Transistor und Gleichstromverstärkung (B)

Im Artikel zur Funktion eines Transistors war die Rede vom Verstärkungsfaktor ‚B‘.

‚B‘ gibt an, um ein wie Vielfaches der Kollektorstrom (also der Strom vom Kollektor zum Emitter) höher ist, als der Basisstrom.

Nehmen wir das mal ein wenig auseinander.

Wenn in einem Transistor von der Basis zum Emitter KEIN Strom fließt, ist er gesperrt. Vom Kollektor kann also auch kein Strom zum Emitter fließen.

Jetzt gibt es bei jedem Transistor einen Bereich, in dem ein (meist recht geringer) Stromfluss von der Basis den Transistor leitend macht.

Dies bedeutet, dass auch ein Strom vom Kollektor zu Emitter fließen kann. Aber wie hoch wird dieser sein?

Hier kommt ‚B‘ ins Spiel

Ein ‚B‘ von 100 würde bedeuten, dass bei einem Basisstrom von 1mA einen Kollektorstrom von 100mA fließen kann.

Natürlich nur dann, wenn dieser möglich ist. Wird durch weitere Bauteile in der Schaltung (z.B. ein Widerstand am Emitter) der Stromfluss schon begrenzt, dann wird auch nur dieser max. mögliche Strom fließen können.

Dabei muss man immer beachten, dass sich am Emitter der Stromkreis schließt! Ein dort vorhandener Widerstand wird den Basisstrom UND den Kollektorstrom beeinflussen!

Allerdings ist größtenteils der Basisstrom so gering, dass z.B. ein Vorwiderstand der LED (siehe unteres Schaltbild) von 560 Ohm keine allzu große Auswirkung auf den Basisstrom hätte. Arbeitet man aber aus irgendwelchen Gründen an den Grenzwerten des Transistors, kann dies schon zum Tragen kommen.

In diesem Schaltbild ist eine einfache Ansteuerung einer LED aufgeführt.

Der Vorwiderstand R2 der LED ist so dimensioniert, dass bei voll geöffnetem Transistor nur die max. zulässigen 20mA für die LED fließen. Irgendwann hätte es also keinen Sinn den Basisstrom weiter zu erhöhen, wenn der maximale Strom durch die LED bereits erreicht ist.

Wie in der Transistorfunktion schon beschrieben, ist irgendwann keine Erhöhung des Kollektorstroms mehr möglich, der Transistor ist so weit offen, wie es geht.

Wird nun der Basisstrom weiter erhöht, wird der Transistor übersteuert. Arbeitet der Transistor als Schalter (also nur LED ein oder aus), ist dies meist in bestimmten Grenzen erwünscht, um sicherzustellen, dass der Kollektorstrom sein Maximum erreicht hat. Allerdings sollte man das in Grenzen halten (einige %), um das Bauteil nicht zu zerstören.

Um so etwas genau abzustimmen, muss unbedingt das Datenblatt des entspr. Typen zurate gezogen werden. Hier kann man anhand von Daten und Diagrammen ermitteln, ab welchem Basisstrom der Transistor leitend wird und wo sein Maximum liegt.

Innerhalb dieser Grenzen liegt dann der aussteuerbare Bereich. Das heißt, dass zwischen dem Punkt, ab dem der Transistor öffnet und dem, an dem er völlig leitend ist, jede Basisstromänderung eine Kollektorstromänderung um den Faktor ‚B‘ bewirkt.

Dies wird u. a. beim Audioverstärker ausgenutzt, um mit einem schwachen Musiksignal (z.B. vom MP3 Player) einen großen Lautsprecher zum Schwingen zu bringen. Leider ist dazu noch einiges an weiterer Elektronik notwendig. Unter anderem deshalb, weil der Aussteuerbereich eines einzigen Transistors dazu viel zu gering ist.

Hier kommt dann auch die Spannung von der Basis zum Emitter zum Tragen

Die Strecke Basis-> Emitter (B-E), kommt einer Diodenstrecke gleich.

Dies bedeutet nun, dass der Bereich, in dem der Transistor leitend wird, dort eine Spannung von ca. 0,6-0,7V benötigt. Darunter wird kein ausreichender Basisstrom fließen und der Transistor nicht arbeiten.

Ein typischer Kleinsignaltransistor hat seinen Aussteuerbereich ca. bei 0,6-0,9V Spannung an B-E. Darunter leitet er nicht, darüber wird er übersteuert.

Daran kann man vielleicht schon erkennen, welcher Aufwand nötig werden kann, um einen Spannungsbereich von z.B. 0-2V auf 0-24V im Aussteuerbereich zu verstärken. (Dazu kommt aber auch noch ein eigener Blogbeitrag )

Zusätzlich muss man im Hinterkopf behalten, dass kaum zwei identische Transistoren auch absolut den gleichen ‚B‘ besitzen. Oft wird schon im Datenblatt eine Toleranz für ‚B‘ angegeben, z.B. 100-140.

Durch die Exemplarstreuung ist dies nicht zu vermeiden. Will man also unbedingt so haargenau in diesem Bereich arbeiten, muss einiges an Abstimmmöglichkeiten geschaffen werden.

Im Modellbaubereich und der Digitaltechnik ist der Transistor aber zum Glück zu 99% als Schalter eingesetzt – an oder aus. Hier kommt man fast immer mit einfachen Faustformeln oder groben Überschlagsrechnungen aus.

Analog zum fließenden Wasser kann man sich ‚B‘ als Größe des Schiebers in einem Wasserhahn vorstellen. Und auch hier ist es eben so, dass es keinen Sinn macht, den Hahn noch weiter zu öffnen, wenn der Wasserstrahl nicht mehr stärker werden kann. Umgekehrt eben kein Wasserfluss, wenn der Wasserhahn geschlossen ist.

Zum guten Schluss noch die Formel zur Kollektorstromberechnung anhand von ‚B‘:

IC=IB*B

• IC=Kollektorstrom
• IB=Basisstrom
• B=Verstärkungsfaktor ‚B‘

Eigentlich ja auch logisch:

Multipliziert man den Basisstrom mit ‚B‘, bekommt man den Kollektorstrom als Ergebnis.