Transistor II

Der Transistor

Der Transistor ist ein aktives elektronisches Bauteil, das verwendet wird zum Steuern oder Verstärken von meist niedrigen elektrischen Spannungen und Strömen.

Der Begriff des Transistors leitet sich ab von dem englischden “transfer resistor”, einem steuerbaren Widerstand.

Grundsätzlich wird zwischen zwei Arten von Transistoren unterschieden: Dem bipolaren Transistor und dem Feldeffekt-Transistor.

Verstärkung

Gleichstrom

Für den Gleichstrom-Fall hat ein Transistor eine Gleichstromverstärkung $B$ von

$B=\frac{I_C}{I_B}$, wobei gilt

$I_E=I_C+I_B$

Wechselstrom

Im Wechselstrom-Fall hat ein Transistor eine Wechselstromverstärkung $\beta$ von

$v_I=\beta =\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$ , sowie

$v_U=\beta =\frac{\Delta U_{CE}}{\Delta U_{BE}}$.

Für die Leistungsverstärkung $v_P$ gilt

$v_P={\beta }^2=v_U\cdot v_I$

Das Gehäuse

Transistoren mit einer kleinen Leistung sind meist in einem Harz Gehäuse untergebracht, um die innenliegende Elektronik zu schützen. Transistoren mit einer höheren Leistung haben ein teilweise aus Metall bestehendes Gehäuse, um die Wärme abzuleiten und damit den Transistor vor Zerstörung zu schützen. Häufig haben die Transistoren mit einem Metallgehäuse auch noch einen zusätzlichen Kühlkörper

Der bipolare Transistor

Bei dem bipolaren Transistor (engl. bipolar junction transistor, BJT) tragen sowohl negative Ladungsträger, die Elektronen, wie auch positive Ladungsträger, die so genannten Defektelektronen zum Ladungstransport bei.

Ansteuerung

Der Bipolartransistor wird durch einen elektrischen Strom auf der Basis-Emitter-Strecke angesteuert. Dies steuert einen größeren Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke.

Selbstsperrung

Bipolare Transistoren sind grundsätzlich immer selbstsperrend. Das heißt, ohne einen kleinen Strom auf der Basis-Emitter-Strecke sperrt der Transistor auf der Kollektor-Emitter-Strecke.

Die Pfeilrichtung

Im Schaltbild ist ein kleiner Pfeil zu sehen. Dieser stellt die technische Stromrichtung am Emitter dar (und damit die Bewegung von gedachten positiven Ladungsträgern) . Bei einem npn-Transistor zeigt der Pfeil vom Bauelement weg, bei dem pnp-Transistor zeigt er zum Bauelement hin.

Die Anschlüsse

• Die Basis ist immer links am Schaltbild
• Der Emitter ist immer der Anschluss, bei dem der Pfeil angebracht ist.
• Der Kollektor ist der übrige der drei Anschlüsse

Der NPN-Transistor

Symbol

NPN-Transistor (Autor Zedh, Quelle: Wikipedia, Copyright CC BY-SA 4.0)

Anschlüsse

Der PNP-Transistor

Symbol

PNP-Transistor (Autor Zedh, Quelle: Wikipedia, Copyright CC BY-SA 4.0)

Anschlüsse

Der Feldeffekttransistor

Ein Feldeffekttransistor ist ein spannungsgesteuerter Transistor. Dabei steuert die Gate-Source-Spannung den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.

Symbol

Symbol eines Feldeffekttransistors (Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog)

Anschlüsse

Die Anschlüsse eines Feldeffekttransistors lauten:

• Drain (1)
• Source (2)
• Gate (3)

Verlustleistung

Im eingeschalteten Zustand hat der Feldeffekttransistor natürlich trotzdem einen Widerstand. Der minimale Durchgangswiderstand, wird bezeichnet als $R_{\text{DS(on)}}$. Dies steht für:

• Widerstand $R$
• Der Index DS für den Anschluss am Feldeffekttransistor, zwischen Drain (D) und Source (S)
• Das (on) steht für “im eingeschalteten Zustand”. In der Kurzfrom wird dies meist geschrieben als $R_{\text{DSon}}$.

Entsprechend kann dadurch zum Beispiel bei einem Power MOSFET auch die Verlustleistung berechnet werden, über die Formel $P=U\cdot I=I^2\cdot R$

Der Basisspannungsteiler

Arbeitspunktstabilisierung

Ein Basisspannungsteiler mit einem Transistor(Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog)

Um den Arbeitspunkt zu stabilisieren, wir in einem solchen Basisspannungsteiler der Widerstand $R_2$ normalerweise so gewählt, dass der Strom durch den Widerstand $R_2$, also $I_{R_2}$ etwa $10$ Mal so groß ist, wie der Basisstrom $I_B$.

Der MOSFET

Der MOSFET ist die am weitesten verbreitete Art des Feldeffekttransistors.

Der selbstsperrende N-Kanal-Isolierschicht-FET (MOSFET)

Symbol

Symbol eines selbstsperrenden N-Kanal-Isolierschicht-FET (Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog)

Der selbstleitende Sperrschicht-FET

Symbol eines selbstleitenden N-Kanal-Sperrschicht-FET (1) und eines selbstleitenden P-Kanal-Sperrschicht-FET (2) (Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog)

Der selbstleitende N-Kanal-MOSFET

Symbol eines selbstleitenden N-Kanal-MOSFET (Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog)

Der selbstleitende P-Kanal-MOSFET

Symbol eines selbstleitenden P-Kanal-MOSFET (Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog)

Offene Punkte

• Warum ist eine Freilaufdiode ggf. wichtig? Wie wird diese eingesetzt?

Inhalt der Fragen

• Bipolarer Transistor in Sperrrichtung
• Steuerung eines Transistors
• Anschlüsse eines Transistors
• Freilaufdiode
• Anschlüsse eines FETs
• Selbstleitende, Selbstsperrende Transistoren
• MOSFET
• Gleichstromverstärkung
• Steuerung eines FETs
• NPN Transistor
• PNP Transistor
• Power-MOS-FET
• Basisspannungsteiler
• Gate-Source-Spannung
• Bauteil-Symbole
• Anschlüsse eines FETs

Quellen

• https://www.darc.de/der-club/referate/ajw/lehrgang-ta/a06/, aufgerufen am 25.06.2024
• https://50ohm.de/A_transistor_2.html, aufgerufen am 25.06.2024
• Amateurfunk-Fragenkatalog, aufgerufen am 25.06.2024
• https://de.wikipedia.org/wiki/Transistor, aufgerufen am 26.06.2024
• https://www.youtube.com/watch?v=GjL9Nf0VYvE, aufgerufen am 30.06.2024
• https://www.youtube.com/watch?v=XvQW-U6Qse0, aufgerufen am 30.06.2024