../../../icons/Logo.png

Praktische Elektronik


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


Home

Praktikum

Analogtechnik

Transistoren

Der Transistor

Inhalt

Transistoren als Schalter

Komplementäre Transistoren


Der Transistor

Bevor wir uns Transistoren ansehen, betrachten wir das einfachste aller logischen Gatter.

Ein einfaches NOT

Wir kennen schon aus der Einheit mit dem NAND, dass wir aus einem NAND-Gatter ein NOT bauen können. Es gibt natürlich auch ICs mit NOT-Gattern, auch Inverter genannt. Wir nehmen den 4049.

EinfacherInverter.png
Bild 1: Ein einfacher Inverter mit einem 74HC00 und einem 4049

Die Schaltung mit dem Taster und dem notwendigen Widerstand R1 bzw. R3 kennen wir schon. Neu ist die Schaltung der LEDs. Wenn das Gatter eine 1 erzeugt, liegt am Ausgang Plus. Dann kann kein Strom durch die LEDs fließen, weil keine Verbindung nach Minus besteht.

Wenn der Taster offen ist, erzeugt der Widerstand R1 (oder R3) eine logische 1 am Eingang des Gatters. NOT erzeugt dann am Ausgang eine logische 0. Es liegt dann Minus am Ausgang des Gatters. Jetzt kann Strom von +5V über den Widerstand R2 und die LED1 zum Ausgang des Gatters fließen. Die LED leuchtet. Ebenso ist es beim 4049 mit dem Widerstand R4 und der LED2.

Wir haben eine neue Schaltung der LED kennengelernt, bei der die LED leuchtet, wenn eine logische 0 anliegt.

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

Der Eingang des Transistors ist die Basis B, der Ausgang der Kollektor C. Der dritte Anschluss ist sozusagen die Stromversorgung, der Emitter E. Unser Transistor heißt BC337.

Ein Transistor hat nur diese drei Anschlüsse. Der BC337 hat ein TO-92-Gehäuse.

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

Pin 1 = Kollektor
Pin 2 = Basis
Pin 3 = Emitter

SteckbrettTransistor1.png
Bild 4: Der Inverter mit einem Transistor

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

  • Taster ist offen und erzeugt eine 1 am Eingang am Ausgang ist dann eine 0 - die LED leuchtet.
  • Taster ist geschlossen und erzeugt eine 0 am Eingang am Ausgang ist dann eine 1 - die LED leuchtet nicht.

Transistor und 4049

Als Vergleich bauen wir einen Inverter mit dem 4049 auf.

Transistor2_s.png
Bild 4: Inverter mit Transistor und 4049

Der 4049 enthält 6 Inverter. Er kommt in einem Gehäuse mit 16 Pins. Die Stromversorgung liegt mit Plus = VDD an Pin1. Minus = VSS liegt an Pin 8. Pin 13 und 16 sind ohne Funktion und werden nicht angeschlossen. Wir brauchen nur einen Inverter und haben die Eingänge der übrigen Inverter an Plus oder Minus angeschlossen.

SteckbrettTransistor2.png
Bild 5: Der Aufbau der Schaltung mit dem BC337 und dem 4049

Logisch sind der Inverter mit dem Transistor und IC1A gleich. Elektronisch sind sie es nicht.

Wir ersetzen die Widerstände R1 und R3 durch einen hochohmigen Widerstand von 10MΩ mit den Farben braun - schwarz - blau - gold oder braun - schwarz - schwarz - grün - braun.

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

Das Ergebnis ist:

  • Die grüne LED2 am Inverter des 4049 leuchtet.
  • Die rote LED1 am Transistor leuchtet nicht. Wenn wir genau hinsehen, werden wir erkennen, dass sie glimmt.

Ein Transistor braucht offensichtlich mehr Strom am Eingang als ein 4049. Ein 4049 würde auch mit einem Widerstand von 100MΩ zurechtkommen. Es gibt noch einen wesentlichen Unterschied: Wenn wir den Eingang des Transistors, die Basis, wie IC1D, Pin 9 einfach an Plus anschließen, wird der Transistor zerstört.

Ein Transistor braucht immer einen Widerstand an der Basis. Ein gute Faustregel sagt, das dieser Widerstand 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.

Ein Transistor hat gegenüber einem IC den Vorteil, dass er viel höhere Ströme schalten kann als die meisten Logik-ICs. Der BC337 kann bis zu 100mA schalten. Dann hätte ein 4049 längst schlapp gemacht (Er wird allerdings nicht beschädigt.) Der BC337 brauchte für 100mA einen Basisstrom von 10mA, einen Widerstand von 500Ω, den gibt es nicht - wir würden 470Ω nehmen.

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

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

Es gibt noch andere Arten von Transistoren. Unser BC337 ist ein NPN-Transistor. Er wird mit dem Emitter an Minus angeschlossen. Basis und Kollektor werden über einen Widerstand an Plus angeschlossen.

Regeln

  • Eine LED kann auch an Plus angeschlossen und über einen Widerstand an den Ausgang eines Gatters gelegt werden. Dann leuchtet die LED, wenn das Gatter eine 0 erzeugt.
  • Der Eingang eines 4049 (und auch eines 74HC00) kann mit 10MΩ an Plus oder Minus gezogen werden.
  • 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, 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.
  • In die Basis des Transistors muss ein Strom fließen, der über einen Widerstand eingestellt wird.
  • Die Basis eines NPN-Transistors wird über einen Widerstand an Plus gelegt, wenn er einschalten soll.
  • 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

  • Was passiert, wenn wir den Kollektor des Transistors mit dem Eingang (Pin 3) des Gatters IC1A verbinden ohne R2, LED1, R3 oder T2 zu entfernen?
  • Falls ein Voltmeter zur Hand ist, wir hoch ist die Spannung zwischen Basis und Emitter?

MOSFET

Eine andere Familie von Transistoren sind MOSFETs.

Transistor3.png
Bild 8: 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 TO92-Gehäuse.

TO92.png
Bild 7: TO-92-Gehäuse des 2N7000

Pin 1 = Source
Pin 2 = Gate
Pin 3 = Drain

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 gegen 100MΩ aus, leuchtet auch dann die LED1 hell. Der MOSFET verhält sich ähnlich wie der Inverter des 4049. Tatsächlich ist der 4049 mit MOSFETs aufgebaut. Wir sehen uns die interne Schaltung später an. Wir können jetzt schon mal festhalten, dass die ICs 74HC00 und 4049 in CMOS-Technologie aufgebaut sind. Wir werden fast ausschließlich mit digitalen CMOS-ICs arbeiten.

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 1V ist er aus. Wir müssen uns über den Vorwiderstand für die Basis keine Gedanken machen. Wir können einen 2N7000 mit dem Gate unmittelbar Ausgänge von CMOS-ICs anschließen.

Für den Lastwiderstand, dem Widerstand zwischen Drain und Plus gilt das gleiche wie für den BC337.

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. Tatsächlich gibt es nur wenige Fälle, wo der Einsatz eines Transistors vorteilhafter ist.

Regeln

  • 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 1V am Gate ist der 2N7000 nicht leitend.
  • Ab 2V am Gate beginnt der 2N7000 zu leiten.