Hobby-Elektronik: Eine kurze Erklärung des Transistors ohne Theorie für Anfänger

Den Transistor erfanden die beiden amerikanischen Forscher John Bardeen (1908 - 1992) und Walter H. Brattain (1902 - 1987) in den Bell-Laboratories im Jahre 1948. Im Jahre 1956 erhielten sie dafür den Nobelpreis.
Das Bild rechts zeigt das erste funktionsfähige, recht abenteuerlich aussehende Labormuster eines Transistors. Das dreieckige Plättchen besteht aus einem p-dotierten, halbleitenden Germanium-Kristall, der die Basis des Aufbaus bildet (daher der Name). Emitter und Kollektor werden durch seitlich, an der hinteren Kante des dreieckigen Kristalls angesetzte Metall-Kontakte gebildet. Die büroklammer-ähnliche Feder hält das Ganze zusammen. Das untere Bild zeigt den Aufbau schematisch: blau ist der eigentliche Grund-Kristall, daher der Name Basis für den daran befestigten Anschluß. Die Collector- und Emitteranschlüsse sind an zwei mit eindiffundierten anderen Atomen "dotierten" Kristallbereichen (grün) angesetzt.

Zum Verständnis des Transistors gehen wir von einem einfachen Modell (Bild 3a), das zwei gegeneinander gepolte Dioden zeigt, nämlich die eine Diode zwischen Basis und Emitter, die andere Diode zwischen Basis und Collector. Nimm einen NPN-Transistor (z.B. BC 548, Pin-Belegung siehe oben rechts) und messe mit einem Voltmeter in der Stellung "Widerstandsmessung" oder "Diodenprüfung" die beiden Dioden nach. Mit dem Pluspol des Meßgerätes an der Basis und dem Minuspol am Emitter bzw. am Collector findest Du Durchgang ( kleiner Durchgangs-Widerstand), in der umgekehrten Polung findest Du einen unendlich hohen Widerstand, da die Dioden in Sperrichtung gepolt sind. (Bei einem PNP-Transistor (z.B. BC 558, gleiche Pinbelegung) findest Du die umgekehrten Verhältnisse. Man müßte hierfür beim Dioden-Modell die beiden Kathoden zusammenschalten.). Zwischen Collector und Emitter findest Du immer einen hohen Widerstand egal wie herum die Polung der Meßschnüre ist, da immer eine der beiden gegeneinander gepolten Dioden in Sperrichtung liegt.
Unser Dioden-Modell nach Bild 3a, das dem NPN-Transistor (Bild 3b) entspricht liefert zunächst folgende wichtigen Erkenntnisse:
1) Man darf niemals ohne Vorwiderstand an die Basis eine positive Spannung (größer 0,65 Volt) genüber dem Emitter legen, da die dann in Durchlaßrichtung gepolte Basis-Emitter-Diode einen Kurzschluß darstellt und der Transistor ohne den strombegrenzenden Vorwiderstand durch Abrauchen in die ewigen Jagdgründe entschwindet. Die Basis-Emitter-Diode kann bei den Kleinleistungs-Transistoren meist höchstens einige Millampere vertragen. (Das Gleiche gilt natürlich auch für die Basis-Collector-Diode, die für unsere Betrachtung jedoch weniger wichtig ist, da sie in der Praxis fast immer in Sperrichtung betrieben wird.)
2) Die Basis-Emitter-Diode wird praktisch immer in Durchlaßrichtung betrieben. Wegen der steilen Dioden-Kennlinie kann zwischen Basis und Emitter niemals eine größere Spannung als etwa 0,65 Volt auftreten (ca. 0,4 Volt bei den heute nicht mehr gebräuchlichen Germanium-Transistoren). Mißt man in einer Schaltung eine deutlich höhere Spannung (oder auch keine Spannung), ist der Transistor garantiert kaputt.

Zum eigentliche Transistoreffekt soll uns nun folgendes Gedankenexperiment führen: Denke Dir in Bild 3a an die Basis über einen Vorwiderstand eine positive Spannung (+) gegenüber dem Emitter und an den Collector eine noch höhere positive Spannung (++) gegenüber dem Emitter gelegt. Nach unserem Dioden-Modell wäre zu erwarten: 1) Es fließt ein kleiner durch den Vorwiderstand begrenzter Strom durch die in Durchlaßrichtung gepolte Basis-Emitter-Diode, 2) die Basis-Collector-Diode ist in Sperrichtung gepolt, durch sie fließt kein Strom, 3) vom Collector zum Emitter fließt ebenfalls kein Strom, da eine der beiden Dioden, nämlich ebenfalls die Collector-Basis-Diode in Sperrichtung gepolt ist.
Doch es passiert etwas ganz anderes, für dessen Verständnis unser Dioden-Modell nicht mehr brauchbar ist, wir kehren daher zum Transistor-Schema Bild 2 zurück. Der Witz und der eigentliche Transistoreffekt liegt nämlich in folgendem: Vergrößert man die beiden grünen, mit Fremdatomen dotierten Bereiche so, daß sie sich zwar auf keinen Fall berühren, daß aber der blaue Bereich zwischen ihnen ganz schmal wird (das zu realisieren, war die Schwierigkeit beim Bau des ersten Transistors) so passiert folgendes: Läßt man wie in unserem Gedanken-Experiment einen kleinen Strom von der Basis zum Emitter, also über die Basis-Emitter-Diode, fließen, so wird der schmale blaue Bereich quasi durchbrochen, d.h. der ursprünglich unendlich große Collector-Emitterwiderstand verschwindet weitgehend und es fließt ein viel größerer Strom vom Collector zum Emitter, dessen Größe (im Betriebsbereich des Transistors) der Größe des kleineren Basis-Emitterstromes proportional ist. Wir haben also eine Stromverstärkung (bei modernen Transistoren etwa 100- bis 500-fach), d.h. ein kleiner in die Basis eingespeister Steuerstrom bewirkt einen vielfach größeren Collectorstrom.

Was können wir nun mit unserem Transistor, den wir als Stromverstärker jetzt verstehen, machen ?
1) Der Transistor als Schalter und in digitalen Anwendungen
Im folgenden beziehen sich alle Spannungsangaben auf das Bezugspotential von 0 V, auch Ground (GND)- oder Masse-Potential (untere Linie in Bild 4 und 5) genannt.
Wir bauen die Versuchs-Schaltung nach Bild 4 mit einem Spannungsmesser am Collector des BC 548 auf. Zunächst wird der Schalter S an 0 V gelegt: Es fließt überhaupt kein Strom in der Schaltung, denn an der Basis liegt keine Spannung, die Collector-Emitter-Strecke hat demzufolge einen unendlich hohen Widerstand, der Transistor ist "gesperrt", der Spannungsmesser zeigt + 12 V an, da auch durch den 10 kOhm-Widerstand im Collector-Kreis kein Strom fließt und demzufolge an diesem nach dem Ohmschen Gesetz kein Spannungsabfall auftritt.
Der variable 1 MOhm-Widerstand wird auf den größten Wert gestellt und der Schalter S nach + 12 V umgeschaltet. Es kann jetzt ein sehr kleiner Strom in die Basis fließen, demzufolge auch ein zunächst noch kleiner Strom von +12 V über den 10k-Widerstand und die Collector-Emitterstrecke nach GND, also im "Collector-Stromkreis" fließt. Der Spannungsmesser zeigt wegen des Spannungsabfalls an dem 10k eine Spannung kleiner + 12 V an. Wenn wir den Wert des variablen 1 M nun langsam verkleinern, fließt mehr und mehr Strom in die Basis und entsprechend deutlich mehr Strom im Collector-Stromkreis, da der Widerstand der Collector-Emitterstrecke mit steigendem Basisstrom sinkt. Der Spannungsmesser zeigt eine immer kleinere Spannung an, da der 10k-Widerstand und die Collector-Emitterstrecke einen Spannungsteiler bilden, an dessen Mitte der Spannungsmesser liegt. Durch weiteres Verkleinern des 1M (der 22k schützt die Basis vor Kurzschluß, falls der 1M zu Null gemacht wird) erreicht der Basisstrom schließlich einen solchen Wert, daß die Collector-Emitter-Strecke völlig leitend, also deren Widerstand fast zu Null wird, der Transistor ist im "Sättigungs-Zustand", das Instrument zeigt fast 0 V an.
Bei Hin- und Herschalten von S wechselt die Anzeige des Instruments zwischen +12 V und 0 V, der Transistor wirkt als Schalter, der mit einem kleinen Basisstrom eine Spannungsquelle ein- und ausschaltet ! Man könnte z.B. den 10 k auch durch ein Relais ersetzen, das mit S aktiviert werden kann, und mit dessen Schaltkontakten irgend etwas anderes ein/ausschalten. Häufig wird ein Transistor als Schaltverstärker auch hinter ein z.B. digitales CMOS-IC gesetzt, das selbst nur sehr geringe Ströme schalten kann.
Auch bei (fast) allen Anwendungen in der Digitaltechnik wird der Transistor im gesperrten oder im Sättigungszustand betrieben.
2) Der Transistor als Wechselspannungsverstärker
In dieser Anwendung ist die Schaltung (Bild 5) schon ein wenig aufwendiger. Die zu verstärkende z.B. von einem Mikrofon gelieferte kleine Wechselspannung enthält auch Anteile negativer Spannung, die auf die Basis gegeben, die Basis-Emitterdiode in Sperrichtung betreiben und damit den Transistor gesperrt halten würden. Man muß das Gleichspannungs-Potential der Basis also anheben, damit auch bei den negativen Halbwellen der Eingangswechselspannung die Basis-Emitter-Diode immer in Durchlaßrichtung arbeitet und der Transistor verstärkend wirken kann. Man erreicht dies mit dem Spannungsteiler R1, R2, dessen Verhältnis meist so gewählt wird, daß am Ausgang AUS der Schaltung, also am Collector etwa die halbe Betriebsspannung, hier also etwa + 6 V ansteht. Damit kann der Collector, der den Ausgang der Schaltung bildet nach beiden Seiten symmetrisch "ausgesteuert" werden. Der Emitterwiderstand R4 sorgt dafür, daß der Emitter nicht fest an 0 V angebunden ist, sondern der angehobenen Basisspannung vermindert um die praktisch unveränderliche Diodendurchlaßspannung von etwa 0,65 V (Basis-Emitter-Diode !) folgen kann. Der für Wechselspannung durchlässige Kondensator C1 hält am Eingang EIN möglicherweise anstehende Gleichspannungen von dem Wechselspannungs-Verstärker fern, der Kondensator C2 überbrückt für Wechselspannung den Emitter-Widerstand R4.
Beachte: Man unterscheidet zwischen der reinen Gleichspannungs-Einstellung, auch "Arbeitspunkt-Einstellung" der Schaltung genannt, die durch die Widerstände R1, R2 und R4 bestimmt wird und dem Wechselspannungsverhalten der Schaltung, für das die Kondensatoren C1, C2 und der "Arbeitswiderstand" R3 im Collectorkreis von Bedeutung sind.
3) NPN- und PNP-Transistoren
Beim Betrieb des bisher betrachteten NPN-Transistor (bei dessen Symbol zeigt der Emitterpfeil weg von der Basis) liegt am Kollektor und an der Basis immer eine mehr oder weniger positive Spannung gegenüber dem Emitter (vgl. Bild 3a, 3b oben). Der PNP-Transistor (bei dessen Symbol zeigt der Emitterpfeil hin zur Basis) verhält sich komplementär (spiegelbildlich) zum NPN-Transistor, d.h. alles zum NPN-Transistor Gesagte gilt auch genauso für den PNP-Transistor dann, wenn man die Betriebsspannungen umdreht. Also, beim Betrieb eines PNP-Transistors liegt am Kollektor und an der Basis immer eine mehr oder weniger negative Spannung gegenüber dem Emitter.
Häufig werden NPN- und PNP-Transistoren gemischt eingesetzt, wodurch sich trickreiche Schaltungsmöglichkeiten ergeben.

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