­
geschaltetem Inverter. Der Name ist von
"not and" abgeleitet.
Eine NANO-Schaltung (Bild 7) ist etwas
einfacher aufzubauen als eine AND­
Schaltung. Daher geht man in der Technik
oft von der NANO-Schaltung aus, wenn
man eine AND-Schaltung benötigt. Um
die AND-Schaltung zu erhalten, verbindet
man den Ausgang einer NANO-Schaltung
mit einem Inverter.
Die Industrie stellt integrierte Schaltun­
gen oder ICs (von integrated circuit) in
normierter Bauweise her, bei denen sich
auf einem einzigen Chip gleich mehrere
Gatter befinden.
Bild 8 zeigt ein IC, das vier NANO-Gatter
enthält, sowie die Anschlußbelegung. Die­
ses IC besteht aus 20 Transistoren, 12
Dioden und 16 Widerständen.
Bild 9 zeigt ein IC mit sechs Invertern
und die zugehörige Anschlußbelegung.
Versorgungs­
spannung
NANO
OR
AND~
wirkt den Zustand L am Ausgang. Einem L
am Eingang wird ein H am Ausgang zuge­
ordnet. Das Signal wird also umgekehrt
(invertiert). Der Inverter wird symbolisch
so dargestellt:
E1
E2
Q
L
L
H
H
L
H
L
H
H
H
H
L
NANO
TI­
Die NOR-Schaltung funktioniert wie eine
OR-Schaltung mit folgendem Inverter.
Der Name ist von "not or" abgeleitet.
Das Symbol der NOR-Schaltung sieht
so aus:
u=sv
B
n
;;:1
NOR
Die EX-OR-Schaltung entspricht dem
ausschließenden Oder (entweder - oder).
g
419
Transistoren in elektronischen Schaltungen
Aufgaben
1 Gib die Funktionstabellen für die
NOR-Schaltung und für die EX-OR­
Schaltung an.
Ausgang vorherzusagen. (Lege dazu
eine Funktionstabelle an.)
3 Wie kann man aus zwei AN D-Gat­
tern mit jeweils zwei Eingängen ein
AND-Gatter mit drei Eingängen auf­
bauen? Wie muß der vierte noch freie
Eingang belegt werden?
2 Zeige mit Hilfe einer Funktions­
tabelle, daß eine AND-Schaltung mit
zwei folgenden Invertern wieder eine
AND-Schaltung ergibt.
z
6 Bild 2 zeigt eine Kombination von
zwei NAND-Gattern. Der Ausgang
des ersten NAND-Gatters ist mit
den beiden Eingängen des zweiten
NAND-Gatters verbunden.
Welche Verknüpfung wird durch
diese Schaltung erreicht?
1~
B_ _..=.,2~,.::.6--Z
2
A
7 Hier siehst du eine Kombination
aus drei NAND-Gattern (Bild 3).
Versuche, für die verschiedenen
Eingangszustände das Ergebnis am
B
3
4,~
nu
zw
Ve
9 Man kann eine Flipflopschaltung
auch aus zwei NAND-Gattern auf­
bauen (Bild 5). Was passiert, wenn ei­
ner der beiden Schalter gedrückt
wird? Was passiert, wenn er wieder
losgelassen wird?
5 Bild 1 zeigt eine Schaltung aus
vier NAND-Gattern. Stelle die Funk­
tionstabelle für diese Schaltung auf.
Welcher Schaltung entspricht sie?
B---'------i
2.
ke
(SI
8 Bild 4 zeigt eine Flipflopschaltung
aus zwei NOR-Gattern. Erläutere das
Verhalten der Schaltung.
4 Bei einer OR-Schaltung mit drei
Eingängen werden nur zwei Eingän­
ge benutzt. Wie muß der dritte freie
Eingang belegt werden, damit die
Schaltung funktioniert?
A---,------i
A
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Aus Umwelt und Technik: Schaltkreisfamilien
Elektronische Schaltungen werden
oft aus mehreren einzelnen inte­
grierten Schaltungen zusammenge­
setzt. Deshalb ist es nötig, daß die
verschiedenen ICs zueinander pas­
sen: Verarbeitungsgeschwindigkei­
ten und Versorgungsspannungen
müssen aufeinander abgestimmt
sein. Es wurden verschiedene "Fami­
lien" von ICs entwickelt.
Zuerst entstand die TIL-Familie, in
der npn- und pnp-Transistoren als
Schaltelemente dienen. Alle ICs die­
ser I=amilie tragen die Anfangszahl
74. Das IC 7400 enthält z. B. vier
NAND-Schaltungen, der Typ 7432
vier OR-Schaltungen.
Weil die Transistoren durch Strö­
me gesteuert werden und sich da­
her erwärmen, konnte die Packungs­
dichte der Transistoren nicht beliebig
erhöht werden.
Später verwendete man für ICs nur
noch Feldeffekttransistoren, die ja
keine Steuerströme, sondern nur
Steuerspannungen benötigen. Weil
sowohl n- als auch p-Kanal-Transi­
storen verwendet werden, spricht
man von C-MOS-Schaltungen.
C-MOS steht für komplementäre
MOS-Feldeffekttransistoren (C von
lat. complementum: Ergänzung).
Bild 6 zeigt einen Inverter in C­
MOS-Technik: Der Drain-Widerstand
G
+
u
E
G
6
ist durch einen p-Kanal-FET ersetzt
worden. Die ICs der ersten C-MOS­
Familie tragen die Anfangszahl 40.
Im Typ 4011 stecken z. B. vier NAND­
Schaltungen. Diese ICs haben einen
geringen Energiebedarf, sind aber
leider langsamer als die TIL-Familie.
Die neue C-MOS-Familie mit der
Kennzeichnung ,,74 HC" verbindet
die Vorteile der beiden Vorgänger:
Die ICs sind äußert schnell (high
speed) und bestehen trotzdem aus
den energiesparenden C-MOS-Tran­
sistoren. Der Typ 74 HC 08 enthält
vier AND-Schaltungen und verknüpft
zwei Signale in 10-8 s.
Wenn du mit ICs aus dieser Fami­
lie experimentierst, solltest du fol­
gendes beachten:
1. Die Versorgungsspannung sollte
zwischen 2 V und 6 V liegen. Du
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