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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]

[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 = \qty{12}{\volt}
• gegeben: I_{\textrm{C}} = \qty{5}{\milli\ampere}
• gegeben: B = 298
• gegeben: U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}
• gesucht: R_1

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$ $R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{16,779}{\micro\ampere}} \approx \qty{680}{\kilo\ohm}$ 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: $U = \qty{10}{\volt}$ * gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$ * gegeben: $B = 200$ * gegeben: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$ * gegeben: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$ * gesucht: $R_1$ $B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$ $U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{0,6}{\volt} = \qty{9,4}{\volt}$ $I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{9,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{85,5}{\kilo\ohm}$

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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 = \qty{10}{\volt}
• gegeben: I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}
• gegeben: B = 200
• gegeben: U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}
• gegeben: U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}
• gegeben: I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}
• gesucht: R_1

$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$ $U_{\textrm{R2}} = U_{\textrm{BE}} + U_{R_{\textrm{E}}} = \qty{0,6}{\volt} + \qty{1}{\volt} = \qty{1,6}{\volt}$ $U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{1,6}{\volt} = \qty{8,4}{\volt}$ $I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{8,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{76,4}{\kilo\ohm}$

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[question:AC519]

Lösungsweg

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

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[question:AC520]

Lösungsweg

• R_2 ist stromlos \rightarrow 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 \rightarrow Spannungsabfall an R_{\textrm{C}} steigt stark
• U_{\textrm{CE}} sinkt auf den Sättigungswert von ca. \qty{0,1}{\volt}

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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 * *p-*/*n-Kanal*: Pfeil zeigt weg vom/hin zum Kanal * *Isolierschicht* (MOSFET): Gate und Kanal als Kondensator

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[question:AC507]

[question:AC508]

[question:AC509]

[question:AC510]

[question:AC511]

[question:AC521]

Lösungsweg

* gegeben: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$ * gegeben: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$ * gegeben: $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$ * gegeben: $R_3 = \qty{2,2}{\kilo\ohm}$ * gesucht: $U_{\textrm{GS}}$ * Ansatz: Unbelasteter Spannungsteiler über $R_1$ und $R_2$, mit $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$ $\begin{split} \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \Rightarrow U_{\textrm{R2}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot U_{\textrm{B}}\\ &= \frac{\qty{1}{\kilo\ohm}}{\qty{10}{\kilo\ohm}+\qty{1}{\kilo\ohm}} \cdot \qty{44}{\volt}\\ &= \frac{1}{11} \cdot \qty{44}{\volt} = \qty{4}{\volt} \end{split}$

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[question:AC522]

Lösungsweg

* gegeben: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$ * gegeben: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$ * gegeben: $R_3 = \qty{2,2}{\kilo\ohm}$ * gegeben: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = \qty{2,8}{\volt}$ * gegeben: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$ * gesucht: $R_2$ $\begin{split} \frac{U_{\textrm{R1}}}{U_{\textrm{R2}}} &= \frac{R_1}{R_2}\\ \Rightarrow R_2 &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{R1}}}\\ &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}-U_{\textrm{GS}}}\\ &= \qty{10}{\kilo\ohm} \cdot \frac{\qty{2,8}{\volt}}{\qty{44}{\volt}-\qty{2,8}{\volt}}\\ &\approx \qty{680}{\ohm} \end{split}$ --- [question:AC523] --- #### Lösungsweg

• gegeben: R_{\textrm{DSon}} = \qty{4}{\milli\ohm}
• gegeben: I = \qty{25}{\ampere}
• gesucht: P

$P = I^2 \cdot R = (\qty{25}{\ampere})^2 \cdot \qty{4}{\milli\ohm} = \qty{2,5}{\watt}$ MOSFET verhält sich wie ein ohmscher Widerstand

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Freilaufdiode

• Relais wird über einen in Serie geschalteten Bipolartransistor betrieben
• Transistor schaltet ein \rightarrow Strom fließt durch die Relaisspule
• Transistor schaltet ab \rightarrow 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]