Transistor

Elektronik

Transistor

  • Wie ist ein Transistor aufgebaut?
  • Können Transistoren Strom verstärken?
  • Warum sind Transistoren heute so wichtig?
  • Wo und wie werden Transistoren überall eingesetzt?

Versuchsziel:
Der Transistor kann "vordergründig" als Kombination zweier einander entgegengeschalteter Dioden aufgefasst werden. Dies soll durch den Versuch für einen npn-Transistor nachgewiesen werden.


Versuchsaufbau und -durchführung:
Man schließt abwechselnd den Pluspol P bzw. den Minuspol M der Spannungsquelle an die "Diodenanschlüsse" B, C und E an. Ein Aufleuchten der LED zeigt an, dass die entsprechende Diodenstrecke des Transistors in Durchlassrichtung gepolt ist.

 

Versuchsergebnis:

 

Pluspol P
Minuspol M
LED
B
E
hell
E
B
dunkel
B
C
hell
C
B
dunkel
C
E
dunkel
E
C
dunkel

Hinweise:

  • Die Kollektor-Emitter-Strecke leitet unabhängig von der Polung nie.
  • Beim pnp-Transistor liegen die Verhältnisse ähnlich, jedoch ist die Polung jeweils umzukehren.
  • Die Überprüfung der Diodeneigenschaften des Transistors (z.B. mit einem Ohmmeter) kann als erster Test für die Funktionsfähigkeit eines Transistors dienen.

Versuchsziel
Nachweis, dass ein Transistor als Schalter dienen kann.

Versuchsaufbau und -durchführung
An die Kollektor-Emitter-Strecke und ein in Serie geschaltetes Lämpchen wird - wie skizziert - eine Gleichspannung angelegt.

Der Basisanschluss wird über einen \(10{\rm{k\Omega }}\)-Widerstand einmal mit dem Minuspol und einmal mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden.

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Versuchsergebnis und Erklärung
Wird die Basis mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden, leuchtet das Lämpchen nicht. In diesem Fall ist die Basis-Emitter-Diode nicht in Durchlassrichtung gepolt, so dass der Transistor-Effekt nicht auftreten kann. Die Kollektor-Emitter-Strecke lässt keinen Stromfluss zu, der Transistor wirkt wie ein geöffneter Schalter.
Wird die Basis mit dem Pluspol verbunden, so leuchtet das Lämpchen. Die Basis ist (genügend) positiv gegenüber dem Emitter, die Basis-Emitter-Diode ist durchgeschaltet, der Transistor-Effekt kann auftreten. Der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke wird sehr klein, der Transistor wirkt wie ein geschlossener Schalter.

Beispiel für eine Anwendung: Lichtschranke
Das \(10{\rm{k\Omega }}\)-Potentiometer wird so eingestellt, dass die Lampe gerade nicht leuchtet. In diesem Fall ist der Spannungsteiler bestehend aus LDR und Potentiometer gerade so dimensioniert, dass die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter nicht ausreicht, die Basis-Emitter-Diode durchzuschalten.

Beleuchtet man den LDR, so leuchtet auch das Lämpchen.

 

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Erklärung
Trifft Licht auf den LDR, so sinkt dessen Widerstand, es fällt an ihm eine geringere Spannung als vorher ab. Da die Gesamtspannung am Spannungsteiler gleich bleibt, muss nun am Potentiometer eine höhere Spannung als vor der Beleuchtung abfallen. Somit hat aber auch die Spannung zwischen Basis und Emitter zugenommen. Die Basis-Emitter-Diode wird leitend und es tritt der Transistor-Effekt ein.

Versuchsziel:
Nachweis, dass ein Transistor als Verstärker dienen kann.

Versuchsaufbau und -durchführung:
An die Kollektor-Emitter-Strecke und einen in Serie geschalteten Lautsprecher wird - wie skizziert - eine Gleichspannung angelegt.

Durch einen Spannungsteiler wird dafür gesorgt, dass zwischen Basis und Emitter eine Gleichspannung besteht (Basis positiv gegenüber dem Emitter). Zusätzlich wird zwischen Basis und Emitter der Lautsprecherausgang eines Radiorecorders angeschlossen, der die zu verstärkende Signalwechselspannung einspeist.

Mit dem Potentiometer stellt man den Arbeitspunkt des Transistors so ein, dass nach der Verstärkung eine halbwegs unverzerrte Sprache oder Musik zu hören ist.

Hinweise:

  • Damit der Transistor nicht übersteuert, muss die Lautstärke am Radiorecorder klein gehalten werden.
  • Um die Verstärkerwirkung des Transistors beurteilen zu können, ist es sinnvoll, den Ausgang des Radiorecorders einmal ohne Transistorverstärker an den Lautsprecher anzuschließen.


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Versuchsergebnis:

  • Mit einem Transistor können Wechselspannungssignale verstärkt werden.
  • Die Qualität der Verstärkung (Wiedergabetreue) kann durch das Potentiometer optimiert werden. Insgesamt reicht ein einziger Transistor jedoch nicht aus, um ein optimale Verstärkungsqualität zu erzielen.
  • Wie die Verstärkung durch den Transistor im Detail zu verstehen ist, können Sie der Seite über die Kennlinien entnehmen.
  • Der Kollektorstrom schwankt nicht um die Nulllinie, sondern um einen konstanten Ruhestrom. Wie man zu einer reinen Sinusform des Ausgangssignals gelangt, sehen Sie auch auf der Seite über die Kennlinien.

Eingangskennlinie

Stromsteuerkennlinie

Ausgangskennlinienfeld

Arbeitsgerade

Kombination der Kennlinienfelder

 

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video erläutert Karlheinz Meier die Bedeutung des Transistors als Verstärker und zeigt ein sehr schönes mechanisches Modellexperiment zur Verstärkung.

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