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Bauteile: TransistorBauteile: Transistor

von OlafSt

Transistoren lassen sich heute in zwei Obergruppen aufteilen:

Bipolare Transistoren Feldeffekt-Transistoren
(auch unipolare Transistoren genannt)
Bilpolare Transistoren FET

Beide funktionieren nach demselben Prinzip, ihre Ansteuerung unterscheidet sich allerdings drastisch.

Bipolare Transistoren

Bipolare Transistoren bestehen aus drei "aneinandergeklebten" Siliziumkristallen. Zwei dieser Kristalle sind, verglichen mit dem dritten Kristall, sehr groß.

Jedes dieser Kristalle besteht im wesentlichen aus Silizium, nur noch selten findet man Germanium als Hauptbestandteil. Diese Kristalle werden nun sehr gezielt verunreinigt (dotiert):

  • Man mixt Aluminium, Gallium oder ein anderes Element hinzu, das über drei Valenzelektronen verfügt
  • Man mixt Phosphor, Schwefel oder ein anderes Element hinzu, das über fünf Valenzelektronen verfügt

Diese Valenzelektronen sorgen für den eigentlichen Stromfluß, da sie mehr oder weniger frei im Kristall umherschwirren können.

Silizium selbst hat 4 Valenzelektronen. Kippen wir also Aluminium hinzu, schwirren im Kristall plötzlich zuwenig freie Elektronen herum - das Kristall ist "p-Dotiert". Entsprechend wird bei Phosphorzumischung ein "n-dotiertes" Kristall draus, da wir hier plötzlich zuviele Elektronen haben.

Diese Arten von dotierten Kristallen werden nun zusammengeklebt:

  • Jeweils zwei n- und ein p-dotiertes Kristall ergibt einen NPN-Transistor
  • Zwei p- und ein n-dotiertes Kristall ergibt einen PNP-Transistor

Das Geheimnis ist nun: Dieses mittlere Kristall ist viel kleiner und dünner als die beiden anderen Kristalle. An jedes dieser "Schichten" wird ein Draht angebracht; die mittlere Schicht nennen wir "Basis", die beiden anderen "Kollektor" und "Emitter" - fertig ist der Transistor.

Wie funktioniert so ein Transistor, am Beispiel des NPN ?

Wichtigster Gesichtspunkt bei unserem Transistor ist die Leitfähigkeit zwischen Kollektor und Emitter

Ganz und gar ohne irgendwelche Beschaltung bilden sich an den Grenzen der Schichten, wie bei einer Diode, neutrale Zonen aus. Logisch, denn in der N-Zone haben wir zuviele, in der P-Zone zuwenig Elektronen - das ganze wird sich ausgleichen. Die sich ausbildenden Grenzschichten verhindern allerdings eine komplette Neutralisation der Basis-Zone.

Transistor als Schalter

Zeitgleich verhindern beide Grenzschichten einen Stromfluß zwischen Kollektor und Emitter. Der Transistor sperrt.

Nun greifen wir uns ne Batterie, klemmen den Pluspol an die Basis (P-Dotiert) und den Minuspol an den Emitter (N-Dotiert). Und, wie bei einer Diode auch, fließt ein Strom. Die Grenzschicht zwischen Basis und Emitter wird abgebaut, denn in die Basis wird ein Strom getrieben, der vom Emitter sofort wieder abgeleitet wird. Man sagt, die Basis-Emitter-Strecke ist leitend.

Nun ist da nur noch die winzige Sperrschicht zwischen Kollektor und Basis. Liegt eine positive Spannung nun auch am Kollektor an, wird diese ebenfalls mit Strom "überflutet" und es fließt ein Strom vom Kollektor zum Emitter. Der Transistor ist leitend.

In diesem einfachen Fall ist der Transistor ein simpler Schalter - aber er hat keine Kontaktzungen, keine Spulen, nichts. Mit einem Strom kann man plötzlich einen anderen Strom schalten, viel schneller und effektiver als mit Tastern, Schaltern oder Relais.

Wer das nun einfach so ausprobiert hat, braucht einen neuen Transistor. Die leitende Basis-Emitter-Strecke hat einen Widerstand von praktisch Null Ohm, ergo sind etliche mA geflossen und der Transistor ist zerstört worden...

Wir lernen: Ströme am Transistor müssen begrenzt werden - am besten mit Widerständen. Mit ein paar mehr Bauteilen kann man den Schalteffekt auch sehen:

Wir lassen die Birne leuchten, greifen uns ein Voltmeter und halten es direkt an Basis und Emitter des Widerstandes.

Ups... Da liegen in etwa 0.7V an ! Wie kann das sein, wo der Widerstand zwischen Basis und Emitter praktisch Null ist ? Ganz einfach: Ein Transistor ist ein Halbleiter, kein Kohleschichtwiderstand. Diese 0.7V müssen anliegen, damit die Grenzschicht zwischen Basis und Emitter abgebaut wird - bei allen Silizium-Transistoren wird man diese 0.7V finden. Ist diese Schicht verschwunden, hält nichts mehr den Strom auf, ergo Null Ohm.

Nur zur Info: Bei Germanium-Transistoren sind es 0.3V - bei ALLEN Germaniums.

Transistor als Verstärker

Im ersten Fall haben wir wenig auf Ströme und Spannungen geachtet. Spielt auch nur eine untergeordnete Rolle, wenn der Transistor nur schalten soll.

Die einzigartige Konstruktion des Transistors erlaubt aber noch wesentlich mehr: Das Steuern von Strömen.

Tatsache ist, das man den Abbau-Grad der Basis-Emitter-Grenzschicht einstellen kann. Fließt nur wenig Strom in die Basis, wird die Grenzschicht nur zum Teil abgebaut - egal, wie groß die Spannung an der Basis ist (nur mindestens 0.7V muß sie betragen). Fließt viel Strom, wird sie stärker und schließlich komplett abgebaut.

Eine nur zum Teil abgebaute Grenzschicht wirkt aber wie ein Widerstand - und dieser begrenzt Ströme, wie wir ja wissen. Ergo behindert diese teilweise noch vorhandene Grenzschicht selbstverständlich auch den Kollektor-Emitter-Strom ! Natürlich hat auch die leitende Kollektor-Emitter-Strecke beinahe Null Ohm Widerstand - aber auch hier gilt wieder: Das ist kein Kohlewiderstand, sondern ein Halbleiter. Zwischen Kollektor und Emitter müssen nun ZWEI Sperrschichten überwunden werden, ergo mißt man zwischen Kollektor und Emitter stets ~1.4V.

Bedingt durch die Winzigkeit der Basis-Schicht kann man sich vorstellen, das gar nicht viel Strom fließen muß (und kann). Durch die dicken Kollektor- und Emitterschichten allerdings kann man ganz andere Klassen von Strömen jagen. Also gilt generell: Kleiner Basisstrom, großer Kollektorstrom.

Dieses Verhältnis zwischen Basis- und Kollektorstrom ist exakt definiert: Man nennt es "Gleichstrom-Verstärkungsfaktor", oder kurz "B". Es gibt an, wieviel größer der mögliche Kollektorstrom sein kann, als der Basisstrom:

B = Ic / IB

Ein BC548 z.B. hat ein B von ~100. Daraus folgt, das irgendein Basisstrom einen 100x stärkeren Kollektorstrom zuläßt. Dieser Kollektorstrom kann, muß aber nicht unbedingt fließen. Ergo: mit geradezu lächerlichen 100µA Basisstrom kann man maximal 100 x 100µA = 10mA Kollektorstrom fließen lassen und somit eine LED zum Leuchten bringen.

Nimmt man anstelle eines Widerstandes an der Basis ein Poti, kann man den Basisstrom regeln - und somit auch den Kollektorstrom. Daraus folgt: Mit dem Poti kann man plötzlich die LED dimmen.

Merke! Bei Biploaren Transistoren steuert man Ströme mit einem Strom. Hört sich schwachsinnig an, gibt aber Sinn, wenn das nächste Kapitel durchgeackert ist.

Weiter mit: Feldeffekt-Transitoren