Die
Schaltung nach Abb. 4.1 zeigt die Grundfunktion des NPN-Transistors. Es gibt
zwei Stromkreise. Im Steuerstromkreis fließt ein kleiner Basisstrom, im
Laststromkreis ein größerer Kollektorstrom. Beide Ströme gemeinsam fließen
durch den Emitter. Da der Emitter hier am gemeinsamen Bezugspunkt der Schaltung
liegt, nennt man diese Schaltung auch die Emitterschaltung. Sobald der
Basisstromkreis geöffnet wird, fließt auch kein Laststrom mehr. Der
entscheidende Punkt ist, dass der Basisstrom sehr viel kleiner ist als der
Kollektorstrom. Der kleine Basisstrom wird also zu einem größeren
Kollektorstrom verstärkt. Im vorliegenden Fall ist der Stromverstärkungsfaktor
etwa 100. Der Basiswiderstand ist mit 100 kOhm einhundertfach größer als
der Vorwiderstand im Laststromkreis.
Abb.
4.1 Ein NPN-Transistor in Emitterschaltung
Der
Transistor arbeitet in dieser Schaltung wie ein Schalter. Zwischen Kollektor
und Emitter liegt nur noch ein sehr kleiner Spannungsabfall. Der Kollektorstrom
ist bereits durch den Verbraucher begrenzt und kann nicht weiter steigen. Man
spricht hier von „Sättigung“, d.h. der Kollektorstrom ist „gesättigt“, der
Transistor ist voll durchgesteuert.
Abb.
4.2 Der Transistor in Emitterschaltung
Bauen
Sie den Versuch entsprechend Abb. 4.2 auf. Die LEDs dienen zum Anzeigen der
Ströme. Die rote LED leuchtet hell, die grüne kaum. Nur in einem völlig
abgedunkelten Raum ist der Basisstrom als schwaches Leuchten der grünen LED zu
erkennen. Der Unterschied ist ein Hinweis auf die große Stromverstärkung.
Untersuchen
Sie das Verhalten eines Transistors bei unterschiedlichen Basisströmen mit dem
Simulationsprogramm zum NPN-Transistor aus dem Elektronik-Werkzeugkasten. Im
Bereich kleiner Steuerströme beträgt der Stromverstärkungsfaktor des
simulierten Transistors 180. Bei größerer Ansteuerung geht der Transistor in
die Sättigung, d.h. der Kollektorstrom steigt nicht weiter an, weil er durch
den Kollektorwiderstand begrenzt wird.
Abb. 4.3 Simulation des NPN-Transistors
Um
den maximalen Stromverstärkungsfaktor des realen Transistors zu ermitteln,
können Sie den Basiswiderstand vergrößern. Bei 1 MOhm werden Sie immer noch ein Leuchten der roten
LED sehen, wenn auch etwas schwächer. Wenn Sie zwei Widerstände mit je 100 kOhm in Reihe schalten, erhalten Sie einen
Basiswiderstand von 200 kW, der den Transistor schon
praktisch voll durchsteuert. Daraus ergibt sich ein Stromverstärkungsfaktor von
etwa 200.
Tatsächlich
kann der Stromverstärkungsfaktor trotz aller Präzision bei der Herstellung von
Transistoren nicht genau geplant werden. Sie können also davon ausgehen, dass
die beiden Transistoren BC547B in Ihrem Lernpaket bei einer genaueren Messung
eine unterschiedliche Stromverstärkung zeigen. Die Transistoren werden bei der
Herstellung getestet und in die Verstärkungsgruppen A (110 – 220), B (200 –
450) und C (420 – 800) eingeteilt. Die vorhanden Transistoren sind B-Typen und
haben damit mindestens eine Verstärkung von 200.
Bei
der Dimensionierung von Schaltungen muss der ungewisse Stromverstärkungsfaktor
immer mit beachtet werden, damit eine zuverlässige Funktion in einem weiten
Bereich gesichert ist. Im vorliegenden Fall wird der Transistor nur wie ein
Schalter eingesetzt. Hier reicht es, den Basiswiderstand für den ungünstigsten
Fall zu wählen, d.h. besser einen etwas größeren Basisstrom zu verwenden.
Abb.
4.4 Der NPN-Transistor mit vertauschten
Anschlüssen
Vertauschen
Sie einmal die Anschlüsse Emitter und Kollektor. Der Transistor arbeitet
dennoch, wenn auch mit einem wesentlich geringeren Kollektorstrom. Dass der
Transistor auch „falsch herum“ noch arbeitet, liegt an seinem symmetrischen
Aufbau aus drei Schichten N, P und N, der im Abschnitt 4 im
Elektronik-Werkzeugkasten genauer erläutert wird. Tatsächlich unterscheiden
sich jedoch u.a. die Schichtdicken, so dass es nicht gleichgültig ist, welchen
N-Anschluss man an den Minuspol legt.
Abb.
4.5 Vertauschen von Emitter und Kollektor
In
der Praxis liegt der Verstärkungsfaktor für vertauschte Anschlüsse im Bereich 5
bis 20. Sie sehen nur noch ein schwaches Leuchten der roten LED. Tauschen Sie
nun den 100-kOhm-Widerstand gegen einen 10-kW-Widerstand aus. Der Kollektorstrom steigt
entsprechend an, und das Leuchten der LED im Kollektorstromkreis wird stärker.
Man kann deutlich erkennen, dass die rote LED heller leuchtet als die grüne,
dass also noch eine Verstärkung vorliegt. Trotzdem ist dies nicht der übliche
Einsatz des Transistors. Es handelt sich im Normalfall um einen Fehler. Wenn
also eine Schaltung schlechter funktioniert als geplant, kann es daran liegen,
dass die Anschlüsse versehentlich vertauscht wurden.
Antwort: Das liegt vermutlich an der parasitären Z-Diode zwischen Basis und Emitter. Bei geringerer Betriebsspannung von ca. 5 V bis 7 V müsste alles wie beschreiben funktionieren. Die Z-Diode leitetet normalerweise ab ca. 7 V bis 9 V. Da die LED in der Schaltung die Kollektorspannung noch einmal etwa 1,5 V heruntersetzt, geht es meist auch mit 9 V. Es ist aber grenzwertig, wenn die Z-Spannung dieses Transistors besonders tief und die Batteriespannung besonders hoch liegt, leitet der Transistor bereits. Das Thema kam schon in anderen Zusammenhängen vor: Kap. 10.3 Meeresrauschen in diesem Lernpaket, Kippschwingungen und als MOSFET-Schutzschaltung