Fachbereich Physik Dr. Wolfgang Bodenberger

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1 UniversitätÉOsnabrück Fachbereich Physik Dr. Wolfgang Bodenberger Der Transistor als Schalter. In vielen Anwendungen der Impuls- und Digital- lektronik wird ein Transistor als einfacher in- und Aus-Schalter verwendet. Grundschaltung: Im offenen Zustand des npn-transistorschalters (Basis negativ - ist der Transistor gesperrt. s fließt nur der sehr kleine Kollektorstrom i C0, (Punkt A im Kennlinienfeld). s liegt fast die gesamte Spannung U C, am Kollektor: U C U C Der Transistor stellt einen hohen Widerstand dar, mit den in der. Figur angegebenen Werten: Offen = U C i C0 10MΩ Im geschlossenen Zustand wird B an eine positive Spannung U + gelegt. s fließt der Basisstrom I + B U+ B Ist jetzt I + B U C β L,wobeiβ die Stromverstärkung im aktiven Bereich ist, wird der Transistor in die Sättigung getrieben (Punkt B im Kennlinienfeld). Im Zahlenbeispiel ist : I + B = = 400µA mit β = 100 wird damit β I + B = 40mA

2 Maximal fließen können aber über den Kollektor nur 6mA fließen, (Begründen Sie warum!!!) d.h. der Transistor wird tief in die Sättigung gebracht. (Was versteht man unter, ein Transistor wird tief in die Sättigung gebracht?) Die am Kollektor verbleibende estspannung U C ist sehr klein, die Größenordnung ist o,1 Volt. Damit wird der Widerstand des geschlossenen Transistorschalters: geschlossen gleich 17 Ω (Wie berechnet sich geschlossen?) Zeitlicher Ablauf eines schnellen Schaltvorganges: Der zeitliche Ablauf des schnellen Schaltens wird am besten mit einem echteck als ingangsspannung u 1 untersucht. Die Nachteile eines Transistorschalters werden damit am deutlichsten sichtbar.zuerst wird der inschaltvorgang und anschließend der Ausschaltvorgang an Hand von Skizzen unterschucht. a) inschalten: Unter inschalten versteht man den Übergang vom gesperrten in den leitenden Zustand des Transistors: Die ingangsspannung u 1 :springtvonu auf U + Der Basisstrom I B : springt von I C0 (Wie groß ist dann I B?) auf U + B. Der ingangssprung von I B ist sehr schnell, da die beiden Streukapazitäten C und C C beim inschalten keine Ladungen tragen.

3 Die Spannung an der Basis U B steigt exponentiell an, zunächst mit einer Zeitkonstanten, die im wesentlichen durch B und die Streukapazitäten C und C C bestimmt sind, (C C ist wegen I C0 0zunächst zu vernachlässigen), steigt dann weiter auf einen kleinen positiven Wert (U B 0, 6V bei Si) an und wird dann durch die Begrenzerwirkung der Basis-mitter-Diode auf konstantem Potential gehalten. Durch den allmählichen Anstieg von U B kommt die Basis-mitter-Diode nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen Verzögerungszeit τ V in den vorwärtsleitenden Zustand, wobei dies von der Zeitkonstanten τ V des ingangs- und den Spannungswerten U + abhängt. Dadurch bleibt der Transistor zunächst für die Zeit τ V gesperrt, d.h. i C bleibt praktisch gleich 0 ( Zero). rst nachdem U B das Potential 0 Volt überschritten hat, d. h. der Transistor in den aktiven Bereich kommt, fängt i C an zu wachsen. Der weitere Anstieg von i C ist durch den Aufbau der Basisladung, d.h. durch C und die ückwirkung der Kollektorspannungsänderung über C C auf die Basis (Millereffekt) bestimmt. Die Anstiegszeit τ A definiert man wie üblich als die Zeit, die i C benötigt, um von 1o% auf 90% seines ndwertes zu steigen. U C fällt Synchron mit i c von U C auf U C ungefähr Null ab. Ausschalten: Das Ausschalten ist der Übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand des Transistors. U 1 springt von U + auf U. i B springt von U+ auf einen negativen Wert, der durch den Abbau der Basisladung zustandekommt. B Im Sättigungszustand ist bei einem npn-transistor die lektronendichte an der Basis-Kollektorgrenzschicht nicht mehr Null, da auch die Basis Kollektor-Diode in Vorwärtsrichtung betrieben wird. Springt U 1 von U + auf U, muß erst einmal das zuviel an Ladung aus der Basis abtransportiert werden, ehe dertransistor in den aktiven Zustand kommt. Die Zeit, die für den Abtransport der zuviel gespeicherten Ladung benötigt wird, bezeichnet man als Speicherzeit τ S. rst nach Ablauf von τ S steigt i B mit einer Zeitkonstanten, die durch die Kapazitäten des

4 ingangs bestimmt ist, auf i B 0an. U B :Fällt synchron mit i B nach der Zeit τ S auf U ab. i C : Bleibt auf dem Wert U C bis nach Ablauf von τ S,fällt dann erst ab auf i C0 0. ico L wird erreicht, wenn U B =0Volt. Die Fallzeit τ F ist entsprechend τ A definiert. U C : Steigt synchron mit i C auf U C. Alle hier diskutierten charakteristischen Schaltzeiten sind stark von den Betriebsbedingungen des Transistors abhängig. Z.B. ist τ S um so größer, je tiefer der Transistor in der Sättigung ist. Für sehr schnelle Schalteranwendungen stört vor allem diese Speicherzeit τ S. s gibt eine ganze eihe von Methoden um τ S zu verkürzen. Die einfachste Möglichkeit ist die, den Widerstand B mit einem Kondensator C zu überbrücken: Springt hier U 1 von U + auf U, so wird die auf dem Kondensator befindliche Ladung Q = C*U in die Basis des Transistors getrieben, wo sie im ndeffekt die gespeicherte Ladung kompensiert und so die Speicherzeit verkürzt. Diese Methode ist dann sehr wirksam, wenn die Signalquelle U1 einen kleinen Innenwiderstand i hat, denn nur so wird der Ladestrom über C groß. ine andere sehr effektvolle Methode, die Speicherzeit zu verkürzen, besteht darin, den Transistor im leitenden Zustand gar nicht erst bis in die Sättigung zu treiben. Der Widerstand des Transistor-Schalters ist dann zwar etwas größer als bei Sättigung, aber für die meisten Anwendungen immer noch klein genug. Der einfachste Weg hierzu, B zu vergrößern oder U + zu verkleinern, führt zu keiner verläßlichen Schaltung, da z.b. β des Transistors eine unsichere Größe ist, von der Temperatur abhängt und von Transistorexemplar zu Transistorexemplar streut. ine Schaltung, die zuverlässig funktioniert, ist folgende:

5 Ist der Transistor gesperrt, fließt über D ein Strom i D = U zur negativen Spannungsquelle U. Da das mitterpotential leicht negativ ist, muß U 1Volt sein, um den Transistor in diesem Zustand sicher zu sperren. Wird durch U + der Transistor geöffnet, steigt das mitterpotential an und sperrt die Diode. Der ganze über kommende Strom fließt in den mitter. Ist U + U, dann bleibt der Wert dieses Stromes annähernd konstant, d.h. i =i D =i C = U. i D wird einfach zwischen der Diode D und dem Transistor hin- und hergeschaltet, wenn U 1 zwischenu und U + wechselt. Sind jetzt U C und L so gewählt, daß der Sättigungsstrom i CSaett = U C U L,d.h.größer ist als i D, kann der Transistor niemals in den Sättigungsbereich kommen. ine noch flexiblere Schaltung erhält man, wenn man die Diode D durch einen Transistor ersetzt: Hier wird der Strom i = U zwischen den beiden Transistoren hin- und hergeschaltet. Gegenüber der vorherigen Schaltung hat man den Vorteil, zusätzlich ein komplementäres Ausgangssignal am Kollektor des zweiten Transistors zur Verfügung zu haben.