Wie Transistoren funktionieren – eine einfache Erklärung

Zuletzt aktualisiert am 5. Februar 2023 von Lars Weidmann

Der Transistor ist ein einfaches Bauteil, mit dem man viele tolle Projekte bauen kann. In dieser praktischen Anleitung erfährst du, wie Transistoren funktionieren, damit du sie in deiner nächsten Schaltung verwenden kannst.

Es ist eigentlich ziemlich einfach, wenn man die Grundlagen kennt. Wir konzentrieren uns auf die beiden gängigsten Transistoren: BJT und MOSFET.

Der Transistor funktioniert wie ein elektronischer Schalter. Er kann einen Strom ein- und ausschalten. Man kann sich den Transistor einfach als ein Relais ohne bewegliche Teile vorstellen. Ein Transistor ähnelt einem Relais in dem Sinne, dass man mit ihm etwas ein- und ausschalten kann.

Aber ein Transistor kann auch teilweise eingeschaltet werden, was beim Bau von Verstärkern nützlich ist.

Wie Transistoren funktionieren (BJT)

Beginnen wir mit dem klassischen NPN-Transistor. Er ist ein Bipolar Junction Transistor (BJT) und hat drei Anschlüsse:

Basis (b)
Kollektor (c)
Emitter (e)

Schematisches Symbol eines NPN-Transistors mit Pin-Bezeichnungen

Schaltet man ihn ein, kann Strom vom Kollektor zum Emitter fließen. Wenn er AUS ist, kann kein Strom fließen.

In der Beispielschaltung unten ist der Transistor AUS. Das bedeutet, dass kein Strom durch ihn fließen kann, so dass die Leuchtdiode (LED) ebenfalls ausgeschaltet ist.
Um den Transistor einzuschalten, braucht man eine Spannung von etwa 0,7 V zwischen Basis und Emitter.

Wenn du eine 0,7-V-Batterie hättest, könntest du sie zwischen Basis und Emitter anschließen, und der Transistor wäre eingeschaltet.

Da die meisten von uns keine 0,7-V-Batterie haben, wie schalten wir den Transistor ein?

Ganz einfach! Der Basis-Emitter-Teil eines Transistors funktioniert wie eine Diode. Eine Diode hat eine Durchlassspannung, die sie aus der verfügbaren Spannung “abgreift”. Wenn du einen Widerstand in Reihe schaltest, fällt der Rest der Spannung über den Widerstand ab.

Durch Hinzufügen eines Widerstands erhält man also automatisch etwa 0,7 V.

Das ist das gleiche Prinzip, mit dem man den Strom durch eine LED begrenzt, damit sie nicht durchbrennt.

Wenn du noch einen Taster hinzufügst, kannst du den Transistor und damit die LED mit einem Taster ein- und ausschalten

Auswahl der Bauteilwerte

Um die Bauteilwerte auszuwählen, müssen Sie noch etwas über die Funktionsweise von Transistoren wissen:

Wenn ein Strom von der Basis zum Emitter fließt, schaltet sich der Transistor ein, so dass ein größerer Strom vom Kollektor zum Emitter fließen kann.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen den Größen der beiden Ströme. Dies wird als die Verstärkung des Transistors bezeichnet.

Bei einem Allzwecktransistor wie dem BC547 oder dem 2N3904 kann dieser Wert etwa 100 betragen.

Das bedeutet, dass bei einem Strom von 0,1 mA, der von der Basis zum Emitter fließt, 10 mA (100 Mal mehr) vom Kollektor zum Emitter fließen können.

Welchen Widerstandswert benötigen Sie für R1, damit 0,1 mA fließen?

Wenn die Batterie 9 V hat und die Verbindung von der Basis zum Emitter des Transistors 0,7 V beträgt, bleiben 8,3 V über dem Widerstand übrig.

Sie können das Ohmsche Gesetz anwenden, um den Widerstandswert zu ermitteln:

R = \frac{V}{I} = \frac{8.3V}{0.0001A} = 83000 \Omega

Sie brauchen also einen Widerstand von 83 kΩ. Das ist kein Standardwert, sondern 82 kΩ, und das ist nahe genug.

R2 ist dazu da, den Strom zur LED zu begrenzen. Du kannst den Wert wählen, den du gewählt hättest, wenn du die LED und den Widerstand direkt an die 9-V-Batterie angeschlossen hättest, ohne den Transistor. Zum Beispiel sollte 1 kΩ gut funktionieren.

Wie man einen Transistor auswählt

Der NPN-Transistor ist der gebräuchlichste der Bipolar Junction Transistors (BJT). Es gibt aber auch einen PNP-Transistor, der auf die gleiche Weise funktioniert, nur dass alle Ströme in die entgegengesetzte Richtung fließen.

Bei der Auswahl eines Transistors sollte man vor allem darauf achten, wie viel Strom der Transistor aufnehmen kann. Dies ist der sogenannte Kollektorstrom (IC).

Wie ein MOSFET-Transistor funktioniert

Der MOSFET-Transistor ist ein weiterer sehr verbreiteter Transistortyp. Er hat ebenfalls drei Anschlüsse:

Gate (g)
Quelle (s)
Drain (d)

Ein MOSFET funktioniert ähnlich wie ein BJT-Transistor, allerdings mit einem wichtigen Unterschied:

Beim BJT-Transistor entscheidet der Strom von der Basis zum Emitter darüber, wie viel Strom vom Kollektor zum Emitter fließen kann.

Beim MOSFET-Transistor entscheidet die Spannung zwischen Gate und Source darüber, wie viel Strom vom Drain zur Source fließen kann.

Beispiel: Wie man einen MOSFET einschaltet

Um einen MOSFET-Transistor einzuschalten, benötigen Sie eine Spannung zwischen Gate und Source, die höher ist als die Schwellenspannung des Transistors. Der BS170 hat zum Beispiel eine Gate-Source-Schwellenspannung von 2,1 V. (Diese Information finden Sie im Datenblatt).

Die Schwellenspannung eines MOSFET ist die Spannung, bei der er sich ausschaltet. Um den Transistor richtig einzuschalten, braucht man also eine Spannung, die etwas höher ist als diese.

Wie viel höher die Spannung ist, hängt davon ab, wie viel Strom Sie fließen lassen möchten (diese Information finden Sie im Datenblatt). Wenn Sie ein paar Volt über dem Schwellenwert liegen, ist das in der Regel mehr als genug für Dinge mit geringem Strom wie das Einschalten einer LED.

Beachten Sie, dass selbst wenn Sie eine Spannung verwenden, die hoch genug ist, um einen Strom von 1 A fließen zu lassen, dies nicht bedeutet, dass Sie auch 1 A erhalten. Es bedeutet nur, dass 1 A fließen könnte, wenn man es wollte. Die tatsächliche Stromstärke hängt jedoch davon ab, was man daran anschließt.

Sie können also so hoch gehen, wie Sie wollen, solange Sie sicherstellen, dass Sie die maximale Gate-Source-Spannung nicht überschreiten (die beim BS170 20 V beträgt).

Im obigen Beispiel ist das Gate mit 9 V verbunden, wenn Sie den Knopf drücken. Dies schaltet den Transistor ein.

Auswahl der Bauteilwerte

Der Wert von R1 ist nicht entscheidend, aber etwa 10 kΩ sollten ausreichen. Sein Zweck ist es, den MOSFET auszuschalten (mehr dazu weiter unten).

Mit R2 wird die Helligkeit der LED eingestellt. 1 kΩ sollte für die meisten LEDs ausreichen.

Q1 kann fast jeder n-Kanal-MOSFET sein, z. B. BS170.

Wie schaltet man einen MOSFET aus?

Ein wichtiger Punkt, den man über den MOSFET wissen sollte, ist, dass er sich auch ein wenig wie ein Kondensator verhält. Das heißt, der Gate-Source-Teil. Wenn man eine Spannung zwischen Gate und Source anlegt, bleibt diese Spannung dort, bis sie entladen ist.

Mit dem Widerstand kann sich der Gate-Source-Kondensator entladen, so dass sich der Transistor wieder ausschaltet.

Wie man einen MOSFET-Transistor auswählt

Im obigen Beispiel wird ein n-Kanal-MOSFET verwendet. P-Kanal-MOSFETs funktionieren auf die gleiche Weise, nur dass der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt und die Gate-Source-Spannung negativ sein muss, um den Transistor einzuschalten.

Es gibt Tausende verschiedener MOSFETs zur Auswahl. Aber wenn Sie die obige Beispielschaltung bauen wollen und eine spezifische Empfehlung wünschen, sind BS170 und IRF510 zwei gängige Typen.

Bei der Auswahl eines MOSFETs sind zwei Dinge zu beachten:

Die Gate-zu-Source-Schwellenspannung. Sie brauchen eine höhere Spannung, um den Transistor einzuschalten.
Der kontinuierliche Drain-Strom. Dies ist die maximale Strommenge, die durch den Transistor fließen kann.

Es gibt noch weitere wichtige Parameter, die Sie beachten müssen, je nachdem, was Sie herstellen wollen. Aber das würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Behalten Sie die beiden obigen Parameter im Hinterkopf und Sie haben einen guten Ausgangspunkt.

MOSFET-Gate-Strom

Wenn Sie einen MOSFET z. B. von einem Arduino oder Raspberry Pi aus ansteuern möchten, müssen Sie noch einen weiteren Punkt beachten: den Strom, der in das Gate fließt, wenn Sie den Transistor einschalten.

Wie bereits kurz erwähnt, wirkt das Gate-to-Source eines MOSFETs wie ein Kondensator.

Das heißt, sobald er aufgeladen ist, fließt kein Strom mehr durch ihn. Wenn also ein MOSFET eingeschaltet ist, fließt kein Strom durch das Gate.

Aber wenn ein MOSFET eingeschaltet wird, fließt ein Strom, genau wie beim Laden eines Kondensators. Für einen kleinen Bruchteil einer Sekunde kann eine Menge Strom fließen.

Um Ihren Arduino (oder was auch immer Sie verwenden) vor zu viel Strom zu schützen, müssen Sie einen MOSFET-Gate-Widerstand hinzufügen. Oft sind 1000 Ω ein ausreichender Wert dafür. Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz, um Ihren speziellen Fall zu prüfen.

Warum brauchen Sie einen Transistor?

Eine häufige Frage, die mir gestellt wird, lautet: Warum brauchen wir den Transistor? Warum schließt man die LED und den Widerstand nicht direkt an die Batterie an?

Der Vorteil eines Transistors ist, dass man mit einem kleinen Strom oder einer kleinen Spannung einen viel größeren Strom oder eine viel größere Spannung steuern kann.

Das ist sehr nützlich, wenn man z. B. Motoren, Hochleistungs-LEDs, Lautsprecher, Relais und vieles mehr mit einem Raspberry Pi/Arduino/Mikrocontroller steuern möchte. Die Ausgangspins dieser Boards können normalerweise nur ein paar Milliampere bei 5 V liefern. Wenn Sie also Ihre 110-V-Terrassenbeleuchtung steuern möchten, können Sie dies nicht direkt über den Pin tun.

Stattdessen könnten Sie ein Relais verwenden. Aber selbst das Relais benötigt normalerweise mehr Strom, als der Pin liefern kann. Du brauchst also einen Transistor, um das Relais zu steuern.
Transistoren sind aber auch für einfachere Sensorschaltungen nützlich, wie diese Lichtsensorschaltung, die Berührungssensorschaltung oder die H-Brückenschaltung.

Wir verwenden Transistoren in fast allen Schaltungen. Er ist wirklich das wichtigste Bauteil in der Elektronik.

Der Transistor als Verstärker

Der Transistor ist auch der Grund dafür, dass Verstärker funktionieren. Anstatt nur zwei Zustände zu haben (EIN/AUS), kann er auch irgendwo zwischen “voll ein” und “voll aus” liegen.

Das bedeutet, dass ein kleines Signal mit fast keiner Energie einen Transistor so steuern kann, dass eine viel stärkere Kopie dieses Signals im Kollektor-Emitter- (oder Drain-Source-) Teil des Transistors erzeugt wird. Auf diese Weise kann der Transistor kleine Signale verstärken.

Unten sehen Sie einen einfachen Verstärker zur Ansteuerung eines Lautsprechers. Je höher die Eingangsspannung ist, desto höher ist der Strom von der Basis zum Emitter und desto höher ist der Strom durch den Lautsprecher.

Eine veränderliche Eingangsspannung bewirkt, dass der Strom im Lautsprecher variiert, wodurch ein Ton erzeugt wird.

Normalerweise würde man ein paar weitere Widerstände hinzufügen, um den Transistor vorzuspannen. Andernfalls würde man eine Menge Verzerrungen erhalten. Aber das ist ein Thema für einen anderen Artikel.