Normalerweise würde man dazu ins Datanblatt schauen und die charakteristischen Werte des Transistors und die erforderlichen Kennlinien heraussuchen.

Mit diesen Informationen könnte man dann die Transistorschaltung dimensionieren, aufbauen und testen.

In diesem Artikel verfolge ich einmal einen anderen Ansatz.

Da ich die Widerstände in der Simulation sehr schnell austauschen kann gehe ich in diesem Artikel einmal experimentell an die Bestimmung der Bauteile für die Transistorverstärkerschaltung.

Aufbauen möchte ich die Verstärkerschaltung mit dem Transistor BC 548 B, den es für 0,15 EUR bei Conrad zu kaufen gibt.

Verstärken möchte ich ein kleines Sinus-Signal von U1 = 10 mV.

Dieser Transistor ist ebenfalls in der Standardinstallation von PSPICE enthalten, so dass wir direkt mit dem Aufbau des Transistors beginnen können.

Ein Transistor ist ein Stromverstärker. Der Eingangsstrom (Basisstrom) erzeugt einen um den Stromverstärkungsfaktor B verstärkten Ausgangsstrom (Kollektorstrom).

Da wir aber Spannungen verstärken möchten, müssen wir die Eingangsspannung in einen Eingangsstrom umwandeln und den Ausgangsstrom in eine Ausgangsspannung.

Für den Eingang schalten wir die Basis-Emitterspannung so vor, dass wir einen annähernd linearen Verlauf zwischen Basis-Emitter-Spannung und Basisstrom erhalten.

Der Transistor beginnt ab ca. 0,7 V zu leiten. Ab 0,75 V ist die Änderung des Basisstroms annähernd proportional zur Basis-Emitterspannung.

Um diesen Arbeitspunkt zu erhalten, spannen wir die Basis also über einen Spannungsteiler auf diese gewünschte Basis-Emitter-Spannung vor.

Das Wechselsignal, unsere Sinus-Spannung von 10mV koppeln wir anschließend über einen Kondensator ein.

Um den Ausgangsstrom in eine Spannung zu verwandeln, schalten wir vor die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors einen Widerstand RC.

Die an diesem Widerstand abfallende Spannung ist proportional zur Stromstärke Ic. Wenn wir diese Spannung also von der Betriebsspannung abziehen und die Kollektor-Emitter-Spannung als Ausgangsspannung verwenden, erhalten wir eine zur Eingangsspannung proportionale Ausgangsspannung.

Aber eben um 180° phasenverschoben, wie man auch im Video sieht.

Das Video zum Aufbau des Transistorverstärkers

Im Video turne ich den Aufbau der Schaltung und die experimentelle Ermittlung der geeigneten Widerstände einmal vor.

Unsere Eingangsspannung von 10mV wird um den Faktor 120 verstärkt.

Viel Spaß mit dem Video, das dieses Mal ein wenig länger geworden ist.

Das Video stammt von der Seite mg-spots, auf der auch weitere interessante Videos zur Elektrotechnik zu finden sind.

In dem Video wird der Aufbau eines einfachen Verstärkers mit Hilfe einer Emitterschaltung hergeleitet.

Angefangen bei der Betrachtung der verschiedenen Kennlinien,. also der Eingangskennlinie

Steuerkennlinie und Ausgangskennlinie, eines npn-Transistors werden die wichtigsten Kenndaten eines Transistors gezeigt.

Konstruktion der Widerstandsgeraden

Um das Ausgangsverhalten des Transistors zu zeigen, wird die Widerstandsgerade in die Ausgangskennlinie gelegt.

Die Konstruktion der Widerstandgeraden wird anhand der beiden Situationen

• Transistor sperrt
• Transistor leitet

erläutert.

Sperrt der Transistor fällt die gesamte Spannung zwischen Kollektor und Emitter ab, die Stromstärke IC ist dann 0.

Würde der Transistor voll durchleiten, fiele zwischen Kollektor und Emitter keine Spannung ab. Die Stromstärke würde nur durch RC begrenzt und wäre I= UB / RC .

Arbeitspunkt

Der Arbeitspunkt, der sich am Ausgang einer Transistorschaltung für andere Spannungswerte ergibt, wird anhand des Ausgangskennlinienfeldes erläutert.

Nach dieser Einführung werden die einzelnen Kennlinien in die Vierquadranten-Darstellung überführt und die Verknüpfung der einzelnen Kennlinien erläutert.

Hier wird auch sehr schön deutlich, wie sich der Arbeitspunkt zwischen den Kennlinien übertragen lässt.

Weil Halbleiter-Bauelemente temperaturempfindlich ist, ist die Leistung, die an Halbleiterbauelementen in Wärme umgewandelt wird begrenzt.

Diese maximale Gesamtverlustleistung Ptot lässt sich in die Ausgangskennlinie als Verlustleitungshyperbel eintragen und darf vom Arbeitspunkt nicht nach oben überschritten werden.

Am Ende des Videos werden die dynamischen Kennwerte erläutert. Bei dynamischen Kennwerten sind die Kennwerte abhängig vom Arbeitspunkt.

Am Ende Video wird gezeigt, wie man mit Hilfe der Vierquadranten-Darstellung eine Wechselspannungs-Ansteuerung zur Verstärkung von Wechselspannungen realisieren kann.

Auch hier wird der Arbeitspunkt wie in den bereits vorgestellten Schaltungen, der Emitterschaltung und der Basisschaltung mit einem Spannungsteiler realisiert.

Die Signale werden über Kondensatoren an die Verstärkerschaltung angekoppelt. Als Hochpass lassen die nur die hochfrequenten Signale, die verstärkt werden sollen, bzw. am Ausgang ausgegeben werden sollen passieren. Die Gleichspannung zur Arbeitspunkteinstellung wird geblockt.

Ausgangsseitig wird der Arbeitspunkt über den Emitterwiderstand R_E eingestellt. Der Arbeitspunkt wird so eingestellt, dass die Hälfte der Betriebsspannung an R_E abfällt.

Das Video zur Kollektorschaltung

Im Video wird gezeigt, wie der Transistor in der entstandenen Kollektorschaltung das Eingangssignal verstärkt.

Weil die Ausgangsspannung am Emitteranschluss der Eingangsspannung folgt wird die Kollektorschaltung auch als Emitterfolger bezeichnet. Ein Emitterfolger hat eine Spannungsverstärkung von knapp unter 1, verstärkt die Eingangsspannung also nicht.

Der Emitterfolger zeichnet sich vielmehr durch eine hohe Stromverstärkung aus. Er hat einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrígen Ausgangswiderstand und wird daher als Impedanzwandler verwendet.

Dimensionierung der Bauelemente

Nach einer Vorstellung der grundsätzliche Funktionsweise der Emitterschaltung wird auf die Dimensionierung der Bauteile eingegangen.

Der Emitterwiderstand wird so dimensioniert, dass an ihm im Arbeitspunkt die Hälfte der Betriebsspannung abfällt.

Hieraus ergibt sich der Kollektorstrom Ic. Da der Kollektorstrom maßgeblich für die Verlustleistung des Transistors verantwortlich ist, muss darauf geachtet werden, dass die maximale Verlustleistung P_tot nicht überschritten wird.

Aus dem ermittelten Kollektorstrm wird über die Stromverstärkung der Basisstrom berechnet und anschließend der Basisspannungsteiler dimensioniert.

Zu guter letzt werden die Kopppelkondensatoren dimensoniert.

Simulation der Schaltung mit PSPICE

Auch in diesem Video wird den vergangenen Folgen die Gesamtschaltung mit PSPICE simuliert und analysiert.

Dieses Video wurde wie die vergangenen Videos zu den Grundlagen und Arbeitspunkteinstellung und dem Video zur Emitterschaltung von Studenten der GBS Fachschule in Leipzig erstellt.

Die Videos befassen sich mit den Grundlagen von bipolaren Transistorschaltungen.

Heute geht es also um die

Basisschaltung

Im Video wird zunächst der Aufbau und die Funktionsweise der Basisschaltung erläutert. Anschließend wird die Einstellung des Arbeitspunktes mit Hilfe eines Spannungsteilers gezeigt.

Am Ende des Videos zeigt der Student einen Vergleich zwischen der Berechnung der Spannungsverstärkung Vu und der Stromverstärkung Vi mit den realen Werten.

Die Ermittlung der realen Werte erfolgt wieder mit dem Simulationsprogtramm LTSpice.

Video zur Basisschaltung

Verstärkerschaltungen auf Transistorbasis werden nach der Verwendung des gemeinsamen Anschlusses für das Eingangssignal und das Ausgangssgnal benannt.

Die Basischaltung erkennt man also daran, dass der Basisanschluss des Transistors sowohl Bezugspunkt für das Eingangssignal als auch für das Ausgangssignal ist.

Wie man im Video-Preview erkennt, liegt aus Wechselspannungssicht (hier leiten die Kondensatoren, man kann sie sich also kurzgeschlossen vorstellen) der Basisanschluss des npn-Transistors auf Masse und ist Bezzugspunkt für das Eingangssignal und das Ausgangssignal.

Um die Berechnung leichter nachvollziehen zu können, empfehle ich, dass Du die Schaltung zunächst auf einem Blatt Papier aufzeichnest und dann das Video bei den Berechungen anhälst.

Im laufenden Video den Berechnungen zu folgen ohne das Schaltbild vor Augen zu haben, finde ich sehr mühsam.

Also am besten Papier und Bleistift zu Hand nehmen und mitgemacht

Viel Spaß mit dem Video.

Wie geht’s weiter …

Nachdem also in der vergangenen Folge die Emitterschaltung vorgestellt wurde, in dieser Folge die Basisschaltung an der Reihe war, geht es dann im nächsten Artikel um die Kollektorschaltung.

Für Verstärkerschaltungen nimmt man im NF-Bereich häufig die Emitterschaltung. Zum NF-Bereich (Niederfrequenz-Bereich) gehören die hörbaren Signale, also beispielsweise Sprachsignale.

Eine Anwendung der Emitterschaltung wäre daher zum Beispiel die Verstärkung eines Mikrophonsignals, um es auf einem Lautsprecher ausgeben zu können.

Die Emitterschaltung heißt so, weil Eingangssignal und Ausgangssignal als gemeinsamen Bezugspunkt den Emitteranschluss des Transistors haben.

Denkt man sich die Koppelkondensatoren weg, kann man das sehr leicht am Schaltbild erkennen. Das Eingangssignal liegt dann zwischen Basis und Emitter, währende das Ausgangssignal zwischen Kollektor und Emitter abgegriffen wird.

Bei dieser einfachen Schaltung ist dieser Zusammenhang noch sehr schön zu erkennen.

Bei Schaltungen, die wir in Zukunft analysieren, ist das leider nicht mehr ganz so einfach.

Der Aufbau der Emitterschaltung

Im Video wird zunächst einmal der Aufbau einer Emitterschaltung erläutert.

Der gewünschte Arbeitspunkt wird über die Widerstände eingestellt. Über Kondensatoren werden die Eingangsignale und Ausgangssignale an die Schaltung angekoppelt, bzw. die Arbeitspunkteinstellung abgekoppelt..

Zunächst wird gezeigt, wie man die Widerstände dimensioniert, um den gewünschten Arbeitspunkt einzustellen.

Der Basisvorwiderstand begrenzt hierzu den Basistrom. Man sucht sich also den gewünschten Basisstrom und kann damit dann die Größe des Basisvorwiderstandes berechnen.

Über den Kollektorwiderstand kann man den gewünschten Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld festlegen. Die Spannung U_CE wir häufig auf die Hälfte der Betriebsspannung eingestellt. Der Transistor arbeitet dann im sogenannten A-Betrieb.

Nach der Berechnung der Widerstandswerte zur Einstellung des Arbeitspunktes wird die Schaltung im Video mit Hilfe von LTSpice simuliert.

Die Einstellung des Arbeitspunktes wird zunächst überprüft. Nach zusätzlichem Anlegen des Eingangssignal erkennt man im Video die Verstärkung des Signals. Sehr schön erkennt man auch die Phasenverschiebung um 180° des Ausgangssignals im Vergleich zum sinus-förmigen Eingangssignals.

Am Ende des Videos werden noch die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen und die Gesamtverstärkung der Emitterschaltung berechnet.

Das Video

In den nächsten Videos wird es vor allem um die Verwendung des Transistors als Verstärker gehen.

Zunächst einmal wird im heutigen Gastvideo die Funktionsweise von Bipolartransistoren und die typischen Kennlinienfelder erläutert.

Zu Beginn des Videos wird gezeigt, wie Transistoren aus unterschiedlichem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

Dotierte Halbleiter als Grundmaterial für Transistoren

Bei den meisten Transistoren wird als Halbleitergrundmaterial Silizium verwendet.

Das 4-wertige Silizium wird auf zwei unterschiedliche Arten dotiert.

Hierzu nimmt man entweder 3-wertiges Material und erhält dann sogenannten  p-dotiertes Halbleitermaterial, in dem die Löcher überwiegen.

Die zweite Möglichkeit der Dotierung ist die Verwendung von 5-wertigem Material, zur Erzeugung von sogenanntem n-dotierten Halbleitermaterial, in dem die Elektronen überwiegen.

Der Aufbau von Bipolartransistoren

Das unterschiedlich dotierte Material kann man nun auf zwei Arten zusammenbringen und erhält so entweder einen npn oder einen pnp Transitor mit den Anschlüssen Basis, Kollektor und Emitter.

Zwischen Basis und Kollektor bzw. Basis und Emitter erhält man jeweils einen pn-Übergang.

Leitungsvorgang am Beispiel des npn Transistors

Im heutigen Video wird die Funkionsweise am Beispiel eines npn-Transistors erklärt.

Wenn der pn-Übergang der Basis-Emitter-Strecke durch das Anlegen einer Spannung abgebaut ist, wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Anschließend können Elektronen vom Emitter zum Kollektor fließen.

Nach der grundsätzlichen Funktionsweise wird die Schaltung in LTSpice nachgebaut und erläutert.

Im Video werden die wichtigen Kennlinien Einganskennlinie, Stromsteuerkennlinie und das Ausgangskennlinienfeld mit den charakterisierenden h-Parametern aufgenommen.

Bei der Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom sieht man die annähernd lineare Abhängigkeit.

Die Stromsteuerkennlinie, die die Abhängigkeit des Kollektorsstroms vom Basisstroms beschriebt ist also eine Gerade.

Man sieht hier sehr schön, dass der Transistor ein Stromverstärker ist.

Verstärkungsfaktoren liegen bei Kleinsignaltransistoren bei ca. 200 –300.

Wie geht’s weiter

Wie am Ende des Videos gezeigt wird, können geeignete Arbeitspunkte mit Hilfe von Widerständen eingestellt werden.

In den nächsten Folgen wird anhand der Transistor-Grundschaltungen gezeigt, wie das genau funktioniert.

Der Vorteil von Transistoren als Schalter gegenüber Relais besteht darin, dass elektrische Signale ohne mechanische Bewegungen geschaltet werden können.

Somit sind Transistoren praktisch verschleissfrei.

Eingesetzt werden Transistoren als Bestandteil elektronischer Schaltungen in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen.

Immer häufiger werden Transistoren in integrierten Schaltkreisen verwendet, was die derzeit weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.

In dieser Reihe zum Thema Transistoren werden ich zunächst einige Gastvideos vorstellen.

Heute geht es um eine kleine Einführung des mittlerweile wichtigsten Bauteils in der Elektronik. Das Video wurde von Sudenten des Studienganges Technikjournalismus der FH-BRS gedreht.

Laborversuche mit dem Transistor

Im heutigen Video unternimmt ein Student namens Tobias einen Laborversuch.

Bevor es mit der praktischen Umsetzung einer Verstärkerschaltung los geht, lernt Tobias, was ein Transistor ist, wie er funktioniert und was man damit machen kann.

Der Dozent, Dr. Ohm, erklärt zunächst den Aufbau und die Funktionsweise eines sogenannten npn-Transistors  mit den Anschlüssen Basis, Kollektor und Emitter.

Anschließend geht es aber sofort zur Sache.

Die erste Transistorschaltung wird aufgebaut.

Tobias erhält die Aufgabe eine einfache Transistor-Verstärkerschaltung aufzubauen.

Hierzu benötigt er lediglich einen Transistor, Widerstände zum Einstellen des Arbeitspunktes und Kondensatoren zum An- und Auskoppeln der Wechselsignale.

Das Einganssignal soll um das 100-fache verstärkt werden, damit es stark genug ist, um über einen Lautsprecher ausgegeben werden zu können.

Zwar hat Tobias beim Aufbau des Verstärkers noch einige Probleme (Ähnlichkeiten mit real existierenden Studenten sind zwar nicht beabsichtigt, können aber auch nicht ausgeschlossen werden), mit Dr. Ohms Hilfe funktioniert der Verstärker zu guter Letzt aber ausgezeichnet.

Der Transistor als Schalter

Neben der Verwendung als Verstärker werden Transistoren auch als Schalter eingesetzt. In einer Integrierten Schaltung (Chip) befinden sich beispielsweise mehrere Millarden Transitoren, die als winzige elektronische Schalter das Schalten elektrischer Signale mehrere Milliarden mal pro Sekunde ermöglichen.

Dieser Artikel ist als nicht ganz ernst gemeinte Einführung in das Thema Transistoren gedacht. In den nächsten Artikeln wird es dann aber ernsthafter – versprochen

Das Video

Und hier geht es dann auch schon ernsthafter weiter mit einem Gast-Video zum Thema Transistoren – Grundlagen und Arbeitspunkteinstellung.