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Transistor Basics Teil 1 NPN vs PNP

Transistor Basics: NPN vs. PNP & Basisstrom

Transistoren sind in der modernen Elektronik unverzichtbar. Aber auch beim Hobbybasteln und Experimentieren kommt man um dieses Bauteil nicht herum. In dieser mehrteiligen Artikel-Serie geht es um die Grundlagen des Transistors und wie man diesen in der Praxis einsetzten kann. Wie hier am Blog üblich, darf man sich auch bei diesem Artikel nicht die Informationsaufbereitung erwarten, wie man sie dem Schulbuch kennt, denn hier liegt der Fokus ganz auf der praktischen Seite!

Weiterführende Links:

Transistor Set


LED & Widerstand

Um die Funktionen eines Transistors vollumfänglich in der Praxis ausprobieren zu können, werden neben den Transistor selbst noch anderen Bauteile wie zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED) benötigt.
Widerstände begrenzen den Stromfluss auf einer Leitung. Wie stark dieser Stromfluss begrenzt wird, hängt vom Widerstandswert selbst ab. Die Aufgabe vom Vorwiderstand einer LED ist es, den Stromfluss so weit zu begrenzen, dass die LED nicht beschädigt werden kann. In der Regel sind es höchstens 20 Milliampere, die durch eine Standard-LED fließen sollten. Für die praktischen Versuche kann man bei 9 Volt Betriebsspannung ohne Berechnung einen Vorwiderstand von einem Kiloohm nehmen. Eigentlich ist er etwas zu groß, trotzdem werden die meisten LEDs noch hell genug leuchten. Denn ob durch die LED 10 mA oder 20 mA fließen, ändert sich an der Spannung nur wenig. Dies ist wiederum auf den exponentiellen Verlauf der Diodenkennlinie zurückzuführen. Für die folgenden Transistor-Versuche reicht folgende LED-Beschaltung aus:

LED Vorwiderstand Schaltung

Der NPN Transistor

Ein bekannter Allrounder unter den Transistoren ist der BC547 oder BC548. Beide Typen sind NPN-Transistoren und unterscheiden sich primär an der Spannungsfestigkeit und beim maximalen Strom, der zwischen Kollektor und Emitter fließen darf. Beide Typen sind jedoch für die ersten Versuche geeignet. Die Leitfähigkeit eines Transistors wird über den Basisstrom (IB) bestimmt bzw. muss die Spannung größer als rund 0,6 Volt sein, damit der Transistor leitfähig wird. Je mehr Strom zur Basis fließt, desto mehr Strom fließt auch zwischen Kollektor (C) und Emitter (E). Baut man folgende Schaltung nach, so kann man alle Grundfunktionen des Transistors ausprobieren:

BC547 NPN Schaltung mit LED

Der Widerstand R2 wurde hochohmig gewählt, damit der Stromfluss vom Pluspol zur Basis von Q1 stark begrenzt wird. Es kann also nur noch ein sehr kleiner Strom über den Widerstand R2 zur Basis fließen. LED und Vorwiderstand (R1) werden aus dem oberen Beispiel übernommen und zwischen Pluspol und Kollektor angeschlossen. Der Emitter wird direkt mit dem Minuspol bzw. der Masse verbunden. Folgende praktische Experimente zeigen die Grundfunktionen des Transistors:

  • X1 und X2 sind offen:
    Der Transistor leitet in diesem Fall nicht, da keine Spannung an der Basis anliegt.

  • X1 und X2 sind geschlossen:
    Der Basisstrom und die Basisspannung am Transistor sind ausreichend hoch, Q1 wird niederohmig. Zwischen Kathode und Minuspol kann jetzt ein Strom fließen. Die LED leuchtet.

  • X1 und X2 werden mit dem Finger berührt:
    Die menschliche Haut ist, wenn auch nicht besonders gut, elektrisch leitfähig. Je nach Berührung ändert sich die Helligkeit der LED. Hierbei handelt es sich um eine analoge Verstärkung des Transistors. Je nachdem wie viel Strom zu Basis kommt, leuchtet die LED heller oder Dunkler.

  • Wie im praktischen Experiment zu sehen, kann der Transistor entweder als Schalter (Ein oder Aus) oder als analoger Verstärker eingesetzt werden.


    Schaltung mit PNP-Transistor

    Auch beim PNP-Transistor gibt es bekannte Allrounder wie den BC557 oder BC558, die für die meisten Projekte ausreichend sind. Der PNP-Transistor besitzt gegenüber dem NPN-Transistor die umgekehrte Polarität. Die folgende Schaltung verwendet einen BC557 Transistor und besitzt die gleichen Eigenschaften wie eine NPN-Schaltung:

    BC557 PNP Schaltung mit LED

    Diesmal wird jedoch der Emitter (E) an den Pluspol angeschlossen. Die Leitfähigkeit wird beim PNP-Typ mit dem Minuspol bestimmt. Herrscht eine ausreichend hohe Differenz an der Basis, so wird der Transistor leitfähig.
    Generell trifft man auf den PNP-Typ seltener, da er von der Produktion her aufwendiger und somit auch teurer ist. Es gibt aber auch Schaltungen, wo man beide Typen braucht, wie zum Beispiel bei einer Gegentaktstufe oder eine H-Brückenschaltung (Vierquadrantensteller).

    Nachlauflicht & Basisstrom

    Die nächste Schaltung hat einen Kondensator verbaut, der mit dem Schließen von X1 und X2 aufgeladen wird. Trennt man die Verbindung, so bleibt der Transistor weiterhin leitend, zumindest so lange, bis der Kondensator entladen ist. Die Zeit für das nachleuchten kann mit der Kapazität vom Kondensator und mit dem Basisvorwiderstand R2 bestimmt werden:

    LED Nachlauflicht mit Kondensator und Transistor

    Je größer die Kapazität vom Kondensator ist, desto länger bleibt die LED an. Entfernt man den Basiswiderstand R2, so leuchtet die LED deutlich kürzer nach. Der Grund dafür ist, dass der Widerstand den Basisstrom begrenzt und dadurch der Kondensator langsamer entladen wird. Einen weiteren interessanten Effekt stellt man fest, wenn man X1 und X2 mit dem Finger berührt. Durch den hohen Widerstand der Haut fließt nur ein sehr kleiner Strom weiter. Da der Kondensator am Anfang einen sehr hohen Strom aufnimmt, geht nahezu die gesamte Energie in den Kondensator. Die LED bleibt anfangs dunkel und fängt langsam an zu leuchten. Dieser Effekt tritt auf, wenn der Ladestrom vom Kondensator zurückgeht und dadurch immer mehr Basisstrom zur Verfügung steht. Man kann mit dem Kondensator also nicht nur eine Nachlaufsteuerung bauen, sondern auch die Einschaltung verzögern.


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