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.
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.
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.