Elektronik-Grundlagen: Transistoren, Netzteile, Op-Amps & mehr

Transistoren: Grundlagen und Typen

Transistoren sind Halbleiterbauelemente, die als Verstärker oder Schalter in elektronischen Schaltungen eingesetzt werden. Sie dienen dazu, elektrische Signale zu verstärken, zu steuern, zu stabilisieren und zu schalten.

Der interne Widerstand des Transistors ist eine Funktion des Eingangssignals und ermöglicht es, den Stromfluss durch eine Schaltung zu steuern.

Es gibt zwei Haupttypen:

• Bipolar-Transistoren (BJT): NPN und PNP
• Unipolar-Transistoren (Feldeffekt-Transistoren, FET)

Transistoren bestehen aus P- und N-dotierten Halbleiterzonen. Die drei Anschlüsse sind: Emitter, Basis und Kollektor.

Funktionsweise eines NPN-Transistors

Wenn der Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung polarisiert ist, arbeitet der Transistor im aktiven Bereich.

• Elektronen werden vom Emitter abgestoßen und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit zur Basis (Emitterstrom I_E).
• Wenn sie die Basis erreichen, werden einige Elektronen von der Basis angezogen, was den Basisstrom (I_B) bildet.
• Die restlichen Elektronen werden vom Kollektor angezogen und bilden den Kollektorstrom (I_C).

Die Beziehung zwischen den Strömen ist: I_E = I_B + I_C

Darlington-Transistor

Ein Darlington-Transistor ist eine spezielle Schaltung aus zwei Bipolar-Transistoren, die hintereinander geschaltet sind. Er verstärkt die Spannung und wird eingesetzt, wenn ein einzelner Transistor nicht ausreicht, um die gewünschte Stromverstärkung zu erreichen.

Relais

Relais sind elektromechanische Schalter. Sie werden verwendet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das einen Schalter betätigt. Ihr Verhalten hängt davon ab, ob sie mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) betrieben werden.

Aufbau eines Netzteils: AC zu DC

Ein einfaches Netzteil zur Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) besteht typischerweise aus mehreren Stufen:

1. Transformation

Ein Transformator ändert die Werte von Spannung und Strom, ohne die Form der Wechselstromwelle oder die Leistung zu verändern. Er kann die Eingangsspannung erhöhen oder verringern.

2. Gleichrichtung

Wechselstrom wird mittels Dioden in pulsierenden Gleichstrom umgewandelt. Üblicherweise wird hierfür eine Diodenbrücke verwendet.

3. Glättung (Filterung)

Durch den parallelen Anschluss eines Kondensators am Ausgang der Gleichrichterbrücke wird die Welligkeit reduziert, wodurch eine nahezu konstante Gleichspannung entsteht.

4. Stabilisierung (Spannungsregelung)

Eine Zenerdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird, kann zur Minimierung der Restwelligkeit des Gleichrichters und zur Erzeugung einer stabilen Gleichspannung (DC) verwendet werden.

Wenn ein elektronisches Gerät eine sehr stabile Spannung benötigt, muss eine spannungsregelnde Komponente hinzugefügt werden. Diese Regelung, oft durch einen Spannungsregler (anstelle oder in Kombination mit einer Zenerdiode), sorgt für eine konstante Ausgangsspannung, selbst wenn der Laststrom oder die Netzspannung schwankt.

Typische Anschlüsse eines Spannungsreglers sind:

1. Eingangsspannung
2. Ausgangsspannung
3. Masse (Common)

Operationsverstärker (Op-Amp)

Ein Operationsverstärker (Op-Amp) ist eine integrierte Schaltung, die einen Differenzverstärker mit zwei gegenphasigen Eingängen enthält. Mit ihnen kann eine sehr hohe Spannungsverstärkung erzielt werden.

Typischer Aufbau (vereinfacht):

1. Eingangsstufe: Ein Differenzverstärker verstärkt die Differenz der Eingangsspannungen.
2. Zwischenstufe: Erzeugt eine hohe Spannungsverstärkung.
3. Ausgangsstufe: Bietet eine niedrige Ausgangsimpedanz.

Kondensatoren

Kondensatoren können elektrische Ladung speichern und diese bei Bedarf wieder abgeben.

Die Kapazität ist das Verhältnis der gespeicherten elektrischen Ladung zur anliegenden Spannung und wird in Farad (F) gemessen.

C = q / V