Der Transistor ist ein Stromverstärker. Es fliesst ein kleiner Strom in der Basis und ein grosser zwischen Collector und Emitter.
Wir finden seine Pinbelegung per Google-Suche nach BC547C und stoßen auf sein Datenblatt.
Daraus entnehmen wir, dass seine Anschlüsse wie folgt sind:
Die Bezeichnung der europäischen Transistoren (wie es der BC547 ist) folgt einem Schema:
Das ist schon wieder ein Bauteil mit drei Anschlüssen: zwei sind wie bei einem normalen Widerstand, aber nun haben wir einen Schleifer, den wir mit der Hand (eventuell mit einem Schraubendreher oder einer speziellen Plastikachse) von einer Seite zur anderen drehen oder schieben können.
Wir bauen obige Schaltung auf und beobachten das Messgerät, während wir am Poti drehen.
Mit dem Poti können wir also eine beliebige Spannung zwischen 0V (ground, Masse) und der Betriebsspannung (+10V) einstellen! Allerdings fliesst hier immer ein gewisser Querstrom (das ist ein eigentlich unerwünschter Stromfluss) über das Poti, auch wenn der Mittelanschluß garnicht angeschlossen ist.
Wenn wir ein 10k Poti und eine Betriebsspannung von 10V haben, wer kann mir dann ausrechnen, wieviel Querstrom fliesst?
Jetzt wollen wir wissen, ob wir richtig gerechnet haben und messen den Querstrom!
Am häufigsten wird der Transistor in der Emitterschaltung eingesetzt, weil er dabei die größte Verstärkung aufweist. Hier gehört also der Emitter sowohl zum Eingang als auch zum Ausgang. Das geht am besten, wenn der gemeinsame Anschluss auf Masse liegt. Wir werden mit dieser Schaltungsart arbeiten.
Wir bauen obige kleine Schaltung auf, mit der wir dann einige Versuche machen werden.
Wir benutzen eine LED als Anzeiger, ob Strom durch den Transistor fliesst (zwischen Collector und Emitter). Wie jede LED braucht auch diese einen Vorwiderstand, damit sie nicht durchbrennt. Diese Funktion erfüllt R1. Wir haben ja schon die sehr steile Kennlinie gesehen, die wir durch R1 flacher machen, sodass wir die LED über einen weiten Spannungsbereich betreiben können. Der Transistor kann die LED steuern. Wie, werden wir noch sehen.Ich habe die Manhatten-Methode gewählt, aber Reißnageltechnik oder Breadboard geht genauso.
| Methode | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|
| Manhatten | Abschirmung nach unten gute HF Eigenschaften stabiler Aufbau gut für dauerhafte Schaltungen | etwas aufwändiger im Aufbau Herstellung der Inseln erforderlich (die könnten aber auch fertig gekauft werden) |
| Reißnagel | einfacher Aufbau stabiler Aufbau | keine Abschirmung nur für NF |
| Breadboard | sehr schneller Aufbau Aufbau kann leicht geändert werden gut für Experimente | keine Abschirmung nur für NF wackliger Aufbau manchmal schlechte Kontaktgabe (Wackelkontakt) |
Zuerst wird eine kleine kupferbeschichtete (kaschierte) Pertinaxplatte mit Schleifpapier sauber gemacht und von Oxidschichten befreit. So läßt sie sich später sehr gut löten! Dann werden kleine isolierte Inseln (ebenfalls aus kupferkaschiertem Pertinax) an den Stellen mit Sekundenkleber aufgeklebt, wo später die Verbindungen der Bauteile sein sollen. Dann werden die Bauteile aufgelötet. Für die Betriebsspannung löte ich kleine Bügel aus massivem Kupferdraht auf, an die man später leicht Krokodilklemmen anschliessen kann (siehe letztes Bild oben).
Die Verbindung zwischen Poti und Basis bleibt erst mal offen.
Wir schliessen die Betriebsspannung an!
Wir verbinden das Poti mit der Basis – über einen Schutzwiderstand
Wir dürfen das Poti nicht direkt mit der Basis verbinden, denn wenn das Poti ganz am oberen Ende ist, verbindet es den Schleifer direkt mit der Betriebsspannung. Da zwischen Basis und Emitter aber eine Diode liegt, würde diese durchbrennen, wir brauchen also auch hier einen Schutzwiderstand, wie auch bei einer LED. Da der Basisstrom sehr klein sein wird, kann der Schutzwiderstand R3 recht groß ausfallen: 470 kOhm. Wir bauen R3 nicht fest ein, sondern verbinden ihn über Krokobandl, damit wir die Schaltung hier auch wieder schnell ändern können.Wir drehen am Poti und messen die Spannung am Poti-Schleifer, die Basisspannung, die Collectorspannung, den Basisstrom, den Gesamtstrom (oder den Strom durch die LED)
Wir verwenden unser DMM im Dioden-Testmodus und messen die verschiedenen Anschlüsse des Transistors. Was sehen wir?
Wir messen, dass unser Transistor sich wie zwei Dioden verhält, so wie im oberen Bild in der Mitte für einen NPN-Transistor gezeigt. Wir haben einmal die Basis–Emitter Diode und auch die Basis–Collector Diode. Wenn die Basis positiv ist, kann jeweils Strom fliessen (vom Collector oder vom Emitter), andersherum, wenn die Basis negativ ist, nicht. Das merken wir uns.
Da der Transistor sich wie zwei Dioden verhält, bauen wir jetzt einen Transistor aus zwei Dioden nach.
Dazu löten wir den Transistor aus und zwei Dioden (2 x 1N4148) ein. Funktioniert das?
Leider verstärkt dieser "Transistor" nicht. Es kann kein Strom im Collectorkreis fliessen, da die obere Diode immer gesperrt ist. Nur die extreme Nähe zwischen Basis und Collector/Emitter im Inneren des Transistors ermöglicht es den Ladungsträgern über die Emitter—Collector Strecke in Sperrrichtung durch die Basis–Collector Diode zu fliessen. Das ist die bahnbrechende Entdeckung, für deren Erklärung es dann den Nobelpreis gab und die all unser Leben so nachhaltig verändert hat.
Wir bauen die beiden Dioden wieder aus und ersetzen sie wieder durch unseren richtigen Transistor.
Ob der Strom, mit dem wir unsere Basis steuern, wohl auch alleine die LED schon zum Leuchten bringen würde? Wir probieren das aus!
Wir verbinden R3 statt mit der Basis mit dem Collector des Transistors.
Da der Transistor jetzt keinen Strom mehr in der Basis hat, sperrt er komplett und ist damit elektrisch nicht mehr in der Schaltung (wir müssen ihn also nicht extra auslöten). Wenn wir die LED ganz genau anschauen, sehen wir, dass sie ganz dunkel leuchtet (ggf. Umgebungslicht mit der Hand abschirmen), jedenfalls sehr viel schwächer, als bei Verwendung des Transistors. Das zeigt anschaulich, dass unser Transistor erheblich verstärkt.
Wir können auch testweise den Basis-Schutzwiderstand R3 durch andere Werte ersetzen (sollten aber nicht unter 1kOhm gehen, um den Transistor und das Poti nicht zu gefährden).
Bei einem kleineren Widerstand leuchtet die LED hell und wir können die Helligkeit direkt mit dem Poti einstellen. Wir bräuchten also für die LED garkeinen Transistor. Oft ist es aber so, dass wir nur einen sehr kleinen Strom zur Verfügung haben, den wir verstärken müssen und dafür nehmen wir dann den Transistor.
Wir ersetzen Poti und 470k Schutzwiderstand durch ein Stück Löschpapier und einen 1k Schutzwiderstand.
Wir können Krokobandl verwenden, um das Löschpapier anzuschliessen. Wenn wir diese Schaltung nach draussen legen und es beginnt zu regnen, dann wird einer der ersten Regentropfen auch unser Löschpapier treffen, das sich vollsaugt. Wasser hat einen wesentlich geringeren Widerstand als trockenes Papier sodass nun ein kleiner Basisstrom fliessen kann, welcher die LED einschaltet.Weil wir nicht auf Regen warten wollen, können wir einen Wassertropfen auf das Löschpapier fallen lassen. Schaltet das die LED ein?
Wir entfernen R2 und das Löschpapier (keine Verbindung mehr zur Basis) und berühren die Basis mit dem Finger.
Die LED leuchtet schwach, wenn wir die Basis mit dem Finger berühren. Warum? Das ist erst mal nicht klar, denn es kann ja offenbar kein Strom fliessen, weil der Stromkreis über den Finger nicht geschlossen ist.
Wir berühren die Basis und mit einem anderen Finger die +10V. Was passiert?
Die LED leuchtet deutlich heller, wenn wir auch noch die positive Betriebsspannung berühren. Die Erklärung dafür ist klar: wir haben ja schon den sogenannten Hautwiderstand gemessen (und können das mit dem DMM auch nochmal schnell machen): dieser liegt je nach Feuchte der Hände im Bereich einiger kilo-Ohm. Es kann also nun ein sehr kleiner Strom über unseren Körper fliessen, welcher den Transistor ansteuert. Dieser winzige Strom ist für uns ungefährlich, reicht aber, um nach Verstärkung die LED hell leuchten zu lassen.
Wir versuchen, den Strom über mehrere Kinder zu leiten, die sich an den Händen anfassen. Über wieviele Kinder kann der Strom fliessen? Was passiert, wenn jemand die Kette unterbricht? Brennt die LED auch, wenn wir statt der positiven Betriebsspannung die negative Masse berühren?
Das ist zwar lustig, aber hilft uns noch nicht bei der Erklärung, warum die LED schon mit nur einem Finger leuchtet. Wir müssen "stärkere Geschütze auffahren", die mehr als nur einen Wert anzeigen können: das Oszilloskop. Vielleicht hilft uns das.Wir schauen uns das Signal am Collector mit dem Oszi an. Probiere DC und AC Kopplung und verschiedene X und Y Skalierungen.
Wir sehen am Collector ein sich wiederholendes Signal!
Woher kommt es? Welche Frequenz hat es? Wie kann man es beschreiben?
Im Bild beträgt die Zeit pro Kästchen 5ms. Eine Schwingung dauert genau 4 Kästchen, also 4 * 5ms = 20ms. Der Kehrwert der Periodendauer T ist die Frequenz: f = 1 / T = 1 / 20ms = 50 Hz. Die Frequenz beträgt also 50Hz und das ist der entscheidende Hinweis, denn in Europa beträgt die Frequenz des Wechselstroms in unseren Steckdosen und Leitungen 50Hz! Die Quelle sind also die Stromleitungen in den Wänden, welche kapazitiv auf unsere Körper koppeln und vom Transistor verstärkt wurden.
Der Transistor ist normalerweise gesperrt (weil er selbst-sperrend ist), aber wenn an der Basis der positive Teil der Schwingung liegt, dann beginnt er zu leiten und damit sinkt dann die Spannung am Collector. Das ist der Grund, warum wir nur "Huckel" nach unten (ins Negative) sehen.
Die Form sieht nicht sehr gut aus, aber mit sehr viel gutem Willen kann man vielleicht eine Halbwelle einer Sinusschwingung erkennen. Tatsächlich sieht der Strom aus der Steckdose heute kaum mehr wie ein Sinus aus, denn viele Verbraucher verzerren seine Form.
Die Amplitude (der Unterschied vom höchsten Punkt zum niedrigsten Punkt) beträgt (die Einstellung am Oszi sind 0.5V/Kästchen) ca. 0.7 * 0.5V = 0.35Vpp (das pp bedeutet peak-to-peak, also Spitze zu Spitze).
Jetzt schauen wir uns das Signal an der Basis an! Verwende die 1:1 probe und die 1:10 probe
Das Bild ist mit 5ms/cm in X und 2V/cm (mit der 1:10 probe, 10 MOhm Eingangswiderstand) in Y Richtung aufgenommen. Die Nulllinie ist die zweite grüne Linie in der Mitte. Die Amplitude beträgt also über 8Vpp! Wesentlich mehr, als am Collektor zuvor.
Plötzlich verstärkt unser Transistor nicht mehr, was ist los?
Hier wirken mehrere verschiedene Effekte zusammen und alle zu verstehen ist sehr wichtig und gibt uns tiefere Einblicke. Also:
Dies ist die Spannung an der Basis, 5ms/cm, 0.2V/cm, mit 1:1 probe (1MOhm) aufgenommen. Das sieht auf den ersten Blick ganz anders aus, aber schauen wir genauer hin:
Wir stellen den Arbeitspunkt auf etwa 5V am Collector ein.
Wir sehen jetzt zwar beide Halbwellen (besser!) am Collector, aber immer noch mit nur der mickrigen Amplitude von ca. 0.4Vpp.
Ich hatte angegeben, dass der Strom aus der menschlichen Antenne ca. 1µA beträgt. Wenn unser Transistor ca. 400-fach verstärkt, so haben wir im Collectorkreis einen Wechselstrom von ca. I = 400µA. Mit dem Ohm'schen Gesetz ergibt das am Arbeitswiderstand R2 von 1k eine Spannungsänderung von
U = R * I = 1000 Ohm * 400µA = 400mV
und diese 400mV sehen wir auch. Das Ohm'sche Gesetz sagt uns, wenn der Strom I fest bleibt, dann muss der Arbeitswiderstand größer werden, damit die Spannungsänderung größer wird! Wie groß? Wieder hilft uns das Ohm'sche Gesetz! Wir wollen einen Spannungshub von ca. der Betriebsspannung (10V) erreichen, wenn sich der Strom um 400µA ändert, also
R = U / I = 10V / 400µA = 25kOhm
Um den Effekt noch zu vergrößern verdoppeln wir diesen Wert auf 47k.
Wir entfernen die Leuchtdiode und ersetzen erst mal den Arbeitswiderstand durch einen 47k. Wir stellen den Arbeitspunkt ein und beobachten das Signal am Collector mit dem Oszi.
Dies ist die Spannung am Collector, 5ms/cm, 2V/cm, mit 1:1 probe (1MOhm) aufgenommen. Je nach den Bedingungen erhalten wir nun am Collector bis zu knapp 10Vpp Amplitude! Wenn wir mit dem Finger fest drücken oder ihn etwas anfeuchten, damit er besseren Kontakt macht, dann gelingt es uns, den Transistor zu übersteuern (man sagt auch ihn "in die Sättigung zu treiben") und aus der annähernden Sinusschwingung wird eine annähernde Rechteckschwingung:
Der Wert von R3 = 470k (zusammen mit dem 10k Poti) begrenzt unseren Eingangswiderstand auf höchstens 480k, was recht wenig ist und macht die Arbeitspunkteinstellung recht frickelig.
Wir ersetzen R3 (bisher 470k) durch einen 10MOhm Widerstand R4.
Nun läßt sich zwar der Arbeitspunkt leichter einstellen, aber am Verhalten der Schaltung hat sich nicht wirklich etwas geändert. Das liegt daran, dass wir für die Betrachtung des Eingangswiderstands auch den Transistor mit einbeziehen müssen. In dieser Schaltung ist der Eingangswiderstand des Transistors nämlich recht gering.
Bei dieser Schaltung ist der Collector C der gemeinsame Pol. Daher muss er auf Masse oder auch + Betriebsspannung (für den Wechselstrom ist es egal, ob es Masse oder Plus ist, die Batterie schliesst den Wechselstrom kurz) liegen.
Die obigen Bilder zeigen links die schon bekannte Emitterschaltung und rechts die Collectorschaltung.
Wir bauen auf Collectorschaltung um, indem wir R5 in die Emitterleitung verlegen.
Wir stellen den Arbeitspunkt so ein, dass etwa die halbe Betriebsspannung (5V) an R5 liegt.
Wir messen wieder mit dem Oszi und schauen uns die Signale an, wenn wir die Basis mit dem Finger berühren.
In der Collectorschaltung, die oft auch Emitterfolger genannt wird, "folgt" der Emitter dem Potential an der Basis. Diese Schaltung hat keine Spannungsverstärkung (am Emitter sieht man das gleiche Signal wie an der Basis), wohl aber eine gute Stromverstärkung. Da der Emitter der Basis (mit einem offset von 0.6V, der Flussspannung) folgt, ist die Spannung zwischen Basis und Emitter konstant (ca. 0.6V) und unabhängig von der Eingangsspannung. Damit ist auch der Eingangsstrom unabhängig von der Eingangsspannung und das bedeutet, wieder mit dem Ohm'schen Gesetz:
R = U / I = dU / dI, dI = 0 => R -> unendlich
Das bedeutet, dass der Eingangswiderstand "nach unendlich geht" (Division durch Null!). Und das ist toll, weil wir nun am Ausgang die unverfälschte Kurvenform des Eingangssignals sehen können, obwohl dieses Eingangssignal sehr hochohmig ist. In der Realität stimmt das nicht ganz: die Spannung zwischen Basis und Emitter hängt schon ein wenig vom Basistrom (und damit der Eingangsspannung) ab, weil die Verstärkung des Transistors nicht unendlich sondern nur 400 beträgt. Dadurch muss für mehr Emitterstrom auch mehr Basisstrom fliessen, aber eben 400 mal weniger, was einem 400-fachen Widerstandswert entspricht. Der Transistor hat hier also einen Eingangswiderstand von ca.
R = 400 * R5 = 400 * 47k = 18.8MOhm!
Wenn wir jetzt noch den R4 = 10MOhm berücksichtigen, welcher wechselstrommäßig parallel zum Transistor liegt, dann bekommen wir einen Eingangswiderstand von
R = 1 / (1 / 10MOhm + 1 / 18.8MOhm) = 6.5MOhm
Die Bilder sind mit 5ms/cm und (von links nach rechts) mit 2V/cm, 0.2V/cm, 2V/cm aufgenommen.
Wir sehen links den Emitter (wobei es egal ist, ob wir die 1:1 probe oder die 1:10 probe verwenden, weil der Ausgangswiderstand nur ca. 47k beträgt, also sehr klein ist), Masse (0V) ist die untere grüne Linie, in der Mitte den Finger direkt an der 1:1 probe und rechts den Finger direkt an der 1:10 probe. Die 1:1 probe (mitte) mit nur 1MOhm Eingangswiderstand dämpft das Signal merklich, wir haben nur noch ca. 0.8Vpp und die feineren Details verschwinden. Die 1:10 probe (rechts) zeigt dagegen ein wesentlich stärkeres Signal (ca. 10Vpp) und auch viel mehr feine Details.
Wir messen mit dem zweiten Kanal des Oszis gleichzeitig die Spannung an der Basis und am Emitter und variieren diese mit dem Poti (oder legen den Finger auf die Basis).
Wir sehen, dass diese beiden Spannungen, bis auf einen offset von 0.6V, gleich sind.