Ratgeber
Die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 gilt als eine der wichtigsten Entwicklungen in der Geschichte der Elektronik. Dieses Halbleiterbauteil war wesentlich kleiner und verbraucht deutlich weniger Strom als die bisher verwendeten Vakuumröhren. Obwohl Transistoren heute auf mikroskopische Größen geschrumpft sind und sich daher milliardenfach auf ICs platzieren lassen, besitzen diskrete Bauteile nach wie vor ihre Daseinsberechtigung. Zu unterscheiden sind dabei die Varianten NPN- und PNP-Transistor.
In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die grundsätzlichen Funktionen von Transistoren und gehen dabei besonders auf die PNP-Ausführungen ein.
Jeder Transistor ist ein Halbleiter, dessen Leitfähigkeit zwischen einem echten Leiter wie Kupfer und einem Isolator wie Kunststoff liegt. Die meisten dieser Bauelemente bestehen aus Silizium, lassen sich aber auch aus anderen Materialien wie Germanium und Galliumarsenid herstellen. Silizium ist normalerweise kein elektrischer Leiter. Durch einen chemischen Prozess namens Dotierung werden Verunreinigungen in das Halbleitermaterial eingebracht. Damit kann Silizium freie Elektronen gewinnen und elektrischen Strom leiten.
Aufgebaut ist jeder Transistor in drei Schichten: Eine negative N-Halbleiterschicht zwischen zwei positiven P-Schichten oder eine positive P-Schicht zwischen zwei negativen N-Schichten. Solche Halbleiter werden denn auch als bipolare Transistoren bezeichnet.
Unabhängig von der Konfiguration der äußeren Schichten fungiert die innere Halbleiterschicht bipolarer Transistoren immer als Steuerelektrode. Eine kleine Änderung des Stroms oder der Spannung an dieser Schicht bewirkt eine große, schnelle Änderung des Stroms, der durch das gesamte Bauteil fließt und ermöglicht so die Funktion als Verstärker oder als Schalter.
Ein Transistor ist wie ein Satz von zwei Dioden, deren Kathoden oder Anoden miteinander verbunden sind. Es handelt sich dabei um die Basis-Emitter-Diode und die Basis-Kollektor-Diode. Das Bauelement besitzt drei Anschlüsse, die Elektrizität leiten und eine Verbindung zu externen Schaltkreisen herstellen: den Emitter, der auch als Minuspol des Transistors bezeichnet wird, die Basis zur Aktivierung, Modulierung und Steuerung, und den Kollektor als positive Leitung.
Erklärung von links nach rechts: Schichtfolge des dotierten Halbleitermaterials, Dioden-Ersatzschaltbild, Transistor-Schaltbild
C: Kollektor | B: Basis | E: Emitter
Knapp zusammengefasst: Mit der Basis an den Minuspol einer Gleichstromquelle angeschlossen, wandern die Ladungsträger vom Emitter zum Kollektor und werden dabei von der Basis gesteuert. Liegt der Pluspol an der Basis, läuft der Strom genau umgekehrt.
Worin unterscheiden sich NPN- und PNP-Transistoren?
Die Leitfähigkeit von NPN-Typen ist hoch, die von PNP-Typen niedrig. Das liegt daran, dass bei NPN die Leitung durch Elektronen und bei PNP durch Löcher erfolgt, wobei die Geschwindigkeit der Elektronen und somit die Leitfähigkeit höher ist.
Die technische Stromrichtung bei NPN ist vom Kollektor zum Emitter und bei PNP vom Emitter zum Kollektor.
NPN schaltet ein, wenn das Elektron in den Basisbereich eintritt. Der PNP-Transistor hingegen schaltet ein, wenn Löcher in den Basisanschluss eintreten.
Die Schaltzeit ist bei NPN schneller und bei PNP langsamer.
Wenn bei NPN ein positiver Strom an der Basis anliegt, fließt der Strom durch den Kollektor zum Emitter. Legt man hingegen einen negativen Strom an den Basisanschluss von PNP an, fließt der Strom vom Emitter zum Kollektor.
Der Emitter-Pfeil ist beim PNP-Transistor nach innen gerichtet, während er beim NPN-Transistor nach außen zeigt.
Bei beiden Typen ist der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt.
Das Massesignal ist im Falle von PNP hoch und bei NPN niedrig.
Ströme (rot) und Spannungen (blau) am PNP-Transistor (die Pfeile beziehen sich auf die technische Stromrichtung. Elektronen sind negativ und bewegen sich in umgekehrter Richtung!)
Obwohl die meisten elektronischen Anwendungen NPN-Transistoren aufgrund ihrer Schnelligkeit verwenden, sind in vielen Schaltplänen auch PNP-Ausführungen zu finden, zum Beispiel:
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Komplementäre Verstärker wie Class-AB/B-Ausgangsstufen
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Treiberanwendungen, bei denen die Last auf einer Seite geerdet ist
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Angepasste Paarschaltungen zur kontinuierlichen Stromerzeugung
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Anwendungen für schwere Motoren zur Steuerung des Stromflusses
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In Reglern mit niedriger Dropout-Spannung
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In Darlington-Paaren mit einem PNP-Transistor
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Anwendungen in der Robotik
Hier die Schaltpläne typischer Einsatzbereiche:
Stromversorgung
Besitzt der Verbraucher einen Anschluss am Massepotenzial, lässt sich ein PNP-Transistor verwenden, dessen Emitter auf der Versorgungsspannung liegt. Die angesteuerte Basis besitzt dabei einen eindeutigen Potenzialbezug. Der Verbraucher wird zwischen Kollektor und Masse geschaltet.
Motorsteuerung
Hier sehen Sie eine Brückenschaltung mit zwei Komplementär-Gegentaktendstufen zur Ansteuerung von Stell- und Servomotoren. Der Motor ist in den Querzweigen geschaltet.
Darlingtonschaltung
Bei einer Darlingtonschaltung mit nur einem Transistortyp addieren sich die beiden Flussspannungen zwischen Basis und Emitter. Das sind bei einem Silizium-Transistor etwa 1,4 Volt. Diese relativ hohe Spannung lässt sich durch zwei komplementäre Transistoren verringern. Dabei handelt es sich um Silizium-Typen mit ähnlichen technischen Daten, aber unterschiedlicher Abfolge der Schichten. Beide Bauelemente sollten möglichst gleiche Eigenschaften besitzen, dazu gehören zum Beispiel die Verlustleistung, die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung und die Stromverstärkung. Eine solche Schaltung wird auch Sziklai-Schaltung genannt. Vorteil: Sie bietet eine hohe Stromverstärkung, erfordert an der Basis aber nur eine Spannung von 0,6 bis 0,7 Volt.
Audio-Endstufe
Schnell und einfach lässt sich mit jeweils einem NPN- und einem PNP-Transistor eine komplementäre Gegentaktendstufe für Audioanwendungen aufbauen. Dabei handelt es sich um die Reihenschaltung von zwei Emitterfolgern mit einem niedrigen Ausgangswiderstand. Der NPN-Transistor verstärkt die positive, der PNP-Transistor die negative Halbwelle des Signals. Für die Vorspannungen sind die beiden Dioden zuständig, die zugleich Übernahmeverzerrungen verhindern. Wird die Schaltung aus nur einer Spannungsquelle betrieben, ist am Ausgang ein Kondensator erforderlich.
PNP-Transistoren sind in einer ähnlichen Vielfalt wie vergleichbare Silizium-Transistoren vom NPN-Typ im Handel verfügbar. Die Preise liegen in der Regel – von Leistungstransistoren abgesehen – pro Stück bei wenigen Euro bis Cent.
Ein wichtiges Ausstattungsmerkmal ist die Gehäuseform, die vornehmlich von der Verlustleistung im Betrieb abhängt. Die Skala umfasst oberflächenmontierbare Typen im SOT-Gehäuse und die klassische Kleinleistungstypen im TO92-Kunststoffgehäuse bis zu Leistungstungstransistoren beispielsweise im TO220-Gehäuse. Bei Letzteren lassen sich Kühlflächen zum Abführen der Verlustwärme befestigen.
Die elektrischen Auswahlkriterien für bipolare Transistoren vom PNP-Typ beziehen sich auf die Kollektor-Emitter-Spannung, den Kollektorstrom, die maximale Leistung und die VCE-Sättigung.
Bei der Kollektor-Emitter-Spannung reicht die Bandbreite von minus 300 Volt bis zu minus 30 Volt, beim Kollektorstrom von minus 200 Milliampare bis zu minus 10 Ampere. Ebenso umfangreich ist die Auswahl der der maximalen Leistung. Sie liegt zwischen 200 Milliwatt und 250 Watt. Mit VCE-Sättigung wird ein Zustand bezeichnet, bei dem ein Transistor seinen niederohmigsten Wert erreicht hat und deshalb voll leitend ist. Selbst bei einer Erhöhung des Basisstroms wird in der Kollektor-Emitter-Strecke nicht mehr Strom fließen. Die erhältlichen Sättigungswerte liegen im Allgemeinen zwischen minus 400 Millivolt und 8 Volt.