Basisstrom
Die Strecke für den Basisstrom besteht
aus der Reihenschaltung Schalter, Basiswiderstand und Basis-Emitterstrecke. Bei
geöffnetem Schalter ist sein Eingang, der am Pluspol der Spannungsversorgung
liegt, hochohmig - es fließt kein Strom. Bei geschlossenem Schalter fließt
Strom, die Eingangsspannung fällt als Teilspannungen am Basiswiderstand sowie
an der Basis-Emitterstrecke des Transistors ab. Am Schalter sollte kein
Spannungsabfall auftreten. Man kann diese Reihenschaltung mit der
einer LED plus Vorwiderstand vergleichen. Die Diode bildet in diesem Fall die
Basis-Emitterstrecke, an der ca. 0,7 Volt abfallen (vergleichbar mit der Vorwärtsspannung
bei einer LED). Zur Berechnung des Basisstroms bei
gegebener Eingangsspannung und gegebenem Widerstandswert lässt sich die Formel
zur Berechnung eines LED-Vorwiderstandes verwenden.
RV = (UE - UF) / ILED
RB(asis) = (UE - UBE)
/ IB(asis)
IB=(UE - UBE) / RB
IB = (9 V - 0,7 V) /27 * 103 Ω
IB = 0,0003074 A
IB
~ 307 uA
Kollektorstrom
Um bei einem gegebenen Basisstrom sowie einer gegebenen
Kollektor-Emitterspannung den Kollektorstrom des Transistors zu ermitteln,
nimmt man das Datenblatt für den jeweiligen Transistortyp zur Hand und sucht
nach dem Kennlinienfeld Ic - UCE - IB
(Kollektorstrom zu Kollektor-Emitterspannung zu Basisstrom). Hier zeichnet man
die Arbeitslinie des Transistors, abhängig vom jeweiligen Lastwiderstand, ein.
Wir kommen gleich dazu.
Der Lastwiderstand wird in dieser Schaltung von der LED plus
Vorwiderstand gebildet. Ideal fällt an einem voll durchgeschalteten Transistor
keine Spannung ab, in der Praxis jedoch ein geringer Betrag, den wir vorerst
für unsere Berechnung vernachlässigen.
Wir verwenden für die Berechnung des Kollektorstroms die bereits
oben angeführte Formel zur Ermittlung eines LED-Vorwiderstandes:
RV
= UE - UF / ILED
RC
= (UE - UF) / IC
IC
= (UE - UF) / RC
IC = (7 V / 2,2)* 10-3 Ω
IC
= 0,0031818 A
IC ~ 3,2 mA
Der Kollektorstrom beträgt demnach maximal (bei voll
durchgeschaltetem Transistor) 3,2 mA.
Einzeichnen der Arbeitslinie im
Kennlinienfeld
Im Datenblatt1 zeichnen wir im Kennlinienfeld „Figure
1. Static Characteristic“ die Arbeitslinie ein.
Kennlinienfeld des Transistors BC547C mit eingezeichneter Arbeitslinie und Schnittpunkt mit Kennlinie für Basisstrom 300 uA
|
berechnete Werte (V) |
simulierte Werte (V) |
UBE |
0,700 |
0,757 |
UCE |
0,100 |
0,073 |
ULED |
2,00 |
1,81 |
UR 27k |
8,30 |
8,24 |
UR 2,2k |
6,90 |
7,12 |
|
berechnete Werte (mA) |
simulierte Werte (mA) |
IB |
0,307 |
0,305 |
IC |
3,20 |
3,24 |
Basisstrecke ausgeschaltet (keine Verbindung mit dem Pluspol der
Spannungsversorgung)
Alle Werte in der Übersicht inklusive am Steckbrett gemessene
Werte
|
berechnete Werte (V) |
simulierte Werte (V) |
gemessene Werte (V) |
UBE |
0,700 |
0,757 |
0,689 |
UCE |
0,100 |
0,073 |
0,032 |
ULED |
2,00 |
1,81 |
1,95 |
UR 27k |
8,30 |
8,24 |
8,28 |
UR 2,2k |
6,90 |
7,12 |
6,99 |
|
berechnete Werte (mA) |
simulierte Werte (mA) |
gemessene Werte (mA) |
IB |
0,307 |
0,305 |
0,308 |
IC |
3,20 |
3,24 |
3,19 |
Die Schaltung zeigt, dass mit einem verhältnismäßig kleinen
Basisstrom ein deutlich größerer Kollektorstrom ein- und ausgeschaltet werden
kann. Damit lassen sich interessante Schaltungen entwickeln. Zum Beispiel kann
statt dem Schalter ein Fotowiderstand eingesetzt werden, der ab einem
bestimmten Lichteinfall leitet und so über den nun fließenden Basisstrom die
LED einschaltet. Oder ein kleines Mikrofon, dass bei Schalleinwirkung eine
Basisspannung erzeugt, die den Transistor durchschaltet und die LED flackern
lässt.
Am Beispiel des Transistors als Halbleiter zeigt sich aber auch - wie bei der LED - dass eine genaue Berechnung schwierig ist und auch eine Schaltungssimulation nicht präzise vorhersagen kann, wie die Werte der tatsächlichen Schaltung am Steckbrett sind. Aber man kommt der Realität schon nahe und kann dann bei Bedarf den Stromfluß mit Widerständen anderer Werte justieren. Je mehr Erfahrung man mit Schaltungen hat, desto intuitiver verläuft dieser Vorgang.
Dieter Nührmann, den man durchaus als Altvater aller
Hobby-Elektroniker bezeichnen kann, bringt dieses ständige Schätzen, Berechnen
und Nachjustieren auf den Punkt:
___
1 s. Fairchild Semiconductor
Corporation: BC546/BC547/BC548/BC549/BC550 NPN
Epitaxial Silicon Transistor, www.fairchild.com: Fairchild Semiconductor
Corporation, 2002. S. 3
2 s. Nührmann, Dieter: Elektronik - leichter als man denkt, München: Franzis-Verlag, 1977. S. 225 f.
Messung des Kollektorstroms (ohne Basisstrom, der im
mitter mit dem Kollektorstrom zusammenfließt)
Mit dem Bauteiletester können die Anschlüsse eines Transistors (Kollektor,
Basis und Emitter) einfach ermittelt werden. Auch der Verstärkungsfaktor Beta (hFE) und die Durchlassspannung
Basis/Emitter (UF) wird angezeigt.
Die Ergebnisse sind mit Vorbehalt zu betrachten, da die
Klemmenspannung vom Zustand der Batterie abhängt und sich auf die Anzeige der
Werte auswirken kann. Aber eine gute Näherung an die tatsächlichen Werte ist
gegeben. Siehe dazu auch den Beitrag
„Weitere Messungen“ von Jürgen Heisig (ebd. auf der Page unten).