Ratgeber
Ohne sie läuft in den allermeisten elektronischen Schaltungen so gut wie nichts mehr: Transistoren. Manche sind so winzig, dass sie milliardenfach auf einer Fläche in Briefmarkengröße Platz finden, andere wiederum sind so groß wie ein Gummibärchen. In unserem Ratgeber erklären wir Ihnen in Kürze, was Transistoren überhaupt sind und was es mit dem Transistortyp NPN auf sich hat.
Die weitaus meisten im Handel verfügbaren Transistoren gehören zu den Bipolartransistoren, in der Regel abgekürzt mit BJT für „bipolar junction transistor“. Es gibt sie in zwei Ausführungen mit unterschiedlicher Polarität der drei Halbleiterschichten: als PNP-Typ (die Schichten sind positiv, negativ und positiv) und als NPN-Typ (negativ, positiv, negativ).
Die am häufigsten verwendete Transistorkonfiguration ist der NPN-Transistor. Hier liegt die positive Schicht zwischen zwei negativen. Dieser Typ verstärkt ein schwaches Signal an der Basis und verstärkt es am Kollektor. Dieser Transistortyp wird daher meist in Verstärkerschaltungen verwendet.
Der NPN-Transistor besteht aus zwei Dioden, die sozusagen Rücken an Rücken geschaltet sind. Die Diode auf der einen Seite wird als Emitter-Basis-Diode und die Dioden auf der anderen Seite als Kollektor-Basis-Diode bezeichnet. Wie jeder BJT besitzt auch der NPN-Typ die drei Anschlüsse Emitter, Kollektor und Basis. Der Halbleiter des NPN-Transistors – die Basis – ist leicht dotiert, der Emitter dagegen nur mäßig und der Kollektor sehr stark.
Wenn die Vorwärtsvorspannung über dem Emitter angelegt wird, bewegen sich die meisten Ladungsträger in Richtung der Basis. Dadurch entsteht der Emitterstrom. Die Elektronen treten in das positive Material ein und verbinden sich mit den dort vorhandenen Elektronenlöchern. Durch die nur leicht dotierte Basis des NPN-Transistors werden nur wenige Elektronen zusammengeführt, der Rest bildet den Basisstrom. Dieser Basisstrom fließt in den Kollektorbereich. Das umgekehrte Vorspannungspotential des Kollektorbereichs übt eine hohe Anziehungskraft auf die Elektronen aus, die den Kollektorübergang erreichen. Das führt zu einer Ansammlung von Elektronen am Kollektor.
Da der gesamte Emitterstrom in die Basis fließt lässt sich sagen: Der Emitterstrom ist die Summe des Kollektor- beziehungsweise Basisstroms.
Einer der wesentlichen Unterschiede zwischen einem NPN- und PNP-Transistor besteht darin, dass beim NPN-Transistor bei positivem Basisstrom der Strom vom Kollektor (C) zum Emitter (E) fließt.
Beim PNP-Transistor hingegen fließen die Ladungsträger vom Emitter zum Kollektor, wenn die Basis (B) negativ versorgt wird.
Sowohl der NPN- als auch der PNP-Transistor sind wie bereits erwähnt bipolare Transistoren.
Sie sind steuern Strom beziehungsweise Spannung und finden sich hauptsächlich beim Schalten und Verstärken von Signalen.
Die Buchstaben PNP und NPN – oft abgekürzt mit p-n-p und n-p-n – geben an, welche Spannungspolarität am Emitter, Kollektor und an der Basis des Transistors benötigt wird.
NPN-Transistoren gibt es in Standardversionen und in Spezialversionen. Zu letzteren gehören beispielsweise Darlington-Transistoren. Sie bestehen aus zwei miteinander verschalteten normalen Bipolartransistoren in einem Gehäuse, wodurch sich eine Vor- und eine Hauptverstärkerschaltung ergibt. Vorteil: Es können wesentlich höhere Ströme fließen und den Einsatz zusätzlicher Bauteile nicht mehr erforderlich machen.
Sogenannte vorgespannte NPN-Transistoren sind mit einem eingebauten Widerstand für eine definierte Basisspannung ausgestattet. Der Transistorarbeitspunkt wandert dadurch in den gewünschten Bereich. Vorteilhaft ist dies beispielsweise für Audio- und Wechselspannungsanwendungen.
Speziell für Hochfrequenz-Anwendungen gibt es HF-Transistoren als NPN-Typ. Sie besitzen besonders geringe rückwirkende Kapazitäten, außerdem sind die Anstiegs- und Abfallzeiten für hochfrequente Ströme optimiert.
NPN-Transistoren sind in zahlreichen Gehäusebauformen im Angebot, es gibt sie sowohl für SMD-Bestückung als auch für die herkömmliche Durchsteckmontage. Für kleinere Leistungen besitzen sie üblicherweise ein Kunststoffgehäuse. Wegen ihrer höheren Verlustleistung benötigen Leistungstransistoren dagegen eine gute Wärmeabfuhr. Sie besitzen daher oft ein thermisch gut leitfähiges Gehäuse aus Metall. Alternativ gibt es aber auch Transistoren mit einer metallischen Grundplatte. Sie lässt sich an einen Kühlkörper oder eine andere Kühlfläche anschrauben.
Um bei Schaltungsaufbau Platz zu sparen bieten sich Transistorarrays an. Sie bestehen aus zwei oder mehr Einzeltransistoren. Wie bei Elektronenröhren gibt es auch Transistoren, die paarweise aneinander anpasst sind, Fachleute sprechen hier vom „Matching“. Diese gepaarten Typen enthalten zwei baugleiche Transistoren in einem Gehäuse. Ihre elektrischen Kennwerte liegen besonders nahe beieinander und weichen durch die thermische Kopplung kaum voneinander ab.
Ja nach Anwendungszweck eines NPN-Transistors ist vor allem auf den Verstärkungsfaktor und die Verstärkungsbandbreite zu achten. Darlington-Transistoren eignen sich für hohe Stromverstärkungen und zum Einsparen zusätzlich erforderliche Bauteile.
Transistor-Paare sind sehr beliebt bei mehrkanaligen Audioanwendungen und Verstärkerschaltungen mit hohen Anforderungen an die Linearität, sind höhere Frequenzen zu verarbeiten, bieten sich HF-Transistoren an.
Transistorarrays schließlich sind aufgrund ihrer kompakten Konstruktion besonders für die Umsetzung kompakter Schaltungen geeignet. Viele Anwender schätzen sie zudem durch ihr unkompliziertes Handling.
Hinsichtlich der elektrischen Spannung ist auf die Kollektor-Emitter-Spannung zu achten. Sie kann von 5 bis 800 Volt reichen. Ebenso wichtig ist der Kollektorstrom Ic. Übliche Werte liegen zwischen 10 Milliampere und 30 Ampere.