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Versuche

Arbeitsgerade des Transistors

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Schaltskizzen des Versuchs

Bei den Anwendungen des Transistors (z.B. Verstärker- oder Schaltbetrieb) wird stets in den Kollektorkreis ein Widerstand \(R_{\rm{C}}\) (z.B. Laufsprecher oder Lampe) geschaltet, an dem ein Spannungsabfall auftritt.

Man denkt sich die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors durch einen Widerstand \(R_{\rm{C}E}\) ersetzt, dann sieht man recht gut, dass die Batteriespannung \(U_{\rm{Batt}}\) an einem aus \(R_{\rm{C}}\) und \(R_{\rm{CE}}\) bestehenden Spannungsteiler anliegt. Es gilt: \[{U_{\rm{Batt}}} = {U_{{\rm{R_C}}}} + {U_{{\rm{R_{CE}}}}}\]

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Diagramm (Lösungsvorschlag)

Um zu verstehen, wie man bei einem Widerstand \(R_{\rm{C}}\) im Kollektorkreis die Spannung \(U_{\rm{CE}}\) und den Strom \(I_{\rm{C}}\) ermittelt, muss man die folgenden Überlegungen anstellen:

  • Die Spannung UCE und den Strom IC sind durch den gewählten Transistortyp, die Batteriespannung und den Basisstrom bestimmt.
  • Der Zusammenhang zwischen dem Kollektorstrom und der am Widerstand RC (z.B. \(400\Omega \)) abfallenden Spannung ist linear.
  • Sperrt der Transistor, so fließt kein Kollektorstrom (\(I_{\rm{C}}=0\)) und die gesamte Batteriespannung (z.B. 12V) fällt am Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ab, d.h. UCE = 12V (roter Punkt).
  • Ist der Transistor durchgeschaltet, so hat die Kollektor-Emitter-Strecke den Widerstand Null und die Spannung UCE ist damit auch Null. Die gesamte Batteriespannung von 12 V fällt in diesem Fall am Widerstand ab. Durch den Kollektorkreis fließt dann der Strom:

\[I_{\rm{C}} = \frac{U_{\rm{Batt}}}{R_{\rm{C}}} \Rightarrow {I_{\rm{C}}} = \frac{12}{400}\,\rm{A} = 30\,\rm{mA}\]

Damit ist der zweite (grüne) Punkt der Widerstandskennlinie festgelegt. Die Verbindung von rotem und grünem Punkt heißt Arbeitsgerade.

Bei vorgegebener Batteriespannung und festem Kollektorwiderstand sind die Werte für \(I_{\rm{C}}\) und \(U_{\rm{CE}}\) nur auf dieser Arbeitsgeraden zu suchen (abhängig vom eingestellten Basisstrom).

Beispiel:
Der Basisstrom sei auf \(35\,\rm{\mu A}\) eingestellt. Dann ergibt sich aus dem Diagramm ein Kollektorstrom von \(10\,\rm{mA}\), eine Kollektor-Emitterspannung von \(8\,\rm{V}\) und eine Spannung am Widerstand von \(4\,\rm{V}\).