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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors

Die Bezeichnung „Transistor“ ist ein Kunstwort aus „transfer resistor“, was sich als „übersetzender Widerstand“ oder „Übertragungswiderstand“ definieren lässt.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Transistorfamilien in der Praxis:

Transistor

(prinzipiell)

BipolareTransistoren

UnijunktiontransistorUJT

UnipolareTransistoren

pnp-Typ n-Kanal-FET

npn-Typ p-Kanal-FET

Für den Betrieb von bipolaren Transistoren sind immer zwei pn-Übergänge erforder-lich, d. h., ein Transistor besteht normalerweise aus drei Zonen. Davon weisen die bei-den äußeren Zonen untereinander prinzipiell identische Eigenschaften auf, während die mittlere Zone abweichende Kriterien hat. Die besonderen Eigenschaften erreicht man durch unterschiedliche Dotierung bestimmter chemischer Elemente. Den elektri-schen Charakter der Zonen kennzeichnet man mit den Buchstaben „p“ und „n“, wie bei den Dioden. Da die beiden äußeren Zonen im Prinzip gleiche Eigenschaften aufweisen, gilt für diese Zonen auch der gleiche Buchstabe. Für die Zwischenzone hat man dage-gen andere Buchstaben. Bei einem pnp-Transistor lautet daher die Reihenfolge der Zonen „pnp“ und beim npn-Transistor „npn“. Die drei Anschlüsse eines Transistors werden mit Basis [basis (lat.) = Grundlage], Emitter [emittere (lat.) = hervorbringen] und Kollektor [collector (lat.) = Sammler] bezeichnet.

Ein Unijunktiontransistor UJT ist dagegen ein Bauelement, das aus einem einkristalli-nen Siliziumstab mit n-Dotierung, zwei ohmschen Endkontakten und einem Sperr-schichtkontakt mit p-Dotierung besteht. Die beiden ohmschen Kontakte bezeichnet man als Basis 1 (B1) und Basis 2 (B2) und den Sperrschichtkontakt als Emitter. Die Erklärung von den Unijunktiontransistoren folgt im Kapitel zur Leistungselektronik.

Unter einem Feldeffekttransistor FET versteht man ein Bauelement, bei dem der Ma-joritätsträgerstrom zwischen Source (Quelle) und Drain (Abfluss) mithilfe eines elek-

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trischen Felds am Gate (Tor) gesteuert wird, das entweder die Bahn des gesteuerten Stroms quer zur Stromrichtung durchsetzt oder den Strömungsquerschnitt im Halb-leiter beeinflusst. Da nur eine Ladungsträgerart am Verstärkermechanismus beteiligt ist, bezeichnet man die Feldeffekttransistoren auch als unipolare Transistoren.

Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren hat man bei den Feldeffekttransistoren das Gate (Tor) für den Steueranschluss, das die Funktion der Basis beim Transistor hat, den Drain-Anschluss (Senke) und den Source-Anschluss (Quelle). Der Stromfluss zwischen Source und Drain wird durch ein elektrisches Feld gesteuert. Beim Sperr-schicht-Feldeffekttransistor oder J-FET (Junction) wirkt das elektrische Feld über ei-nen pn-Übergang auf den Stromfluss ein. Bei den Isolierschicht-FETs, den MOSFETs (Metal Oxide-Semiconductor-FET) hat man dagegen eine hochisolierende Schicht zwischen Kanal und Gate. Aus diesem Grund auch die Bezeichnung IG-FET (Isolated-Gate-FET). Insgesamt gibt es zwei Arten von Feldeffekttransistoren, den p- und den n-Kanal, bei den MOSFETs ebenfalls die beiden Typen mit p- und n-Kanal, wobei man noch zwischen dem Verarmungstyp (Depletion) und dem Anreicherungstyp (Enhan-cement) unterscheiden muss.

7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen

Bipolare Transistoren bestehen aus drei Zonen, Emitterzone, Basiszone und Kollektor-zone. Zu jeder der drei Zonen gehört ein separater Anschluss und somit weist der Transistor einen Emitteranschluss, einen Basisanschluss und einen Kollektoranschluss auf.

Abb. 7.1: Querschicht durch einen npn-Planar-Epitaxial-Transistor. Das Verhältnis der Höhe zur Breite des Schnittbilds wurde wesentlich übertrieben dargestellt, insbesondere soweit das die epitaxiale Schicht und deren Abdeckung betrifft.

Wie Abb. 7.1 erkennen lässt, ist die Grenzfläche der Basiszone gegen die Kollektorzone größer als die gegen die Emitterzone. Dieser Größenunterschied hat zwei Gründe:

Der den Transistor durchfließende Strom ist, wie der Strom auch sonst, eine Drift von Ladungsträgern. Die Ladungsträger gehen von der Emitterzone zur Kollek-


torzone über. Hierbei sollen sie auf den mittleren Bereich der Grenzfläche zwi-schen Basiszone und Kollektorzone treffen, damit ihre Wege in der Basiszone mög-lichst kurz ausfallen. Das erreicht man, indem man die Kollektorgrenzfläche nach allen Seiten größer gestaltet als die Emittergrenzfläche.Bei Betrieb liegt zwischen Basis und Kollektor im Allgemeinen eine weit höhere Spannung als zwischen Emitter und Basis. Der Emitterstrom I

E und der Kollektor-

strom IC hingegen weisen fast identische Werte auf. Daraus folgt, dass an der Gren-

ze zwischen Kollektor und Basis eine größere elektrische Leistung entsteht als an der Grenze zwischen Emitter und Basis. Beide Leistungen werden in Wärme um-gesetzt. An der Grenze zwischen Kollektor und Basis entsteht folglich mehr Wärme als an der Grenze zwischen Emitter und Basis.

Abb. 7.2: Gegenüberstellung von pnp- und npn-Transistor im Schichtenaufbau, Wirkung der Dioden und die Schaltzeichen

Die Gegenüberstellung von pnp-Transistor (links) und npn-Transistor (rechts) in Abb. 7.2 zeigt den unterschiedlichen Aufbau der Transistoren. Bei der Frage nach dem Schichtenaufbau muss man die technologischen Varianten des Transistors beachten, wobei zahlreiche, recht unterschiedliche Möglichkeiten für die Realisierung vorhanden sind: Legierungstransistor, Drifttransistor, diffundiert-legierter Mesa-Transistor, Pla-nartransistor, Epitaxie-Planar-Transistor, HF-Leistungstransistor, Overlay-Transistor und Hochspannungstransistor. Jeder Transistor ist anders aufgebaut und für bestimm-te Anwendungsbereiche optimiert worden. Bei allen Transistoren ist aber gleich, dass die Ladungsträger über den Emitteranschluss in den Transistor eintreten und diesen über den Kollektoranschluss verlassen. Der gesteuerte bzw. zu steuernde Strom fließt somit vom Emitter zum Kollektor. Die Steuerung dieses Stroms übernimmt die Basis.

Betrachtet man sich die Diodenmodelle, erkennt man die Grenzschicht zwischen Basis- und Emitterzone, die als Basis-Emitter-Sperrschicht bezeichnet wird. Die


Grenzschicht zwischen Basis- und Kollektorzone definiert man als Basis-Kollektor-Sperrschicht. Die Diode zwischen Basis und Emitter bezeichnet man als Basis-Emitter-Diode und die zwischen Basis und Kollektor als Basis-Kollektor-Diode.

7.1.1 Wirkungsweise des npn-Transistors

Aus technologischen Herstellungsgründen wurden bis 1970 pnp-Transistoren aus Germanium und npn-Transistoren aus Silizium hergestellt. Heute arbeitet man aus-schließlich mit Silizium-Transistoren, ob man nun npn- oder pnp-Typen in der ana-logen oder digitalen Schaltungstechnik einsetzt. Germanium findet man dagegen nur sehr selten.

Abb. 7.3: Ausschnitt eines npn-Tran-sistors mit seinen drei Zonen. Dieser Ausschnitt umfasst die Teile, die an den beiden Grenzflächen aneinanderstoßen. Jede der Grenzflächen stellt einen pn-Übergang dar.

Bei einem npn-Transistor sind die Emitterzone und die Kollektorzone mit Donatoren dotiert und daher erfolgt die Darstellung in Abb. 7.3 als n-Zone. Die Basiszone wird mit Akzeptoren dotiert und ist als p-Zone dargestellt. Aufgrund dieser drei Zonen weist ein npn-Transistor zwei Grenzflächen auf, an denen jeweils eine n-Zone und eine p-Zone aneinanderstoßen. Hierbei handelt es sich nicht etwa um drei einzelne Silizi-umstücke, sondern um ein durchgehendes Silizium-Atomgitter, das auf der einen Sei-te der Grenzfläche mit Donatoren und an der anderen Seite mit Akzeptoren dotiert ist.

Diesseits und jenseits der Grenzfläche, an der die beiden unterschiedlichen Zonen an-einander grenzen, entstehen besondere elektrische Zustände. Die gesamte Schicht, die durch diese Zustände charakterisiert ist, bezeichnet man als Sperrschicht. Diese Be-zeichnung lässt sich damit begründen, dass diese Schicht eine Diodenwirkung auf-weist.

Zwei gegeneinandergeschaltete Dioden wirken noch nicht wie ein Transistor. Man erkennt dessen Wirkungsweise auch nicht aus einer solchen Schaltung, wie die Diodenmodelle in Abb. 7.2 zeigen. Aufgrund der Diodenmodelle wäre zunächst le-diglich zu vermuten, vom Emitter müsse zur Basis durch die Emitter-Basis-Diode ein verhältnismäßig hoher Strom fließen. Wenn man dann noch zur Kenntnis nimmt,


dass |UCE

| > |UBE

| ist, könnte man außerdem annehmen, es wird über den Kollektor nur ein sehr geringer Strom fließen. So aber ist eine Funktion des Transistors als ver-stärkendes Bauelement nicht möglich.

Abb. 7.4: Physikalisches Prinzip eines npn-Transistors

Das physikalische Prinzip eines npn-Transistors lässt sich über zwei Gleichstromkreise erklären, wie Abb. 7.4 zeigt. Hier muss man nun zwischen der technischen Stromrich-tung (Plus nach Minus) und der Elektronenflussrichtung (Minus nach Plus) unter-scheiden.

In Abb. 7.4 entspricht die Polung der Betriebsspannungsquelle der technischen Strom-richtung. Damit fließt vom Pluspol der Spannungsversorgung ein Kollektorstrom I

C

zum Kollektor C weiter in die Kollektor-Basis-Diode, die in Sperrrichtung betrieben wird. Bei einem nicht angeschlossenen Emitter kann demzufolge im Kollektorstrom-kreis nur ein sehr geringer Sperrstrom durch die Kollektor-Emitter-Diode fließen. Die-ser Strom ist für die Kollektor-Emitter-Diode (wie dies auch bei jeder Diode der Fall ist, wenn in Sperrrichtung nur ein geringer Strom fließen kann) ein Majoritätsträgerstrom. Als Majoritätsträgerstrom kommen in der p-Zone der Basis nur Elektronen infrage.

Ist der Kollektor dagegen offen und die Basis-Emitter-Strecke angeschlossen, d. h. in Durchlassrichtung, so würden die in den Basisraum injizierten Elektronen mit den dort auf Grund der p-Dotierung vorhandenen Defektelektronen rekombinieren. Da-bei würden an dem Basisanschluss des Pluspols der angeschlossenen Spannungsquelle laufend Defektelektronen nachgeliefert werden.

Jedoch ist der Kollektorstromkreis gemäß Abb. 7.4 angeschlossen. Wie bei fehlendem Kollektorstromkreis, gelangen auch jetzt Elektronen aus der n-Zone des Emitters in


die p-Zone der Basis. Elektronen in der p-Zone sind dort nichts anderes als Majori-tätsträger, da ja in der p-Zone die Defektelektronen die Minoritätsträger darstellen.

Der auf die Basis-Kollektor-Sperrschicht entfallende Teil der Kollektorspannung ist für die Minoritätsträger in Sperrrichtung gemäß gepolt. Diese Polung stellt aber für die Majoritätsträger, d. h. für die vom Emitter her in die Basiszone fließenden Elektro-nen, die Durchlassrichtung dar. Was also an Elektronen durch die Basis-Emitter-Di-ode in die Basisschicht kommt, findet dort durch die Basis-Kollektor-Sperrschicht hindurch einen offenen Weg zum Kollektoranschluss.

Die Funktion des Transistors beruht demzufolge darauf, dass der über die Emitter-Ba-sis-Diode fließende Elektronenstrom, der von der zwischen Basis und Emitter wirken-den Signalquelle gesteuert ist, zum allergrößten Teil durch die Kollektorspannung aus der Basis über die Kollektor-Basis-Diode „abgesaugt“ wird. Dabei bemüht man sich, den im Prinzip unvermeidlichen, über die Basis fließenden Stromanteil so klein wie möglich zu halten. Der Basisstrom I

B beträgt 0,5 % bis 5 % des Kollektorstroms I

C, d. h.

IE = I

C + I

B

Der Emitterstrom IE ist eine Addition zwischen dem Kollektorstrom I

C und dem Basis-

strom IB. Der Wert des Basisstroms ist zwar im Vergleich zum Kollektorstrom gering,

muss aber beim Entwurf und Aufbau einer Schaltung berücksichtigt werden.

Die verstärkende Wirkung des Transistors erklärt sich so: Weil die Basis-Emitter- Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, ist die an dieser Diode erforderliche Basis-Emitter-Signalspannung geringer und liegt je nach Typ bei U

BE ≈ 0,6 V. Da man dafür

sorgt, dass der durch die Basis-Emitter-Diode fließende Strom zum größten Teil zum Kollektor weiterfließt, hat der Basisstrom auch nur einen niedrigen Wert. Beides zu-sammen ergibt eine nur kleine Signalsteuerleistung. Im Ausgang fließt der Kollektor-signalstrom, der wesentlich höher ist als der Basissignalstrom. Die Kollektorgleich-spannung ermöglicht im Ausgang bei Einschalten eines passenden Arbeitswiderstands eine Kollektorsignalspannung, deren Scheitelwert den Wert der Kollektorbetriebs-spannung +U

B erreichen kann. Es gilt:

UCE

= UBE

+ UBC

Hoher Signalstrom bei hoher Signalspannung auf der Kollektorseite ergeben gemein-sam die Kollektorsignalleistung, die die Basissignalleistung wesentlich übersteigt.

7.1.2 Statische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in

Emitterschaltung

Im Transistor stehen folgende vier Größen zueinander in Beziehung:

Eingangsstrom I1 oder Basisstrom I

B


Eingangsspannung U1 oder Basis-Emitter-Spannung U

BE

Ausgangsstrom I2 oder Kollektorstrom I

C

Ausgangsspannung U2 oder Kollektor-Emitter-Spannung U

CE

Wegen der internen Verkopplungen der einzelnen Sperrschichten sind alle vier Grö-ßen voneinander abhängig.

Abb. 7.5: Schaltung zur statischen Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in Emitter-schaltung

Mit der Schaltung von Abb. 7.5 lassen sich folgende vier Kennlinien des Transistors aufnehmen:

Eingangskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von IB = f(U

BE) bei

UCE

= konstant und hat den Verlauf einer Siliziumdiode.

Stromverstärkungskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von IC = f(I

B)

bei UCE

= konstant. Aus der Stromverstärkungskennlinie kann die Stromverstärkung B (statischer Wert) oder (dynamischer Wert) eines Transistors ermittelt werden. In der analogen Schaltungspraxis setzt man die Bedingung voraus: B ≈ .

Ausgangskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von IC = f(U

CE) mit

IB = konstant. Die Ausgangskennlinie stellt für den praktischen Entwurf die wich-

tigsten Kenngrößen zur Verfügung.

Rückwirkungskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von U

BE = f (U

CE) bei I

B = konstant. Aus dieser Kennlinie ist zu entnehmen, dass eine


Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung nur einen sehr geringen Einfluss auf die Eingangsspannung U

BE hat. Diese Kennlinie wird für den praktischen Schal-

tungsentwurf nicht benötigt.

Bei der Untersuchung der Eingangskennlinie lässt sich die Abhängigkeit des Basis-stroms I

B von der Basis-Emitter-Spannung U

BE ermitteln. Bedingung ist hier, dass die

Kollektor-Emitter-Spannung UCE

einen konstanten Wert für die Kennlinienaufnahme hat. Tabelle 7.1 zeigt die Werte für die statische Aufnahme der Eingangskennlinie bei Transistor BC107, wenn die Bedingung U

CE = +5 V beträgt.

Tabelle 7.1: Werte für die statische Aufnahme der Eingangskennlinie des Transistors BC107

bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von UCE

= +5 V

UBE

in mV 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

IB in µA 0,028 0,055 0,111 0,278 1,77 11 69 314 938 2056 3736

Aus Tabelle 7.1 lässt sich die Eingangskennlinie im doppelt-linearen Maßstab (links) und im linear-logarithmischen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.6 zeigt.

Abb. 7.6: Eingangskennlinie des Transistors BC107 im doppelt-linearen Maßstab (links) und im linear-logarithmischen Maßstab

Man benötigt die Eingangskennlinie aus zwei Gründen in der analogen Schaltungs-technik:

Die Kennlinie gibt Aufschluss über die Belastung bzw. das Ansteuerverhalten der Signalquelle am Eingang der Transistorstufe.Man muss den zur Basis-Emitter-Spannung fließenden Basisstrom kennen, um die Stromquelle dieser Signalerzeugung richtig zu berechnen und die erforderlichen Bauelemente dimensionieren zu können.


Aus der Basis-Emitter-Spannung UBE

und dem Basisstrom IB kann man den statischen

und den dynamischen Eingangswiderstand ermitteln mit

= BE

ein

B

UR

I

∆=

∆

BE

ein

B

Ur

I

Es wird zwischen dem Eingangswiderstand für reinen Gleichstrombetrieb und Signal-strom- bzw. Wechselstrombetrieb unterschieden.

Bei der Untersuchung der Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie lässt sich der Kollektorstrom I

C in Abhängigkeit des Basisstroms I

B ermitteln. Bedingung ist hier,

dass die Kollektor-Emitter-Spannung UCE

einen konstanten Wert für die Kennlinien-aufnahme hat. Tabelle 7.2 zeigt die Werte für die statische Aufnahme der Steuerkennli-nie bei Transistor BC107, wenn die Bedingung U

CE = +5 V beträgt.

Tabelle 7.2: Werte für die statische Aufnahme der Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskenn-

linie des Transistors BC107 bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von UCE

= +5 V

UBE

in mV 500 550 600 650 700 750 800 850 900

IB in µA 0,12 0,28 1,77 11 69 314 938 2056 3736

IC in mA 8 µ 52 µ 360 µ 2,42 15 62 159 292 446

Aus Tabelle 7.2 lässt sich die Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Tran-sistors BC107 bei U

CE = +5 V im doppelt-linearen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.7 zeigt.

Abb. 7.7: Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors BC107 bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von U

CE = +5 V im doppelt-linearen Maßstab


Aus dieser Kennlinie lässt sich die Stromverstärkung des Transistors ermitteln. Dabei unterscheidet man zwischen der

statischen Stromverstärkung (Gleichstromverstärkung) mit

= = =2 42

22011

C

B

I , mAB

I A

dynamischen Stromverstärkung (Wechselstromverstärkung) mit

∆ −= = =∆ −

15 2 62217

69 11C

B

I mA , mAB

I A A

Da sich die statische und dynamische Stromverstärkung sehr ähnlich sind, denn die Differenzen treten im Wesentlichen durch menschliche Messfehler und Messungenau-igkeiten auf, gilt in der analogen Schaltungstechnik immer die Bedingung:

B ≈ β

Die Ausgangskennlinie stellt dagegen den Zusammenhang zwischen den beiden Aus-gangsgrößen von Kollektorstrom I

C und Kollektor-Emitter-Spannung U

CE dar, wobei

entweder der Basisstrom IB oder die Basis-Emitter-Dioden-Spannung U

BE auf einem

konstanten Wert gehalten wird. Statt einer Konstantspannungsquelle setzt man eine Konstantstromquelle ein, wie Abb. 7.8 zeigt.

Abb. 7.8: Schaltung zur Untersuchung der Ausgangskennlinie

Für die Untersuchung der Ausgangskennlinie stellt man den Basisstrom IB

auf einen bestimmten Wert ein und erhöht dann die Ausgangsspannung. Tabelle 7.3 zeigt die Einstellungen und die Messergebnisse.


Tabelle 7.3: Einstellungen und Messergebnisse für die Untersuchung der Ausgangskennlinie

IB = 0,5 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 73

1 73

2 73

3 75

4 75

5 77

IB = 1 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 194

1 195

2 197

3 200

4 202

5 206

IB = 1,5 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 324

1 326

2 330

3 335

4 338

5 344

IB = 2 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 460

1 465

2 469

3 475

4 481

5 488

IB = 3 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 740

1 744

2 754

3 764

4 774

5 784

IB = 4 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 1027

1 1034

2 1047

3 1061

4 1074

5 1089

IB = 5 µA U

CE in V

IC in µA

0,5 1319

1 1338

2 1345

3 1363

4 1379

5 1398

Aus Tabelle 7.3 lässt sich die Ausgangskennlinie des Transistors BC107 im doppelt- linearen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.9 zeigt.

Über die Ausgangskennlinie lässt sich der statische und dynamische Ausgangswider-stand berechnen mit

= CE

aus

B

UR

I

∆=

∆

CE

aus

B

Ur

I

Auf die Untersuchung der Rückwirkungskennlinie, die den Zusammenhang zwischen U

BE = f (U

CE) mit I

B = konstant darstellt, wird verzichtet, da diese Kennlinie keine prak-

tische Bedeutung hat.

7.1.3 Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in

Emitterschaltung

Die dynamische Kennlinienaufnahme eines Transistors bedeutet für ein Simulations-programm sehr viel Rechenarbeit.

Abb. 7.10 zeigt die Prinzipschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn- oder pnp-Transistors in Emitterschaltung. Das Problem ist die gleichzeitige Änderung


des Basisstroms IB und der Kollektor-Emitter-Spannung U

CE. Für die Änderung des

Basisstroms in Stromstufen setzt man einen Treppenspannungsgenerator ein, der eine stufenförmige Ausgangsspannung erzeugt. Je nach Ausgangsspannung stellt sich ein bestimmter Basisstrom ein, der den nachfolgenden Transistor an seiner Basis ansteu-ert. Hierbei muss man zwischen npn- und pnp-Transistor unterscheiden, denn die Spannungs- und Stromverhältnisse verhalten sich genau umgekehrt.

Abb. 7.9: Ausgangskennlinie des Transistors BC107

Abb. 7.10: Prinzipschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn- oder pnp-Transistors in Emitterschaltung


Während sich der Basisstrom stufenförmig ändert, wird durch eine Wechselspan-nungsquelle mit nachgeschaltetem Brückengleichrichter eine pulsierende Wechsel-spannung für die Aussteuerung der Kollektor-Emitter-Spannung erzeugt. Der Kollek-torstrom errechnet sich aus

= Y

C

C

UI

R

Mit einem Oszilloskop lässt sich nur über den Umweg der Spannungsmessung ein Strom am Bildschirm darstellen. Die Spannung am Y-Eingang muss invertiert anlie-gen oder die Kennlinienschar der Ausgangskennlinie ist um 180° nach unten geklappt. Dies gilt auch für den Basisstrom, der sich berechnet aus

= Tr

B

B

UI

R

Die Spannung UY ist mit dem Strom I

C proportional und wird auf den negierten

Y-Eingang des Oszilloskops gegeben. Der Strom IC ist die Wirkung auf die Kollektor-

Emitter-Spannung UCE

. Entfernt man den Widerstand RC, wird der Elektronenstrahl

in Y-Richtung abgelenkt. Entfernt man den Widerstand RB, wird der Elektronenstrahl

dagegen in X-Richtung abgelenkt.

Abb. 7.11: Simulationsschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors

Zur Realisierung eines simulierten Kennlinienschreibers für einen npn-Transistor ver-wendet man die Schaltung von Abb. 7.11.

Mit der Schaltung von Abb. 7.12 lässt sch die Stromsteuerkennlinie IC = f (I

B) durch-

führen. Aus dieser Kennlinie lässt sich erkennen, wie sich der Kollektorstrom bei un-terschiedlichem Basisstrom ändert. Um diese Kennlinienaufnahme durchführen zu können, muss der Funktionsgenerator eine Wechselspannung erzeugen, die über den


Kondensator eingekoppelt wird. Dadurch entsteht eine Mischspannung, die auf den X-Eingang des Oszilloskops gegeben wird. Dazu ist die Konstantspannungsquelle an der Basis des Transistors erforderlich. Durch die sinusförmige Wechselspannung fließt ein sich ändernder Basisstrom und damit ändert sich auch der Kollektorstrom. Wäh-rend der Basisstrom in der Größenordnung zwischen 0 und 100 µA differiert, ergibt sich ein entsprechend großer Kollektorstrom.

Abb. 7.12: Untersuchung der IC-I

B-Kennlinie eines npn-Transistors

Über den Widerstand zwischen Konstantspannungsquelle und Masse misst man den Kollektorstrom I

C, der als Spannungswert durch den Operationsverstärker invertiert auf

den Y-Eingang gegeben wird. Das Oszillogramm zeigt den typischen Verlauf der Strom-steuerkennlinie des BC107, also eine nahezu gerade Linie, d. h., der Kollektorstrom I

C ist

dem Basisstrom IB annähernd proportional. Die Stromverstärkung β ist der Quotient aus

der Kollektorstromänderung ∆IC und der diese Änderung bewirkenden Basisstromän-

derung ∆IB. Damit ergibt sich eine entsprechende Neigung der Kennlinie.

7.1.4 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors

Jeder Transistor hat Kenngrößen und Kennwerte. Ein Kennwert, in den Datenbüchern auch als Messwert bezeichnet, ist der Wert einer am Transistor elektrisch oder wärme-


mäßig messbaren, ihn charakterisierenden Größe, also als Kenngröße definierte Grö-ße. Der einzeln angegebene Kennwert stellt immer nur einen Mittelwert dar. In der Praxis hat man einen Streubereich und innerhalb diesem befinden sich die Werte der Kenngröße unter bestimmten Bedingungen für diesen Transistortyp. Häufig begnügt man sich, falls dies sinnvoll ist, auch nur mit der Angabe des Streubereichs mit seinen minimalen bzw. maximalen Werten. In diesem Streubereich befindet sich dann der Verlauf der Kennlinie.

Die Kennwerte bzw. die hier zugrunde liegenden Kenngrößen lassen sich im Wesentli-chen in Gruppen zusammenfassen:

Signalkenngrößen (Signalkennwerte, Wechselstrommesswerte): Hierbei handelt es sich um Kenngrößen, die das Verhältnis zweier Signalgrößen zueinander angeben, also des Signalstroms und einer Signalspannung, zweier Signalströme oder zweier Signalspannungen.Gleichstromkenngrößen und Gleichstromkennwerte (Gleichstrommesswerte oder auch statische Kennwerte bzw. statische Kenngrößen): Diese Werte lassen sich ent-weder durch Gleichströme bzw. durch Gleichspannungen unmittelbar darstellen, oder es handelt sich um das Verhältnis zweier dieser Größen zueinander.Erwärmungskenngrößen: Es handelt sich um Größen, die die Temperaturabhän-gigkeit und die Wärmeabgabe des Bauelements betreffen.Frequenzkenngrößen: Sie geben die Signalfrequenz an, für die eine bestimmte Eigenschaft einer Transistorgrundschaltung auf ein feststehendes Maß (Transitfre-quenz v = 1) abgesunken ist.Rauschkenngrößen: Sie sind zunächst nur durch einen einzigen Kennwert vertre-ten, nämlich durch die Rauschzahl bzw. den Rauschfaktor.

Bei der Betrachtung dieser Kenngrößen ist zu beachten, dass in den Datenblättern, die die Kenngrößen beinhalten, oft in gleicher Weise auch die entsprechenden Einstell-werte angegeben sind. Hierunter sind die Werte zu verstehen, für die die angegebenen Kennwerte gelten. Einstellwerte sind z. B. die Kollektor-Emitter-Gleichspannung U

CE

und der Kollektorruhestrom IC.

Für die statische Untersuchung des npn-Transistors BC239 benötigt man eine Kon-stantstromquelle, die den Basisstrom I

B erzeugt, wie die Schaltung (Abb. 7.13) zeigt.

Durch den Transistor wird der Basisstrom IB verstärkt und es ergibt sich ein bestimm-

ter Kollektorstrom IC, der an dem Kollektor-, Last- bzw. Arbeitswiderstand einen be-

stimmten Spannungsfall erzeugt. Dieser Spannungsfall errechnet sich aus

UR = I

C ⋅ R

C

Entsprechend entsteht an dem Transistor zwischen dem Kollektor- und dem Emitter-anschluss die Spannung U

CE. Addiert man U

R und U

CE, muss sich die Betriebsspan-

nung ergeben, wie die Spannungswerte in der Schaltung von Abb. 7.13 zeigen.

Um mit einem Ausgangskennlinienfeld arbeiten zu können, benötigt man zwei maxi-male Werte. In der Praxis hat man hierzu die Betriebsspannung +U

B und den maxima-

len Kollektorstrom IC. Trägt man diese beiden Werte als Punkte in das Kennlinienfeld


ein und verbindet diese beiden Punkte mit einer Geraden, erhält man die Arbeitsgera-de oder Widerstandsgerade für den Betrieb eines Transistors. Der maximale Kollektor-strom I

C errechnet sich aus

+= = =

Ω

1575

200B

Cmax

C

U VI mA

R

Abb. 7.13: Schaltung zur statischen Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors

Trägt man den Kollektorstrom IC und die Kollektor-Emitter-Spannung U

CE in das Aus-

gangskennlinienfeld ein, lässt sich auf der Arbeitsgeraden ein Arbeitspunkt definieren. Abb. 7.14 zeigt das Ausgangskennlinienfeld des BC239 mit dem Arbeitspunkt AP.

Vergleicht man die Messergebnisse der Simulation mit dem Ausgangskennlinienfeld des BC239, ergeben sich geringfügige Unterschiede am Arbeitspunkt AP.

Dieses Wertepaar von der Kollektor-Emitter-Spannung UCE

und dem Kollektorstrom IC

fasst man unter der Bezeichnung „Arbeitspunkt“ zusammen, da hiermit z. B. im Kol-lektorstrom/Kollektor-Emitter-Spannungs-Kennlinienfeld ein bestimmter Punkt fest-gelegt ist. Man könnte zum Arbeitspunkt außer U

CE und I

C auch die Basis-Emitter-

Spannung UBE

und schließlich hierzu noch den Basisstrom IB einbeziehen. Wegen der

Temperaturabhängigkeit der Transistoreigenschaften geschieht das nicht. Wie später noch erklärt wird, strebt man an, den mit dem Kollektorstrom I

C bei gegebener Kollek-

tor-Emitter-Spannung UCE

bestimmten Arbeitspunkt durch passende Veränderungen des Werts der Basis-Emitter-Spannung U

BE festzuhalten und damit ergibt sich für die

Praxis der optimale Verstärkerbetrieb.


Abb. 7.14: Ausgangskennlinienfeld des BC239 mit dem Arbeitspunkt AP für die Messergebnisse von Schaltung 7.13

Zu einem mit UCE

und IC gegebenen Arbeitspunkt gehören im Allgemeinen einigerma-

ßen konstante Signalkennwerte, unabhängig davon, ob die Sperrschichttemperatur tatsächlich, wie für Kennwertangaben vorausgesetzt, 25 °C beträgt, oder ob bei gerin-gen Abweichungen von den 25 °C durch passende Änderungen von U

BE bzw. von I

B der

Wert des Arbeitspunkts von dem Kollektorstrom IC festgehalten wird.

Im Arbeitspunkt AP ergibt sich eine Stromverstärkung von

= = =40

400100

C

B

I mAB

I A

Im Datenblatt (Tabelle 7.4) sind folgende Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstrom-verhältnis h

FE bei U

CE = 5 V und I

C = 2 mA vorhanden:

Tabelle 7.4: Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstromverhältnis

Min. Typ. Max.Gruppe A: 110 180 222Gruppe B: 200 290 450Gruppe C: 420 520 800

Es ergeben sich erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen, wobei man noch zwischen den Spezifikationen unterscheiden muss.


7.1.5 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-Transistors

Durch den unterschiedlichen Aufbau der Halbleiterschichten eines pnp-Transistors zu einem npn-Typ, sind für den Betrieb und die Ansteuerung andere Spannungspotenti-ale erforderlich.

Abb. 7.15: Schaltung zur statischen Untersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-Transistors

Der BC212 ist ein pnp-Transistor für den Betrieb von Treibern und Endstufen. Der maximale Kollektorstrom errechnet sich aus

− −− = = = −

Ω

3400

7 5B

Cmax

C

U VI mA

R ,

Trägt man die Betriebsspannung –UB und den maximalen Kollektorstrom I

C in das

Datenblatt des BC212 ein, erhält man Abb. 7.16.

Im Arbeitspunkt AP ergibt sich eine Stromverstärkung von

= = =225

112 51

C

B

I mAB ,

I mA

Im Datenblatt (Tabelle 7.5) sind folgende Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstrom-verhältnis h

FE bei –U

CE = 1 V und –I

C = 100 mA vorhanden:


Abb. 7.16: Ausgangskennlinienfeld des BC212 mit dem Arbeitspunkt AP für die Mess- ergebnisse der Schaltung aus Abb. 7.15

Tabelle 7.5: Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstromverhältnis

Min. Max.

Gruppe 10: 67 150

Gruppe 16: 106 236

Gruppe 25: 170 373

Gruppe 40: 265 600

Es ergeben sich erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen.

7.1.6 Emittergrundschaltung eines npn-Transistors

Anhand der bisherigen Betrachtungen über die Transistorschaltungen muss man den Eindruck gewinnen, dass es nur eine grundsätzliche Schaltungsvariante gibt. In der praktischen Schaltungstechnik unterscheidet man zwischen

Emitterschaltung, bei der der Emitteranschluss des Transistors entweder direkt oder über einen niederohmigen Widerstand mit Masse verbunden ist.Kollektorschaltung, bei der der Kollektoranschluss des Transistors entweder direkt oder über einen niederohmigen Widerstand mit der Betriebsspannung verbunden ist.


Basisschaltung, bei der der Basisanschluss des Transistors entweder mit der Be-triebsspannung oder mit Masse verbunden ist.

Jede dieser drei Schaltungen hat in der analogen bzw. digitalen Schaltungstechnik ent-sprechende Vor- und Nachteile. Etwa 98 % aller Transistorschaltungen basieren auf der Emitterschaltung, bei etwa 1,5 % verwendet man die Kollektorschaltung und nur in 0,5 % aller Fälle setzt man die Basisschaltung ein.

Abb. 7.17: Schaltung zur Untersuchung der Emittergrundschaltung mit einem npn-Transistor

Mithilfe der Schaltung von Abb. 7.17 lassen sich mehrere Signalkenngrößen für die Emittergrundschaltung eines npn-Transistors untersuchen. Der Eingangswiderstand der Emitterschaltung lässt sich berechnen aus

= = = Ω747

7 47100

BE

ein

B

U mVR , k

I A

Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf IB = 150 µA, reduziert sich der

Eingangswiderstand auf

= = = Ω768

512150

BE

ein

B

U mVR , k

I A

Der statische Eingangswiderstand Rein

einer Emittergrundschaltung stellt keinen kon-stanten Wert dar, sondern muss für jeden Basisstrom separat bestimmt werden.

Der Ausgangswiderstand Raus

errechnet sich aus

= = = Ω8 47

26032 6

CE

aus

C

U , VR

I , mA



Ausgangswiderstand Raus

auf

= = = Ω5 96

13245 2

CE

aus

C

U , VR

I , mA

Der statische Ausgangswiderstand einer Emittergrundschaltung stellt keinen konstan-ten Wert dar, sondern muss für jeden Basisstrom separat bestimmt werden.

Aus dem Verhältnis von Kollektorstrom IC und Basisstrom I

B lässt sich die statische

Stromverstärkung berechnen mit

= = =32 6

326100

C

B

I , mAB

I A

Die Stromverstärkung B ändert sich nur geringfügig, wenn man z. B. den Basisstrom auf I

B = 150 µA erhöht. In der Verstärkertechnik bezeichnet man den Stromverstär-

kungsfaktor mit vI. Bei einem Eingangsstrom von I

B = 100 µA stellt sich eine Basis-

Emitter-Spannung von UBE

= 0,747 V ein. Damit ergibt sich eine Kollektor-Emitter-Spannung von U

CE = 8,47 V. Die Spannungsverstärkung einer Emittergrundschaltung

berechnet sich aus

= = =8 47

11 30 747

CE

U

BE

U , Vv ,

U , V

Die Leistungsverstärkung ist dann

= ⋅ = ⋅ =326 11 3 3696P I U

v v v ,

Die Stromverstärkung einer Emittergrundschaltung ist hoch, die Spannungsverstär-kung dagegen liegt im mittleren Bereich und es ergibt sich eine relativ hohe Leistungs-verstärkung. Die einzelnen Spezifikationen sind im Vergleich mit den beiden anderen Grundschaltungen zu betrachten.

7.1.7 Kollektorgrundschaltung eines npn-Transistors

Bei der Kollektorgrundschaltung mit npn-Transistor verbindet man den Kollektor des Transistors direkt mit der Betriebsspannung, während der Arbeitswiderstand zwischen Emitteranschluss und Masse eingeschaltet ist.

Mithilfe der Schaltung von Abb. 7.18 lassen sich mehrere Signalkenngrößen untersu-chen. Der Eingangswiderstand der Kollektorschaltung lässt sich berechnen aus

= = = Ω4 6

46100

CB

ein

B

U , VR k

I A


Abb. 7.18: Schaltung zur Untersuchung der Kollektorgrundschaltung mit einem npn-Transistor


Eingangswiderstand auf

= = = Ω2 19

14 6150

CB

ein

B

U , VR , k

I A

Der statische Eingangswiderstand einer Kollektorgrundschaltung stellt keinen kon-stanten Wert dar, sondern muss für jeden Basisstrom separat bestimmt werden.

Unter der Annahme IC = I

E errechnet sich der Ausgangswiderstand mit

= = = Ω6 67

20033 2

R

aus

E

U , VR

I , mA

Für den Ausgangswiderstand einer Kollektorgrundschaltung gilt:

Raus

= RE

Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf IB = 150 µA, vergrößert sich der

Kollektorstrom auf IC = 45,1 mA und der Spannungsfall an dem Emitterwiderstand

steigt auf UR = 9,04 V an, aber der Ausgangswiderstand bleibt weitgehend konstant.

Aus dem Verhältnis von Kollektorstrom IC und Basisstrom I

B lässt sich die Stromver-

stärkung berechnen mit

= = =33 2

336100

C

B

I , mAB

I A


Die Stromverstärkung B ändert sich nur geringfügig, wenn man z. B. den Basisstrom auf I

B = 150 µA erhöht. In der Verstärkertechnik bezeichnet man den Stromverstärkungs-

faktor mit vI. Bei einem Eingangsstrom von I

B = 100 µA stellt sich eine Basis-Emitter-

Spannung von UBE

= 0,747 V ein. Da die Eingangsspannung U1 zwischen der Basis und

Masse liegt, stellt sich ein Spannungswert von 7,4 V ein. Die Ausgangsspannung U2 wird

am Emitterwiderstand abgegriffen und beträgt U2 = 6,65 V, d. h., die Spannungsverstär-

kung bei einer Kollektorgrundschaltung ist vU < 1. Für die Messschaltung gilt:

= = =2

1

6 650 9

7 4U

U , Vv ,

U , V

Die Leistungsverstärkung ist

= ⋅ = ⋅ =332 0 9 299P I U

v v v ,

Die Stromverstärkung einer Emittergrundschaltung ist hoch, die Spannungsverstär-kung dagegen liegt unter 1 und es ergibt sich eine mittlere Leistungsverstärkung. Die einzelnen Spezifikationen sind im Vergleich mit den beiden anderen Grundschal-tungen zu betrachten.

7.1.8 Basisgrundschaltung eines npn-Transistors

Bei der Basisgrundschaltung wird die Basis signalmäßig mit Masse verbunden. Der Arbeitswiderstand befindet sich zwischen dem Kollektoranschluss des Transistors und der Betriebsspannung. Beim Anschluss der Konstantstromquelle muss eine andere Po-larität gewählt werden, damit die Basis-Emitter-Spannung von U

BE ≈ 0,7 V erreicht

wird, d. h., der Anschluss des Emitters muss ein negatives Potential aufweisen.

Abb. 7.19: Schaltung zur Untersuchung der Basisgrundschaltung mit einem npn-Transistor

7 grundlagen und praktische schaltungslehre des · pdf file463 7 grundlagen und praktische...

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