Was
ist ein Transistor und wo für ist er zu gebrauchen ?
Ein Transistor ist ein Halbleiter
Bauelement der mit einen kleinen Strom ( Steuerstrom) ein größeren
Strom ( Laststrom) regeln kann.Sehen wir uns das zum besseren Verständnis vorerst an Hand einer Wasserleitung an so sehen wir auf dem linken der drei Skizzen
eine Wasserleitung die eine Abzweigung mit einen sehr viel kleineren Querschnitt ( Waagerechtes Rohr) besitzt.
Der kleiner Rohrquerschnitt besitzt eine Klappensteuerung die sich bei einem Wasserdruck öffnet und dabei über eine starre Verbindung
die Klappe im größeren Rohrquerschnitt mit öffnet.
Gehen wir also vorerst davon aus das sich im Rohr mit der Bezeichnung "Basis" ein kaum merklicher Wasserdruck befindet ,
so öffnet sich die Klappe gar nicht.
In der mittleren Skizze sehen wir einen etwas erhöhten Wasserdruck in der Basis Leitung, somit öffnet sich die kleine Klappe
und damit auch die verbundene große Klappe und es kann somit eine größere Menge Wasser vom Anschluss Collektor in Richtung Emitter fließen.
Erhöhen wir den Wasserdruck am Basis Rohr noch mehr ( Skizze 3) so öffnet sich die Klappe noch weiter und ein noch viel größerer Wasserstrom
kann von Collektor in Richtung Emitter fließen.
Es wird also mit einer kleinen Wassermenge eine größere Menge Wasser gesteuert.
aber Transistor und anstatt Wassermenge spricht man dann vom Strom .
In der Skizze oberhalb sehen wir das Schaltzeichen eines Transistors, es gibt derer viele verschiedene Symbole und auch Funktionen ,
hier soll aber erst einmal nur die Rede sein vom meist benutzten Transistor den man auch als Standard Transistor bezeichnen darf.
Es handelt sich um einen NPN Transistor zum Beispiel BC 547.
Diese Zeichnung ist aus Normsymbole zusammengesetzt, und somit in Europa von jedem Elektro kundigen zu verstehen oder besser gesagt zu lesen.
Das Symbol auf der linken Seite mit der Bezeichnung "Bat1" bezeichnet eine Batterie mit einer Index Nr.und der Angabe das diese Batterie eine
Spannung von 9 Volt aufweist.
Dieses Batterie Symbol besteht aus zwei oder manchmal auch mehr waagerechten Balken , wobei der längere Balken stehts den Plus Pol angibt.
Die beiden Symbole mit der Bezeichnung R1 und R2 sind Widerstände ( R steht in diesen Fall für Resistor,kommt aus dem englischen und heißt übersetzt "Widerstand" )
mit den zusätzlich angegeben Widerstandswerte von bei R1 = 1k sind gleich 1Kilo also 1000 Ohm oder bei R2 = 10k sind gleich 10 000 Ohm.
Bei nächsten Bauteil "LED1" handelt es sich um eine Diode wobei die Buchstaben LED eine Abkürzung für Licht Emitierende Diode also eine Diode die bei Stromfluss Licht aussendet.
Das diese Diode Licht aussendet wird durch die zwei kleinen schwarzen Pfeile angedeutet.
Und als nächstes der Baustein T1 steht für Transistor mit der Index Nr.1
Der Pfeil bei diesen Transistor gibt die Strom Richtung an , wir erinnern uns an die Wasserleitung, da würde der Pfeil die Fließrichtung des Wassers anzeigen
Der von der Batterie ausgehende kleiner Strom fließt durch den Widerstand R2 zur Basis des Transistor anschließend durch den
Emitter Anschluss zum Minus Pol der Spannungsquelle. und schließt damit die Collektor -Emitter Strecke.
Bei dann geschlossener Collektor-Emitter Strecke fließt ein etwas größerer Strom vom Plus Pol der Batterie durch den Widerstand R1,
und die Leuchtdiode durch den nun geschlossenen Transistor zum Minus Pol der Batterie wodurch die Leuchtdiode aufleuchtet.
Nun fragt man sich natürlich warum kann man die Leuchtdiode nicht direkt,also ohne Transistor an die Spannungsquelle anschließen.
Ja man könnte die Leuchtdiode natürlich ohne Transistor direkt an die Batterie anschließen.
Der Sinn besteht in der Hauptsache darin mit sehr kleinen Strömen, große Ströme zu steuern.
Man stelle sich vor das ein Mikroprozessor oder Computer der nur mit winzigen kleinen Strömen
arbeitet solle eine Leuchtdiode ein geschaltet werden.
Die Ströme im Mikroprozessor sind so gering das der relativ große benötigte Strom für die
Leuchtdiode den Mikroprozessor zerstören würde.
1. Kollektrorschaltung
2 .Emitterschaltung
3 .Basis Schaltung
Je nach dem was gewünscht ist nutzt man dann die passende Schaltung.
Es handelt sich um die Kollektorschaltung, dann um die Emitterschaltung und die Basisschaltung.
Die Kollektorschaltung auch als Spannungsfolger oder auch Emitterfolger bezeichnet.
In sehr vielen Abhandlungen konnte ich zwar diese Begriffe entnehmen, aber in keiner
diesen Abhandlungen konnte ich eine eindeutige Erklärung dafür finden woran ich dieser
Art denn genau erkennen kann.
Bei der Kollektorschaltung wird das Ausgangssignal am Emitter entnommen , so aus einigen Büchern entnommen.
Bei anderen Beschreibungen steht das eine Kollektor Schaltung ihr festes Potenzial am Kollektor aufweist,
was bei dieser hier vorgestellten Schaltung der Fall ist, aber schon dann nicht mehr zutrifft wenn ich zusätzlich noch
einen Kollektor Widerstand hin zu füge.
Um zu entscheiden um welche Art Schaltung es sich denn nun handelt, halte ich mich an folgende Betrachtungsweise:
Die Schaltung wird benannt nach dem Pin am Transistor, an der weder ein Eingangssignal noch ein Ausgangssignal anliegt.
Die Kollektorschaltung wird dann angewendet wenn ein hoher Eingangswiderstand und ein geringer Ausgangswiderstand gefragt ist.
Der Eingangswiderstand liegt bei etwa 500 kOhm und der Ausgangswiderstand bei ca 100 Ohm.
Der Nachteil ist eine Spannungsverstärkung von nur ca 0,9.
Die Stromverstärkung ist abhängig vom Stromverstärkungsfaktor des Transistor und von den Werten der Widerstände.
Diese Schaltung wird oft nicht zum Verstärken genutzt sondern um eine Anpassung vorzunehmen.
Deshalb bezeichnet man diese Schaltung auch als Impedanzwandler.
Diese Schaltung kann bis über 100 MHz betrieben werden.
Die Widerstände R1 und R2 werden so dimensioniert das am Emitter die halbe Betriebsspannung anliegt
R3 bestimmt den Kollektorstrom und dient als Temperatur Kompensation.
Bei dieser Schaltung liegt nur eine Stromverstärkung vor !
Die Emitterschaltung hat den Vorteil eine hohe Verstärkung zu besitzen.
Die Verstärkung ist in der Hauptsache abhängig vom Verstärkungsfaktor des Transistors und der Größe der Widerstände.
Übliche Verstärkungsfaktoren bewegen sich zwischen 100 und 800 fach.
Wenn wie in der Schaltung ( rechts) Koppelkondensatoren (C1 und C2) angeschlossen sind,
können wir mit dieser Schaltung schon Wechselspannungen verstärken.
Hier liegt der Eingangswiderstand bei ca. 3 KOhm und der Ausgangswiderstand bei 10-20 KOhm.
Das Ausgangssignal ist um 180° Fasen verschoben.
Bei dieser Schaltung liegt eine Strom und Spannungsverstärkung vor !.
Die Basisschaltung hat einen geringen Eingangswiderstand von ca.100 Qhm , und einen Ausgangswiderstand von 10-20 KOhm.
Es liegt hier eine hohe Spannungsverstärkung vor, weshalb man diese Schaltung
oft benutzt um kleinste Antennenspannungen zu verstärken.
Um einen Verstärker zu berechnen benötigen wir erst einmal einige Angaben aus dem zum Transistorzugehörigen Datenblatt.
Kümmern wir uns als erstes mal um die Betriebsspannung mit der unser Transistor überhaupt
versorgt werden darf.
Nach dem Datenblatt ist ein Spannung bis zu 45 Volt zulässig.
Uns reicht aber eine Spannung von z.B. 9 Volt um den Verstärker später mit einer Block Batterie
betreiben zu können.
Weiter ist im Datenblatt die Angabe des maximalen Kollektor Strom mit 100 mA und einer
maximalen Verlustleistung von 625mWatt angegeben.
Nun könnte man denken die Angabe über Strom und Spannung würde ja reichen
um den Transistor nicht zu überlasten, dem ist aber nicht so .
Angenommen ich würde den Transistor mit einer zulässigen Spannung von 40Volt
und einen zulässigen Strom von 100 mA betreiben, so würde das zu einer Verlustleistung
bis zu ( P=U*I) 4 Watt führen.
Bei der angestrebten 9 Volt Betriebsspannung dürfte also ein maximaler Strom von
( I=P/U ( I=0,625/9 ) ca. 69 mA fließen.
Um auf der sicheren Seite zu bleiben und den Transistor nicht so sehr zu belasten
rechnen wir mit einem Strom von 30mA.
Angenommen durch Temperaturveränderung würde in der Kollektor-Emitter Strecke ein höherer Strom fließen.
Dann würde der höhere Strom auch durch Re fließen und dadurch an diesen ein höhere Spannung abfallen,
Weil aber die Spannung an R2 gleich bleibt würde sich zwangsläufig die Basis Emitter Spannung reduzieren
und den Transistor in den weniger leitenden Zustand bringen, dadurch würde der Kollektor Emitter Strom
wieder abnehmen, also wieder ausgleichen.
Damit die Kompensation auch vollständig funktioniert sollte am Emitter Widerstand etwa die gleiche Spannung abfallen
wie an der Basis -Emitter Strecke, also 0,7Volt.
Damit ein zu verstärkendes Signal am Ausgang auch in beide Richtung zum tragen kommt sollte am Kollektor eine
Spannung anliegen die sowohl einen positiven wie auch einen negativen Ausschlag zu lässt.
Also ungefähr die halbe Betriebspannung , allerdings sollte vorher noch die am Emitter-Widerstand abfallende Spannung
abgezogen werden.
Nehmen wir also die Betriebsspannung von 9 Volt und ziehen die Spannung über Re davon ab, so verbleiben noch 8,3 Volt.
Diese teilen wir durch 2 und kommen auf 4,15 Volt.
Damit haben wir die Spannung über Rc mit 4,15 Volt und einen Strom von 30mA daraus resultiert eine Kollektor Widerstand
von ca. 140 Ohm.
Der Strom über Re setzt sich zusammen aus Kollektor Strom und Basis Strom, da aber der Basisstrom auf Grund der
Verstärkung relativ gering ist vernachlässigen wir den.
Es bleibt also ein Kollektor Strom von 30mA und eine abfallende Spannung von 0,7 Volt was einen Widerstand am
Emitter von ca, 23 Ohm ergibt.
Dem
Datenblatt ist weiter zu entnehmen, das der Transistor einen
Verstärkungsfaktor hFE von Minimum 200 und Maximum 450 aufweist.
Gehen wir also vom Minimum 200 aus, so besagt uns dieser Verstärkungs Faktor das der Basisstrom 200
mal kleiner sein kann als der Kollektor Strom.
Der Kollektorstrom hatten wir mit 30mA angenommen , dementsprechend reicht ein Basisstrom von 150 uA.
Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler der durch den Basisstrom belastet wird.
Damit es bei einen belasteten Spannungsteiler möglichst wenig Spannungsverschiebung gibt sollte der durch den
Spannungsteiler fließende Strom möglichst groß sein...also die Widerstände klein sein.
Das hat aber zur Folge das unnützer Strom der Batterie entnommen wird.
Also muss eine Balance gefunden werden zwischen möglichst großer Strom und kleiner Stromentnahme aus der Batterie.
Als Faust Formel kann man sagen das der Strom durch den Spannungsteiler ca. 5 bis 10 mal
so groß sein sollte wie der Basisstrom.
Nehmen wir einmal den 10 fachen Strom an , so ließt durch R2 ein Strom von 1,5 mA,
die Spannung an R2 setzt sich zusammen aus der Spannung über Re und der Basis Emitter Spannung,
also insgesamt 1,4 Volt.
Damit ergibt sich ein Widerstand R2 von ca. 1 KOhm.
Nun verbleibt noch der Widerstand R1 , durch ihn fließt die Addition des Stroms von R2 und der Basis Strom .
Das macht ein Strom von 1,65mA und eine noch verbleibende Spannung von 9 Volt minus Spannung über den R2
also 1,4 Volt = 7,6Volt
Das ergibt eine Widerstand von ca 4,6 KOhm.
nehmen wir die nächst höheren zu Verfügung stehenden Werte.
Dadurch ergeben sich natürlich leicht veränderte Ströme und Spannungen.
Um diese Differenzen aus zu gleichen ersetzen wir den Widerstand R2 durch einen Trimmer ( Einstellbarer Widerstand )
Bleiben noch der Koppel Kondensator C8 deren Aufgabe es ist zu verhindern das die Gleichspannung der Schaltung auf die vorhergehende Stufe
übergreift.
Die Größe diese Kondensator ist abhängig von der zu verstärkenden Frequenz weil er in Verbindung mit dem Eingangswiderstand
einen Hochpass darstellt.
Üblich wäre da für den Audio Bereich ein Kondensator von ca. 10uF.
Bei 10uF und einen Widerstand von 1 KOhm ergibt dies eine untere Grenzfrequenz von ca 15 Hz.
Der vorliegenden Berechnung liegt zu Grunde das der Kollektor Strom bei 10 mA liegt, und der Transistor einen
Verstärkungsfaktor von 300 hat.
Die Berechnung ist nicht ganz exakt , weil für die Berechnung des Kollektorstroms der zusätzlich für die Basis fließende
Strom wegen Geringfügigkeit vernachlässigt wurde.
Das spielt aber keine wesentliche Rolle, weil durch Bauteile Toleranzen die Werte sowieso nicht 100% exakt vor berechnet
werden können.
Somit bietet sich an den Widerstand Rb durch eine Trimmer Poti zu ersetzen, damit der Arbeitspunkt korrekt eingestellt
werden kann.
Das
gelb dargestellte Signal ist das Eingangs Signal mit 1 mV das darunter befindliche Signal ist das Ausgangs Signal mit etwa 150mV.
Die Funktion ist nun folgende:
Der Widerstand Rb legt zusammen mit dem Kollektor Widerstand Rc
den Arbeitspunkt fest, gleichzeitig dient Rb als Rückkopplung.
Sollte sich durch Erwärmung des Transistor der Kollektorstrom vergrößern
dann fällt am Kollektor Widerstand eine etwas höhere Spannung ab ,dem zu
Folge die Spannung Uce sinken würde.
Damit sinkt auch die Basis Emitterspannung und der Basisstrom senkt sich dadurch ab.
Die Folge ist ein absinken der Leitfähigkeit zwischen Kollektor und Emitter,
damit sinkt der Strom wieder .
Aktualisiert 18.10.2023
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