Grundlagen der Elektrizität und Bipolare Transistoren

Grundlagen der Elektrizität

• Spannung (U) oder Potenzialdifferenz (DDP): Zeigt die Energiedifferenz zwischen zwei Punkten in einem Schaltkreis. Sie wird in Volt (V) gemessen.
• Stromstärke (I): Die Anzahl der Elektronen, die durch den Leiter fließen. Sie wird in Ampere (A) gemessen.
• Widerstand (R): Der Widerstand, den ein Material dem Stromfluss entgegensetzt. Er wird in Ohm (Ω) gemessen.

Das Ohmsche Gesetz und Elektrische Leistung

Elektrische Leistung (P)

Die Leistung, die in einer bestimmten Zeit verbraucht oder umgesetzt wird. Sie wird in Watt (W) gemessen.

In einem Stromkreis gilt immer:

• Erzeugte Leistung = Verbrauchte Leistung

Formeln zur Leistung:

• P = U × I (Generator)
• P = R × I²

Reihen- und Parallelschaltungen

Widerstände können in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Elektronik und Halbleiter

Die Elektronik basiert auf der Verwendung von Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium.

Typen von Halbleitern (Dotierung)

• P-Typ Halbleiter: Dotiert mit positiven Ladungsträgern (Löchern).
• N-Typ Halbleiter: Dotiert mit negativen Ladungsträgern (Elektronen).

1. Die Halbleiterdiode

Eine Diode besteht aus zwei Halbleiterschichten (P-Typ und N-Typ).

Ihr Symbol ist:

Betriebsformen der Diode (Polarisation)

Durchlassrichtung (Forward Bias)

Tritt auf, wenn die Anode der Diode mit dem positiven Pol der Batterie verbunden wird. Auf diese Weise kann Strom fließen.

Erklärung: Der positive Pol der Batterie stößt die positiven Ladungen (Löcher) im P-Kristall ab und nähert sie der Sperrschicht an. Das Gleiche geschieht mit den negativen Ladungen (Elektronen) im N-Kristall. Wenn sich diese Ladungen an der Sperrschicht annähern und eine Schwellenspannung (z. B. 0,7 V für Silizium (Si) oder 0,3 V für Germanium (Ge)) erreicht wird, können sich Elektronen mit den positiven Ladungen rekombinieren und Strom erzeugen.

Sperrrichtung (Reverse Bias)

Tritt auf, wenn die Anode der Diode mit dem negativen Pol der Batterie verbunden wird. In diesem Fall leitet die Diode keinen Strom.

Erklärung: Bei dieser Polarisation werden die Elektronen und positiven Ladungen von der Sperrschicht entfernt, wodurch die Erzeugung von elektrischem Strom nicht möglich ist.

2. Die Leuchtdiode (LED)

Dies ist eine Diode, die bei Polarisation Licht emittieren kann. Es gibt sie in festen und intermittierenden Ausführungen. Sie werden verwendet, um den EIN- und AUS-Zustand anzuzeigen. Sie vertragen in der Regel keine Spannung von mehr als 1,2 V.

Der Bipolare Transistor (BJT)

Der Bipolare Transistor revolutionierte die Elektronik. Er besteht aus drei Halbleiterkristallen mit zwei P-N-Übergängen. Es gibt zwei Typen: PNP-Transistoren und NPN-Transistoren.

Er besitzt drei Anschlüsse:

• Kollektor (C)
• Basis (B)
• Emitter (E)

Die Symbole der beiden Transistortypen sind:

NPN / PNP

Der kleinste Teil des Transistors ist die Basis (etwa 1 Mikrometer), gefolgt vom Kollektor, der etwas größer ist, und dem Emitter, der am größten ist.

Der Transistor gliedert sich in drei Betriebsbereiche:

1. Sperrbereich (Cut-off Region)
2. Sättigungsbereich (Saturation Region)
3. Aktiver Bereich (Active Region)

Transistor als Schalter

Im Sperrbereich und im Sättigungsbereich fungiert der Transistor als Schalter.

Offener Schalter (Sperrbereich)

Wenn kein Basisstrom in den Transistor fließt, kann kein Strom vom Kollektor zum Emitter fließen. Der Transistor verhält sich wie ein offener Schalter.

Geschlossener Schalter (Sättigungsbereich)

Wenn ausreichend elektrischer Strom in die Basis des Transistors injiziert wird, leitet der Transistor vollständig. Er verhält sich wie ein geschlossener Schalter und lässt Strom vom Kollektor zum Emitter fließen.

Transistor als Verstärker (Aktiver Bereich)

Wenn der Strom durch die Basis des Transistors sehr klein ist, wirkt der Transistor als Stromverstärker, indem er den Stromfluss vom Emitter zum Kollektor erhöht.

Jeder Transistor hat einen vom Hersteller angegebenen Verstärkungsfaktor, genannt Beta (β), sodass gilt:

I_C = β × I_B

Betrieb und Kennlinien

Bipolare Transistoren werden in der Regel zur Stromverstärkung verwendet, meist in einer Common-Emitter-Konfiguration. Dabei wird der Ausgangsstrom (Kollektorstrom) durch einen kleinen Strom an der Basis gesteuert.

Die Eingangsspannung (V_BE) und der Basisstrom (I_B) sind typischerweise sehr klein. Im aktiven Bereich führt eine höhere Ausgangsspannung (V_CE) zu einem höheren Emitterstrom.

Beispiel: Ein Bipolartransistor mit einem Beta (β) von 100 arbeitet in der aktiven Zone.

Kennlinien von Bipolartransistoren

Die Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Transistoren ist komplex, da jeder Parameter mit den anderen in Beziehung steht. Für ihre Analyse werden daher Kennlinien verwendet.