Transistor als elektrisch gesteuerter Schalter nutzen

Bauteile & Materialien

• Zwei 6-V-Batterien
• Ein NPN-Transistor (2N2222 oder 2N3403 empfohlen; Radio Shack #276-1617 bietet 15er-Pack)
• Ein 100-kΩ-Widerstand
• Ein 560-Ω-Widerstand
• Eine LED (Radio Shack #276-026 oder beliebige Standard-LED)

Widerstandswerte und LED-Typ sind für die Demonstration nicht kritisch.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 4: „Bipolar Junction Transistors.“

Lernziele

• Stromverstärkung in einem Bipolar-Transistor verstehen

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Der Schaltplan zeigt einen roten Draht, der in einem Pfeil endet und an einem Ende des 100-kΩ-Widerstands angeschlossen ist. Lassen Sie diesen Draht lose, damit Sie ihn kurzzeitig mit anderen Punkten im Kreis verbinden können.

Berühren Sie das freie Ende des roten Drahts mit einem Punkt, der positiver ist als er – am häufigsten dem Pluspol der DC-Versorgung. Die LED leuchtet auf, obwohl der 100-kΩ-Widerstand den Strom auf nur ca. 0,12 mA (12 V ÷ 100 kΩ) begrenzt. Dies veranschaulicht, wie ein kleiner Basisstrom einen viel größeren Kollektorstrom steuern kann.

Zur Quantifizierung nutzen Sie ein Amperemeter in Reihe mit dem roten Draht und verbinden es mit dem Pluspol der Versorgung:

Wählen Sie den empfindlichsten Messbereich, um den winzigen Basisstrom zu lesen. Messen Sie dann den LED-Strom und vergleichen Sie die beiden Werte. Typischerweise finden Sie eine Stromverstärkung über 200, was die Rolle des Transistors als elektrisch gesteuerter Schalter bestätigt.

Für eine praktische Demonstration entfernen Sie den losen Draht und versuchen Sie, das freie Ende des 100-kΩ-Widerstands mit zwei Fingern an den Pluspol der Versorgung zu legen. Befeuchten Sie die Fingerspitzen für bessere Leitfähigkeit. Variieren Sie den Druck Ihres Kontakts, um den Widerstand im Basispfad zu ändern; beobachten Sie, wie sich die LED-Helligkeit ändert. Dies zeigt die Fähigkeit des Transistors, als variabler Stromsteller zu fungieren, nicht nur als binärer Schalter.

Computersimulation

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

Netlist (kopieren Sie folgenden Text in eine .cir-Datei):

Transistor as a switch
v1 1 0
r1 1 2 100k
r2 1 3 560
d1 3 4 mod2
q1 4 2 0 mod1
.model mod1 npn bf=200
.model mod2 d is=1e-28
.dc v1 12 12 1
.print dc v(2,0) v(4,0) v(1,2) v(1,3) v(3,4)
.end

Simulationsergebnisse: Der Spannungsfall am 560-Ω-Widerstand (v(1,3)) beträgt 10,26 V, entsprechend einem LED-Strom von 18,32 mA. Der 100-kΩ-Widerstand erfährt einen Fall von 11,15 V, was nur 111,5 µA Basisstrom ergibt – was die Verstärkungsfähigkeit des Transistors hervorhebt.

Der Dioden-Modellparameter is=1e-28 simuliert den höheren Vorwärtsspannungsfall einer LED.

ZUGEHÖRIGES ARBEITSBLATT

• Bipolar Junction Transistors as Switches Worksheet