../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir lernen, wie mit Transistoren NOT-Gatter aufgebaut werden und wie sie als Schalter verwendet werden.


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Der Transistor

Ein einfaches NOT

Bevor wir uns Transistoren ansehen, betrachten wir das einfachste aller logischen Gatter, ein NOT-Gatter oder Inverter.

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Wir betrachten Transistoren zunächst durch die Brille der Digitaltechnik und beziehen uns auf die Praktika mit dem NAND und Was heißt denn hier EINS.

EinfacherInverter.png
Bild 1: Einfache Inverter
Attention >

Inverter

Wer sich nicht mit Digitaltechnik beschäftigt hat oder beschäftigen will, braucht nur die Funktion Inverter zu verstehen.

Ein Inverter ist eine Funktion, die in Bild 1 rechts durch das Bauelement U2A dargestellt ist:

  • Ein Inverter hat einen Ein- und einen Ausgang.
  • Wenn der Taster T1 offen ist, liegt am Eingang des Inverters eine Spannung von +5V.
  • Eine positive Spannung wird als logische 1 bezeichnet.
  • Der Inverter erzeugt dann am Ausgang eine Spannung von 0V und
  • die LED2 leuchtet.
  • Eine Spannung von 0V wird als logische 0 bezeichnet.
  • Wenn der Taster T1 geschlossen ist, liegt am Eingang des Inverters eine Spannung von 0V.
  • Der Inverter erzeugt dann am Ausgang eine Spannung von +5V (eine logische 1) und
  • die LED2 leuchtet nicht.

Das Bauelement U1A links hat genau das gleiche Verhalten.

Attention >

Logisches NOT

Wir kennen schon aus dem Braktikum mit dem NAND, dass wir aus einem NAND-Gatter ein NOT bauen können.

NOT-Gatter werden auch als Inverter bezeichnet.

Im Praktikum Was heißt denn hier EINS wurden NOT-Gatter bzw, Inverter insbesondere der 4049 betrachtet.

Die Schaltung mit dem Taster und dem notwendigen Widerstand R1 bzw. R3 kennen wir schon aus Was heißt denn hier EINS.

  • Wenn der Taster T1 offen ist, erzeugt der Widerstand R1 (oder R3) eine logische 1 am Eingang des Gatters.
  • NOT erzeugt dann am Ausgang eine logische 0, 0V.
  • Die LED1 leuchtet.

Ebenso ist es beim 4049 mit dem Widerstand R4 und der LED2.

Attention pin

Inverter

Ein Inverter invertiert logische Pegel. Er generiert

Eingang Ausgang
0 1
1 0
Attention >

LED

Die LEDs in Bild 1 leuchten, wenn am Ausgang 0V, eine logische 0 liegt.

Das ist so, weil die LEDs über einen Widerstand an +5V liegt.

In Was heißt denn hier EINS werden andere Schaltungen vorgestellt, mit denen LEDs logische Werte anzeigen.

Transistor als Inverter

Im folgenden wollen wir den Inverter durch ein Grundelement der Elektronik ersetzen: einen Transistor.

Transistor1.png
Bild 2: Ein Transistor als Inverter

Transistoren haben drei Anschlüsse. Der Eingang des Transistors ist die Basis B, der Ausgang der Kollektor C. Der dritte Anschluss ist sozusagen der gemeinsamen Anschluss, der Emitter E. Unser Transistor heißt BC337.

Der BC337 hat ein TO-92-Gehäuse.

TO92.png
Bild 3: Das TO-92-Gehäuse des BC337

Pin a = Kollektor
Pin b = Basis
Pin c = Emitter

SteckbrettTransistor1.png
Bild 4: Der Inverter mit einem Transistor

Wir prüfen, ob die Schaltung sich wie ein Inverter verhält.

  • Der Taster ist offen und erzeugt eine logische 1 am Eingang.
  • Am Ausgang liegt dann eine logische 0 - die LED leuchtet.
  • Der Taster ist geschlossen und erzeugt eine logische 0 am Eingang.
  • Am Ausgang liegt dann eine logische 1 - die LED leuchtet nicht.
  • Der Transistor verhält sich tatsächlich wie ein Inverter.

Transistoren sind nicht perfekt

Wir untersuchen an dieser Stelle, wie ein Transistor sich unter verschiedenen Bedingungen verhält.

Ausgang des Transistors

Zunächst betrachten wir den Ausgang des Transistors, den Kollektor.

Wir ersetzen den 1kΩ Widerstand R1 durch 220Ω mit den Farbringen rot - rot - schwarz - gold oder rot - rot - schwarz - schwarz - braun.

Der Farbcode für Widerstände hilft uns, Widerstände zu identifizieren und die passende Drahtbrücke für das Steckboard auszuwählen.

  • Die LED1 leuchtet heller.

Der Transistor kann also auch eine höhere Last am Ausgang bewältigen, treiben.

Würden wir R2 und LED1 einfach überbrücken, würde der Transistor überlastet und möglicherweise zerstört.

Ein Transistor braucht einen nicht zu großen Widerstand am Kollektor (wie eine LED).

Eingang des Transistors

Jetzt betrachten wir den Eingang, die Basis des Transistors.

Wir ersetzen den Widerstand R1 durch einen hochohmigen Widerstand von 1MΩ mit den Farben braun - schwarz - grün - gold oder braun - schwarz - schwarz - gelb - braun.

  • Die rote LED1 am Transistor leuchtet weniger hell.

Würden wir den Eingang des Transistors, die Basis einfach an Plus anschließen, würde der Transistor zerstört.

Ein Transistor braucht immer einen Widerstand an der Basis (wie eine LED).

Ein- und Ausgang

Wenn an der Basis des Transistors ein 1MΩ Widerstand liegt, hat der Widerstand R2 am Ausgang keinen Einfluss auf die Helligkeit der LED1.

Der Transistor schaltet die LED1 offensichtlich nicht richtig ein.

  • Der Widerstand vor der Basis darf nicht zu groß sein.
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Faustregel

Ein gute Faustregel sagt, dass der Widerstand vor der Basis nicht größer als das 10 fache des Widerstands am Kollektor sein sollte.

Unser Versuch zeigt, dass manchmal auch höhere Widerstände verwendet werden können. Aufgrund von Exemplarstreuungen und um sicher zu gehen, dass der Transistor voll eingeschaltet ist, ist der 10 fache Wert üblich.

Attention >

Ein Transistor braucht einen Strom in die Basis, um einzuschalten.

Wir sagen:

  • ein Transistor ist stromgesteuert.

Der Transistor BC337 kann bis zu 100mA schalten. Der BC337 brauchte für einen Kollektorstrom Ic=100mA einen Basisstrom von Ib=10mA, einen Basiswiderstand R1 von 500Ω, den gibt es nicht - wir würden R1=470Ω nehmen.

Für einen Kollektorstrom Ic=100mA ist der Lastwiderstand R2=50Ω

Mit einem Basiswiderstand R1=1kΩ könnten wir eine Last mit Widerstand R2=100Ω treiben. Dann gibt allerdings eine LED den Geist auf :-(

Einen Transistor kann man überlasten, wenn der Widerstand am Kollektor zu klein wird. Beim BC337 sollte der Kollektorwiderstand R2 nicht unter 20Ω liegen, wenn wir mit 5V arbeiten. Bei 12V sollte er nicht kleiner als 150Ω sein.

Der BC337 ist ein NPN-Transistor. Er wird mit dem Emitter an Minus angeschlossen. Basis und Kollektor werden über einen Widerstand an Plus gelegt.

Attention > Wir haben hier Transistoren als Schalter betrachtet.

Man kann Transistoren auch als Verstärker betrachten, aber damit befassen wir uns später.

Regeln: Transistoren

  • Ein Transistor verhält sich wie ein Inverter.
  • Der Emitter eines NPN-Transistors wird an Minus angeschlossen.
  • Die Last des NPN-Transistors liegt immer zwischen Plus und Kollektor.
  • Ein Transistor wird durch einen Strom in die Basis eingeschaltet.
  • Wenn ein Transistor ausgeschaltet ist, kein Basisstrom fließt, sperrt er zwischen Kollektor und Emitter. Es kann kein Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen.
  • Wenn ein Transistor eingeschaltet ist, ist er zwischen Kollektor und Emitter leitend. Es kann Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen.
  • Ein BC337 kann mit einem Kollektorwiderstand von 150Ω oder größer bei einer Versorgungsspannung bis zu 12V sicher betrieben werden.
  • Bei einem NPN-Transistor wird der Basisstrom durch einen Widerstand zwischen Basis und Plus erzeugt.
  • Der Strom Ib in Basis eines Transistors sollte ein zehntel des Kollektorstroms Ic sein: Ib=Ic/10
  • Der Vorwiderstand der Basis ist etwa 10 mal so groß wie der Kollektorwiderstand.
  • Wenn Strom in die Basis des NPN-Transistors fließt, fällt zwischen Basis und Emitter eine Spannung von etwa 0,6V ab.
  • Unter etwa 0,6V an der Basis wird der Transistor nicht leitend, ausgeschaltet.

Weitere Versuche

Falls ein Voltmeter zur Hand ist,

  • wie hoch ist die Spannung zwischen Basis und Emitter?
  • wie hoch ist die Spannung zwischen Kollektor und Emitter?

MOSFET

Eine andere Familie von Transistoren sind MOSFETs.

Attention attention

Der 2N7000 ist empfindlich

MOSFET sind empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Bitte Achtung elektrostatische Entladung lesen.

  • Das gild insbesondere für den 2N7000.
Transistor3.png
Bild 5: Der Inverter mit MOSFET

Die Schaltung des Inverters hat sich nicht wesentlich geändert. Anstelle des NPN-Transistors haben wir einen MOSFET eingesetzt.

Die Anschlüsse eines MOSFET heißen Source, Gate und Drain. Der MOSFET, in diesem Fall ein 2N7000 hat auch ein TO-92-Gehäuse.

TO92.png
Bild 6: TO-92-Gehäuse des 2N7000

a - Drain
b - Gate
c - Source

Attention attention Achtung die Anschlüsse des 2N7000 liegen anders als die des BC337!

Wir prüfen, ob sich die Schaltung mit dem MOSFET so verhält wie die mit dem NPN-Transistor.

  • Logisch sind die Schaltungen gleich.

Tauschen wir allerdings R1 am Eingang, dem Gate, gegen 1MΩ aus, leuchtet die LED1 gleich hell.

Ein MOSFET braucht keinen Gate- (Basis-) Strom. Er wird nur mit der Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Wenn die Spannung 4,5V beträgt ist der 2N7000 praktisch eingeschaltet. Zwischen 0V und 0,5V ist er ausgeschaltet. Wir müssen uns über den Vorwiderstand für die Basis keine Gedanken machen.

Für den Lastwiderstand, dem Widerstand R2 zwischen Drain und Plus gilt das gleiche wie für den Widerstand am Kollektor des BC337: Ein kleinerer Widerstand lässt die LED heller leuchten. Ein zu kleiner Widerstand kann den 2N7000 überlasten.

Der 2N7000 ist ein N-Kanal MOSFET. Er wird mit der Source an Minus angeschlossen. Die Last liegt zwischen Drain und Plus.

Im Grunde genommen ist es einfacher, einen MOSFET einzusetzen als einen normalen Transistor. Leider können kräftige MOSFET nicht unmittelbar von Logikschaltungen mit 5V angesteuert werden und wir sind auf Transistoren angewiesen.

Attention >

Ein MOSFET wird durch eine Spannung zwischen Gate und Source eingeschaltet.

Wir sagen:

  • ein MOSFET ist spannungsgesteuert.

Regeln: MOSFET

  • Ein MOSFET ist sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladung.
  • Der 2N7000 ist besonders empfindlich.
  • Ein MOSFET verhält sich wie ein Inverter.
  • Die Source eines N-Kanal MOSFETs wird an Minus angeschlossen.
  • Die Last des N-Kanal MOSFETs liegt immer zwischen Plus und Drain.
  • Ein 2N7000 kann mit einem Drain-Widerstand von 150Ω oder größer bei einer Versorgungsspannung bis zu 12V sicher betrieben werden.
  • In das Gate eines MOSFET fließt kein Strom.
  • An das Gate eines N-Kanal MOSFETs wird eine positives Spannung gelegt, wenn er einschalten soll.
  • Wenn ein MOSFET ausgeschaltet ist, sperrt er zwischen Drain und Source. Es kann kein Strom zwischen Drain und Source fließen.
  • Wenn ein MOSFET eingeschaltet ist, ist er zwischen Drain und Source leitend. Es kann Strom zwischen Drain und Source fließen.
  • Die Spannung am Gate des 2N7000 sollte mindestens 4,5V sein, wenn er sicher einschalten soll.
  • Unter 0,5V am Gate ist der 2N7000 nicht leitend.
  • Ab 3V am Gate beginnt der 2N7000 zu leiten.
Attention attention

Achtung elektrostatische Entladung

  • Der 2N7000 ist sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Wir werden mit einem Problem beim Aufbau moderner Elektronik konfrontiert.

Durch Reibung können Spannungen entstehen, die sich dann durch keine Funken entladen. Wir kennen die Funken, die bei Kleidung aus Kunststoff auftreten.

Einige Bauelemente sind sehr empfindlich. Schon geringe Reibung kann sie schädigen.

So geht es

  • Der 2N7200 sollte in
  • einer metallisierten ESD-Tüte geliefert und aufbewahrt werden. Sie sieht entweder metallisch oder rosa aus.
  • oder in ESD-Schaumstoff stecken. Er sieht schwarz oder rosa aus.
  • Styropor ist das Schlimmste, was wir machen können. Es bringt einen 2N7000 um :-(
  • Wir tragen Kleidung ohne Kunststoff oder Wolle. Baumwolle ist sehr gut.
  • Auf den Arbeitstisch legen wir einfache Pappe oder besser ein Platte aus unlackiertem Sperrholz.
  • Die Schaltung ist bereits aufgebaut. Nur der 2N7000 fehlt noch. Die Baugruppe oder das Steckboard liegen auf der Pappe.
  • Die Tüte mit dem 2N7000 wird auf die Pappe gelegt.
  • Bevor wir die Tüte mit dem 2N7000 öffnen, berühren wir die Pappe mit den Händen.
  • Wir entnehmen den 2N7000 und bauen ihn ein.
  • Der 2N7000 ist ziemlich nachtragend:
    wenn er falsch behandelt wurde, versagt er später nach und nach seinen Dienst.

Das ist keine Theorie, sondern praktische Erfahrung

  • Diese Vorgehen einzuhalten, kostet wenig Zeit.
  • Meistens geht es gut, wenn wir uns nicht daran halten.
  • Wenn es dann zu Problemen führt, verlieren wir eingesparte Zeit wieder mehrfach.

Mehr unter Vorsicht elektrostatische Entladung: ESD