Der Transistor
Transistoren werden in der modernen Elektronik hauptsächlich als Schalter verwendet. Meistens werden sie von digitalen Schaltungen angesteuert.
Deshalb betrachten wir Transistoren zunächst durch die Brille der Digitaltechnik und beziehen uns dabei auf die Praktika mit dem NAND und Was heißt denn hier EINS.
Wir zeigen zunächst wie ein einfacher logischer Inverter durch einen Transistor ersetzt werden kann.
Wie Transistoren als Schalter für Digitalschaltungen eingesetzt werden, wird im nächsten Praktikum Transistoren als Schalter genauer beschrieben.
Der digitale Inverter
Bevor wir uns den Transistoren zuwenden, betrachten wir das einfachste aller logischen Gatter, ein NOT-Gatter oder Inverter.
LED
Die LED in Bild 1 leuchtet, wenn am Ausgang 0V liegt, also eine logische 0.
Dies liegt daran, dass die LED über einen Widerstand mit +5V verbunden ist.
Inverter
Wer sich nicht mit Digitaltechnik beschäftigt hat oder beschäftigen will, braucht nur die Funktion eines Inverters zu verstehen.
Ein Inverter ist eine Funktion, die in Bild 1 durch das Bauelement U1A dargestellt ist:
- Ein Inverter hat einen Eingang 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 LED1 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 LED1 leuchtet nicht.
- Der logische Wert am Eingang (0 oder 1) wird am Ausgang invertiert als (1 bzw. 0) ausgegeben.
Inverter
Ein Inverter invertiert logische Werte. Er generiert
| Eingang | Ausgang |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
Transistor als Inverter
Im Folgenden wollen wir den Inverter durch ein Grundelement der Elektronik ersetzen: den Transistor.
Transistoren haben drei Anschlüsse. Der Eingang des Transistors ist die Basis B, der Ausgang der Kollektor C. Der dritte Anschluss ist sozusagen der gemeinsame Anschluss, der Emitter E. Unser Transistor heißt BC337.
Der BC337 hat ein TO-92-Gehäuse.
Pin a = Kollektor
Pin b = Basis
Pin c = Emitter
Wir prüfen, ob sich die Schaltung in Bild 4 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 am Eingang eine logische 0.
- 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 hier, wie sich ein Transistor sich unter verschiedenen Bedingungen verhält.
Ausgang des Transistors
Zuerst 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 Widerstand am Kollektor (genau 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 (genau wie eine LED).
Ein- und Ausgang
Wenn an der Basis des Transistors ein Widerstand von 1MΩ angeschlossen ist, hat der Widerstand R2 am Ausgang keinen Einfluss auf die Helligkeit der LED1.
Offensichtlich schaltet der Transistor die LED1 nicht richtig ein.
- Der Widerstand vor der Basis darf nicht zu groß sein.
Faustregel
Eine gute Faustregel besagt, dass der Widerstand vor der Basis nicht mehr als das 10-fache des Widerstands am Kollektor betragen sollte.
Unser Versuch zeigt, dass manchmal auch höhere Widerstände verwendet werden können. Aufgrund von Exemplarstreuungen und um sicherzustellen, dass der Transistor voll durchschaltet, ist der 10-fache Wert üblich.
Ein Transistor braucht einen Strom in die Basis, um einzuschalten.
- Ein Transistor ist stromgesteuert.
Der Transistor BC337 kann bis zu 100mA schalten. Der BC337 benötigt für einen Kollektorstrom Ic=100mA einen Basisstrom von Ib=10mA, einen Basiswiderstand R1 von 500Ω. 500Ω gibt es nicht, wir nehmen R1=470Ω.
Bei einen Kollektorstrom Ic=100mA ist der Lastwiderstand R2=50Ω
Mit einem Basiswiderstand R1=1kΩ könnten wir eine Last mit einem Widerstand R2=100Ω treiben. Dann würde aber eine LED den Geist aufgeben 
Ein Transistor kann überlastet werden, wenn der Kollektorwiderstand zu klein wird. Beim BC337 sollte der Kollektorwiderstand R2 nicht kleiner als 20Ω sein, 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 mit Minus verbunden. Basis und Kollektor sind über einen Widerstand mit Plus verbunden.
Wir haben hier Transistoren als Schalter betrachtet.
Wir können Transistoren auch als Verstärker betrachten, aber dazu kommen wir später.
Regeln: Transistoren
- Ein Transistor verhält sich wie ein Inverter.
- Der Emitter eines NPN-Transistors ist mit dem Minuspol verbunden.
- 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, also kein Basisstrom fließt, sperrt er zwischen Kollektor und Emitter. Zwischen Kollektor und Emitter kann kein Strom fließen.
- Wenn ein Transistor eingeschaltet ist, ist er zwischen Kollektor und Emitter leitend. Zwischen Kollektor und Emitter kann Strom fließen.
- Ein BC337 kann mit einem Kollektorwiderstand von 150Ω oder größer bei einer Versorgungsspannung von bis zu 12V sicher betrieben werden.
- Bei einem NPN-Transistor wird der Basisstrom durch einen Widerstand zwischen Basis und Plus erzeugt.
- Der Basisstrom Ib eines Transistors sollte ein Zehntel des Kollektorstroms Ic betragen: Ib=Ic/10
- Der Vorwiderstand der Basis ist etwa zehnmal 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 von etwa 0,6V an der Basis wird der Transistor nicht leitend, er ist ausgeschaltet.
Weitere Versuche
Wenn ein Voltmeter zur Hand ist,
- Wie groß ist die Spannung zwischen Basis und Emitter?
- Wie groß ist die Spannung zwischen Kollektor und Emitter?
MOSFET
Eine weitere Familie von Transistoren sind die MOSFETs.
Der 2N7000 ist empfindlich
MOSFETs reagieren empfindlich auf elektrostatische Entladungen.
Bitte Achtung elektrostatische Entladung lesen.
- Dies gilt besonders für den 2N7000.
Die Schaltung des Inverters hat sich nicht wesentlich geändert. Anstelle des NPN-Transistors haben wir einen MOSFET verwendet.
Die Anschlüsse eines MOSFETs heißen Source, Gate und Drain. Der MOSFET, in diesem Fall ein 2N7000, hat ebenfalls ein TO-92-Gehäuse.
a - Drain
b - Gate
c - Source
Achtung, die Anschlüsse des 2N7000 liegen anders als die des BC337! Wir überprüfen, ob sich die Schaltung mit dem MOSFET genauso verhält wie die Schaltung mit dem NPN-Transistor.
- Logisch sind die Schaltungen identisch.
Wenn wir jedoch R1 am Eingang, dem Gate, durch 1MΩ ersetzen, leuchtet die LED1 gleich hell.
Ein MOSFET benötigt keinen Gate-Strom. Er wird nur durch die 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.
Für den Lastwiderstand des 2N7000, den 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 befindet sich zwischen Drain und Plus.
Grundsätzlich ist es einfacher, einen MOSFET als Schalter zu verwenden als einen normalen Transistor. Leider können leistungsstarke MOSFETs nicht unmittelbar von Logikschaltungen mit 5V angesteuert werden und wir sind auf Transistoren angewiesen.
Ein MOSFET wird durch eine Spannung zwischen Gate und Source eingeschaltet.
- Ein MOSFET ist spannungsgesteuert.
Regeln: MOSFET
- Ein MOSFET reagiert sehr empfindlich auf elektrostatische Entladungen.
- Der 2N7000 ist besonders empfindlich.
- Siehe unten Achtung elektrostatische Entladung.
- 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 der MOSFET einschalten soll.
- Wenn ein MOSFET ausgeschaltet ist, sperrt er zwischen Drain und Source. Zwischen Drain und Source kann kein Strom fließen.
- Wenn ein MOSFET eingeschaltet ist, ist er zwischen Drain und Source leitend. Zwischen Drain und Source kann Strom fließen.
- Die Spannung am Gate des 2N7000 muss mindestens 4,5V betragen, damit er sicher einschaltet.
- Unter 0,5V am Gate ist der 2N7000 nicht leitend.
- Ab 3V am Gate beginnt der 2N7000 zu leiten.
Achtung elektrostatische Entladung
- Der 2N7000 reagiert sehr empfindlich auf elektrostatische Entladungen.
Wir werden mit einem Problem konfrontiert, das bei der Arbeit mit moderner Elektronik auftritt.
Durch Reibung können Spannungen entstehen, die sich dann durch keine Funken entladen. Wir kennen die Funken, die bei Kleidung aus Kunststoff auftreten.
Manche Bauelemente sind sehr empfindlich. Schon geringe Reibung kann sie beschädigen.
So geht es
- Der 2N7200 sollte in
- einem metallisierten ESD-Tütchen geliefert und aufbewahrt werden. Dieses ist entweder metallisch oder rosa.
- oder in ESD-Schaumstoff stecken. Dieser 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. Es fehlt nur noch der 2N7000. 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 unseren Händen.
- Wir entnehmen den 2N7000 heraus und setzen ihn unmittelbar in die Baugruppe oder das Steckboard.
-
Der 2N7000 ist ziemlich nachtragend:
Wenn er falsch behandelt wird, versagt er später nach und nach seinen Dienst.
Das ist keine Theorie, sondern praktische Erfahrung
- Diese Vorgehensweise einzuhalten, kostet etwas Zeit.
- Meistens geht es gut, wenn wir uns nicht daran halten.
- Wenn es dann zu Problemen kommt, verlieren wir die eingesparte Zeit um ein Vielfaches.
Mehr unter Vorsicht elektrostatische Entladung: ESD