Transistor – Überblick

Transistor – Überblick Übung

• Beschrifte den Stromkreis eines n-p-n-Transistors.

  Tipps

  Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Schichten. Wie heißen diese und wie könnten die Abkürzungen sein?

  Bei einem n-p-n-Transistor heißt die oberste Schicht Kollektor. In der Mitte findet sich die Basis und die unterste Schicht ist der Emitter. Wie könnten diese Größen abgekürzt werden?

  Um einen Transistor nutzbar zu machen, werden zwei Stromkreise angeschlossen. Der eine befindet sich zwischen der Basis und dem Emitter, der andere befindet sich zwischen dem Kollektor und dem Emitter. Wie könnten diese Stromkreise heißen?

  Lösung

  Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Schichten.
  Bei einem n-p-n-Transistor heißt die oberste Schicht Kollektor. Sie wird mit C abgekürzt.
  In der Mitte findet sich die Basis und die unterste Schicht ist der Emitter.
  Dabei wird die Basis mit B und der Emitter mit E abgekürzt.

  Um den Transistor nutzbar zu machen, werden zwei Stromkreise angeschlossen.

  Der eine befindet sich zwischen Basis und Emitter. Er wird Basisstromkreis genannt.
  Da er sich zwischen B und E befindet, wird die anliegende Spannung $U_{BE}$ genannt. Sie bedingt den Strom $I_{BE}$.

  Der Andere befindet sich zwischen Kollektor und Emitter. Er wird Kollektorstromkreis genannt.
  Da der Stromkreis zwischen C und E liegt, wird die anliegende Spannung $U_{CE}$ und der dadurch bedingte Strom $I_{CE}$ genannt.

• Beschreibe die Funktionsweise eines n-p-n-Transistors.

  Tipps

  Ein Transistor besteht aus drei Schichten. Von oben nach unten heißen sie Kollektor, Basis und Emitter. Wo finden sich die Schichten im Schaltkreis und wo liegen dann die Stromkreise an?

  Die drei Buchstaben im Schaltzeichen des Transistors stehen für die unterschiedlichen Schichten. Welche Abkürzung gehört zu welcher Schicht?

  Der eine Stromkreis liegt zwischen Basis und Emitter an. Der andere zwischen Kollektor und Emitter. Wie könnten die Stromkreise dann heißen?

  Lösung

  An den Transistor werden zwei Stromkreise angeschlossen.

  Der eine liegt zwischen der Basis und dem Emitter an. Er heißt Basisstromkreis, und falls an ihm eine Spannung anliegt, wird sie $U_{BE}$ genannt.

  Der andere liegt zwischen dem Kollektor und dem Emitter an und wird Kollektorstromkreis genannt. Liegt an ihm eine Spannung an, wird sie $U_{CE}$ genannt.

  Wenn im Basisstromkreis eine Spannung anliegt, bedingt diese den Strom $I_{Be}$. Nur wenn dieser Strom fließt, fließt auch der Strom $I_{CE}$. Dieser fließt auch durch die Lampe.

  Somit muss $U_{CE}$ der Betriebsspannung der Lampe entsprechen und es muss auch eine Spannung $U_{BE}$ anliegen.

• Finde die richtigen Schaltungen, um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

  Tipps

  Wenn bei einem Transistor im Basisstromkreis ein Strom fließt, dann fließt auch im Kollektorstromkreis einer. Wo findest du den jeweiligen Stromkreis?

  Der Basisstromkreis fließt zwischen der Basis und dem Emitter. Der Kollektorstromkreis fließt zwischen dem Kollektor und dem Emitter.

  Die anliegende Spannung bedingt jeweils den durchfließenden Strom. Fließt bei nicht vorhandener Spannung ein Strom?

  Bei welcher Spannung kann die Lampe betrieben werden?

  Lösung

  Wenn im Basisstromkreis ein ausreichend großer Strom $I_{BE}$ fließt, dann fließt auch im Kollektorstromkreis ein Strom $I_{CE}$.

  Der Strom $I_{BE}$ wird dabei durch die Spannung $U_{BE}$ bedingt.

  Ist die Lampe im Basisstromkreis angebracht, dann wird sie nicht mit der richtigen Spannung betrieben. Sie leuchtet deswegen nicht.

  Ist die Lampe im Kollektorstromkreis angebracht, dann ist es egal, ob sie oberhalb oder unterhalb des Transistors angebracht ist. Wenn im Basisstromkreis eine Spannung ($U_{BE} > 0$) und im Kollektorstromkreis die richtige Spannung anliegt, dann leuchtet die Lampe.
  Da die Lampe für einen Betrieb bei $230 ~ V$ vorgesehen ist, muss $U_{CE} = 230 ~V $ gelten.

• Finde Möglichkeiten, um die Lampe der Schaltung zum Leuchten zu bringen.

  Tipps

  Der Widerstand einer Photodiode ist davon abhängig, ob sie mit Licht bestrahlt wird oder nicht. Fällt Licht drauf, dann wird der Widerstand sehr klein. Fällt kein Licht drauf, dann wird der Widerstand groß.

  Wenn im Basisstromkreis ein Strom fließt, dann fließt auch im Kollektorstromkreis ein Strom. Wo findest du den Basisstromkreis und wann fließt ein Strom?

  Eine Reihenschaltung ist ein Spannungsteiler. Hier besteht eine Reihenschaltung aus $R_1$ und der Diode. Wenn an der Diode der Widerstand groß ist, muss auch die Spannung, die dort abfällt, groß sein. An $R_1$ fällt dann nur eine sehr kleine Spannung ab.

  Der Basisstromkreis findet sich beim Transistor zwischen Basis B und Emitter E. Wenn dort eine ausreichend große Spannung abfällt, dann fließt auch im Kollektorstromkreis ein Strom. Die Lampe leuchtet dann.

  Lösung

  Zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors befindet sich der Basisstromkreis.
  Zwischen dem Kollektor und dem Emitter befindet sich der Kollektorstromkreis.

  Damit die Lampe leuchtet muss im Kollektorstromkreis ein Strom fließen. Dieser fließt, wenn auch im Basisstromkreis ein Strom fließt, das heißt, eine Spannung anliegt, die groß genug ist.

  Links wird eine Reihenschaltung von Widerständen abgebildet. Diese ist ein Spannungsteiler.
  Der Widerstand einer Photodiode ist sehr groß, wenn sie nicht beleuchtet wird und klein wenn sie beleuchtet wird.
  Je kleiner der Widerstand der Diode ist, desto mehr Spannung fällt an $R_1$ ab. Dementsprechend fällt dann wenig Spannung an der Diode ab.

  Erste Möglichkeit: oben $R_1$, unten Diode:

  Die Spannung $U_{BE}$ soll hier groß sein. Dies ist der Fall, wenn die Photodiode nicht beleuchtet wird. Da ihr Widerstand dann groß ist, ist auch die dort abfallende Spannung groß. Dann leuchtet die Lampe.

  Zweite Möglichkeit: oben Photodiode, unten $R_1$:

  Die Spannung $U_{R_1}$ soll hier groß sein. Wegen dem Spannungsteiler ist dies der Fall, wenn $U_{BE}$ klein ist. Darum muss die Photodiode beleuchtet werden. Ihr Widerstand und damit auch die Spannung ist dann klein. Da insgesamt $U_{R_1}+U_{BE}=U_{CE}$ gelten muss, ist $U_{R_1}$ groß und bei entsprechender Dimensionierung von $R_1$ leuchtet die Lampe.

• Beschreibe den Aufbau eines n-p-n-Transistors.

  Tipps

  So wird ein n-p-n-Transistor dargestellt. Wie viele Schichten sind zu erkennen?

  Das Bild zeigt das Schaltsymbols eines n-p-n-Transistors. Wo ist die Basis und wohin zeigt der Pfeil?

  Ein Transistor besteht aus Basis, Kollektor und Emitter. Was kommt an welcher Stelle und wie könnten die Abkürzungen sein?

  Lösung

  Das Bild zeigt das Schaltzeichen eines n-p-n-Transistors.

  Der Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Schichten. Im Schaltzeichen werden diese mit den Abkürzungen C, B und E bezeichnet.

  Dabei steht C für die oberste Schicht: Den Kollektor.
  B bezeichnet die mittlere Schicht, die Basis.
  Die unterste Schicht wird mit E bezeichnet und heißt Emitter.

  Der Pfeil muss bei einem n-p-n-Transistor von der Basis zum Emitter zeigen.
  Ist dies nicht so, dann handelt es sich um einen p-n-p-Transistor. Dabei zeigt der Pfeil dann vom Emitter zur Basis.

• Erkläre, wie die Schaltung verändert werden muss, um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

  Tipps

  Der Widerstand einer Photodiode hängt von seiner Beleuchtung ab. Trifft Licht auf die Photodiode, dann ist der Widerstand klein. Trifft kein Licht auf die Photodiode dann ist der Widerstand groß. Wie verhält sich dann die Spannung?

  Die Schaltung zeigt eine Reihenschaltung von $R_1$ und der Photodiode. Reihenschaltungen sind Spannungsteiler. Wie verändert sich die Spannung an den Bauteilen, wenn die jeweiligen Widerstände verkleinert oder vergrößert werden?

  Bei einem Transistor fließt im Kollektorstromkreis ein Strom wenn auch im Basisstromkreis ein genügend größer Strom fließt.

  Wenn kein Licht auf die Diode fällt, ist ihr Widerstand und damit auch die abfallende Spannung größer. Wie könnte man die dort abfallende Spannung noch weiter vergrößern, wenn die Lampe noch nicht leuchtet? Bedenke den Spannungsteiler.

  Lösung

  Wenn bei einem Transistor im Basisstromkreis ein ausreichend großer Strom $I_{BE}$ fließt, dann fließt auch ein Strom $I_{CE}$ im Kollektorstromkreis.

  Auf der linken Seite der Schaltung findet sich ein Spannungsteiler.
  Für die Gesamtspannung gilt: $U_{R_1}+U_{BE}=U_{CE}$.

  Der Widerstand einer Photodiode hängt davon ab, ob sie beleuchtet wird oder nicht. Damit hängt auch die an der Diode abfallende Spannung von der Beleuchtung ab.
  Wird die Diode beleuchtet, dann ist der Widerstand klein.
  Wird die Diode abgedunkelt, dann ist der Widerstand groß.

  In der gezeigten Schaltung wird die Photodiode nicht beleuchtet . Eigentlich musste also die dort abfallende Spannung groß sein. Auch der dadurch bedingte Strom $I_{BE}$ müsste ausreichend groß sein, um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

  Da dies nicht so ist, fällt zu viel Spannung an $R_1$ ab. Wegen $U=I \cdot R$ ist direkt zu erkennen, dass $r_1$ zu groß dimensioniert ist.
  Um die Lampe zum Leuchten zu bringen, muss dafür gesorgt werden, dass an $R_1$ weniger Spannung abfällt und an der Diode mehr Spannung abfällt.

  Darum muss $R_1$ verkleinert werden.