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Transistor-Schaltungen

Weihnachten 1963, mein erster Elektronik-Baukasten: der KOSMOS Radiomann.
Im Begleitheft wurde die Funktion des damaligen Germanium-Transistors OC??? sehr gut verständlich mit folgenden drei Bildern erklärt:
Wenn in B kein Wasser fließt, bleibt die kleine Klappe zu und die große auch; es kann kein Wasser von C nach E fließen. Wird in B die kleine Klappe durch Wasser geöffnet, geht auch die große Klappe auf; es fließt viel Wasser von C nach E. Bewegt sich die kleine Klappe, öffnet die große Klappe entsprechend weit; Wasser fließt in unterschiedlicher Menge.
Transistoren sind aktive Halbleiter-Bauelemente. Als Grundstoff wird heute vorzugsweise Silizium verwendet, da ein Einsatz bei Temperaturen über 150°C möglich ist. Germanium wurde in der Anfangszeit des Transistors eingesetzt, ist jedoch nur bis 85°C verwendbar. Außerdem sind die weit höheren Restströme von Nachteil.
Ein Transistor besteht aus zwei Dioden: eine von der Basis zum Collektor, eine zweite von der Basis zum Emitter. Zeigen die beiden Dioden zur Basis, handelt es sich um einen PNP-Transistor, zeigen die Dioden weg von der Basis, ist es der wesentlich häufiger eingesetzte NPN-Transistor. An den Dioden-Übergängen bestehen Sperrschichten, die durch den Basisstrom beeinflußt werden. Wie die Bilder oben sehr schön zeigen, hat ein kleiner "Fluß" in der Basis einen großen "Fluß" von Collektor zum Emitter zur Folge.
Der Basis-Strom muß durch geeignete Maßnahmen begrenzt werden, da sonst bei Silizium-Transistoren, wo der Emitter an GND (bei PNP-Transistoren an Plus) angeschlossen ist, ab einer Basis-Emitter-Spannung von ca. 0,7 Volt der Strom sehr stark ansteigen und der Transistor zerstört würde. Bei Germanium-Transistoren beträgt die maximale Basis-Emitter-Spannung ca. 0,2 Volt.
Die häufigste Methode der Strombegrenzung ist der Basis-Vorwiderstand.
Bei einem Emitter-Widerstand kann der Basis-Vorwiderstand entfallen, da sich durch den Emitter-Strom ein Spannungsabfall einstellt, der die Emitter-Spannung 0,7 Volt negativer als die Basis-Spannung hält.
Umgekehrt bedeutet dieses Verhalten, daß eine bestimmte Basis-Spannung eine um 0,7 Volt niedrigere Spannung am Emitter mit einem entsprechenden Strom durch den Emitter-Widerstand zur Folge hat.
Neben der maximalen Basis-Emitter-Spannung von 0,7 Volt (0,2 Volt bei Germanium) gibt es weitere Grenzdaten:
UCE = maximale Collektor-Emitter-Spannung in Volt [V]
IC = maximaler Collektor-Strom in MilliAmpere [mA] oder Ampere [A]
IB = maximaler Basis-Strom in MilliAmpere [mA]
Ptot = maximale Gesamt-Verlustleistung in Watt [W] (P = U * I = Collektor-Emitter-Spannung * Collektor-Strom)
hFE = Gleichstrom-Verstärkung (hfe = Collektor-Strom / Basis-Strom)
f = Grenz-Frequenz in MegaHertz [MHz]


NPN-Transistor GND -- Plus-Schalter Plus -- GND-Schalter
NPN-Transistor
GND -- Plus-Schalter
Plus -- GND-Schalter
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PNP-Transistor GND -- GND-Schalter Plus -- Plus-Schalter
PNP-Transistor
GND -- GND-Schalter
Plus -- Plus-Schalter
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Kippstufen
Wichtige Grundschaltungen der Elektronik sind Kippstufen. Es gibt die bistabile Kippstufe (Flip-Flop), monostabile Kippstufe (Mono-Flop, Zeitgeber), astabile Kippstufe (Multivibrator) und den Schmitt-Trigger.
Für Kippstufen werden heute fast ausschließlich integrierte Schaltungen verwendet.
Kippschaltungen lassen sich auch mit Operationsverstärkern oder digitalen Bausteinen aufbauen. Zeitbestimmende Glieder werden extern angeschlossen. Messungen innerhalb einer integrierten Schaltung sind praktisch unmöglich. Deswegen werden auf dieser Seite die Funktionsweisen in diskreter Bauweise beschrieben.
Bistabile Kippstufe
Die bistabile Kippstufe, auch Flipflop, bistabile Kippschaltung oder Speicherbaustein genannt, besitzt 2 (= bi) stabile Zustände. Sie kann vom ersten stabilen Zustand in den zweiten stabilen Zustand nur durch ein externes Signal gekippt werden und umgekehrt.
Die beiden verkoppelten Transistorstufen sind leicht unsymmetrisch, obwohl sie gleich aufgebaut sind; das liegt an den Bauteil-Toleranzen. Beim Einschalten der Betriebsspannung wird einer der beiden Transistoren schneller leitend sein und dadurch den anderen sperren.
Wenn z.B. T1 zuerst durchschaltet, liegen über R2 an der Basis von T2 ca. 0,2 Volt an; T2 bleibt weiter gesperrt. Dadurch kann über LED2, R4 und R3 ein Strom zur Basis von T1; T1 bleibt leitend.
Wird Taster Ta1 betätigt, liegen an der Basis von T1 0 V an; T1 sperrt. Dadurch kann über LED1, R1 und R2 ein Strom zur Basis von T2; T2 wird leitend. Über R3 bekommt die Basis von T1 nach loslassen des Tasters Ta1 ca. 0,2 V; T1 sperrt weiterhin.
Monostabile Kippstufe
Die monostabile Kippstufe, auch Mono-Flop, monostabile Kippschaltung oder Univibrator genannt, besitzt nur einen (= mono) stabilen Zustand. Wird die monostabile Kippstufe von einem externen Signal in den 2 Zustand gekippt, so kippt sie nach einer Zeit, die durch die Größe von Kondensator und Widerstand bestimmt wird, wieder in den ersten Zustand zurück.
Im Grundzustand wird T1 über R3 und D1 durchgeschaltet, seine Collektor-Spannung liegt bei ca. 0,2 V und sperrt über R5 den Transistor T2.
Bei Betätigung von Ta1 wird T2 leitend und die Collektor-Spannung springt auf ca. 0,2 V. Bei diesem Spannungssprung ensteht durch den Kondensator an der Basis von T1 negatives Potential, wodurch T1 sperrt. D1 schützt den Transistor vor zu hoher negativer Spannung. Nach der Sperrung von T1 wird der Kondensator C2 über R3 umgeladen, bis kein negatives Potential mehr an der Basis von T1 anliegt. T1 wird wieder leitend und T2 sperrt (vorausgesetzt, Ta1 ist nicht mehr betätigt).
Astabile Kippstufe
Die astabile Kippstufe, auch Multivibrator, astabile Kippschaltung oder Rechteckgenerator genannt, besitzt keinen stabilen Zustand. Das bedeutet, Die astabile Kippstufe kippt von einem Zustand in den anderen Zustand und wieder zurück, ohne äußere Einwirkung. Die Dauer der Kippzustände wird durch Kondensatoren und Widerstände bestimmt.
Bei beiderseitig gleichen Werten wird ein periodisches Rechtecksignal erzeugt.
Schmitt-Trigger
Die Schmitt-Trigger-Schaltung ist eine Kippschaltung mit bistabilem Charakter. Der Unterschied zur bistabilen Kippstufe besteht darin, daß der Schmitt-Trigger in Abhängigkeit der Höhe seiner Eingangs-Spannung umschaltet.
Erkennen kann man die Schmitt-Trigger-Schaltung am gemeinsamen Emitter-Widerstand (R3) von T1 und T2; er ist maßgeblich für das definierte Kippen der Schaltung.
Liegt die Eingangs-Spannung (= Basis-Spannung von T1) unterhalb der Emitter-Spannung an R3, bleibt die Schaltung im Grundzustand. Steigt die Eingangs-Spannung auf 0,7 Volt über der Emitter-Spannung an, kippt die Schaltung in den zweiten Zustand. Sinkt die Eingangs-Spannung wieder unter die Emitter-Spannung ab, kippt die Schaltung in den Grund-Zustand zurück.
Zwischen Ein- und Ausschalt-Spannung liegt eine Differenz, die Hysterese-Spannung. Sie ist abhängig vom Vorwiderstand R1. Bei 0 Ω, also bei reiner Spannungs-Steuerung, ist die Hysterese ca. 0,6 V, bei 15 kΩ beträgt sie ca. 0,2 V. Der Ausgang sollte nicht unmittelbar belastet werden, sondern einen weiteren Transistor ansteuern.
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Universal-Transistoren

Typ UCE0 IC hFE Ptot fT
NPN / TUN 20V 100mA 100 0,1W 100MHz
PNP / TUP 20V 100mA 100 0,1W 100MHz

NPN / TUN PNP / TUP Gehäuse Bild
BC 107
BC 108
BC 109
BC 177
BC 178
BC 179
TO-18-
BC 147
BC 148
BC 149
BC 157
BC 158
BC 159
SOT-25-
BC 167
BC 168
BC 169
BC 257
BC 258
BC 259
TO-92 / SOT-30-
BC 171
BC 172
BC 173
BC 251
BC 252
BC 253
SOT-30-
 
NPN / TUN PNP / TUP Gehäuse Bild
BC 182
BC 183
BC 184
BC 212
BC 213
BC 214
SOT-30-
BC 207
BC 208
BC 209
BC 204
BC 205
BC 206
TO-106-
BC 237
BC 238
BC 239
BC 307
BC 308
BC 309
TO-92 / SOT-54-
BC 317
BC 318
BC 319
BC 320
BC 321
BC 322
TO-92 / SOT-30-
 
NPN / TUN PNP / TUP Gehäuse Bild
BC 347
BC 348
BC 349
BC 350
BC 351
BC 352
TO-92 / SOT-30-
BC 413
BC 414
BC 415
BC 416
TO-92 / SOT-54-
BC 546
BC 547
BC 548
BC 549
BC 550
BC 556
BC 557
BC 558
BC 559
BC 560
TO-92 / SOT-54-
BC 582
BC 583
BC 584
BC 512
BC 513
BC 514
SOT-30-
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