Der Transistor

Basiswissen für junge Elektroniker
Der Transistor
Endlich kommen wir zum wichtigsten Bauelement der Elektronik, nämlich dem Transistor. In der
zentralen Recheneinheit unseres Computers sind inzwischen mehr als eine Million integriert. Da
durch jeden Transistor ein elektrischer Strom fließt und er dabei immer kleine Widerstände
überwinden muss, entsteht hier die sog. Verlustwärme, sodass die CPU sehr heiß wird. Diese
Wärmeenergie muss kontinuierlich über einen Kühlkörper abgeführt werden, weil sonst die
Transistoren bei Temperaturen über 170 Grad Celsius zerstört werden. Wir werden mit wesentlich
größeren Transistoren arbeiten, die auch mehr Strom vertragen. Dennoch dürfen wir sie nicht
überlasten. Unser Transistor verträgt einen Strom von 100mA. Da die Testschaltung mit
Begrenzungswiderständen versehen ist, können so hohe Ströme nicht fließen, wenn wir nur die
Blockbatterie mit 9V als Stromquelle einsetzen.
Zunächst mal das Schaltsymbol eines Transistors:
Er hat drei Anschlüsse: E = Emitter, B = Basis und C = Kollektor. Im Englischen wird der obere
Anschluss mit Collector bezeichnet. Weil es international üblich ist, wählen wir auch C.
Der Transistor besteht aus Halbleitern. Die können Germanium oder Silizium sein. Die Halbleiter
geben ihm besondere elektrische Eigenschaften. Sie leiten den Strom eigentlich nur in einer
Richtung. Das bewirkt der sog. PN-Übergang. Eine Diode hat nur einen Übergang. Sie sperrt den
Strom oder sie lässt ihn hindurchfließen. Einen Transistor kann man sich aus zwei Übergängen
vorstellen. In unserem NPN-Transistor sind die Übergänge NP von E nach B und PN von B nach C.
Oder von der Basis B aus gesehen beide von der Art PN. Die folgende Skizze zeigt dieses
„Ersatzschaltbild“:
Stellt euch vor, dass der Transistor ein elektrisches Ventil ist. Ein kleiner Strom, der in den
Basisanschuss fließt steuert einen viel größeren Strom, der vom Kollektor zum Emitter fließt. Den
Steuerstrom nennt man Basisstrom. Der Kollektorstrom wird auch nach seinem Anschluss benannt.
Mit einem Transistor kann ich also mit einem kleinen Strom einen viel größeren regeln. Ich kann
den Kollektorstrom sogar ganz ausschalten, ebenso wieder einschalten. Der Transistor ist deshalb
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zugleich auch ein Schalter, den man mit einem kleinen Steuerstrom aus- und einschalten kann. Er
ersetzt einen mechanischen Schalter mit einem Schalthebel. Bei den Fototransistoren genügt sogar
ein helles Licht, um ihn einzuschalten. Mit den Fernsteuerungen unseres Fernsehers übertragen wir
Informationen mit Infrarotlicht. Eine LED sendet es unsichtbar aus, ein Fototransistor am Gerät
empfängt es.
Der elektrische Strom, den wir steuern wollen, fließt vom Kollektor zum Emitter. Deshalb muss ein
NPN-Transistor am Kollektor mit einer positiven Spannung betrieben werden. Die Stromstärke
richtet sich nach den Widerständen, die im Kollektor- und Emitterkreis eingefügt sind. Wir
untersuchen hier den Transistor ohne Emitterwiderstand. Daher sind nur der Kollektorwiderstand
und die Betriebsspannung aus der Batterie maßgebend für die Stärke des Kollektorstroms. Im
folgenden Schaltbild stelle ich euch ein Experimentierboard vor, mit dem wir die Sache untersuchen
werden:
Ihr seht oben den Anschluss für die Batterie. Ein Schutzwiderstand bestimmt den maximalen Strom.
Die mit ihm in Reihe geschaltete Diode verhindert eine Verpolung des Transistors. Sie sperrt den
Batteriestrom, falls ihr die Batterie falsch anschließen solltet. Dadurch wird der Transistor vor einer
Zerstörung bewahrt.
Der Widerstand vor dem Basisanschluss hat eine ähnliche Funktion. Er soll verhindern, dass durch
Schaltfehler ein zu großer Basisstrom in den Transistor fließt, der ihn ebenfalls zerstören könnte.
Unsere Testschaltung ist also weitgehend abgesichert. Wenn ihr euch an die Anweisungen haltet,
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kann nichts Schlimmes passieren. Bitte klemmt aber vor jedem Schaltungswechsel die Batterie ab
und erst nach den Änderungen wieder an. Auch der beste Elektroniker macht mal einen Fehler. Und
dann wäre der wertvolle Transistor nicht mehr zu verwenden. Deshalb werden wir vor jedem
Versuch sorgfältig alle Verbindungen überprüfen.
Wie ihr seht, sind vor dem Basisanschluss vier Nagelpaare angeordnet. Ihr sollt mit einer Leitung
eine Auswahl vornehmen. Ganz oben ist der Basisvorwiderstand 4,7 M(4,7 Millionen Ohm!). Es
kann mit der Verbindung 1,2 deshalb nur ein sehr kleiner Basistrom von der Basis zum Emitter
fließen. Da im Transistor scheinbar eine Verstärkung stattfindet, wird der Kollektorstrom nicht so
groß sein. Dennoch ist er ausreichend, um die LED leuchten zu lassen. Wie groß aber der
Kollektorstrom tatsächlich ist, wollen wir im ersten Experiment messen.
Die Stromverstärkung
Versuch 1:
Wir verbinden 1,2. Dann schließen wir unser Multimeter zwischen 9 und 10 an. Dabei muss der
Pluspol der Messleitung(rot) mit dem Punkt 9 verbunden sein. Die schwarze Messleitung kommt an
10. Zuvor stellen wir das Multimeter auf den Strommessbereich 200mA ein.
Schalten wir jetzt die Batterie an, dann sollte ein Strom von ca. 0,95mA in den Kollektoranschluss
des Transistors fließen. Am Emitter tritt ein um den Basisstrom größerer Strom aus. Wir werden
aber den kleinen Unterschied kaum bemerken. Alle weiteren Angaben beziehen sich auf eine
Batteriespannung von +8,5V. Der Reihe nach verbinden wir die Punkte 3,4; 5,6; und 7,8. Dabei
verwenden wir immer denselben Draht. Die vorhergehenden Verbindungen werden also stets wieder
getrennt. Die von mir gemessenen Stromstärken sind:
1,2
0,95 mA
3,4
3,8 mA
5,6
22,5 mA
7,8
36,5 mA.
Der letzte Wert wird nur erreicht, wenn die Batterie neu ist.
Bitte lasst die großen Ströme nicht zu lange fließen. Die Batterie wäre sonst schnell verbraucht.
Als gewissenhaft arbeitende Elektroniker notieren wir die Messwerte. Dann berechnen wir mal die
Basisströme. Gehen wir wieder von 8,5V Batteriespannung aus, dann müssen wir mit 0,65 V
Spannungsabfall an der Diode 1N4007 rechnen. Die treibende Kraft für den Basisstrom ist also
8,5V – 0,65 V = 7,85V. Den Spannungsabfall des PN-Übergangs B-E schätzen wir ebenfalls auf
0,65V. Daher bleiben für den Basisvorwiderstand nur noch 7,2V. Nach dem Ohmschen Gesetz
errechnet man:
I = U / R = 7,2 V / 4,7 * 10^6 Ohm = 1,53 uA
Das sind nur 1,5 Millionstel Ampere! Ein extrem kleiner Strom, den wir mit dem Multimeter kaum
messen können. Dennoch fließt ein Collectorstrom von ca. 0,95 mA. Das sind 950 uA. Nun können
wir daraus berechnen, mit welchem Grad der Transistor den Strom scheinbar verstärkt.
Es gilt h = Ic / Ib. Kollektorstrom geteilt durch den Basisstrom ergibt die sog, Stromverstärkung
des Transistors:
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950 uA / 1,5 uA = 633
Der Kollektorstrom ist also 633 mal größer als der Basisstrom!
Ist der Transistor nicht ein tolles Teil? Wir haben ein elektronisches Bauelement, mit dem wir
elektrische Ströme verstärken können. Als der Transistor so um 1947 erfunden wurde, war das eine
Sensation. Bis dahin hatte man nur die Elektronenröhre. Aber die muss man mit Strom heizen,
damit sie verstärkt. Die Heizenergie war eine Verschwendung, der Wirkungsgrad der Röhre daher
nicht berühmt. Außerdem muss man bei Elektronenröhren hohe elektrische Spannungen anwenden.
Die sind nicht nur gefährlich für den Elektroniker. Ein Radio mit Batterien zu betreiben, wäre heute
sicherlich ein teures Vergnügen.
Der Transistor setzte sich schnell durch. Und wir müssen auch weiterhin mit seiner Anwendung in
der gesamten Elektronik rechnen.
Bevor wir zum nächsten Experiment kommen, rechnet doch bitte mal die Stromverstärkung mit den
anderen Vorwiderständen aus. Könnt ihr Unterschiede erkennen?
Na ja, gewisse Abweichungen wird es geben. Aber die Stromverstärkung ist auch nur ein Richtwert.
Sie hängt ein wenig vom Betriebszustand ab und streut stark, Nicht jeder Transistor aus derselben
Fertigung hat auch dieselbe Stromverstärkung. Deshalb teilt man Transistoren nach dieser
Eigenschaft in Klassen ein. Unser Transistor ist ein Typ C. Dafür wird eine Stromverstärkung von
400 ... 900 garantiert.
Die Kennlinie der Diode
Versuch 2:
Jetzt wiederholen wir unseren Versuch. Aber wir schalten den Strommesser an 14,15 parallel zur
LED. Die Punkte 11,12 verbinden wir mit einer dritten Leitung. An meiner Schaltung zeigten sich
folgende Werte:
1,2 0,85 mA
3,4
1,88 mA
5,6
1,92 mA
7,8
1,92 mA
Warum sind die letzten Kollektorströme gleich?
Nun, das Messinstrument und die LED sind parallel geschaltet. Am Beginn war der Strom durch die
LED sehr klein, sie leuchtete nicht. Bei den beiden letzten Messungen aber war der Transistor ganz
durchgeschaltet. Er war als Schalter praktisch geschlossen. Die LED hatte genügend großen Strom,
um hell zu strahlen. In dieser Betriebsart wird die LED zu einer Konstantspannungsquelle. Ich
weiß, ein langes Wort und ein neuer Begriff! Aber eigentlich ganz einfach zu verstehen.
Sieht man auf die sog. Kennlinie der LED, dann stellt man fest, dass bei einem bestimmten Strom
der Spannungsabfall an der LED-Diode nicht weiter steigt. Für das Messinstrument ist die LED
dann eine Stromquelle mit konstanter Spannung. Tja, und das Amperemeter hat natürlich auch
einen gewissen Innenwiderstand, der sich nicht ändert. Also fließt durch das Instrument bei
konstanter Spannung an den Klemmen auch ein konstanter Strom hindurch. Der LED wird dieser
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Strom quasi weggenommen, dennoch leuchtet sie unvermindert hell. Wir bemerken nicht, dass ihr
etwas Strom fehlt.
Im nächsten Bild sehen wir ein Diagramm. Senkrecht sind die Stromstärken notiert. Nach rechts
werden die gemessenen Spannungen an der Leuchtdiode aufgetragen. Die Kennlinie zeigt, dass bei
etwa dem doppelten Strom i2 die Spannung an der Diode nur um den Betrag u2 – u1 wächst. Der
Unterschied ist gering und man kann sagen, dass die Spannung fast konstant bleibt. Manchmal nutzt
man diesen Effekt, wenn man eine elektrische Spannung stabilisieren will. Dann kann man einer
solchen Diode unterschiedliche Ströme entnehmen, ohne dass die Spannung sich wesentlich ändert.
Die „Fluss-Spannung“ an einer LED, die rot strahlt, ist etwa 1,7V. Es gibt andere LEDs, die noch
höhere zeigen. Die Fluss-Spannungen hängen vom Material des Halbleiters ab. So „verbrauchen“
LEDs, die blau strahlen, mehr als 2,5V.
Wechselstrom
Versuch 3:
Wir haben erfahren, dass der Kollektorstrom und damit die Helligkeit der LED abhängig vom
Basisstrom ist. Jetzt wollen wir mal ganz ohne Basisvorwiderstand die LED zum Leuchten bringen.
Wie kann das sein, werdet ihr fragen. Aber es wird euch nach dem Versuch bewusst sein, welche
elektrischen Ströme uns im Alltag umgeben, ohne dass wir sie wahrnehmen.
Euch ist ja bekannt, dass unsere Energieversorgung über das Wechselstromnetz stattfindet. Die
Leitungen in den Wänden und in der Zimmerdecke stehen unter einer Wechselspannung von 230V.
Diese Spannung baut elektrische Felder auf, die gegen die Erde gerichtet sind. In diesen Feldern
leben Menschen. Wir nehmen mit unseren Körpern einen Teil der Ladung auf. Da diese gern zur
Erde fließen würde, findet der Strom einen Weg, wenn wir nur die Basis des Transistors berühren.
Ein winziger Wechselstrom fließt in den Basisanschluss und aus dem Emitter wieder hinaus. Dann
weiter über andere Leitungswege. Damit er zur Erde leichter abfließen kann, sollten wir vom
Emitter dorthin direkt eine Verbindung schalten. Wenn das aber zu schwierig sein sollte, genügt es,
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einen Freund zu bitten, den Anschluss 13 zu berühren. Er wird eine kapazitive Kopplung zur Erde
herstellen. Da er nicht mit uns leitend verbunden ist, liefern wir den ebenfalls kapazitiv
aufgenommenen Strom aus dem Versorgungsnetz. Und was könnt ihr erkennen? Die LED leuchtet
heller als vor der direkten Ableitung zur Erde!
Falls ein elektrisches Gerät in der Nähe ist und der Netzstecker in der Steckdose steckt, haben wir
am metallischen Gehäuse des Gerätes eine gute Erdverbindung. Dann können wir eine Leitung
dahin schalten. Die LED wird noch heller leuchten.
Was sehen wir eigentlich? Wir sehen eine LED mit der Frequenz 50 Hz leuchten. Unsere Augen
sind aber zu träge, um diesen ständigen Wechsel von Hell nach Dunkel mitzumachen. Wir sehen
eigentlich ein Wechsellicht. Ein Licht, das vom Wechselstrom erzeugt wird. Auch Leuchtstofflampen strahlen Wechselstromlicht aus. Und uns stört das eigentlich nicht.
Kriechstrom
Versuch 4:
Jetzt werden wir mal die Schaltung in Betrieb nehmen, ohne einen Vorwiderstand einzuschalten.
Also alle Verbindungen 1,2 ... 7,8 werden entfernt. Mit einem Tropfen Wasser befeuchten wir das
Brett unterhalb der Punkte 1,2 ... 7,8. Der Transistor erhält offensichtlich keinen Basisstrom, da ja
die Vorwiderstände nicht angeschlossen sind. Es sollte deshalb auch kein Kollektorstrom fließen.
Aber warum leuchtet die LED dennoch ganz schwach?
Der Transistor sperrt nur perfekt, wenn der Basisstrom wirklich 0 ist. Wir machen dazu eine
Verbindung von 2 nach 13. Wir haben so sichergestellt, dass jedweder Strom direkt durch den Draht
zum Emitter abgeleitet wird. Zwischen Basis und Emitter ist ein Kurzschluss. Und tatsächlich! Die
LED wird nun dunkel sein. Offenbar hatte doch vor dem Kurzschließen doch ein Strom einen Weg
zur Basis gefunden. Und ja, er suchte sich den Pfad über das Holzbrettchen, das im feuchten
Zustand kein hochwertiger Isolator ist. Holz enthält immer etwas Feuchtigkeit, also Wasser. Und
Wasser leitet den elektrischen Strom. Der Weg durch das Holz war jedoch noch hochohmiger als
der 4,7M-Widerstand.
Wir haben erfahren, dass auch geringste Basisströme noch genügend hoch verstärkt wurden. In
elektronischen Schaltungen nennt man solche unerwünschten Ströme Kriechströme. Oft sind die
nur mit großem Aufwand zu verhindern. Mit einem Transistor, der eine weit geringere
Stromverstärkung hat, könnten wir diese Wirkung nicht beobachten.
Zum Nachweis des Kriechstromes verbinden wir mal 1 mit 13. Es wird kaum noch Strom durch das
Brett fließen. Die LED leuchtet nicht. Warum?
Erkenntnisse
Ein Transistor ist ein elektrischer Schalter. Er verstärkt den Strom. Wir können ihn mit geringen
Gleichspannungen betreiben. Wir kennen jetzt seine Anschlüsse und ihre Funktion. Wir wissen,
dass der Transistor aus Halbleitern besteht, die keine zu hohen Temperaturen vertragen. Was man
sonst noch alles in der Elektronik mit Transistoren macht, ist uns noch unbekannt. Wir werden
weiterhin neugierig bleiben.
DF8ZR, 31.10.2008
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