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Transistor für Anfänger







  1. Der Transistor als Stromverstärker
  2. Der Transistor als Schalter
  3. Darlington-Transistoren
  4. Bipolare Leistungsstufen
  5. Der Transistor als Stromregler
  6. Der Transistor als Analogverstärker
  7. Der Transistor als Sinusoszillator
  8. Der Transistor als HF-Verstärker
Hier gibt es das Ganze auch noch für Feldeffekttransistoren (FETs).

1 Der Transistor als Stromverstärker

Transistoren sind kleine schwarze Kästchen mit drei Beinen: C, B und E. Oder auch riesige glänzende Metallteile mit zwei Anschlüssen und dem Metallteil als drittem Anschluss.

Transistor BC547 Anschlussfolge Transistor BD439 Anschlussfolge Transistor 2N3055 Anschlussfolge

In den Kästchen oder Metallteilen sitzt eine kleine Platte aus hochreinem Silizium, symbolisiert durch den etwas dickeren vertikalen Strich. Zwei Oberflächenteile der Platte sind so mit klitzekleinen Mengen eines drei- oder fünfwertigen (Halb-)Metalles verunreinigt, eine kleine Pfütze dazwischen mit dem anderswertigen (Halb-)Metall. Diese Verunreinigungen, unter Insidern als Dotierung bezeichnet, passen nicht so recht zu dem eigentlich vierwertigen Silizium, machen aber dass das Teil seine erstaunlichen Halbleiter-Eigenschaften kriegt.

Je nach Dotierung gibt es zwei Sorten von Transistoren: NPN und PNP. Bei NPN-Transistoren, wie im Logo und im Anschlussbild dargestellt, kommt der Pluspol der Stromversorgung an den Kollektor (C) des Transistors, der Minuspol an den Emitter (E). Macht man das, passiert fast gar nix, nur ein klitzekleiner Sperrstrom fließt durch den Transistor, die Strecke vom Kollektor zum Emitter ist so gut wie sperrt.

Der BC547 ist ein NPN-Transistor (N=Negativ=5-wertiges Metall als Dotierung, P=Positiv=3-wertiges Metall als Dotierung). Beim PNP (z. B. einem BC557) ist fast alles anders herum: Aber auch hier fließt fast gar nix durch die CE-Strecke, wie beim NPN auch.

Das ändert sich erst dann, wenn wir dem dritten Anschluss, der Basis B, ein wenig Beine machen und etwas Strom hineindrücken. Aber Vorsicht, nicht zu viel des Guten, sonst löst sich unser Transistor von dem Seienden und geht in die ewigen Jagdgründe der Transistoren ein. Praktisch machen wir das mit der folgenden Schaltung.

NPN-Transistor als Stromverstärker Durch die Basis des Transistors fließt jetzt, abgebremst durch den großen Widerstand, ein Strom. Die Basis-Emitter-Strecke hat als Diode aber auch eine Durchlassspannung (Forward voltage), wie das jede Diode hat, nämlich ca. 0,65 V (bei Siliziumdioden). Der Basisstrom beträgt daher nach dem Herrn Georg Simon Ohm:
I = U / R
I [A] = (UBatterie [V] - UBE-Strecke [V]) / R [Ohm]
I [A] = (9 - 0,65) [V] / 100.000 [Ohm] = 0,000.083.5 [A]
I [µA] = 1.000.000 * I [A]
I [µA] = 83,5 µA

Das ist ganz, ganz wenig Strom, der reicht nicht einmal aus, um eine Leuchtdiode auch nur ein kleines bisschen leuchten zu lassen.

Das Strommessgerät im Kollektor des Transistors zeigt nun aber einen sehr viel höheren Strom an, nämlich so um die 20 mA oder mehr. Das würde schon reichen, um eine Leuchtdiode hell aufleuchten zu lassen. Der Transistor verstärkt den Strom durch die Basis also um z. B. das 250- oder 300-fache. Dieser Gleichstromverstärkungsfaktor (englisch: gain) wird als hFE bezeichnet ("h" steht für Kleinsignal, "F" für Forward, also Durchlassstrom, "E" für Emitterschaltung). In älteren Dokumenten wird diese Gleichstromverstärkung auch gerne mit dem griechischen Kleinbuchstaben beta β abgekürzt.

hFE ist aber bei jedem Transistor verschieden, von der Temperatur und auch noch etwas vom Kollektorstrom abhängig. "Schlechte" Transistoren mit niedrigem hFE kriegen ein "A" hinten dran, "bessere" ein "B" und die ganz "steilen" ein "C". Wenn man gar nix weiß, fehlt der Buchstabe. Als Regel kann man sich merken: 100 können alle, außer Leistungstransistoren, die können nur 40 oder ganz dicke auch mal nur 25. Leistungstransistoren heißen deshalb so, weil sie Ströme von 1 Ampere und mehr vertragen, aber eigentlich auch weil sie mehr (thermische) Wärmeleistung vertragen, die sie mit ihren klobigen Metallflächen nach außen abgeben können.

Das hohe oder niedrige hFE kann uns erst mal egal sein, wir wissen ja jetzt, wie man es messen kann. Habe ich gemacht, mit zehn Exemplaren des Transistors BC547B. Die 9V-Batterie hatte 9,31 V, der Basiswiderstand gemessene 99,5kΩ, der Basisstrom belief sich also auf
I [µA] = 1.000.000 * (9,31 - 0,65) / 99.500 = 87,04µA.

Das ist, was bei den 10 Messungen herauskam. In der zweiten Spalte steht der gemessene Strom in [mA], in der dritten die sich daraus errechnende Gleichspannungsverstärkung hFE (hFE = ICE / BE) und in der vierten habe ich die thermische Leistung des Transistors
P [Watt] = UCE [V] * ICE [A]
P [mW] = 1.000 * P [W]

eingetragen.
#ICE [mA]hFEPCE [mW]
125,55294238
231,28359291
328,43327265
430,68353286
533,60386313
633,53385312
727,95321260
828,78331268
932,90292306
1025,45292237
Die hFE-Werte liegen alle zwischen 290 und 390. Das heißt, dass der kleine Basisstrom einen um ca. 300-fach höheren Kollektorstrom fließen lässt.

Wenn man das so macht, sieht man gleich noch einen anderen Effekt: die Messwerte des Stroms steigen zu Beginn jeder Messung ziemlich rasant an und man hat Schwierigkeiten, was Verlässliches abzulesen, weil es immer noch lange etwas mehr Strom wird. Das kommt davon, dass durch die erzeugte thermische Leistung des Transistors (siehe letzte Spalte, ca. 300 mW) die Temperatur des Transistors bei der Messung auf bis zu 50°C ansteigt. Die erhöhte Temperatur steigert auch den Kollektorstrom und das hFE.

Der BC547 darf aber nicht mehr als maximal 500 mW verbraten, weil er sonst zu heiß wird und Schaden nehmen würde. Das liegt daran, weil die Wärme, die an der Siliziumplatte entsteht, nur sehr langsam an das Plastikgehäuse und die Anschlussdrähte abgegeben wird. Das gibt man als Wärmewiderstand in Grad Celsius pro Watt an. Beim BC547 sind das 250°/W. Da er bei 150°C am Silizium kaputt geht, sind das bei 25°
Pmax = (125 - 25) [°C] / 250 [°C/W] = 0,4 [W] = 400 [mW]



Irgendwann verliert der erhitzte Transistor bei der Messung so viel Wärme durch seine Anschlussdrähte und durch die Luft um ihn herum, dass seine Temperatur nicht mehr so arg ansteigt und man dann etwas genauer den Strom ablesen kann. Wer sich also auf einen ganz bestimmten hFE-Wert verlässt, hat schon verloren, wenn der Sommer oder der Winter anbricht. Man kann den Effekt aber auch dazu nutzen, um die Außentemperatur zu messen, nur darf dann der Strom durch den Transistor nicht so arg hoch wie im vorliegenden Fall sein.

PNP-Transistor als Stromverstärker Wie wäre das nun bei einem PNP? Der Kollektor kommt über das Strommessgerät an Minus, der Emitter an Plus. Der Widerstand kommt jetzt an Minus und die Spannung an der Basis liegt jetzt um ca. 0,65 V unter der Betriebsspannung.

Dasselbe gilt jetzt für die Gleichstromverstärkung: Der Kollektor-Emitter-Strom ICE ist um das hFE-fache größer als der Basisstrom IBE. Jetzt ist der Transistor "An", wenn man die Basis ein wenig auf Null Volt hinzieht. Ebenfalls umgekehrt wie beim NPN.

2 Der Transistor als Schalter

BD439 Transistor als Motorschalter Wozu das alles? Wenn man mit einem kleinen Strom, z. B. mit 8,65 mA aus einem CMOS-Digitalausgang, einen ganz großen Strom einschalten möchte, um damit zum Beispiel einen Gleichspannungsmotor von einem Ampere an- und auszuschalten, macht das der Transistor-Gleichstromverstärker. Dazu braucht man einen Transistor mit einem hFE von 1.000 [mA] / 8,65 [mA] = 116, der 1 Ampere Kollektorstrom aushält, was z. B. ein BD439 kann. Leider hat der aber nur ein hFE von ca. 140 und schafft daher das eine Ampere nur dann, wenn man keinen Montags-Transistor erwischt.

Bei dieser (und bei weiteren Schaltungen mit Motoren oder Relais) ist eine Diode in Sperrrichtung eingezeichnet. Wozu das denn? Wenn man eine Spule (und die ist in dem Motor eingebaut) von einem Strom durchfließen lässt, baut diese ein Magnetfeld auf. In dem Magnetfeld ist ein Teil der Energie, die mit dem Strom in die Spule gelangt, enthalten (der Teil, der nicht in Wärme umgewandelt wird). Wenn jetzt der Strom etwas niedriger werden würde, würde sich dieses Magnetfeld verringern und die gespeicherte Energie dieser Verringerung entgegen wirken: die Verringerung des Stroms wird abgebremst, indem aus dem Magnetfeld "rückwärts" Strom in die Stromquelle fließt. Das solange bis die gespeicherte Energie dem neuen Stromfluss entspricht, dann ist das Magnetfeld teilweise entladen.

Wenn der Transistor nun weniger Strom liefert und sich das Magnetfeld sich dieser Änderung widersetzt, wo geht dann der Strom hin? Die CE-Strecke kann den "Rückstrom" aus dem Magnetfeld nicht nach Masse ableiten, weil sie ja als Diode wirkt und negative Spannung am Kollektor zum Emitter hin nicht durchgelassen wird. Und noch dramatischer: Wo soll die gespeicherte Energie hin, wenn der Transistor den Strom abrupt und gänzlich ausschaltet? Dann gibt es keine Stromquelle mehr, weil die CE-Strecke rückwärts nix durchlässt. Nun: Energie, die nicht durchgelassen wird, macht um so höhere Spannung: beim Abschalten kann so ein Motormagnet Spannungen von einigen Hundert Volt und mehr kriegen. Und das würde die nichtleitende CE-Strecke zerstören, weil sie für diese Hochspannung nicht ausgelegt ist (beim BC547 sind das gerade mal 50 Volt).

Dafür also die Diode: sie bietet dem Rückstrom einen bequemen Ausweg. Wird die Spannung am Motor negativ, wird sie leitend und schließt die Spannung mal eben kurz. Die Diode muss dabei etwa ebenso viel Strom verkraften, wie man zum Laden des Magnetfelds aufgewendet hat (also hier ca. 1 A). Eine 1N4148 wäre damit überfordert und schnell kaputtgeschossen. Es müsste da schon eine 1N4000 oder noch was Dickeres her.

Wozu diese Schaltung wenn man den Motor auch mit einem hundsordinären mechanischen Schalter ein- und ausschalten kann? Nun, mechanische Schalter altern und geben irgendwann ihren Schaltergeist auf. Und schon wegen dem Hochspannungsrückschlag bei jedem Abschalten des Motors brennen im Schalter jedesmal ein paar Mikrogramm Eisen ab und verwandeln sich in Eisenoxid, vulgo Rost. Irgendwann ist dann der Schalter überwiegend Rost, die Kontakte leiden und ihr Widerstand steigt. Was das Altern dann noch beschleunigt, weil dann bei jedem Schalten auch noch Wärme erzeugt wird (P = U * I, I = U / R, P = U2 / R) und irgendwann weigert sich der Schalter seinen Namen noch ernst zu nehmen: er schaltet nur noch manchmal und irgendwann gar nicht mehr. Lummerland ist schlicht abgebrannt.

Transistoren altern hingegen praktisch gar nicht. Und der Rückschlagdiode ist es auch weitgehend egal, wie oft durch sie mal Abschaltstrom hindurch geflossen ist. Schon das dürfte ein gutes Argument sein, die Mechanik wegzulassen und lieber den Transistor schalten und walten zu lassen.

Das Gleiche gilt übrigens auch für irgendwelche Relaiskontakte, die Schlaumeier statt des mechanischen Schalters verwenden. Bei denen kann man beim Abbrennen manchmal sogar zuschauen, wenn sie ein durchsichtiges Gehäuse haben: jedes Abschalten ein kurzer Blitz am Kontakt. Beim Transistor blitzt da rein gar nix.

3 Darlington-Transistoren

MJ3000 Darlington-Schaltung Was tun, wenn die Verstärkung eines Transistors nicht ausreicht, um mit einem kleinen Basisstrom einen ganz großen Kollektorstrom (z. B. von 5 Ampere) voll durchzusteuern? Abhilfe schafft da ein zweiter Transistor: er verstärkt den Basisstrom zusätzlich und treibt damit die Basis des BD439 an. Das erhöht mit einem BC547A die Verstärkung auf 180 * 140 = 25.200. Die Schaltung heißt Darlington und kommt mit beiden Transistoren und dem Widerstand in einem einzigen Gehäuse auch integriert, z. B. als BD677 oder, für noch höhere Ströme, als MJ3000 wie in dem nebenstehenden Bild zu sehen.

Da nun zwei Basis-Emitter-Strecken Spannung fressen, braucht der Darlington ca. 1,3 V zur Ansteuerung. Dafür hat das Gebilde jetzt so viel Verstärkung, dass es auch den hohen Anlaufstrom des Motors mit 5 A voll aussteuert.

Die noch verbleibende Restspannung an der CE-Strecke bei voller Aussteuerung liegt bei ca. 0,2 V und macht dem Motor nichts mehr aus. Weil die Leistung der CE-Strecke in diesem Fall bei P = U * I = 0,2 [V] * 1 [A] = 0,2 [W] liegt, brauchen wir dafür eigentlich gar keinen Leistungstransistor mehr, denn das kann auch ein BC547. Nur für die kurze Zeit, die der Transistor braucht, um von Null auf Voll zu gehen, verbrät er dann noch Leistung. Aber der BC547 ginge bei 1 [A] Kollektorstrom auf jeden Fall kaputt, weil er nur für maximal 0,1 [A] gemacht ist. Die niedrige thermische Leistung im durchgeschalteten Zustand bedingt aber, dass wir den Leistungstransistor nicht groß kühlen müssen, er muss nur die 1 [A] vertragen. Also immer schön die vom Hersteller spezifizierten Grenzen (Spannungen, Ströme, thermische Leistung) im Auge behalten, wenn man den Transistortyp auswählt. Die Datenblätter aller Transistoren kriegt man aus dem Internet, wenn man nach "Transistor BC547 datasheet" sucht.

4 Bipolare Treibertransistoren

Brückenschaltung Was nun, wenn man den Motor heute rechts herum und morgen links herum drehen lassen will. Schlaumeier vertauschen einfach die Anschlüsse des Motors oder benutzen einen zweipoligen Umschalter und sind schon fertig. Aber auch das kann man elektronisch mit Transistoren lösen. Wir brauchen dazu für jeden Anschlussdraht des Motors zwei Transistoren: einen der den Anschluss auf Plus, und einen weiteren, der denselben auf Minus ziehen kann. Jeweils nur einer der beiden Transistoren wird eingeschaltet, der andere bleibt ausgeschaltet damit kein Kuddelmuddel-Kurzschluss die Transistoren killt. Auf der anderen Seite des Motors genau umgekehrt und schon ist die Vorwärts-/Rückwärtsteuerung perfekt.

Die vier Transistoren, je zwei BD439 und BD440, treiben jetzt wechselseitig die Brücke an. Im gezeichneten Zustand ist der linke BD439 leitend geschaltet, da seine Basis über 1 kΩ und die untere Zenerdiode auf Plus-Potenzial liegt. Wäre der linke Schalter SL anders gepolt, dann läge die Basis des oberen Transistors, eines PNP, über die obere Zenerdiode und dem 1 kΩ-Widerstand auf Minus und er würde leitend. Bei offenem Schalter fließt überhaupt kein Strom, denn die beiden Zenerdioden summieren sich auf eine Spannung oberhalb der Betriebsspannung, sie sind daher nicht leitend.

Damit es nicht langweilig wird, ist die rechte Seite anders geschaltet: hier ist der NPN oben und der PNP unten. Ist die linke untere Brücke so wie gezeichnet eingeschaltet, liegt am Emitter des rechten oberen BD439 der Motor über die linke untere CE-Strecke auf niedrigem Potenzial. Der Schalter legt nun die Basis des oberen rechten Transistors über 1 kΩ auf Pluspotenzial, versorgt die Basis mit Strom und der rechte obere Transistor wird leitend. Die roten Pfeile zeigen, wie der Strom in diesem Fall läuft;

Ist der linke Schalter auf der unteren Stellung, dann ist der linke obere Transistor leitend und legt über den Motor den Emitter des unteren rechten Transistors auf Pluspotenzial. Mit dem rechten Schalter SR wird die Basis des rechten unteren Transistors über den Widerstand von 1 kΩ auf Null gezogen, es fließt Basisstrom und der rechte untere Transistor wird leitend. Dass jetzt die Basis des oberen Transistors gegenüber seinem Emitter auf einer negativen Spannung liegt, macht rein gar nix aus, denn die Basis-Emitter-Strecke ist ja eine Diode und sperrt in falscher Richtung den Stromfluss. Beide Basisanschlüsse können daher einfach verbunden werden.

Die Konstruktion auf der rechten Seite ist natürlich einfacher, weil zwei Widerstände und die beiden Zenerdioden der linken Seite entfallen. Wir häten auch die linke Seite so verschalten können. Da aber so sowohl der linke als auch der rechte Schalter in der oberen Stellung an Plus gehen, könnten wir den jetzt auch einfach weglassen und bräuchten nur einen einzigen Schalter. Irgenwie clever, oder?

Da der Motor bei der Brückenschaltung mal vorwärts und mal rückwärts Strom kriegt, geht die Ableitung des Rückstroms aus dem Motor-Magnetfeld natürlich nicht so einfach mit einer Diode. Dafür müssen es hier schon vier Dioden sein.

Das Prinzip der NPN-PNP-Brückenschaltung gibt es auch bei NF-Verstärkern, siehe das Beispiel weiter unten.

5 Der Transistor als Stromregler

Auf Dauer ist das Nur-Aus oder Nur-Ein des Transistorschalters etwas langweilig, Transistoren können noch ganz viel mehr, nämlich regeln.

Nehmen wir an, wir wollten eine Leuchtdiode mit einem gleichbleibenden Strom von z. B. 20 mA leuchten lassen. Das geht mit einem Widerstand natürlich einfacher. Der muss nur so groß sein, dass er die Differenz aus 9 V und der LED-Spannung in Durchflussrichtung (z. B. 2,0 V) wegfängt und beliefe sich auf
RV = (9 - 2,0) / 0,020 = 350 Ω

Mit einem E12-Widerstand von 330Ω würden sich 21,2 mA einstellen. Was, wenn wir statt einer Leuchtdiode nun zwei hintereinanderschalten? Dann verbraten die 2 * 2,0 = 4 Volte. Und der Widerstand müsste jetzt nur noch 250Ω groß sein.

Stromregler mit einem Transistor Eleganter geht das mit einem Transistor. Dazu stellen wir seine Basis mit einem Spannungsteiler aus zwei Widerständen auf die halbe Betriebsspannung ein und legen den Emitter mit einem Widerstand auf eine hohe Spannung. Der Transistor stellt jetzt den Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke so ein, dass die Emitterspannung auf 4,5 - 0,65 V = 3,85 V liegt. Das ist dann der Fall, wenn der Strom durch den Emitterwiderstand von 180Ω dessen Spannung auf 3,85 V bringt. Die Größe des Emitterwiderstands regelt also den Strom, in diesem Fall auf
ICE = (4,5 - 0,65) / 180Ω = 0,021 A = 21 mA

Und das macht er dann immer so, egal ob eine oder zwei LEDs an den Kollektor angeschlossen sind oder ob die Leuchtdiode 2 oder 3 Volt hat und Spannung fressen: die CE-Strecke frisst den Überschuss weg und die LEDs haben immer den gleichen Durchflussstrom.

Natürlich stimmt unsere Rechnung nicht ganz, denn
  1. die Basis-Emitter-Strecke braucht auch Stom, in diesem Fall 21mA / hFE oder ca. 100µA, so dass der Spannungsteiler eine geringfügig niedrigere Spannung aufweist, da die Basis-Emitter-Strecke parallel zum unteren Spannungsteiler-Widerstand liegt,
  2. durch den Emitter-Widerstand fließt nicht nur der CE-Strom sondern auch der Basisstrom. Da aber die 100µA Basisstrom gegen die 21mA CE-Strom kaum ins Gewicht fallen, macht sich das praktisch nicht bemerkbar.






Erweiterte Konstantstromschaltung Um diese Ungenauigkeit zu vermeiden und überdies die Schaltung fit zu machen für (fast) jede beliebige Betriebsspannung, von 4 bis 40 Volt, tauschen wir nur einige wenige Bauteile aus: Jetzt bleibt die Spannung an der Basis immer bei 1,30V, egal welche Betriebsspannung wir anlegen. Bei 4 Volt fließen durch den oberen Widerstand halt I = (4 - 1,3) / 10.000 = 0,00027 A = 270µA, bei 40 V halt (40 - 1,3) / 10.000 = 0,00387 A = 3,87 mA. Und: verlangt die Basis-Emitterstrecke jetzt halt 20 mA / hFE = 100µA, dann verringert sich dadurch nur der Strom durch die beiden Dioden um diese 100µA. Das funktioniert nur dann nicht mehr, wenn der Basisstrom 270µA übersteigt, aber dann würden wir einfach einen halb so großen Widerstand statt 10kΩ nehmen und alles wäre wieder paletti.

Nun ist es auch egal, wieviele der LEDs wir hintereinander schalten. Wenn das die Betriebsspannung hergibt, können wir z. B. 15 hintereinander schalten, macht 30 V. Zusammen mit den beiden Spannungen müsste die Betriebsspannung oberhalb von 31 V liegen, damit alle LEDs mit dem gleichen Strom leuchten.

Man beachte ferner, dass bei 40 V Betriebsspannung und nur einer einzigen LED der Transistor die ganze Restspannung von (40 - 2,0 - 0,65 - 0,1) V abfangen muss und bei 0,02 A eine Wärmeleistung von P = U * I = 0,783 Watt = 783 mW abkönnen muss. Ein BC547 würde da schlapp machen und rasch den Geist aufgeben und den Hitzetod sterben, denn der kann nur unter besonders günstigen Umständen bis zu 500 mW. Aber nur ziemlich verrückte Freaks betreiben eine einzige LED alleine mit 40V Betriebsspannung.

Spannungsregler Die Schaltung mit einer konstanten Spannung an der Basis kann aber noch mehr: da der Transistor immer die um 0,65 V niedrigere Spannung an seinem Emitteranschluss versucht einzustellen, kann man ihn auch als Spannungsregler einsetzen. Dazu setzt man eine um 0,65 V höhere Spannung an seiner Basis an, z. B. mit einer Zenerdiode und einem Widerstand. Am Emitter schließt man die zu versorgende Schaltung an. Egal, was die gerade an Strom verbraucht: der Transistor hält die Spannung immer konstant.

Aber Obacht: die Schaltung ist nicht kurzschlussfest: der Transistor liefert bei einem Kurzschluss alles, was das angeschlossene Netzteil und der Vorwiderstand auf der Zehnerdiode (mal hFE) so hergibt und zerstört sich dabei unter Umständen selber.

Der Elko ist übrigens bitter nötig, da Zenerdioden ziemlich stark rauschen und sich dieses Rauschen mit Verstärkung dann auch auf die Ausgangsspannung fortsetzen würde. Und stark rauschende Versorgungsspannungen können CMOS- oder Mikrocontroller-Schaltungen so richtig zum Nachdenken bringen, ob jetzt der richtige Schaltzeitpunkt ist oder vielleicht doch noch nicht. Der Elko macht daher die Rauschspannung platt.

Brücke mit LED-Konstantstrom Das hier zeigt an einer etwas aufwändigeren Schaltung, wozu eine Brückenschaltung noch dienen kann: sie macht einen Konstantstrom für eine Duo-LED rot/grün. Je nachdem, ob die Duo-LED an Null Volt (rot) oder an +5 Volt (grün) angeschlossen wird, treibt entweder der obere NPN oder der untere PNP die LED an. Durch die beiden Emitterwiderstände von 33Ω wird dabei der Strom bestimmt. Die beiden Widerstände können dabei auch ohne Weiteres sogar unterschiedlich groß sein, so dass die Schaltung auf gleichen Helligkeitseindruck der LEDs eingestellt werden kann.

Die Auslegung sieht vor, die Basisspannung des NPN knapp unter (2,5 + 0,65) V einzustellen, so dass der NPN bei nicht betätigter LED gerade noch nicht leitend wird. Für die Basisspannung des PNP wurde dazu (2,5 - 0,65) V gewählt, so dass der Ruhestrom bei nicht angeschlossener LED sehr gering bleibt.

Wird nun die LED mit ihrer roten Kathode auf Null Volt gezogen, dann stellt sich am Kreuzungspunkt der beiden Emitterwiderstände eine Spannung von +2,0 V ein. Da die Basisspannung des NPN auf 3,14 V liegt, fließt jetzt Strom durch den NPN, bis sein Emitter auf (3,14 - 0,65) = 2,49 V liegt. Das ist bei einen Strom von (2,49 - 2,0) / 33 = 15 mA durch die rote LED der Fall.

Liegt die LED an +5 V, dann liegt der Kreuzungspunkt der beiden Emitterwiderstände auf +3,0 V. Da jetzt die Basisspannung des NPN bei mindestens (3,0 + 0,65) = 3,65 V liegen müsste, um Basisstrom zu bekommen, aber nur bei 3,14 V liegt, ist der NPN still. Dafür ist nun der PNP aktiv: seine Basisspannung liegt bei 1,86 V und der Emitter daher bei (1,86 + 0,65) = 2,51 V. Die Differenz zu +3,0 V treibt nun die grüne LED an.

Der Strom durch die drei Widerstände liegt übrigens bei 160µA. Das ist gegenüber dem Basisstrom von 0,015 / hFE = 0,015 / 300 = 49µA nur wenig, so dass sich die Basisspannung durch das Antreiben der LED nur gering auf die Spannung im Widerstandsteiler auswirkt. Da das zu einer Verringerung des LED-Stroms führt, ist die Änderung durch den Basisstrom jedenfalls nicht schädlich. Wer es noch genauer haben möchte, verkleinert die drei Widerstände in etwa proportional, dann steigt der Spannunsteilerstrom und die Basisströme machen dann noch weniger Einfluss.

Schaltungen wie diese entwirft man mit einer Tabellenkalkulation. In deren Zellen schreibt man sich z. B. die Größe der drei Spannungsteiler-Widerstände, berechnet sich daraus die Basis- und daraus wiederum die Emitterspannungen. Daraus ergibt sich dann auch der Strom. Mit der Kalkulation kann man mit den Werten spielen und kann so sehen, ob es funktionieren könnte.

6 Der Transistor als Analogverstärker

Die Konstantstrom- oder Konstantspannungs-Schaltung macht kaum Gebrauch von der Verstärkung, die Transistoren so aufweisen. Das ist bei Analogverstärkerschaltungen anders: sie sollen NF-Spannungen verstärken und können das nur, wenn der Transistor die Verstärkung liefert.

Verstärker können für Kleinsignale von wenigen Millivolt oder für Großsignale von mehreren Volt ausgelegt werden. Hier zunächst die Kleinsignalvariante.

Das NF-Signal einfach an die Basis anzulegen, würde gar nix bringen. Weder erreicht der Wechselstrom in seiner Spitze Spannungen, die die Basis überhaupt beeindrucken würden (ab 0,65 V geht es erst los) noch machen die negativen Spannungsspitzen der Basis Eindruck, da sie der Basis-Emitter-Diode mit völlig falscher Polarität, und zwar in Sperrrichtung, nicht beikommen.

Verstärker mit Baisstrom-Einstellung Es muss daher schon von vornherein ein Basisstrom eingestellt werden, damit es funktioniert. Das macht der 1MΩ-Widerstand in dieser Schaltung: von vornherein fließen schon mal 8,4µA und verursachen bei einem hFE des Transistors von 200 einen Kollektorstrom von 1,7 mA. Der Kollektor-Widerstand von 2,7kΩ ist so bemessen, dass an ihm etwa die halbe Betriebsspannung abfällt.

Die NF-Eingangsspannung steuert jetzt ihren Beitrag zum Basisstrom bei. Dazu wird sie mit einem Kondensator gleichstrommäßig getrennt, denn an der Basis liegen ja +0,65V an, und die sollen auch so dableiben. Dasselbe am Kollektor: die weitere Signalverarbeitung erfolgt über einen Kondensator, der die Wechselspannung durchlässt und die Gleichspannung aussperrt.

Die Schaltung kehrt die Polarität des Eingangssignals um: steigt der Basisstrom durch positive Spannungsspitzen an, zieht der Transistor mehr Kollektorstrom und die Spannung am Kollektor sinkt. Umgekehrt bei negativen Spannungsspitzen: der Kollektorstrom sinkt, die Kollektorspannung steigt. Es handelt sich also um einen invertierenden Verstärker.

Das Gebilde verstärkt das Signal ca. 61-fach (ein Teil der Verstärkung des Transistors verschwindet in der Herabsetzung des Ausgangswiderstands der Schaltung), macht also aus 5 mV Mikrofonspannung ca. 250 mV verstärktes Signal. Brauchen wir mehr, darf es auch ein Transistor mehr sein.

Die Schaltung ist nicht sehr Großsignal-spannungsfest. Schon mit etwas mehr als 65 mV Eingangsspannung verzerrt das Ausgangssignal, weil der Transistor mehr als I = 9 / 2700 = 0,0033 A = 3,3 mA an Kollektorstrom zieht und die Kollektorspannung bei den positiven Spannungsspitzen des Wechselstromsignals gegen Null geht. Um mehr zu können, braucht es etwas mehr an Kollektorstrom, z. B. 5 mA, und etwas weniger Kollektorwiderstand. Aber den Verstärker bauen wir etwas anders.

Verstärker mit Arbeitspunkt-Stailisierung Bei diesem Verstärker erkennen wir einige Elemente aus dem Kapitel über Konstantstrom: Damit ist auch bei wechselndem hFE (durch Temperatur und Exemplarstreuung) der etwa gleiche Arbeitspunkt des Transistors eingestellt.

Da der Emitterwiderstand auch für die dem Basisstrom aufgeprägte Wechselspannungsänderung bei Ansteuerung der Basis ebenfalls eine Gegenkopplung bewirken und damit eine Minderung der Verstärkung verursachen würde, wird der Emitter-Widerstand mittes des 10µF-Elkos für Wechselspannung kurzgeschlossen. Sein Scheinwiderstand beträgt bei 100 Hz ZC = 1 / 2 / Π / 100 / 0,000.01 = 159Ω. Da die beiden Widerstände, 220Ω und 159Ω parallel geschaltet sind, beträgt der Widerstand für 100 Hz Wechselspannung nur RE(100) = 1 / (1 / 220 + 1 / 159) = 92,3Ω und bei höheren Frequenzen sogar noch viel, viel weniger. Er bremst daher die Verstärkung nicht so arg ab.

Die Spannungsverstärkung beträgt in diesem Fall bei 1.000 Hz etwa 38, die maximale Höhe des verarbeitbaren Eingangssignals liegt bei 160 mVpp. Vpp wird als Volt-Peak-Peak ausgesprochen und ist bei Wechselspannung der Spannungsunterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt der Spannung. Die Umrechnung von Veffektiv in Vpp erhält man durch Multiplikation mit 2 und mit Wurzel aus 2. 160 mVpp entsprechen daher 56,6 mVeff.

Der Kollektor-Ruhestrom ist mit 5 mA ein wenig kräftiger ausgelegt als beim vorherigen Beispiel. Diese Stufe kann daher als nächste an die Erste angehängt werden, wenn mehr Verstärkung gebraucht wird. Da beide Verstärkerschaltungen das Eingangssignal invertieren, hebt sich die Invertierung der ersten Stufe in der zweiten wieder auf und wir kriegen ein nicht-invertiertes Signal am Ende heraus.

Brückenverstärker Wer noch mehr Leistung braucht, z. B. um einen 8Ω-Lautsprecher mit zwei Watt anzutreiben, der braucht dazu etwas mehr als nur die 5 mA, denn P = U * I und I = U / R und beides zusammen ist P = U2 / R und U = √(P * R) = √(8 * 2) = 4 V. Bei 4 V fließen allerdings durch einen 8Ω-Lautsprecher schon I = U / R = 4 / 8 = 0,5 A, also 100 mal mehr als in der obigen Verstärkerstufe. Da die Leistungen, Spannungen und Ströme effektive Größen sind, braucht diese Stufe schon 4 * 2 * √(2) = 11,3 Vpp und lässt sich mit einer 9V-Batterie gar nicht mehr erreichen, es muss also mehr her.

In dem gezeichneten Beispiel taucht wieder die Brückenschaltung mit einem NPN und einem PNP auf, die wir schon vom Motorteiber her kennen. In dieser Schaltung arbeitet diese aber analog und nicht als Schalter. Die NF-Eingangsspannung liegt dazu am positiven Eingang eines Operationsverstärkers. Dieser vergleicht ein Zehntel der Spannung am Emitter des NPN und des PNP bzw. des Lautsprechers mit der Eingangsspannung. Ist diese niedriger als das Zehnfache der Eingangs-Signalspannung, dann wird die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers höher, ist sie niedriger wird sie verringert. Die beiden Basen des NPN- und des PNP-Transistors werden also entsprechend der Eingangsspannung gesteuert und dabei mit zehn multipliziert.

Aber Obacht, die Schaltung ist unvollständig. Damit das Ganze stabiler wird, müssen noch einige Anti-Schwing-Maßnahmen eingebaut werden, denn solche Operationsverstärker sind sehr schnell. Auch sollte die Betriebsspannung des Operationsverstärkers stabilisiert sein, damit sie nicht von der Aussteuerung des Lautsprechers abhängig ist. Wer funktionierende NF-Verstärker nach diesem Prinzip sucht, wird im Internet fündig, z. B. hier.

7 Der Transistor als Sinusoszillator

Transistoren können aber noch viel als nur Schalten und Verstärken: sie können sogar zum Schwingen angeregt werden und produzieren dann sehr schöne Sinuswellen. Und das geht so.

Transistorspannungen Transistorschaltung Der Analogverstärker aus dem vorherigen Kapitel hat eine sehr brauchbare Eigenschaft, um das zu bewerkstelligen: er kehrt die Polarität des analogen Eingangssignals um.

Wird die Spannung an der Basis etwas höher als vorher, dann steigt der Emitterstrom an und die Emitterspannung wird höher. Mit höherem Emitterstrom wird aber auch der Kollektorstrom höher. Da ein größerer Kollektorstrom am Kollektorwiderstand dazu führt, dass die an ihm abfallende Spannung größer wird, sinkt die Spannung am Kollektor. In der Darstellung ist das für unterscheidliche Basisspannungen dargestellt. Das Signal am Kollektor ist also gegenläufig zur Basisspannung. Im Elektroniker-Jargon nennt man das "Phasenumkehr".

Die Verstärkung des Transistors beträgt in diesem Fall genau 5,7, weil der Kollektorwiderstand 5,7-mal größer ist als der Emitterwiderstand.

Wenn wir das Signal am Kollektor nun einfach an die Basis zurückkoppeln würden, kriegen wir einen Oszillator: steigende Basisspannung verringert die Kollektorspannung, verringerte Kollektorspannung senkt die Basisspannung und steigert damit die Kollektorspannung. Da das beides mit Maximalgeschwindigkeit erfolgt, kriegen wir einen ziemlich schnellen Oszillator: so in der Nähe der Grenzfrequenz des Transistors, bei der seine Verstärkung Eins wird. Das ist bei einem BC547B so um die 300 MHz, und etwas zu schnell für einen Lautsprecher und das menschliche Ohr. Es muss also eine Bremse rein in die Rückkopplung, die diese etwas verzögert.

Solche Bremsen sind RC-Glieder aus einem Widerstand und einem Kondensator. Diese verzögern das Signal, weil der Kondensator etwas Zeit braucht, bis er geladen und wieder entladen ist. Die komplette Schaltung sieht dann so aus:

Transistoroszillator Die Rückkoppelei erfolgt über Kondensatoren mit 22 nF und Widerstände mit 10 kΩ. In der dritten Stufe stellen die Widerstände von 15 kΩ und 47 kΩ parallel als auch der Basiswiderstand die 10 kΩ ebenfalls ein.

Dem Emitterwiderstand ist, wie bei der Verstärkerschaltung, ein Kondensator von 1 µF parallel geschaltet, der die Verstörkung bei Wechselspannung erhöht. Der Kondensator hat bei 598 Hz einen kapazitiven Scheinwiderstand von ZC = 1 / 2 / Π / 598 / 10-6 = 266 Ω, parallel zum 470 Ω haben beide zusammen 170 Ω. Während die Gleichspannungsverstärkung des Transistors V= = 2700 / 470 = 5,7 beträgt, ist seine Wechselspannungsverstärkung auf V~ = 2700 / 266 = 15,9 angestiegen. Genug, aber nicht übermäßig Verstärkung.

Noch ein wenig Rechnerei. Die Schaltung schwingt bei 598 Hz. Das entspricht einer Kreisfrequenz von ω = 2 * Π * 598 = 3.757 (klein omega). Die Kreisfrequenz ω entspricht ω = 1 / R / C. Damit kann man mit f = 1 / 2 / Π / R / C den Oszillator mit jeder gewünschten Frequenz designen. Aber aus der Formel keine Wunder erwarten: die resultierende Frequenz weicht immer ein wenig von der errechneten ab, schon weil die Kondensatoren um 10% nach oben und unten abweichen. So hätten es hier eigentlich 723 Hz sein sollen, es sind aber nur 598. Wer es ganz frequenzgenau haben will, nimmt einen Mikrocontroller und ein R/2R-Netzwerk, wie bei diesem hier. Das hat dann Quarzgenauigkeit. Wer einfach nur ein wenig herumpiepsen will, braucht das aber nicht und ist mit dem hier besser bedient.

Breadboard-Aufbau Oszillator Oszillogramm des erzeugten Signals Links sieht man den schnuckeligen Aufbau des Ganzen auf dem Breadboard. Rechts ist das schöne Ergebnis der Bemühungen auf dem Oszi zu sehen: ein astreiner Sinus. Schöner geht nur mit einem echten LC-Oszillator.

8 Der Transistor als HF-Verstärker

Was wenn es jetzt etwas schneller zugeht als mit 600 Hz. Dann kann man entweder einen Breitbandverstärker bauen, ohne Schwingkreis aber mit einem Bandfilter, oder die Schaltung ganz gezielt auf eine einzige Frequenz hin auslegen. Je nach Frequenzbereich kann man weiter mit einem BC547 (dessen Transitfrequenz, bei der die Verstärkung auf Eins zurückgeht, immerhin bei 300 MHz liegt) oder auch mit speziellen HF-Transistoren arbeiten. Die haben ein kleineres Basispfützchen als Dotierung, haben daher etwas weniger hFE, aber das auch bei noch höheren Frequenzen.

ZF-Verstärker für 455 kHz Der Vorteil bei einer Festfrequenz-Verstärkerstufe ist, dass man im Kollektor einen Schwingkreis einsetzen kann, der auf die zu verstärkende Frequenz (hier: 455 kHz) abgestimmt werden kann (hier: mit einer Spule von ca. 100µH). Der Gleichstromwiderstand der Spule ist sehr niedrig, aber der Wechselstromwiderstand bei der Resonanzfrequenz hat es in sich: Damit wird der Kollektorwiderstand viel größer als bei der NF-Schaltung (0,82 kΩ), jede Kollektorstrom-Änderung bewirkt daher 14 bzw. 36 mal so hohe Amplituden am Kollektor und damit eine viel höhere Verstärkung.

Hier sind zwei solcher Verstärkerstufen für eine Empfangsfreuenz von 77,5 kHz (Zeitzeichensender DCF77 auf Längstwelle) beschrieben.

9 Fazit

Transistoren können in sehr unterschiedlicher Weise eingesetzt werden: als Verstärker sowohl als auch als Regler. Es lohnt daher zu lernen, wie solche Teile funktionieren und wozu man sie gebrauchen kann. Auch wenn man dann doch zu einem fertig integrierten IC greift, lohnt es sich zu wissen, wie dessen Innereien funktionieren.

Wer das alles verstanden hat, kann sich hier auch noch die Seiten über Feldeffekttransistoren reinziehen.

©2019/2020 by Gerhard Schmidt