6. Bipolare Transistoren Funktionsweise. Kollektor (C) NPN-Transistor. Basis (B) n-halbleiter p n-halbleiter. Emitter (E) Kollektor (C)

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1 6.1. Funktionsweise NPN-Transistor Kollektor (C) E n-halbleiter p n-halbleiter C Basis (B) B Emitter (E) PNP-Transistor Kollektor (C) E p-halbleiter n p-halbleiter C Basis (B) B Emitter (E) 1

2 Funktionsweise des NPN-Transistors (a) C B n p n E 1 E 2 Auf dieser und den folgenden Folien ist die Funktionsweise eines NPN-Transistors in der sog. Emitterschaltung dargestellt. Die in Wirklichkeit sehr dünne Basis ist dabei übertrieben breit gezeichnet. Die erste Abbildung zeigt, wie sich an den beiden Grenzschichten Raumladungszonen bilden vergleichbar der Raumladungszone in einer Diode. In diesen beiden Zonen herrschen die elektrischen Feldstärken E 1 und E 2. E 2

3 Funktionsweise des NPN-Transistors (b) C B n p E 1 Legt man zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung U CE an und verbindet zugleich die Basis mit dem Emitter, so befindet sich die Kollektor-Basis-Diode in Sperrrichtung. Die Feldstärke E 1 steigt, die Raumladungszone verbreitert sich n E 2 Die Raumladungszone zwischen Basis und Emitter bleibt unverändert. Insgesamt fließt nur ein kleiner Sperrstrom. U CE E 3

4 Funktionsweise des NPN-Transistors (c) I B U BE E 1 I C U CE Eine zusätzliche Spannung zwischen Basis und Emitter, so dass die Basis- Emitter-Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, verkleinert die Raumladungszone zwischen Basis und Emitter. Nun können die vielen freien Elektronen (Majoritätsträger!) im Emitter in die Basis fließen. Nur ca. 1% der Elektronen rekombinieren dort mit Löchern in der Basis. Der überwiegende Anteil der Elektronen diffundiert durch die sehr dünne Basis hindurch, gerät in das elektrische Feld E 1 und wird zum Kollektor hin geradezu abgesaugt. 4

5 Basisstrom steuert Kollektorstrom Der Basis-Emitter-Strom I BE steuert also die Durchlässigkeit der Basis- Emitter-Raumladungszone für die freien Elektronen aus dem Emitter: Eine kleine Änderung von I BE bewirkt eine große Änderung des Kollektor-Emitter-Stroms I CE. Auf diese Weise wird mit dem Transistor eine Stromverstärkung erzielt. Quelle: Philips, Experimentierkasten EE2040 (1976), siehe auch: 5

6 Innerer Aufbau eines Transistors Schematischer Aufbau eines npn-bipolartransistors in Epitaxie-Planartechnik: Emitter E Basis B Kollektor C (oben) n p n < 1 µm (unten) Epitaxie (griech.), Bildung eines Kristalls durch Anlagerung von Atomen oder Molekülen an ein Ausgangskristall, dessen Struktur von dem sich bildenden Kristall kopiert wird. 6

7 Bauformen von Transistoren 7

8 6.2. Ersatzschaltbild I C 10 I C / ma U CE = 20V I B R B B C U CE 8 6 U 1 E 4 2 U CE = 2V I B / µa 8

9 Basis Ersatzschaltbild des NPN-Transistors I B I C = B I B Kollektor Emitter Emitter Basis U BE Emitter I B I C = r BE B I B U S Kollektor Emitter 9

10 Zusammenhang zwischen I B, I C und U CE Großsignal-Verstärkungsfaktor, Gleichstrom-Verstärkungsfaktor Kleinsignal-Verstärkungsfaktor, Wechselstrom-Verstärkungsfaktor, Signal-Verstärkungsfaktor Steilheit 10

11 6.3. Kennlinien des NPN-Transistors ,2 0,4 0,6 Die Kennlinien sind temperaturabhängig. Insbesondere verschieben sich die Ausgangskennlinien mit zunehmender Temperatur nach oben , ,2 3 0,

12 Berechnung von Verstärkerschaltungen 6.4. Verstärkerschaltungen Die Berechnung einer Verstärkerschaltung basiert auf den Eingangsund Ausgangskennlinien des Transistors und den damit zusammenhängenden Größen wie B, ß und S. R C =? R B =? U 1 u a u e Aber wie berechnet man die Widerstände R B und R C? 12

13 Verstärkerschaltung für Wechselspannung Die Abbildung zeigt eine Verstärkerschaltung für Wechselspannung (z. B. aus einem MP3-Player) mit einem NPN-Transistor. C 1 dient dazu, alle Gleichspannungsanteile aus der vorhergehenden Stufe abzukoppeln, ebenso sorgt C 2 für eine reine Wechselspannung am Ausgang. R 1 R C C 2 i C C 1 i B u CE u a U B u e R 2 u BE 13

14 Arbeitspunkteinstellung mit Kennlinien I C / ma 1 P VMax I B = 20µA I B = 16µA I B = 12µA 1 3 AP I B = 8µA I B = 4µA U CE / V 14

15 Stabilisierung des Arbeitspunkts Damit der eingestellte Arbeitspunkt auch bei Temperaturänderungen stabil bleibt, fügt man oft einen Emitterwiderstand ( Stromgegenkopplung ) ein. Um dadurch die Verstärkung nicht zu verringern, wird dieser Widerstand für Wechselspannungen durch einen zusätzlichen Kondensator überbrückt. R 1 R C C 2 i C C 1 i B u CE u a U B u e u BE C E R 2 R E 15

16 Übungsaufgabe 6.1 (a) Die abgebildete Verstärkerschaltung soll an einer Betriebsspannung U B = 16 V mit einem Kollektorwiderstand R C = 40 Ω betrieben werden. R B R C C 2 i C C 1 i B u CE u a U B u e u BE 16

17 Übungsaufgabe 6.1 (b) i) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld ein. ii) Wählen Sie im Ausgangskennlinienfeld einen sinnvollen Arbeitspunkt. iii) Zeichnen Sie den Arbeitspunkt in die Eingangskennlinie ein. I B / ma I C / A ,3 0,2 0, I B / ma 0 0,2 0,4 0,6 0 U BE / V UCE / V 17

18 Übungsaufgabe 6.1 (c) iv) Ermitteln Sie den Basis-Emitter-Ersatzwiderstand r BE grafisch und rechnerisch und dimensionieren Sie den Vorwiderstand R B zur Einstellung des Arbeitspunkts. v) Bestimmen Sie den Stromverstärkungsfaktor B, die Signal- Stromverstärkung β und die Steilheit S des Transistors im Arbeitspunkt. vi) Berechnen Sie den Verstärkungsfaktor v der Verstärkerstufe. 18

19 Transistor als Schalter 6.5. Der Transistor als Schalter I C / ma 3 Kniespannungslinie I B = 20µA I B = 16µA B A 2 1 I B = 12µA I B = 8µA I B = 4µA 0 Sättigungsbereich Sperrbereich U CE / V 19

20 Übungsaufgabe 6.2 (a) Der Schaltplan zeigt eine kontaktgesteuerte Transistorzündung für Ottomotoren. Dimensionieren Sie die Widerstände R 1 und R 2 so, dass jeder Transistor beim Einschalten 10-fach übersteuert ist! R 1 R 2 R Z U B T 1 T 2 20

21 Übungsaufgabe 6.2 (b) Es gelten folgende Daten: Betriebsspannung U B = 14 V Widerstand der Primärwicklung der Zündspule R Z = 3,5 Ω Transistor T 1 : B 1 = 50 r BE1 = 3 Ω U CESat1 = 0,4 V U S1 = 0,7 V Transistor T 2 : B 2 = 30 r BE2 = 1 Ω U CESat2 = 0,5 V U S2 = 0,6 V 21

22 Übungsaufgabe 6.2 (c) i) Welcher Kollektorstrom I C2 fließt bei eingeschaltetem Transistor T 2 durch die Primärwicklung der Zündspule? ii) Welchen Basisstrom I B2 benötigen Sie, um den Transistor T 2 beim Einschalten 10-fach zu übersteuern? Wie groß ist in diesem Fall die Spannung U BE2 an der Basis von T 2? iii) Berechnen Sie einen geeigneten Widerstand R 2. iv) Wie groß ist der Strom I B2 bei eingeschaltetem Transistor T 1? Welcher Kollektorstrom I C1 fließt in diesem Fall? v) Welchen Basisstrom I B1 benötigen Sie, um den Transistor T 1 beim Einschalten 10-fach zu übersteuern? Wie groß ist in diesem Fall die Spannung U BE1 an der Basis von T 1? vi) Berechnen Sie einen geeigneten Widerstand R 1. 22