Den Bipolartransistor hatten wir bereits in den Ausbildungsunterlagen zur Klasse E diskutiert. In der Klasse A werden wir das Thema weiter vertiefen und auch noch einen weiteren Transistor betrachten.
Der Bipolartransistor besteht aus drei Halbleiterzonen, die abwechselnd n- und p-dotiert sind. Die Zonen bezeichnet man als Emitter, Basis und Kollektor. Beim npn-Transistor ist der Emitter n-, die Basis p- und der Kollektor n-dotiert. Beim pnp-Transistor ist es entsprechend ein p-Emitter, eine n-Basis und ein p-Kollektor.
Die Abbildung EA-5.12.1 zeigt einen npn-Transistor im ausgeschalteten Zustand.
Sobald die Basis-Emitter-Spannung $U_\mathrm{BE}$ durch Einschalten des Schalters angelegt wird (typisch $\approx 0,6-0,7 V$ bei Silizium), wird die Basis-Emitter-Diode leitend. Dadurch fließt ein kleiner Basisstrom $I_\mathrm{B}$ (vgl. Abbildung EA-5.12.2).
Dieser kleine Basisstrom bewirkt, dass aus dem Emitter viele Elektronen in die dünne Basis eingebracht werden. Da die Basis sehr schmal ist, gelangen die meisten dieser Ladungsträger weiter zum Kollektor. Dort werden sie durch die anliegende Kollektor-Emitter-Spannung $U_\mathrm{CE}$ "abgesaugt", der Kollektorstrom $I_\mathrm{C}$ fließt. Er ist um den Faktor $B$ größer als der Basisstrom, wobei $B$ die sogenannte Stromverstärkung des Transistors ist. Typische Werte für $B$ liegen im Bereich von $\num{20}$ bis $\num{500}$.
Prüfungsfrage AC503
Mit welchem Anschluss ist der p-dotierte Bereich eines NPN-Transistors verbunden?
Physikalisch steuert die Basis-Emitter-Spannung $U_{BE}$ den Kollektorstrom $I_C$ und zwar exponentiell. Beim npn-Transistor gilt zum Beispiel:
$I_C = I_S \cdot e^{\frac{U_{BE}}{U_T}}$
$I_S$ ist der Sättigungsstrom, der stark von der Bauart des Transistors abhängt. Er ist dem Datenblatt zu entnehmen. $U_T$ ist die sogenannte Temperaturspannung, die bei Raumtemperatur etwa $26 mV$ beträgt.
Ein Unterschied zum später betrachteten Feldeffekt-Transistor ist, dass beim Bipolartransistor immer auch ein Strom im Eingang (der Basis) fließt, der Basisstrom $I_B$. Auch er ist exponentiell von $U_{BE}$ abhängig, wobei $I_S$ um einen Faktor $B$ kleiner ist als beim Kollektorstrom.
Der Faktor $B$ ist also der Quotient aus Kollektor- und Basisstrom:
$B = \frac{I_C}{I_B}$
Auch wenn der Bipolartransistor physikalisch über $U_\mathrm{BE}$ gesteuert wird, bezeichnet man ihn als stromgesteuert, weil er nur dann leitet, wenn ein Basisstrom fließt.
Ein Transistor wird als "leitend" in "Durchlassrichtung" bezeichnet, wenn ein signifikanter Kollektorstrom fließt. Dazu muss die Basis-Emitter-Diode stets in Flussrichtung geschaltet sein, also $U_{BE}$ positiv bei npn- und negativ bei pnp-Transistoren. Die Kollektor-Basis-Diode dagegen muss sperren, denn es sollen keine Ladungsträger aus dem Kollektor in die Basis injiziert werden.
Prüfungsfrage AC505
Bei einem bipolaren Transistor in leitendem Zustand befindet sich der Basis-Emitter-PN-Übergang ...
Im Folgenden betrachten wir noch ein paar einfache Transistor-Schaltungen auf Basis des Bipolartransistors.
Prüfungsfrage AC515
Die Betriebsspannung beträgt 12 V, der Kollektorstrom soll 5 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 298. Berechnen Sie den Vorwiderstand $R_1$.
Der gewünschte Arbeitspunkt wird dadurch eingestellt, dass über $R_1$ ein Basisstrom eingeprägt wird. Der Basisstrom ist um die gegebene Stromverstärkung von $\num{298}$ kleiner als der Kollektorstrom. Über dem Widerstand fällt die Differenz von Betriebsspannung und Basispotential ab. Das Basispotential ist mit $0,6 V$ gegeben. Also rechnen wir:
Um eine bessere Stabilität des Arbeitspunkts zu erreichen, wird der Arbeitspunkt des Bipolartransistors in der Regel über einen Spannungsteiler eingestellt. Der sogenannte Querstrom ist der Strom, der hier durch $R_2$ fließt. Er sollte mindestens zehnmal so hoch wie der Basisstrom sein, damit der Basisstrom keinen großen Einfluss auf den Arbeitspunkt hat.
Prüfungsfrage AC516
Warum soll bei dem gezeigten Basisspannungsteiler der Strom durch $R_2$ etwa 10-mal größer als der Basisstrom sein?
Auch zu dieser Schaltung gibt es eine Rechenaufgabe:
Prüfungsfrage AC518
Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Durch den Querwiderstand $R_2$ soll der zehnfache Basisstrom fließen. Berechnen Sie den Vorwiderstand $R_1$.
Der Spannungsteiler $R_1$ und $R_2$ stellt das Basispotential ein, das, weil der Emitter auf Masse liegt, etwa $0,6 V$ betragen muss. Bei einem Kollektorstrom von $2 mA$ und einer Stromverstärkung von $\num{200}$ ist der Basisstrom $2 mA / 200 = 10 µA$. Der Strom durch $R_2$ soll der zehnfache Basisstrom sein, durch $R_1$ fließt $11 \cdot 10 µA = 110 µA$. Der Widerstand $R_1$ ist dann:
$R_1 = \frac{10 V - 0,6 V}{110 µA} = 85,5 kΩ$
Die nächste Schaltung zeigt eine typische Arbeitspunkteinstellung für den Bipolartransistor, wie sie auch in der Praxis verwendet wird.
Prüfungsfrage AC517
Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Durch den Querwiderstand $R_2$ soll der zehnfache Basisstrom fließen. Am Emitterwiderstand soll 1 V abfallen. Berechnen Sie den Vorwiderstand $R_1$.
Das Basispotential wird über den Spannungsteiler $R_1$ und $R_2$ festgelegt. Da über dem Emitterwiderstand $R_E$ $1 V$ abfallen soll, muss das Basispotential $1,6 V$ betragen. Bei einem Kollektorstrom von $2 mA$ und einer Stromverstärkung von $\num{200}$ beträgt der Basisstrom $10 µA$. Da der Strom durch $R_2$ der zehnfache Basisstrom fließen soll, fließt durch $R_1$ der elffache Basisstrom, also $110 µA$. Über $R_1$ fällt die Differenz der Betriebsspannung ($10 V$) und dem Basispotential ab, also $8,4 V$. Nun können wir $R_1$ bestimmen:
$R_1 = \frac{8,4 V}{110 µA} = 76,4 kΩ$
Prüfungsfrage AC519
Was passiert, wenn der Widerstand $R_1$ durch eine fehlerhafte Lötstelle an einer Seite keinen Kontakt mehr zur Schaltung hat? Welche Beschreibung trifft zu?
Wenn $R_1$ durch den Fehler nicht von Strom durchflossen, so fällt an $R_2$ keine Spannung ab - die Basis liegt auf Massepotential. Dann ist $U_{BE} \geq 0,6 V$ nicht erfüllt, und der Transistor ist stromlos. Da am Kollektorwiderstand $R_C$ keine Spannung abfällt, steigt das Kollektorpotential auf die Betriebsspannung an.
Prüfungsfrage AC520
Was passiert, wenn der Widerstand $R_2$ durch eine fehlerhafte Lötstelle an einer Seite keinen Kontakt mehr zur Schaltung hat? In welcher Antwort sind beide Aussagen richtig?
Bei dem hier gegebenen Fehlerbild ist $R_2$ stromlos. Die Basis ist über $R_1$ mit der Betriebsspannung verbunden. Über diesen Pfad wird ein Basisstrom injiziert. Bei der üblichen Dimensionierung (Querstrom ist der zehnfache reguläre Basisstrom) ist der Basisstrom 11-fach höher als der reguläre Basisstrom - der Kollektorstrom wird sehr stark ansteigen, der Spannungsabfall an $R_C$ steigt stark an, die Kollektor-Emitter-Spannung sinkt auf den Sättigungswert von etwa $0,1 V$ ab. Der Kollektorstrom wird nur durch $R_C$ begrenzt.
In der nächsten Aufgabe geht es um ein Relais, das über den in Serie dargestellten npn-Transistor geschaltet wird (vgl. Abbildung EA-5.12.3). Nehmen wir an, dass der Transistor zunächst durchgeschaltet ist, es fließt ein Strom durch die Relaisspule, das Relais hat angezogen.
