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Transistor einfach erklärt: Schalter und Verstärker
Ein Transistor steuert einen größeren Strom mithilfe einer kleineren elektrischen Steuergröße. Deshalb kann er ohne bewegliche Teile als Schalter arbeiten oder Änderungen eines Signals verstärken.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was steuert ein Transistor?
Wie lässt sich eine LED mit einem kleinen Steuerstrom einschalten? Ein Transistor besitzt dafür einen Laststromkreis und einen Steueranschluss. Die Steuerung verändert, wie gut der Laststrom fließen kann.
Transistor
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauteil mit mindestens drei Anschlüssen. Eine elektrische Größe am Steueranschluss beeinflusst einen größeren Strom zwischen den beiden anderen Anschlüssen.
Transistoren erfüllen vor allem zwei Aufgaben:
- Als Schalter sperren sie den Laststrom oder lassen ihn fließen.
- Als Verstärker übertragen kleine Änderungen der Steuergröße auf größere Änderungen im Ausgangsstrom.
Zwei wichtige Transistorfamilien unterscheiden sich durch ihre Steuerung:
| Transistorfamilie | Anschlüsse | Steuerung |
|---|---|---|
| Bipolartransistor, kurz BJT | Emitter E, Basis B, Kollektor C | kleiner Basisstrom beeinflusst den Kollektorstrom |
| Feldeffekttransistor, kurz FET | Source S, Gate G, Drain D | Gate-Spannung beeinflusst den Strom im Kanal |
Beim Bipolartransistor gibt es die Schichtfolgen npn und pnp. Beim Feldeffekttransistor kann der leitende Kanal n- oder p-dotiert sein.
Drei Anschlüsse bedeuten nicht drei gleichartige Aufgaben: Zwei Anschlüsse gehören zum Laststromweg, der dritte dient der Steuerung.
Wie arbeitet ein npn-Transistor?
Ein npn-Transistor besteht aus einer n-dotierten Emitterschicht, einer sehr dünnen p-dotierten Basisschicht und einer n-dotierten Kollektorschicht. Zwischen den Schichten liegen zwei pn-Übergänge.
Ohne passende Basisansteuerung sperrt einer dieser Übergänge. Zwischen Kollektor und Emitter kann deshalb kein nennenswerter Laststrom fließen.
Wird die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter, läuft der Transistor-Effekt in mehreren Schritten ab:
- Der Basis-Emitter-Übergang wird in Durchlassrichtung betrieben.
- Elektronen gelangen vom Emitter in die sehr dünne Basis.
- Nur ein kleiner Teil erreicht den seitlichen Basisanschluss und trägt zum Basisstrom $I_B$ bei.
- Der überwiegende Teil der Elektronen durchquert die Basis.
- Das elektrische Feld am Kollektor zieht sie weiter zum Kollektor.
- Dadurch entsteht ein Kollektorstrom $I_C$, der wesentlich größer als der Basisstrom ist.
In den beschriebenen einfachen Schaltungen wird der Basis-Emitter-Übergang bei ungefähr $0{,}7\,\text{V}$ leitend. Dieser Näherungswert ist keine allgemein exakte Schaltgrenze: Der tatsächliche Wert hängt vom Bauteil und vom Betriebszustand ab.
Im mikroskopischen Modell bewegen sich die Elektronen beim npn-Transistor vom Emitter durch die Basis zum Kollektor. Strompfeile in technischen Schaltungen folgen dagegen der festgelegten technischen Stromrichtung. Verwechsle daher Elektronenbewegung und technische Stromrichtung nicht.
Stell dir die dünne Basis als einen kurzen Durchgang vor. Von 100 Elektronen, die aus dem Emitter in die Basis gelangen, erreichen in dem vereinfachten Modell ungefähr 99 den Bereich des Kollektors. Nur ungefähr ein Elektron trägt zum kleinen Basisstrom bei. Das erklärt anschaulich, warum der Kollektorstrom viel größer als der Basisstrom sein kann.
Wie schaltet ein Transistor eine LED?
In einer einfachen Schaltung liegt die LED im Kollektor-Emitter-Kreis eines npn-Transistors. Ein kleiner Basisstrom entscheidet darüber, ob der Laststrom durch die LED fließen kann.
Zustand 1: Der Transistor sperrt
Ist die Basis nicht passend angesteuert, bleibt der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke groß. Der Laststrom ist unterbrochen und die LED bleibt dunkel. Der Transistor wirkt wie ein offener Schalter.
Zustand 2: Der Transistor leitet
Wird die Basis gegenüber dem Emitter genügend positiv und fließt ein Basisstrom, wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Strom kann durch die LED fließen. Der Transistor wirkt wie ein geschlossener Schalter.
Dabei erfüllen zwei Widerstände verschiedene Schutzaufgaben:
- Der Basisvorwiderstand begrenzt den Basisstrom.
- Ein Widerstand im Laststromkreis begrenzt den Strom durch die LED.
Das Funktionsschema lautet:
Basisansteuerung → Transistorzustand → LED-Strom → LED-Zustand
Ein Transistor erzeugt die Energie für die LED nicht selbst. Er steuert den Strom, den die Spannungsquelle im Laststromkreis bereitstellt.
Wie verstärkt ein Transistor ein Signal?
Beim Verstärken wird der Transistor nicht nur als vollständig offen oder geschlossen betrachtet. Er arbeitet in einem Zwischenbereich: Kleine Änderungen des Basisstroms bewirken größere Änderungen des Kollektorstroms.
Die Stromverstärkung kann näherungsweise mit
$$B=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$
beschrieben werden. Das Zeichen $\Delta$ bedeutet Änderung. $B$ vergleicht also nicht beliebige Einzelwerte, sondern die Änderung des Kollektorstroms mit der dazugehörigen Änderung des Basisstroms.
Bei einem vereinfachten Transistormodell gilt näherungsweise $B=100$. Der Basisstrom ändert sich um $0{,}02\,\text{mA}$.
$$\Delta I_C=B\cdot \Delta I_B$$
$$\Delta I_C=100\cdot 0{,}02\,\text{mA}=2\,\text{mA}$$
Die Änderung des Kollektorstroms beträgt in diesem Modell ungefähr $2\,\text{mA}$. Das Ergebnis ist plausibel: Sie ist hundertmal so groß wie die Änderung des Basisstroms.
Der Verstärkungsfaktor ist kein für jeden Transistor und jeden Zustand unveränderlicher Wert. Der jeweilige Betriebszustand heißt Arbeitspunkt. Er wird durch die Spannungen, Ströme und die Schaltung festgelegt.
Für einen sicheren Betrieb müssen die Grenzwerte aus dem Datenblatt eingehalten werden. Dazu gehören insbesondere:
- maximaler Kollektorstrom $I_{C,\mathrm{max}}$,
- maximale Kollektor-Emitter-Spannung $U_{CE,\mathrm{max}}$,
- maximal zulässige Verlustleistung $P_V$.
„Kleiner Steuerstrom, großer Laststrom“ bedeutet nicht „beliebig großer Laststrom“. Bauteilgrenzen und Strombegrenzung bleiben notwendig.
Wie unterscheiden sich BJT und FET?
Beim Bipolartransistor beeinflusst ein Basisstrom den Laststrom. Beim Feldeffekttransistor verändert dagegen eine Spannung am Gate die Leitfähigkeit eines Kanals zwischen Source und Drain.
Beim n-Kanal-JFET ist dieser Kanal ohne Gate-Spannung zunächst leitfähig. Eine negative Gate-Spannung verbreitert die Sperrschichten am Kanalrand:
negativere Gate-Spannung → breitere Sperrschicht → engerer Kanal → kleinerer Drain-Source-Strom
Bei ausreichend negativer Gate-Spannung wird der Kanal blockiert. Die Gartenschlauch-Analogie kann dir die Verengung veranschaulichen: Drückst du einen Schlauch zusammen, fließt weniger Wasser. Die Analogie erklärt aber nur die Änderung des Querschnitts, nicht die Bewegung elektrischer Ladungen im Halbleiter.
Auch ein MOSFET besitzt Gate, Drain und Source. Seine Gate-Struktur enthält Metall, eine isolierende Oxidschicht und Halbleitermaterial. Nach der Art des Kanals unterscheidet man unter anderem NMOS und PMOS.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Transistor
- Aufgaben: schalten und verstärken
- Bipolartransistor: Emitter, Basis, Kollektor
- npn-Effekt: Basisansteuerung ermöglicht großen Kollektorstrom
- Feldeffekttransistor: Source, Gate, Drain
- Schaltung: Steuerzweig beeinflusst Laststromkreis
- Sicherheit: Widerstände und Bauteilgrenzen beachten
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du bei einer neuen Schaltung zuerst den Steueranschluss, dann den Laststromweg und schließlich den erwarteten Zustand sperrend, leitend oder verstärkend bestimmen kannst.