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Ein altes Funkersprichwort sagt, dass der beste Hochfrequenzverstärker die Antenne ist. In den ersten Jahren der Funktechnik war sie der einzige "Verstärker", verstärkende Elektronik gab es nicht. 1907 kam dann die Elektronenröhre - ein sehr erfolgreiches Bauelement, aber doch recht groß und wenig effizient. Bereits seit den zwanziger Jahren träumte die Wissenschaft von Bauelementen ähnlicher Funktion, bei der aber alles im Inneren eines Festkörpers (Halbleiters) abläuft, nicht im Vakuum. Das erste Bauelement, bei dem das auch praktisch gelang, war 1947/1948 der *Bipolartransistor*, der auch ganz überwiegend Gegenstand der Prüfungsfragen der Klasse-E-Prüfung ist.
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[question:EC602]
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Ett gammalt radioamatörordspråk säger att den bästa högfrekvensförstärkaren är antennen. Under radiotekniks första år var den den enda ”förstärkaren”, förstärkande elektronik fanns inte. 1907 kom elektronröret - en mycket framgångsrik komponent, men ganska stor och föga effektiv. Redan sedan tjugotalet drömde vetenskapen om komponenter med liknande funktion, där allt sker inuti en fast kropp (halvledare), inte i vakuum. Den första komponent där detta även lyckades i praktiken var 1947/1948 *bipolärtransistorn*.
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Der *Bipolartransistor* wird im Englischen auch BJT: Bipolar Junction Transistor, dt. bipolarer Sperrschicht-Transistor genannt.
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*Bipolärtransistorn* kallas på engelska också BJT: Bipolar Junction Transistor.
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Die ideale Funktion aller Transistortypen, und auch der Elektronenröhre, ist die einer *spannungsgesteuerten Stromquelle*: mit einer möglichst kleinen Spannungsänderung am Eingang soll eine möglichst große Stromänderung am Ausgang bewirkt werden.
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Den ideala funktionen hos alla transistortyper, och även elektronröret, är en *spänningsstyrd strömkälla*: med en så liten spänningsändring som möjligt på ingången ska en så stor strömändring som möjligt åstadkommas på utgången.
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Der Bipolartransistor hat drei Anschlüsse, die Emitter, Basis und Kollektor genannt werden. Der Emitter sendet Ladungsträger in die Basis - beim NPN-Bipolartransistor sind das *Elektronen*, beim PNP-Bipolartransistor Defektelektronen, auch *Löcher* genannt. Die Physik hinter diesen Begriffen werden wir erst in der Ausbildung für die Klasse A besprechen. Diese Ladungsträger durchqueren die Basis und werden vom Kollektor wieder aufgesammelt.
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Bipolärtransistorn har tre anslutningar, som kallas emitter, bas och kollektor. Emittern sänder laddningsbärare in i basen - hos NPN-bipolärtransistorn är det *elektroner*, hos PNP-bipolärtransistorn elektronbrister, även kallade *hål*. Fysiken bakom dessa begrepp går vi igenom längre fram. Dessa laddningsbärare passerar basen och samlas upp av kollektorn.
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Die Abbildung [ref:e_npn_pnp_symbol] zeigt die Schaltzeichen von NPN- und PNP-Transistoren. Die Emitterelektrode erkennen wir an einem Pfeil, der beim PNP-Transistor zur Basis hin und beim NPN-Transistor von der Basis weg zeigt.
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Figur [ref:e_npn_pnp_symbol] visar kretssymbolerna för NPN- och PNP-transistorer. Emitterelektroden känner vi igen på en pil som hos PNP-transistorn pekar mot basen och hos NPN-transistorn bort från basen.
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[picture:864:e_npn_pnp_symbol:Symbole NPN und PNP Transistor]
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[picture:864:e_npn_pnp_symbol:Symboler för NPN- och PNP-transistor]
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[question:EC605]
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[question:EC606]
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[question:EC607]
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[question:EC608]
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[question:EC609]
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Bipolartransistoren sind aus zwei Dioden zusammengesetzt - der Emitter-Basis- und Basis-Kollektor-Diode.
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Im aktiven Betrieb ist die Emitter-Basis-Diode stets in Flussrichtung geschaltet. Beim NPN-Transistor muss dabei das Potential an der Basis positiver sein als das des Emitters, beim PNP-Transistor negativer. Die Basis-Kollektor-Diode ist in Sperrrichtung gepolt. Dazu ist das Kollektorpotential beim NPN-Transistor positiver als die Basis zu wählen, beim PNP-Transistor negativer.
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Bipolärtransistorer är sammansatta av två dioder - emitter-bas-dioden och bas-kollektor-dioden.
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Vid aktiv drift är emitter-bas-dioden alltid kopplad i framriktningen. Hos NPN-transistorn måste potentialen på basen då vara mer positiv än på emittern, hos PNP-transistorn mer negativ. Bas-kollektor-dioden är polad i backriktningen. För det ska kollektorpotentialen hos NPN-transistorn väljas mer positiv än basen, hos PNP-transistorn mer negativ.
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<tip>
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Die Transistorfunktion stellt sich aber nur ein, wenn die Basiszone zwischen Emitter und Kollektor maximal wenige Mikrometer breit ist. Also können wir keinen Transistor erzeugen, indem wir zwei separate Dioden aneinander löten.
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Transistorfunktionen uppstår dock bara om baszonen mellan emitter och kollektor är högst några mikrometer bred. Vi kan alltså inte tillverka en transistor genom att löda ihop två separata dioder.
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Die minimale Spannung am Emitter-Basis-Übergang hängt vom verwendeten Halbleiter ab. Bei einem Silizium-NPN-Transistor muss die Basis etwa $\qty{0,6}{\volt}$ positiver als der Emitter sein, beim Silizium-PNP-Transistor etwa $\qty{0,6}{\volt}$ negativer. Diese Spannung wird als Basis-Emitter-Spannung $U_\mathrm{BE}$ bezeichnet.
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[question:EC610]
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[question:EC612]
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[question:EC613]
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[question:EC614]
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[question:EC615]
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Den minsta spänningen över emitter-bas-övergången beror på den använda halvledaren. Hos en kisel-NPN-transistor måste basen vara cirka $\qty{0,6}{\volt}$ mer positiv än emittern, hos kisel-PNP-transistorn cirka $\qty{0,6}{\volt}$ mer negativ. Denna spänning kallas bas-emitter-spänning $U_\mathrm{BE}$.
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[picture:863:e_npn_i_u:Ströme und Spannungen an einem NPN-Transistor]
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[picture:863:e_npn_i_u:Strömmar och spänningar hos en NPN-transistor]
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Die Ströme und Spannungen an einem NPN-Transistor sind in der Abbildung [ref:e_npn_i_u] dargestellt. Die Basis-Emitter-Spannung $U_\mathrm{BE}$ kennen wir bereits. Ebenso gibt es noch die Kollektor-Basis-Spannung $U_\mathrm{CB}$ und die Kollektor-Emitter-Spannung $U_\mathrm{CE}$. Der Kollektorstrom $I_\mathrm{C}$ hängt exponentiell von der Basis-Emitter-Spannung ab:
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Strömmarna och spänningarna hos en NPN-transistor visas i figur [ref:e_npn_i_u]. Bas-emitter-spänningen $U_\mathrm{BE}$ känner vi redan. Dessutom finns kollektor-bas-spänningen $U_\mathrm{CB}$ och kollektor-emitter-spänningen $U_\mathrm{CE}$. Kollektorströmmen $I_\mathrm{C}$ beror exponentiellt på bas-emitter-spänningen:
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$I_\mathrm{C} = I_\mathrm{S}\ e^{\frac{U_\mathrm{BE}}{U_\mathrm{T}}}$
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$U_\mathrm{T}$ ist bei Raumtemperatur etwa $\qty{26}{\milli\volt}$.
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$U_\mathrm{T}$ är vid rumstemperatur cirka $\qty{26}{\milli\volt}$.
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$I_\mathrm{S}$ bezeichnet den sogenannten Sättigungs-Sperrstrom eines Bipolartransistors. Er ist ein charakteristischer Bauteilparameter und steht in engem Zusammenhang mit der Emitter-Basis-Diode. Dabei handelt es sich um einen sehr kleinen Leckstrom, der auch dann durch den Transistor fließt, wenn die Basis-Emitter-Strecke nicht leitend ist.
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$I_\mathrm{S}$ betecknar den så kallade mättnadsbackströmmen hos en bipolärtransistor. Den är en karakteristisk komponentparameter och hänger nära samman med emitter-bas-dioden. Det är en mycket liten läckström som flyter genom transistorn även när bas-emitter-sträckan inte leder.
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Der Basisstrom $I_\mathrm{B}$ hat in weiten Betriebsbereichen die gleiche Spannungsabhängig wie der Kollektorstrom, sodass das Verhältnis von Kollektorstrom und Basisstrom konstant ist:
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Basströmmen $I_\mathrm{B}$ har inom stora driftområden samma spänningsberoende som kollektorströmmen, så att förhållandet mellan kollektorström och basström är konstant:
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$\frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{B}} = B$
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*$B$* ist die Stromverstärkung (genau genommen die Stromverstärkung in Emitterschaltung). Es ist oft praktischer, sich den Transistor als ein stromgesteuertes Bauelement vorzustellen, auch wenn das physikalisch nicht so ist. Die Stromverstärkung beträgt in praktischen Transistoren $50 \dots 350$.
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*$B$* är strömförstärkningen (närmare bestämt strömförstärkningen i emitterkoppling). Det är ofta praktiskare att tänka sig transistorn som en strömstyrd komponent, även om det fysikaliskt inte är så. Strömförstärkningen är hos praktiska transistorer $50 \dots 350$.
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Für die Stromsteuerung des Bipolartransistors gibt es eine uralte Analogie, bei der ein großer und ein kleiner Wasserkanal, ein Wehr im großen Kanal und eine Steuerklappe eine Rolle spielen. Die Älteren unter uns kennen das vielleicht noch aus dem "Kleinen Radiomann" des Kosmos-Verlags ...
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För bipolärtransistorns strömstyrning finns en urgammal analogi med en stor och en liten vattenkanal, en damm i den stora kanalen och en styrlucka.
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[picture:835:e_transistor_wehr_geschlossen:Steuerkanal schließt Wehr komplett]
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[picture:835:e_transistor_wehr_geschlossen:Styrkanalen stänger dammen helt]
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Zunächst fließt kein Wasser im kleinen Kanal. Das Wehr im großen Kanal ist geschlossen, daher fließt dort auch kein Wasser.
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Till en början flyter inget vatten i den lilla kanalen. Dammen i den stora kanalen är stängd, därför flyter inget vatten där heller.
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[picture:837:e_transistor_wehr_halb_offen:Steuerkanal öffnet Wehr halb]
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[picture:837:e_transistor_wehr_halb_offen:Styrkanalen öppnar dammen till hälften]
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Dann beginnt Wasser im kleinen Kanal zu fließen, dem Steuerkanal. Das Wasser hebt die Klappe an, die wiederum das Wehr betätigt - auch im Hauptkanal beginnt, Wasser zu fließen.
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Sedan börjar vatten flyta i den lilla kanalen, styrkanalen. Vattnet lyfter luckan, som i sin tur manövrerar dammen - också i huvudkanalen börjar vatten flyta.
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[picture:836:e_transistor_wehr_geoeffnet:Steuerkanal öffnet Wehr komplett]
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[picture:836:e_transistor_wehr_geoeffnet:Styrkanalen öppnar dammen helt]
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Jetzt fließt mehr Wasser im Steuerkanal, die Klappe wird weiter angehoben, das Wehr im Hauptkanal öffnet komplett.
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Nu flyter mer vatten i styrkanalen, luckan lyfts ytterligare och dammen i huvudkanalen öppnas helt.
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</tip>
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[question:EC603]
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Der Emitterstrom $I_E$ ist die Summe aus Kollektorstrom und Basisstrom:
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Emitterströmmen $I_E$ är summan av kollektorström och basström:
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$I_\mathrm{E} = I_\mathrm{C} + I_\mathrm{B}$
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[question:EC611]
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Der Spannungsarbeitspunkt von Transistoren wird meist über die Kollektor-Emitter-Spannung angegeben:
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Transistorers spänningsarbetspunkt anges oftast via kollektor-emitter-spänningen:
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$U_\mathrm{CE} = U_\mathrm{CB} + U_\mathrm{BE}$
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Neben den hier überwiegend behandelten Bipolartransistoren gibt es vor allem auch *Feldeffekttransistoren*, die physikalisch anders funktionieren, aber nach außen die selbe Grundfunktion (spannungsgesteuerte Stromquelle) haben. In Form der MOSFETs beherrschen sie unsere Elektronik, denn sie sind millionen- bis milliardenfach in den integrierten Schaltkreisen der Digitalelektronik enthalten.
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Vid sidan av de här huvudsakligen behandlade bipolärtransistorerna finns framför allt också *fälteffekttransistorer*, som fysikaliskt fungerar annorlunda men utåt har samma grundfunktion (spänningsstyrd strömkälla). I form av MOSFET:ar dominerar de vår elektronik, eftersom de finns i miljoner till miljarder i de integrerade kretsarna inom digitalelektroniken.
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MOSFET steht für *metal-oxide-semiconductor field effect transistor*, dt. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
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MOSFET står för *metal-oxide-semiconductor field effect transistor*, på svenska metall-oxid-halvledar-fälteffekttransistor
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[question:EC604]
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Transistoren können nicht nur als Verstärker, sondern auch als (Strom-)Schalter (Strom an/aus) oder auch, bei kleinen Spannungen am Ausgang, als steuerbarer Widerstand eingesetzt werden. Die letzte Funktion wird vor allem mit Feldeffekttransistoren umgesetzt.
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[question:EC601]
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Transistorer kan inte bara användas som förstärkare utan också som (ström)brytare (ström på/av) eller, vid små spänningar på utgången, som styrbart motstånd. Den sista funktionen genomförs framför allt med fälteffekttransistorer.
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