Grundlagen der Elektronik: Dioden und Transistoren

Übungen zu elektronischen Schaltungen

16. Geben Sie die Komponenten im Schaltplan an, die bei Stromfluss leuchten.

17. Modifizieren Sie die folgende Schaltung: In Schalterstellung 1 soll der Motor in eine Richtung drehen und eine rote LED leuchten. In Schalterstellung 2 soll der Motor in die entgegengesetzte Richtung drehen und eine grüne LED leuchten. Verfügbare Bauteile: Spannungsquelle, Motor, Schalter, rote LED, grüne LED und zwei 1000-Ω-Widerstände.

18. Beobachten Sie den Schaltplan und vervollständigen Sie die folgende Tabelle:

• Zustand der Dioden: D1 in Durchlassrichtung, D2 in Durchlassrichtung
• Spannung an den Dioden: VD1 ≈ 2-3 Volt, VD2 ≈ 2-3 Volt
• Zustand der Glühbirne: Eingeschaltet

19. Beobachten Sie den Schaltplan und vervollständigen Sie die folgende Tabelle:

• Zustand der Dioden: D1 in Durchlassrichtung, D2 in Sperrrichtung
• Spannung an den Dioden: VD1 ≈ 0 Volt
• Zustand der Glühbirne: Aus (funktioniert nicht)

20. Beobachten Sie den Schaltplan und vervollständigen Sie die folgende Tabelle:

• Zustand der Dioden: D1 in Sperrrichtung (offener Kreis), D2 in Durchlassrichtung (geschlossener Kreis)
• Spannung an den Dioden: VD1 ≈ 0 Volt, VD2 ≈ 2-3 Volt
• Zustand der Glühbirne: Eingeschaltet

21. Beobachten Sie den Schaltplan und vervollständigen Sie die folgende Tabelle:

• Zustand der Dioden: D1 in Durchlassrichtung, D2 in Durchlassrichtung
• Spannung an den Dioden: VD1 ≈ 2-3 Volt, VD2 ≈ 2-3 Volt
• Zustand der Glühbirne: Eingeschaltet

Der Transistor

Der Transistor ist ein elektronisches Bauteil mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, das die Entwicklung elektronischer Schaltungen revolutioniert hat. Heutzutage wird er jedoch zunehmend durch integrierte Schaltungen (ICs) ersetzt, die aus Tausenden von Transistoren auf einem einzigen Siliziumchip bestehen.

Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten, die als Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet werden. Physikalisch befindet sich die Basis immer zwischen dem Emitter und dem Kollektor.

Durch die Kombination der Halbleitermaterialien entstehen zwei Haupttypen von Transistoren: NPN und PNP.

Es handelt sich um ein Bauteil mit drei Anschlüssen, das in der Lage ist, den Stromfluss zwischen zwei Anschlüssen (Kollektor und Emitter) durch einen sehr kleinen Strom am dritten Anschluss (Basis) zu steuern. Anders ausgedrückt: Er funktioniert wie ein elektronischer Schalter, der schließt, je nachdem, ob an der Basis ein Steuerstrom anliegt oder nicht.

Zusätzlich hat der Transistor eine verstärkende Wirkung. Beispielsweise bestehen die Verstärkerschaltungen in einer Musikanlage aus Transistoren, die das schwache elektrische Audiosignal verstärken, bevor es an die Lautsprecher weitergeleitet wird.

Zeichnung und Symbol

Zusammenfassend haben Transistoren zwei Hauptfunktionen:

• Sie wirken als elektronisch gesteuerter Schalter.
• Sie können ein elektrisches Signal verstärken (z. B. in einem Audioverstärker).

Funktionsweise eines Transistors

Ein Transistor hat drei Anschlüsse: den Kollektor (C), den Emitter (E) und die Basis (B). Der Stromfluss vom Kollektor zum Emitter wird durch einen schwachen Strom an der Basis gesteuert. Zur Veranschaulichung der Funktionsweise kann man sich ein Gleichnis vorstellen.

Übungen zu Halbleitern

1. Welche Halbleitermaterialien werden am häufigsten für elektronische Bauteile verwendet?
   Antwort: Germanium und Silizium.
2. In Durchlassrichtung verhält sich eine Diode wie ein...
   Antwort: ...geschlossener Schalter.
3. Eine Diode verhindert den Stromdurchgang, wenn sie...
   Antwort: ...in Sperrrichtung betrieben wird.
4. Der Anschluss der Diode, an dem der Strom eintritt, heißt...
   Antwort: ...Anode, und der, an dem er austritt, heißt Kathode.
5. Eine Diode verhält sich wie ein offener Schalter, wenn sie...
   Antwort: ...in Sperrrichtung gepolt ist.
6. Aus welchem Halbleitermaterial besteht eine Leuchtdiode (LED)?
   Antwort: Silizium (und andere Verbundhalbleiter).
7. Welche Polung benötigt eine LED, um Licht zu emittieren?
   Antwort: Durchlassrichtung.
8. Wie identifiziert man die Anschlüsse (Anode und Kathode) einer LED?
   Antwort: Kathode (-), Anode (+). Die Kathode hat oft ein kürzeres Beinchen oder eine abgeflachte Seite am Gehäuse.
9. Welche Spannung liegt zwischen den Anschlüssen, wenn die LED in Sperrrichtung gepolt ist?
   Antwort: 0 V.
10. Welche Spannung liegt zwischen den Anschlüssen, wenn die LED in Durchlassrichtung gepolt ist?
    Antwort: Typischerweise zwischen 2 und 3 Volt.
11. Wie nennt man den externen Widerstand, den eine LED für den korrekten Betrieb benötigt?
    Antwort: Vorwiderstand oder Strombegrenzungswiderstand.
12. Berechnen Sie den Wert des Vorwiderstands, der benötigt wird, um eine LED an 10 V anzuschließen (Annahme: I = 20 mA, U_LED = 2 V). Zeichnen Sie die Schaltung.
    Antwort: R = (U_ges - U_LED) / I = (10 V - 2 V) / 0,02 A = 8 V / 0,02 A = 400 Ω.
13. Berechnen Sie den Wert des Vorwiderstands, um eine LED an 12 V zu betreiben. Berechnen Sie auch die Leistung, die in der LED in Licht und Wärme umgewandelt wird.
    Antwort: R = (12 V - 2 V) / 0,02 A = 500 Ω. Leistung P = U_LED * I = 2 V * 0,02 A = 0,04 W.
14. Was passiert mit der Helligkeit der LED, wenn der Wert des Vorwiderstands verdoppelt wird? Welchen Wert hat dann der Strom im Kreis?
    Antwort: Die Helligkeit sinkt. Der Strom halbiert sich auf ca. 0,01 A.
15. Was passiert mit der Helligkeit der LED, wenn der Wert des Vorwiderstands halbiert wird? Welchen Wert hat dann der Strom im Kreis?
    Antwort: Die Helligkeit steigt. Der Strom verdoppelt sich auf ca. 0,04 A (Achtung: Dies kann die LED zerstören!).

Der Transistor als Schalter

Mit den folgenden Schaltungen können wir die Funktionsweise eines Transistors als Schalter beobachten:

Wenn der Schalter T geöffnet ist, fließt kein Strom zur Basis. Der Transistor sperrt und lässt keinen Strom vom Kollektor zum Emitter fließen. Die Glühbirne leuchtet nicht.

Wenn der Schalter T geschlossen wird, fließt ein kleiner Strom in die Basis. Dadurch wird der Transistor leitend und die Glühbirne leuchtet.