Grundlagen 7: Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauelement, das es in vielen verschiedenen Ausführungen gibt. Normalerweise besitzt er drei Anschlüsse: Basis, Kollektor und Emitter.
Die Basis heißt auf Englisch 'Base' und wird in Schaltungszeichnungen mit 'B' bezeichnet, der Kollektor (Collector) mit 'C' und der Emitter mit 'E'.
Geh Leider ist die Anschlußreihenfolge (also die Zuordnung der Pins zum 'Innenleben') nicht genormt, so daß man nicht umhin kommt, die Datenblätter zu studieren. Zudem gibt es eine Unmenge von Bauformen, eine kleine Auswahl s. rechts. Nicht abgebildet sind sog. SMD-Typen, die keine Drähte besitzen und direkt auf eine Platine gelötet werden können.
Ein Transistor dient dazu, Ströme zu verstärken. Er allein kann jedoch dies nicht tun. Er benötigt dazu eine externe Energiequelle.
Die Übersetzung aus dem Englischen: 'Transistor' bedeutet 'transfer resistor' und ist, direkt übersetzt, ein 'Übertragungs-Widerstand'. Auch dies muß noch gedeutet werden.

Zunächst betrachten wir sog. 'bipolare' Transistoren, also vom Typ 'npn' oder 'pnp'. Sie sind dadurch gekennzeichnet, daß in ihrem Aufbau sich Halbleiter-Schichten unterschiedlicher Leitungsfähigkeit, positiv (p) und negativ (n) abwechseln. Es gibt auch andere Konstruktionen, die auf einem völlig anderen Prinzip beruhen. Diese werden weiter unten beschrieben.

Ein Transistor ist also eine Art 'steuerbarer Widerstand'.

Dieser 'Widerstand' ist an 2 Pins herausgeführt (Emitter und Kollektor). Er sitzt in einem Stromkreis (= 'Ausgangskreis'), der eine Energiequelle, z.B. eine Batterie, besitzen muß, die den geforderten maximalen Strom zur Verfügung stellen kann.
E-A-Kreis Ein Transistor benötigt einen Steuerstrom (= 'Eingangskreis'), mit dessen Hilfe der Strom im Ausgangskreis gesteuert wird. Der entsprechende Pin ist die 'Basis'. Eingangskreis und Ausgangskreis sind elektrisch nicht voneinander getrennt. Der für beide gemeinsame Pin ist der Emitter.
In der Zeichnung rechts ist oberhalb des Transistors ein Widerstand eingezeichnet. Dieser ist nicht der gerade eben beschriebene 'Transistor-Widerstand', sondern ein zusätzliches Bauteil, das im Ausgangskreis vorhanden sein muß. Dieses bildet zusammen mit dem 'Transistor-Widerstand' einen Spannungsteiler, so daß am Kollektor nur ein Teil der Versorgungsspannung meßbar ist. Mehr dazu weiter unten.
Ein Transistor (als Bauteil) macht im Prinzip nur dann Sinn, wenn der Steuerstrom wesentlich kleiner ist als der Ausgangsstrom. Das Verhältnis zwischen den beiden Strömen ist eine Eigenart jedes einzelnen Transistors und wird als 'Stromverstärkung' bezeichnet (Werte etwa zwischen 20 und 500). Diese kann (bei einem Exemplar) über weite Bereiche des Kollektorstroms als konstant angesehen werden. Das bedeutet aber auch: wenn sich die Versorgungsspannung ändert, ändert sich der Strom im Ausgangskreis (so gut wie) nicht. Und das heißt wieder, daß man den Transistor, in Zusammenhang mit der externen Energiequelle, auch als steuerbare Stromquelle betrachten kann.

Sättigung:
Kann der Ausgangsstromkreis den Strom, den der Transistor aufgrund seines Eingangsstroms einstellen würde / könnte / wollte, nicht zur Verfügung stellen, so spricht man von der 'Sättigung des Transistors'. Dieser Zustand ist in Fällen, in denen der Transistor als reiner Schalter betrieben wird, erwünscht und wird in sehr vielen Logik-Schaltbausteinen (z.B. TTL) verwendet.
In Audio-Schaltungen muß sehr auf das exakte Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsströmen geachtet werden, da es ansonsten zu störenden Verzerrungen kommt. Im Sättigungszustand ist die normale Stromverstärkung nicht mehr gegeben; daher darf 'Sättigung' in Audio-Schaltungen niemals vorkommen.
In digitalen Schaltungen ist Sättigung, obwohl erwünscht, doch ab und zu problematisch. Beim Schalten kostet es unnötige Zeit, den Transistor aus dem gesättigten Zustand wieder herauszuholen: es müssen unnötig viele Elektronen aus der Basis abfließen. Falls diese Zeit stört, müssen Vorkehrungen getroffen werden, daß Sättigung nicht eintreten kann. Der ideale Schalt-Zustand wäre also ein völliges Durchschalten (also maximal möglicher Strom), aber gerade noch eben keine Sättigung.
In dem genannten Zustand erhält der Transistor also mehr Ansteuer-Strom als nach dem gelieferten Ausgangsstrom notwendig wäre. Man spricht daher auch von "Übersteuerung".

Ein Transistor verbraucht elektrische Energie.

Wie wir schon im Artikel Widerstand beschrieben haben, setzt jeder Widerstand, der von einem Strom durchflossen wird, elektrische Energie in Wärmeenergie um. Dies tut auch der Transistor, d.h. er wird warm. Ein gesättigter Transistor hat einen minimalen Widerstand, und daher ist er in diesem Zustand in der Lage, relativ hohe Ströme zu schalten, ohne dabei übermäßig warm zu werden.

Transistoren werden mit Gleichspannung betrieben.

Transistor-Typen Entsprechend gibt es auch zwei verschiedene Transistor-Typen, pnp und npn. Im npn-Transistor fließt der Strom (von + nach -) in den Kollektor hinein und am Emitter wieder heraus; beim pnp-Transistor ist die Strom-Richtung andersherum. In Zeichnungen ist der Emitter immer mit einem kleinen Pfeil gekennzeichnet, dessen Richtung die Strom-Richtung anzeigt (ähnlich wie bei einer Diode). Wir haben hier rechts die Schaltbilder für die beiden Transistor-Typen dargestellt. Gut zu erkennen ist der kleine Pfeil am Emitter, dem einzigen Unterschied zwischen den beiden Zeichnungen.
In manchen Zeichnungen wird auch der Kreis, der das Gehäuse darstellen soll, weggelassen. An der Funktion ändert sich dadurch nichts.

Was ist ein Darlington-Transistor?
Darlington Dies ist ein Bauelement, das zwei Transistoren enthält. Der erste verstärkt seinen Basisstrom, wie oben schon angedeutet. Mit diesem Strom wird die Basis des zweiten Transistors betrieben. Die Stromverstärkungen beider Transistoren multiplizieren sich also. Es kommen Werte bis weit über 10000 zustande. Äußerlich sieht so ein Bauteil wie ein 'normaler' Transistor aus, mit 3 Beinchen.
Im Bild rechts sehen Sie auf der linken Seite die hier beschriebene Wirkungsweise. Sie können durchaus eine Darlington-Schaltung wie beschrieben selber zusammenlöten, die auch funktioniert. Auf der rechten Seite sehen Sie das Schaltbild. Typisch hierfür sind die beiden parallel laufenden Kollektor-Striche. Wie Sie inzwischen wissen, sind beides npn-Typen.

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Beispiel einer funktionierenden Transistorschaltung:
Tr.-Schaltung Bei der hier links gezeigten Schaltung fließt in die Basis ein Strom von ca. 15 V / 100 kΩ = 150 µA. Wenn die Stromverstärkung des Transistors 100 ist, dann müßte durch den Kollektor 100-mal so viel Strom fließen, also 15 mA. Da der Kollektor-Widerstand (Kurzbezeichnung für den Widerstand, der am Kollektor angeschlossen ist) 100 Ω groß ist, müßten wir an ihm eine Spannung von 15 mA × 100 Ω = 1,5 V messen.
Messen wir aber stattdessen 3 Volt, dann fließen ganz offensichtlich 30 mA, was dann darauf schließen läßt, daß der Transistor eine Stromverstärkung von 200 hat. Auf diese Weise könnte man ein einfaches, aber gut funktionierendes Testgerät bauen, mit dem man die Stromverstärkung von Transistoren messen kann. Einfache Zeiger-Meßgeräte älteren Typs funktionieren so.
Dazu noch ein Hinweis: ein Transistor besteht in seinem Eingangskreis aus einer Halbleiter-Diode, so daß im Betrieb zwischen Basis und Emitter ständig eine Spannung von ca. 0,6 bis 0,7 Volt vorhanden ist. Dies muß bei der Berechnung des Basisstroms berücksichtigt werden. Das haben wir bei der Beschreibung der obigen Schaltung (zunächst einmal) nicht getan! Es müßten theoretisch also nur (15 - 0,7) V / 100 kΩ = 143 µA fließen. Die Spannung am Kollektor-Widerstand wäre also nur 1,43 Volt. Da die Werte der Bauteile aber eine Toleranz von mindestens 5% haben, sollte man sich an die hier nur gerechneten Werte nicht festklammern.

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Was ist ein MOSFET?
Dieser Typ gehört zu der Gruppe der Feldeffekt-Transistoren (FET).
Diese zeichnen sich dadurch aus, daß der Ausgangsstrom nicht durch einen Eingangsstrom gesteuert wird, sondern durch eine Eingangsspannung. Die Steuerelektrode ist so gut gegenüber dem restlichen Transistor isoliert, daß praktisch kein Strom durch sie hindurch fließt (max. etwa 0,1 µA).
Im Unterschied zu einem bipolaren Transistor wird dessen Basis hier 'Gate' genannt, der Emitter wird hier mit 'Source' bezeichnet und der Collector mit 'Drain'.
Entsprechend dem Leitungtyp 'n' und 'p' bei den bipolaren Transistoren gibt es auch n-leitende und p-leitende FETs.
Und noch etwas, um die 'Verwirrung' vollständig zu machen:
Bei den bipolaren Typen gibt es nur die Funktion, daß, wenn kein Basisstron fließt, auch der Kollektorstrom Null ist. Man könnte auch sagen, daß so ein Transistor 'selbstsperrend' ist. Nicht so bei den FETs: hier gibt es tatsächlich 'selbstsperrende' und 'selbstleitende' Typen. Ein selbstsperrender FET leitet nicht, wenn die Gate-Spannung Null ist. Er benötigt eine positive Gate-Spannung, um zu leiten, ähnlich wie ein bipolarer Transistor.
Ein selbstleitender FET braucht dagegen eine negative Gate-Spannung, um zu sperren.
Diese beiden Aussagen gelten für n-leitende FETs. Bei p-leitenden sind die Vorzeichen der Spannungen umgekehrt, ähnlich wie bei den bipolaren Transistoren: n-leitend und p-leitend.
FET Die selbstsperrende Eigenschaft eines FET wird im Englischen mit 'enhancement' bezeichnet, die selbstleitende mit 'depletion'. Dies nur zur Information, falls Ihnen so eine Bezeichnung einmal 'über den Weg läuft'. Im Bild rechts haben wir das Schaltbild für einen selbstsperrenden n-leitenden MOSFET angegeben, rechts davon ist ein p-leitender selbstleitender MOSFET zu sehen. Typisch für den Leitungs-Typ ist die Richtung des kleinen Pfeils am Source-Anschluß, typisch für das 'selbstsperrend' ist die unterbrochene Bahn zwischen S und D.
'Ansonsten' sind die beiden Transistor-Typen in ihrer Funktion durchaus vergleichbar. Einen Vorteil (unter vielen) hat ein FET gegenüber einem bipolaren Transistor: bei richtiger Dimensionierung der Schaltung hat der Source-Drain-Widerstand beim Durchschalten eine Restspannung von wenigen Millivolt (der Widerstand liegt dann bei wenigen mΩ); beim bipolaren muß man immer mit mindestens 0,4 Volt rechnen. Merke: dort ist dann die Kollektorspannung tatsächlich niedriger als die Basisspannung.
Moderne MOSFETs können, bei vergleichbarer Baugröße, höhere Ströme schalten als ihre bipolaren Kollegen. Wenn ein Transistor beispielsweise 0,5 Watt in Wärme umsetzen darf, so sind das bei einem bipolaren Typ (mit 0,4 V Restspannung) 1,25 Ampere (P = U × I). Der MOSFET (mit 0,04 Ω Widerstand) darf 3,5 Ampere schalten (P = R × I²). Genaueres steht in den Datenblättern.
Die geringe Restspannung beim FET machen wir beim MEC uns zunutze beim Schalten von Motoren beim Faller-Car-System. Wir haben dort manchmal nur 1,2 Volt an Akkuspannung zur Verfügung. Da zählt jedes Millivolt, das wir an die Motoren weitergeben können! Bei einem bipolaren Transistor würden wir 0,4 Volt verlieren, bei einem MOSFET nur 0,004 Volt (dabei gehen wir davon aus, daß der Motor 100 mA Strom zieht).
Man kann an das Gate relativ hohe und niedrige Spannungen legen, wenn man das Bauteil als Schalter betreiben will. Die Gate-Spannung, bei der der Transistor zu leiten beginnt, ist ein wichtiges Kriterium und muß aus den Datenblättern entnommen werden. Dort wird sie als Uthr bezeichnet. Diese Werte schwanken, je nach Bauelement, zwischen ca. 0,5 und 6 Volt (für n-enh-Typen). Auch die maximal erlaubte Gate-Spannung muß dort entnommen werden. Wird sie überschritten, wird der Transistor zerstürt.

Wer sich weiter über FETs informieren möchte, sei auf wikipedia verwiesen. Hier wird wesentlich genauer auf diese Transistoren eingegangen als wir das hier tun wollen.

Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner

Version vom: 12.12.2022; erste Version vom: 15.04.2005
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