BJT-Transistoren: Eckpfeiler kompakter, effizienter Elektronikdesigns

Ein Blick in die Geschichte der Elektronik zeigt: Die Erfindung des Transistors war entscheidend für die Menschheit. Transistoren ersetzten sperrige, stromfressende und ineffiziente Röhren.

Heute nutzen wir Transistoren entweder zur Verstärkung oder als Schalter in elektronischen Schaltungen.

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über Bipolar-Transistoren (BJT), ihre Konfigurationen und Anwendungen zu erfahren.

Was ist ein BJT-Transistor?

Abb. 1: Ein NPN-Leistungstransistor

Ein Bipolar-Transistor (BJT) ist ein stromgesteuertes Halbleiterbauelement mit zwei pn-Übergängen.

Er besitzt drei Anschlüsse: Basis, Emitter und Kollektor. Je nach np-Anordnung nutzt der BJT entweder Löcher oder Elektronen als Hauptladungsträger.

Ein an der Basis angelegtes Signal wird am Kollektor verstärkt. Dazu ist jedoch etwas Gleichstromleistung erforderlich.

Konfigurationen von BJT-Transistoren

Abb. 2: Elektronische Bauteile auf einer Leiterplatte

Ein BJT ist ein dreipoliges Schalt- oder Verstärkerelement, kritisch in elektronischen Schaltungen. Je nach Hauptladungsträger lassen sich zwei Bipolar-Transistortypen realisieren.

Ein BJT hat zwei Eingänge, aber nur einen Ausgang, da es ein dreipoliges Bauelement ist. Ein Anschluss dient als gemeinsamer Bezug für Ein- und Ausgang.

Folgende drei BJT-Konfigurationen sind möglich:

BJT-Transistoren: Common-Emitter-Schaltung (Gegentakt)

Das Eingangssignal wird zwischen Basis-Emitter angelegt, der Ausgang zwischen Kollektor-Emitter abgenommen. Der Emitter invertiert das Eingangssignal.

BJT-Transistoren: Common-Collector-Schaltung (Emitterfolger)

Eingang liegt zwischen Basis-Kollektor, Ausgang wird zwischen Kollektor-Emitter abgenommen.

Common-Base-Schaltung (Basisschaltung)

Der Basisanschluss dient sowohl für Ein- als auch Ausgang. Die Basisschaltung hat nur Spannungsverstärkung, aber keine Stromverstärkung.

BJT-Kennlinien

Abb. 3: Ein Schaltplan mit Transistoren

Die drei BJT-Konfigurationen ergeben unterschiedliche Schaltungen mit verschiedenen Eigenschaften. Wichtigste Merkmale: Ein- und Ausgangsimpedanz, Strom- und Spannungsverstärkung.

Merkmal	Common Base	Common Emitter	Common Collector
Leistungsverstärkung	Niedrig	Sehr hoch	Mittel
Stromverstärkung	Niedrig	Mittel	Hoch
Spannungsverstärkung	Hoch	Mittel	Niedrig
Phasenwinkel	0°	180°	0°
Ausgangsimpedanz	Sehr hoch	Hoch	Niedrig
Eingangsimpedanz	Niedrig	Mittel	Hoch

Die Common-Emitter-Schaltung ist die häufigste BJT-Konfiguration. Ihre guten Leistungs-, Spannungs- und Stromverstärkungswerte verbessern die Schaltungsverstärkung.

Typen von BJT-Transistoren

Abb. 4: Ein Techniker prüft eine elektronische Leiterplatte

Bipolar-Transistoren werden nach den Hauptladungsträgern klassifiziert:

• PNP-BJTs – Transistoren mit Löchern als Hauptladungsträgern
• NPN-BJTs – Transistoren, die Elektronen als Hauptladungsträger nutzen

NPN-Transistoren sind beliebter als PNP, da sie bessere Verstärkung bieten. NPN-Transistoren haben mehr Elektronen in ihrer Struktur; Elektronen besitzen höhere Beweglichkeit als Löcher.

PNP-Bipolar-Transistoren

Ein PNP-Transistor besteht aus einem N-Typ-Material, das zwischen zwei P-Typ-Halbleitermaterialien dotiert ist. Der Emitter liefert die positiven Ladungsträger, die durch die Basis zum Kollektor wandern. Die Basis steuert die Anzahl der Ladungsträger, die vom Emitter zum Kollektor gelangen.

NPN-Bipolar-Transistoren

Ein NPN-Transistor besteht aus einem P-Typ-Halbleiter, der zwischen zwei N-Typ-Materialien dotiert ist. Hier sind freie Elektronen die Majoritätsladungsträger.

Bei ausreichender Anregung bewegen sich negative Ladungsträger vom Valenz- ins Leitungsband. Folglich fließt Strom durch den N-Typ-Halbleiterbereich.

Arbeitsbereiche des BJT-Transistors

Abb. 5: Eine elektronische Leiterplatte

Transistoren fungieren technisch als Schalter oder Verstärker in elektronischen Schaltungen. Bipolar-Transistoren sind dreipolige aktive Bauelemente, die leiten oder sperren – abhängig vom Gate-Bias.

Betrachten wir die Arbeitsbereiche eines BJT:

Aktiver Bereich (Verstärkerbetrieb)

Hier arbeitet der Transistor als Verstärker.

I_C = β × I_B

β ist das Verhältnis von Kollektor- zu Basisstrom und gibt die Stromverstärkung für Common-Emitter an.

Sättigungsbereich (Schalter EIN)

Der Transistor ist voll durchgesteuert; Basis-Kollektor- und Basis-Emitter-Übergang sind in Vorwärtsrichtung gepolt.

I_C = I_Sättigung

Sperrbereich (Schalter AUS)

Der Transistor ist vollständig gesperrt; Basisspannung liegt unter Kollektor- und Emitterspeisung.

I_C = 0

Anwendungen von BJTs

• Demodulatoren / Detektoren
• Verstärkerschaltungen (Verstärker / Modulatoren)
• Oszillatoren und Multivibratoren
• Klippschaltungen zur Formung von Wellenformen
• Zeitverzögerungsschaltungen
• Elektronische Schaltkreise

Fazit

Bipolar-Transistoren sind kritische elektronische Bauelemente, die ein tiefes Schaltungsverständnis erfordern. Man sieht sie oft, ohne zu verstehen, wie sie funktionieren.

Wir hoffen, dieser Artikel hat einige Mysterien um BJTs gelüftet und Türen für Ihr Projekt geöffnet.

Für weitere Informationen, Klärungen oder Unterstützung im Bereich Elektronik wenden Sie sich an unsere Experten.