Transistoren-Sättigung erklärt: Erkennen und effektiv nutzen

Ein gesättigter Transistor

Quelle: Wikiwand

Transistoren-Sättigung? Was bedeutet das? Dieser Begriff ergibt nur Sinn, wenn Sie ein Entwickler oder Ingenieur sind, der mit Transistorschaltern bestens vertraut ist.

Falls nicht, erklären wir es Ihnen gerne.

Bei Niederspannungs-Gleichstromgeräten ist es üblich, sie ein- oder auszuschalten. Dies erreichen Sie durch Transistorschalter. Der Transistor muss jedoch in einem gesättigten Zustand sein, um das Gleichstromgerät ein- oder auszuschalten.

In diesem Artikel gehen wir näher auf dieses Thema ein, zeigen Ihnen die Betriebsarten, Berechnungen und mehr.

Also, legen wir los!

Was ist Transistoren-Sättigung?

BD135 Transistoren-Sättigung

Quelle: Wikimedia Commons

Sättigung tritt auf, wenn ein System seinen Schwellen- oder Maximalwert erreicht. Ein Transistor arbeitet im Sättigungsbereich, wenn der Strom den höchsten spezifizierten Wert erreicht.

Beispiel: Wenn Sie Flüssigkeit in ein Glas gießen, bis es randvoll ist – es ist gesättigt. Das Glas kann keine weitere Flüssigkeit aufnehmen. Ähnlich ändert sich der Sättigungspegel eines Transistors schnell, wenn Sie seine Konfiguration ändern.

Wichtig: Bei der Konfiguration von Transistoren erreicht das Bauelement nicht seinen Sättigungspunkt, da die Basis-Kollektor-Strecke nicht im sperrenden Betrieb bleibt. Dies führt zu Verzerrungen im Ausgangssignal.

Welche Betriebsarten gibt es?

Transistoren arbeiten in vier verschiedenen Betriebsarten, da sie nichtlineare Bauelemente sind. Diese zeigen den Stromfluss an (bei NPN vom Kollektor zum Emitter).

NPN-Transistor

Um die Betriebsart eines Transistors zu bestimmen, müssen Sie die Beziehung und Spannungen der drei Anschlüsse beachten.

V_BC ist die Spannung von Basis zu Kollektor, V_BE die Spannung von Basis zu Emitter. Die Betriebsarten sind:

Sättigungsbetrieb

Im Sättigungsbetrieb ist der Transistor „EIN“. Er verhält sich wie ein Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter.

NPN-Emitter

Quelle: Wikimedia Commons

In diesem Modus werden beide Dioden des Transistors in Durchlassrichtung betrieben. Das bedeutet, V_BE und V_BC sind größer als null. Folglich ist V_B höher als V_C und V_E.

Anders ausgedrückt: Für den Eintritt in die Sättigung muss V_BE höher als die Schwellenspannung sein. Die Spannung wird oft als V_d, V_th usw. abgekürzt; der Wert variiert je nach Transistor und Temperatur.

Bei Raumtemperatur liegt der Spannungsabfall vieler Transistoren bei ca. 0,6 V.

Wichtig: Die Leitung zwischen Kollektor und Emitter ist nicht ideal, daher tritt ein kleiner Spannungsabfall an den Knoten auf.

Hersteller geben diese Spannung in Datenblättern als V_CE(sat) (CE-Sättigungsspannung) an. V_CE(sat) ist die Spannung von Kollektor zu Emitter, die der Transistor für die Sättigung benötigt.

Der Wert liegt typischerweise zwischen 0,05 und 0,2 V. Damit der Transistor in Sättigung geht, muss V_C etwas höher als V_E sein, und beide müssen niedriger als V_B sein.

Inverser Betrieb (Reverse-Active)

Im inversen Betrieb verstärkt und leitet der Transistor, aber der Strom fließt in entgegengesetzter Richtung (vom Emitter zum Kollektor).

Transistorverstärker

Quelle: Wikimedia Commons

Für den inversen Betrieb muss die Emitterspannung höher als die Basisspannung sein, die wiederum höher als die Kollektorspannung sein muss: V_C < V_B < V_E.

Hersteller nutzen diesen Modus selten für Anwendungen, da er den Transistor nicht optimal ansteuert.

Aktiver Betrieb (Verstärkerbetrieb)

Im aktiven Betrieb muss V_BC negativ und V_BE positiv sein. Die Basisspannung liegt zwischen Emitter- und Kollektorspannung: V_C > V_B > V_E.

Dies ist der leistungsstärkste Betriebsmodus, da er den Transistor zum Verstärker macht.

Der in die Basis fließende Strom steuert den vom Kollektor zum Emitter fließenden Strom:

I_C = β · I_B

Wobei:

• I_C = Kollektorstrom
• β = Verstärkungsfaktor
• I_B = Basisstrom

Sperrbetrieb (Cut-Off)

Im Sperrbetrieb ist der Transistor AUS – das Gegenteil der Sättigung. Er verhält sich wie eine offene Schaltung, da kein Kollektor- und Emitterstrom fließt.

Um diesen Modus zu erreichen, müssen Emitter- und Kollektorspannung höher als die Basisspannung sein. V_BE und V_BC sind negativ.

Darstellung:

V_C > V_B

V_E > V_B

Hinweis: Der Artikel bezieht sich auf NPN-Transistoren. Bei PNP-Transistoren sind die Kennlinien umgekehrt. Im Sättigungsbetrieb fließt der Strom bei PNP vom Emitter zum Kollektor.

Die folgende Tabelle fasst die Unterschiede zusammen:

NPN-Modus	Spannungsbeziehungen	PNP-Modus
Invers	VE > VB > VC	Aktiv
Sperr	VE > VB < VC	Sättigung
Sättigung	VE < VB > VC	Sperr
Aktiv	VE < VB < VC	Invers

Berechnung der Transistoren-Sättigung

Die Berechnung ist einfach, wenn eine Kennlinienkurve vorliegt. Zeigt die Kurve 0 V bei relativ hohem Strom, wenden Sie das Ohmsche Gesetz an.

So bestimmen Sie den Widerstand zwischen Kollektor und Emitter:

R_CE = V_CE / I_C = 0 V / I_C(sat) = 0 Ω

Um den ungefähren Sättigungs-Kollektorstrom in einer Schaltung zu ermitteln, nehmen Sie einen Kurzschluss über der CE-Strecke an (V_CE = 0 V) und berechnen Sie für V_CE(sat).

Bei einer Schaltung mit Festvorspannung (Fixed-Bias) entspricht die Spannung am Kollektorwiderstand R_C der Versorgungsspannung V_CC:

• I_C(sat) = V_CC / R_C

Wie erkennt man, ob ein Transistor gesättigt ist?

Einen Transistor in Sättigung zu betreiben, ist anspruchsvoll, aber machbar. Für Verstärkerbetrieb sollte der Arbeitspunkt im aktiven Bereich liegen. Bewährte Methoden zur Erkennung:

1. Direkte Messung
2. Simulation – oft besser als Messung
3. Berechnung – kostengünstig und grenzenlos. Beispiel: Schaltung als gesättigt annehmen, maximalen Verstärkungsfaktor berechnen und mit dem minimalen Stromverstärkungsfaktor des Bauelements vergleichen.

Zusammenfassung

Es gibt verschiedene Wege, Transistoren-Sättigung zu erkennen – die Voraussetzung dafür, dass ein Transistor als Schalter für niedrige Gleichspannungen funktioniert.

Es gibt vier Betriebsarten, deren Bedingungen sich bei NPN- und PNP-Transistoren unterscheiden. Haben Sie Fragen? Kontaktieren Sie uns gerne.