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Bipolarer Transistor

[picture:864:a_bauelemente_bipolartransistor:Schaltbild eines npn- und pnp-Bipolartransistors mit Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E)]

• Drei Halbleiterzonen
• Abwechselnd n- und p-dotiert
• npn-Transistor und pnp-Transistor

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[question:AC503]

[question:AC504]

Stromsteuerung und Faktor

• Basis-Emitter-Spannung U_{\textrm{BE}} steuert Kollektorstrom I_{\textrm{C}} exponentiell
• Beim Bipolartransistor fließt immer ein exponentiell von U_{\textrm{BE}} abhängiger Basisstrom I_{\textrm{B}}
• Faktor B ist der Stromverstärkungsfaktor des Transistors
• Liegt bei ca. 20 bis 500

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}}$ Höherer Faktor benötigt kleineren Basistrom zur Steuerung eines größeren Kollektorstroms --- [question:AC501] --- ### Leitender Bipolartransistor

• Signifikanter Kollektorstrom fließt
• Basis-Emitter-Diode in Durchlassrichtung
• Kollektor-Basis-Diode sperrt, damit keine Ladungsträger aus dem Kollektor in die Basis gelangen

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[question:AC505]

Rechnungen

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[question:AC515]

Lösungsweg

• Die Größe von R_1 stellt den Basisstrom I_B ein
• I_B ist um 298 kleiner als I_C
• Für die Spannung an R_1 muss der Transistorverlust abgezogen werden

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• gegeben: U = 12V
• gegeben: I_{\textrm{C}} = 5mA
• gegeben: B = 298
• gegeben: U_{\textrm{BE}} = 0,6V
• gesucht: R_1

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{5mA}{298} = 16,779\mu A$ $R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{12V - 0,6V}{16,779\mu A} \approx 680k\Omega$ Nachteil der Schaltung ist eine schlecht kontrollierte Stromverstärkung --- [question:AC518] --- ### Arbeitspunktstabilisation [picture:361:a_bauteile_arbeitspunkteinstellung:Transistorschaltung mit Basisspannungsteiler] * Arbeitspunkt wird über den Spannungsteiler eingestellt * Querstrom durch $R_2$ soll so hoch sein, damit der Basisstrom keinen großen Einfluss auf den Arbeitspunkt hat Kollektorstrom hängt exponentiell von der Basis-Emitter-Spannung ab; Toleranz der Widerstände kann große Auswirkungen auf den Kollektorstrom haben. Starke Temperaturabhängigkeit im Transistor kann Kollektorstrom beeinflussen.

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[question:AC516]

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Lösungsweg

* gegeben: $U = 10V$ * gegeben: $I_{\textrm{C}} = 2mA$ * gegeben: $B = 200$ * gegeben: $U_{\textrm{R2}} = 0,6$ * gegeben: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$ * gesucht: $R_1$ $B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{2mA}{200} = 10\mu A$ $U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = 10V - 0,6V = 9,4V$ $I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = 110\mu A$ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{9,4V}{110\mu A} \approx 85,5k\Omega$

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[question:AC517]

Lösungsweg

• U_{\textrm{R2}} ist gleich groß wie U_{\textrm{BE}} + U_{\textrm{RE}}
• Kollektorstrom wird vor allem durch R_{\textrm{E}} festgelegt
• Sehr stabile Schaltung

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• gegeben: U = 10V
• gegeben: I_{\textrm{C}} = 2mA
• gegeben: B = 200
• gegeben: U_{\textrm{BE}} = 0,6V
• gegeben: U_{\textrm{RE}} = 1V
• gegeben: I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}
• gesucht: R_1

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{2mA}{200} = 10\mu A$ $U_{\textrm{R2}} = U_{\textrm{BE}} + U_{R_{\textrm{E}}} = 0,6V + 1V = 1,6V$ $U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = 10V - 1,6V = 8,4V$ $I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = 110\mu A$ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{8,4V}{110\mu A} \approx 76,4k\Omega$

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[question:AC519]

Lösungsweg

• Kein Strom durch R_1 → keine Spannung über R_2
• Basis liegt auf Massepotential → Transistor ist stromlos
• Kein Spannungsabfall an R_{\textrm{C}} → Kollektorpotential steigt auf Betriebsspannung

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[question:AC520]

Lösungsweg

• R_2 ist stromlos → Basis ist über R_1 ist mit der Betriebsspannung verbunden
• Aufgrund der Dimensionierung ist der Basisstrom nun 11-fach höher als geplant
• Kollektorstrom wird stark ansteigen → Spannungsabfall an R_{\textrm{C}} steigt stark
• U_{\textrm{CE}} sinkt auf den Sättigungswert von ca. 0,1V

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Feldeffekttransistor (FET)

[picture:271:a_bauelemente_fet:Schaltbilder für Feldeffekttransistoren]

• Anderer Aufbau
• Es besteht ein Halbleiterkanal
• Der Stromfluss wird über ein elektrisches Feld gesteuert
• Dadurch spannungsgesteuert

Senkrechte Linie symbolisiert den Kanal, die Drain (oben) und Source (unten) kontaktiert; links ist das Gate und der Pfeil erinnert an eine Diode --- [question:AC502] --- [question:AC506] --- ### Anschlüsse des FET

• Source Quelle für die Ladungsträger im Kanal
• Drain Abfluss der Ladungsträger im Kanal
• Gate steuert den Fluss der Ladungsträger im Kanal

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[question:AC513]

[question:AC512]

[question:AC514]

Besser wäre: steuert den Kanalstrom statt Widerstand, da dieses Widerstand-Verhalten nur bei kleinen Drain-Source-Spannungen auftritt --- ### Bauarten FET

• selbstleitend: Ohne Gate-Source-Spannung ist der FET leitend
• selbstsperrend: Ohne Gate-Source-Spannung ist der FET sperrend
• n-Kanal-FET: Strom im Kanal wird von Elektronen getragen
• p-Kanal-FET: Strom im Kanal wird von Löchern getragen
• Sperrschicht-FET: Gate ist eine Diode
• Isolierschicht-FET: Gate ist eine Kondensator-Struktur (z.B. MOSFET)

MOSFET: metal oxide semiconductor FET --- ### Schaltzeichen FET [picture:273:a_bauelemente_selbstleitender_p_kanal_mosfet:Selbstleitender p-Kanal MOSFET] [picture:276:a_bauelemente_selbstsperrender_n_kanal_mosfet:Selbstsperrender n-Kanal MOSFET] * *selbstleitend*/*selbstsperrend*: Gate durchgehend/gestrichelt * *n-*/*p-Kanal*: Pfeil zeigt weg von/hin zu Kanal * *Isolierschicht* (MOSFET): Gate und Kanal als Kondensator

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[question:AC507]

[question:AC508]

[question:AC509]

[question:AC510]

[question:AC511]

Rechnungen

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[question:AC521]

Lösungsweg

* gegeben: $U_{\textrm{B}} = 44V$ * gegeben: $R_1 = 10k\Omega$ * gegeben: $R_2 = 1k\Omega$ * gegeben: $R_3 = 2,2k\Omega$ * gesucht: $U_{\textrm{GS}}$ * Ansatz: Unbelasteter Spannungsteiler über $R_1$ und $R_2$, mit $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$ $\begin{equation}\begin{align}\nonumber \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \nonumber \Rightarrow U_{\textrm{R2}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot U_{\textrm{G}}\\ \nonumber &= \frac{1k\Omega}{10k\Omega+1k\Omega} \cdot 44V\\ \nonumber &= \frac{1}{11} \cdot 44V = 4V \end{align}\end{equation}$

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[question:AC522]

Lösungsweg

* gegeben: $U_{\textrm{B}} = 44V$ * gegeben: $R_1 = 10k\Omega$ * gegeben: $R_3 = 2,2k\Omega$ * gegeben: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = 2,8V$ * gegeben: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$ * gesucht: $R_2$ $\begin{equation}\begin{align}\nonumber \frac{U_{\textrm{R1}}}{U_{\textrm{R2}}} &= \frac{R_1}{R_2}\\ \nonumber \Rightarrow R_2 &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{R1}}}\\ \nonumber &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}-U_{\textrm{GS}}}\\ \nonumber &= 10k\Omega \cdot \frac{2,8V}{44V-2,8V}\\ \nonumber &\approx 680\Omega \end{align}\end{equation}$ --- [question:AC523] --- #### Lösungsweg

• gegeben: R_{\textrm{DSon}} = 4m\Omega
• gegeben: I = 25A
• gesucht: P

$P = I^2 \cdot R = 25^2A \cdot 4m\Omega = 2,5W$ MOSFET verhält sich wie ein ohmscher Widerstand

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Freilaufdiode

• Relais wird über einen in Serie geschalteten Bipolartransistor betrieben
• Transistor schaltet ein → Strom fließt durch die Relaisspule
• Transistor schaltet ab → Strom in der Spule induziert negative Spannung am Transistor
• Kann zur Zerstörung des Transistors führen
• Verhindern: Freilaufdiode parallel zum Relais in Sperrichtung verbauen
• Induktionsspannung wird auf Diodenspannung begrenzt

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[question:AC524]