Der Transistor als Stromquelle
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Ein Transistor lässt sich am besten mit einer Stromquelle erklären.
Diese Stromquelle liefert einen konstanten Strom, weitgehend

unabhängig von Spannung,  Widerstand und Temperatur.


Stromquelle

Ein Transistor ist für diese Aufgabe ideal, weil es ein Strom gesteuertes Bauelement ist.

Es ist diese besondere Haupteigenschaft, die den bipolaren Transistor auszeichnet.
Der Transistor ist im wesentlichen kein Spannung gesteuertes Bauelement.
Er ist auch kein gesteuerter Widerstand.
Ohne diese Eigenschaft würde die Elektronik insgesamt und insbesondere das Innenleben
der integrierten Schaltkreise (IC`s) anders aussehen.  

Ein Transistor hat drei Anschlüsse. Basis, Emitter, Kollektor.
Ein kleiner konstanter Basisstrom Ib liefert einen großen und konstanten Kollektorstrom Ik.
Am Emitter addieren sich beide Ströme und fließen zum gemeinsamen Pol nach "Masse" ab.
Das Verhältnis von Basisstrom und Kollektorstrom ist über einen weiten Bereich linear
und fast unabhängig von der Kollektorspannung und damit auch unabhängig von einem 
am Kollektor angeschlossenen Widerstand. 
Auch die Temperatur hat nur einen geringen Einfluss.
Dieses Verhältnis ist die Stromverstärkung ß eines Transistors.
Wird ein Transistor an die Grenze seines maximal erlaubten Kollektorstromes benutzt,
dann geht die Stromverstärkung zurück. Aus diesem Grund wird bei Leistungstransistoren
oftmals die minimale Stromverstärkung bei einem bestimmten Kollektorstrom angeben. 
Z.B. für den BD911 eine Stromverstärkung von 15 bei 5A.  
Es sind selbstverständlich immer die Grenzwerte eines Bauelementes zu beachten.
Das trifft besonders auf die Leistung P = Uk x Ik , also dem Produkt der Spannung über
Kollektor - Emitter und und dem Strom durch den Transistor. 

Man kann in der oben gezeigten Schaltung fast den gleichen Strom bei unterschiedlichen
Werten für R3 messen.  Das gilt auch für R3 = 0 Ohm, also bei Kurzschluss.
R2 bestimmt und begrenzt den Basisstrom und bestimmt somit den Kollektorstrom schützt
den Transistor vor Zerstörung.
Mit R1 lässt sich der Basisstrom in weiten Grenzen einstellen und mit den beiden
Strommessgeräten kann das Verhältnis von Ik zu Ib und die Linearität der Stromverstärkung
gemessen werden.

Der Transistor ist also kein Spannung gesteuerter Widerstand, wie der zusammengesetzte
Name "Trans-formation und Re-sistor" vermuten lässt.
Denn I = U / R, und das bedeutet, das bei steigender Spannung U und/oder kleineren 
Widerstand R der Strom I steigen muss.

Also wie bei einem ohmschen Widerstand an einer Spannungsquelle.
Bei einem Transistor bleibt aber der Kollektorstrom bei
steigender Kollektor-Emitter-Spannung
und/oder sinkendem Kollektorwiderstand weitgehend konstant!  Das nennt man eine Stromquelle.

Wird der Transistor direkt an Basis und Emitter einer Spannung gesteuert, führt die nicht lineare
Spannungs-Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke
schnell zu Verzerrungen.  Weiter ist zu 
beachten, das die Spannung der Basis-Emitter-Strecke stark von der Temperatur abhängig ist.
Die Basis-Emitter-Strecke verhält sich wie eine Diode. Im normalen Durchlass-Betrieb
ist die Spannung etwa 0,4 bis 0,8 V. Mit steigender Temperatur verringert sich die Ube.
In Sperrrichtung wirkt sie wie eine Zenerdiode und es stellen sich etwa 6 V und ein 
starkes breitbandiges Rauschen ein. 


Der Basisstrom kann zur Entkopplung der Betriebsspannung mit einer 
konstanten Spannung an einer Zenerdiode und einem

Basiswiderstand oder einer weiteren Stromquelle erzeugt werden. 
In der gezeigten Schaltung muss die Versorgungsspannung für einen konstanten Basisstrom stabil sein.


stromquelle einstellbar

Leider haben die Transistoren sehr unterschiedliche Stromverstärkungsfaktoren.
Sie werden mit dem letzten Buchstaben in ihrer Bezeichnung meistens in Gruppen unterteilt.
A bedeutet einen kleinen und z.B. C  einen höheren Stromverstärkungsfaktor.
Für einzelne Versuche kann man aber diesen Faktor ß ausmessen.
Viele Digitalvoltmeter ermöglichen die Messung der Stromverstärkung.  Falls  dafür kein DVM
vorhanden ist kann man mit nur einem Widerstand und mit einem Strommessgerät den Faktor
messen, in dem man einen Widerstand an die Basis legt und dann den Kollektorstrom misst.
An der Basis-Emitterstrecke eines Siliziumtransistors fällt bei Zimmertemperatur etwa 0,5V bis 0,6V ab. 
Daraus ergibt sich  der Basisstrom Ib = (Betriebsspannung Ub minus 0,5V)  geteilt durch den 
Basiswiderstand Rb.  z. B.  für Ub = 10,5V - 0,5 = 10V  und  Rb = 1MOhm erhält man einen

Basisstrom von 0,01mA  bzw. 10µA.   Wird nun ein Kollektorstrom von 1mA gemessen dann hat
der Transistor  1,0mA geteilt durch 0,01mA = 100.  Wird der Basiswiderstand entfernt, so das
die Basis nicht angeschlossen ist, sollte kein Kollektorstrom fließen. In der Realität fließt aber
ein kleiner Kollektor-Reststrom, den man messen oder aus den Datenblättern entnehmen kann.  
Optimal ist ein sehr kleiner Kollektorreststrom.


Trotzdem die Ube für kleine Basisströme etwa 0,5V ist, kann die Spannung zwischen Kollektor 
und Emitter Uce geringer sein.  Es können hier, bei relativ geringen Strömen nur 0,1V 
gemessen werden.  Das bedeutet z.B. für ein Netzteil mit einer konstanten Spannung von 13,8V,

welches mit  einer Stromquelle zu einem Ladegerät für einen Bleiakkumulator erweitert wird, 
das der Bleiakku bis zu
einer Spannung von 13,7V mit einen konstanten Strom geladen 
werden kann.  Diese geringe
Verlustspannung bedeutet eine geringe Verlustleistung und 
damit einen guten Wirkungsgrad.

Ganz im Gegensatz zu Schaltungen die alte Spannungsregler wie z.B. LM317 oder ähnliche 
benutzten.
Diesen Schaltungen sind Energieverschwender, weil etwa 2 bis 3 Volt für 
einen sicheren Betrieb abfallen und sollten nur
wenigen Anwendungen vorbehalten sein.

Es ist immer die Verlustleistung zu beachten.  P = U x I  hat hier volle Gültigkeit und kann leicht zu
hohen Wärmeabgabe des Transistors führen besonders wenn kein Verbraucher, also Kurzschluss
vom Kollektor zur Betriebsspannung vorhanden ist und die Spannungen und Ströme groß sind.
Man kann die Stromquelle mit Transistoren beliebiger Polarität bauen.  Also npn oder pnp. 
Für Transistoren des pnp-Typs muss der Basis- und Kollektrostrom vom Minuspol in den
positiven Emitter fließen. Die Polarität der Betriebsspannung Ub von V1 in unserer Schaltung
muss also getauscht werden.
Soll der Basisstrom verringert werden, kann ein  Darlington-Transistor oder zwei einzelne 
Transistoren
benutzt werden.  Der Darlington-Transistor hat aber den Nachteil der höheren 
Uce min, von  minimal
etwa 0,7 V. Die Stromverstärkungsfaktoren multiplizieren sich.

Es sind viele Einsatzmöglichkeiten denkbar. Für die LED-Lampen könnte man einen konstanten
Strom einstellen und so die Helligkeit unabhängig von einer zu hohen Spannung konstant halten
oder verändern.
Außerdem ist die LED vor Zerstörung geschützt.  
Die Stromquelle kann als Schutz gegen zu hohen Ströme und damit Zerstörung eingesetzt 
werden.  Auch ein Messgerät für Kabel und Kontakte ist denkbar. Z.B. erhält man mit einem 
konstanten Strom von 1A  und einem Digitalvoltmeter ein sehr gutes Milliohm-Meter.


Es ist mit einer zusätzlichen Stromquelle möglich den Strom und damit
die Verlustleistung bei zu hohen Uce zu reduzieren. 
Man erhält hier ein umgedrehtes Verhalten eines Widerstandes. 
Man sagt: ein negativer Widerstand.

Man kann die gewünschte Stromkennlinie mit entsprechenden Spannungsteilern oder
Zenerdioden seinen  Wünschen in Grenzen anpassen. 

stromquelle bergrenz