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Transistor als Schalter

Lehrpläne: Sek I/II, A-level (Electronics), electronics courses

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Ziel

Beobachten Sie, wie ein kleiner Basisstrom einen großen Kollektorstrom steuert, und messen Sie die Stromverstärkung des Transistors.

Aufbau

Eine 6-V-Quelle. Basiskreis: ein Schalter, ein 4,7-kΩ-Widerstand und ein Amperemeter – zur Basis eines NPN-Transistors (\(\beta\) = 100). Kollektorkreis: eine Glühlampe 6 V / 0,5 W und ein Amperemeter – zum Kollektor. Der Emitter ist mit dem Minuspol der Quelle verbunden. Der Schalter ist geschlossen.

Durchführung

  1. Notieren Sie die Anzeigen beider Amperemeter und bestimmen Sie das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom.
  2. Öffnen Sie den Schalter und schließen Sie ihn dann wieder. Beobachten Sie die Lampe.
  3. Ersetzen Sie in der Parameterkarte des Basiswiderstands 4,7 kΩ durch 47 kΩ. Notieren Sie erneut beide Ströme und bestimmen Sie ihr Verhältnis.
  4. Ändern Sie in der Parameterkarte des Transistors die Stromverstärkung \(\beta\) von 100 auf 200.
Erwartetes Ergebnis

Der Basisstrom beträgt etwa 1,1 mA, der Kollektorstrom etwa 82 mA – die Lampe leuchtet fast mit voller Helligkeit. Das Stromverhältnis beträgt etwa 73, weniger als \(\beta\): Der Transistor ist in Sättigung, und der Kollektorstrom wird jetzt von der Lampe begrenzt, nicht von der Basis. Ohne Basisstrom sperrt der Transistor, und die Lampe erlischt. Mit dem 47-kΩ-Widerstand beträgt der Basisstrom etwa 0,11 mA, der Kollektorstrom etwa 11 mA, und die Lampe leuchtet nicht, obwohl Strom fließt: Der Glühfaden wird nur auf 960 K erwärmt; das Stromverhältnis ist gleich \(\beta\) = 100. Mit \(\beta\) = 200 verdoppelt sich der Kollektorstrom auf 23 mA, während sich der Basisstrom kaum ändert. Bei einem realen Transistor können Sie \(\beta\) nicht wählen: Es unterscheidet sich zwischen Transistoren desselben Typs, von 100 bis 300, und das Stromverhältnis mit dem 47-kΩ-Widerstand zeigt das \(\beta\) Ihres konkreten Transistors.

Fragen

  1. Um welchen Faktor ist der Strom, der die Lampe einschaltet, kleiner als der Strom durch die Lampe selbst?
  2. Warum ist das Stromverhältnis mit dem 4,7-kΩ-Widerstand kleiner als \(\beta\), mit 47 kΩ aber gleich groß?
  3. Wie groß darf der Basiswiderstand höchstens sein, damit der Transistor mit dieser Lampe noch in Sättigung geht?
Antworten
  1. Etwa um den Faktor 73: Ein Basisstrom von etwa 1,1 mA schaltet einen Lampenstrom von etwa 82 mA ein.
  2. Mit 4,7 kΩ würde der Basisstrom von 1,1 mA \(\beta \cdot I_B\) ≈ 110 mA zulassen, mehr als die Lampe bei 6 V durchlässt, etwa 82 mA. Der Transistor ist gesättigt: Die Spannung zwischen Kollektor und Emitter ist klein, die Lampe und die Quelle bestimmen den Strom, und zusätzlicher Basisstrom erhöht ihn nicht. Mit 47 kΩ liegt \(\beta \cdot I_B\) ≈ 11 mA weit unter dem, was die Lampe durchlassen würde, der Transistor arbeitet im aktiven Bereich, und der Kollektorstrom ist das \(\beta\)-Fache des Basisstroms.
  3. Für die Sättigung muss \(\beta \cdot I_B\) mindestens gleich dem Lampenstrom sein, also \(I_B\) ≥ 82 mA / 100 = 0,82 mA. Am Basiswiderstand liegen etwa 1,1 mA · 4,7 kΩ ≈ 5,2 V, also \(R_B\) ≤ 5,2 V / 0,82 mA ≈ 6,3 kΩ, etwa 6 kΩ. In der Praxis verwendet man einen um ein Mehrfaches kleineren Widerstand, um eine Reserve für die Streuung von \(\beta\) zu haben.