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HiFi-Lexikon: Transistor (Biopolar und Feldeffekt)

Transistoren gehören zu den grundlegenden elektronischen Bauelementen in der HiFi- bzw. Audiotechnik (siehe hierzu auch Widerstand, Kondensator, Spule, Röhre ). Grundsätzlich kann man sich einen Transistor ganz einfach als einen elektrisch ansteuerbaren Schalter vorstellen. Das Wirkprinzip eines Transistors beruht dabei aber nicht auf einer mechanischen Schaltfunktion, wie man sie von einem Lichtschalter oder Relais kennt, sondern auf Halbleitertechnologie. Zudem – und dies ist ein besonders wichtiger Punkt – eignen sich Transistoren nicht nur zum Schalten von Strömen, sondern auch zum Verstärken.

Bipolarer Transistor:

bipolarer-transistor-foto
Bipolarer Leistungstransistor:

bipolarer-leistungstransistor
Im Folgenden sollen die eben angerissenen Punkte näher erläutert werden:

Als Halbleiter bezeichnet man ein Material, welches unter bestimmten Bedingungen wie ein elektrischer Leiter aber auch wie ein Nichtleiter funktionieren kann. Sind diese beiden Zustände von außen kontrolliert steuerbar, so hat man prinzipiell den oben erwähnten Schalter, mit dem man Strom „Einschalten“ und „Ausschalten“ kann. Die kontrollierte Ansteuerung funktioniert durch von außen einwirkende Manipulation des Halbleiters auf atomarer Ebene (Dotierung), beim Transistor umgesetzt durch das Anlegen einer Steuerspannung bzw. das Fließen eines Steuerstromes.

Anschaulich lässt sich der Sachverhalt mittels des Schaltsymbols eines bipolaren npn-Transistors erklären. Dessen Anschlüsse werden Kollektor (C, engl. collector) Basis (B) und Emitter (E) genannt:

transistor npn-schaltbild
Liegt zwischen C und E – analog zu einem Schalter – eine Spannung an, so wird, mittels bewusster Ansteuerung der Basis mit einem ausreichend großem Steuerstrom, der Bereich zwischen C und E leitend: Es fließt Strom zwischen C und E, der „Schalter“ ist sozusagen geschlossen. Unterbricht man den Stromfluss an B, so sperrt der Schalter wieder. Dies alles funktioniert, wie erwähnt, ganz ohne Mechanik.

Neben den eben beschriebenen Zuständen des vollständigen Leitens (im Fachjargon: Sättigungsbereich) und des Nichtleitens (Sperrbereich), weist ein Transistor noch einen dritten sehr wesentlichen Bereich auf, der ihn zudem komplett von einem trivialen Schalter unterscheidet:

Nämlich den Verstärkungsbereich, der sich gewissermaßen zwischen dem Sättigungs- und Sperrbereich befindet. Der Stromfluss an B ist in diesem Bereich zwar größer Null, aber kleiner als im Zustand der Sättigung.

Im Verstärkungsbereich ist die Strecke zwischen C und E bereits leitend, aber eben noch nicht vollständig. Kleine Änderungen des Steuerstromes wirken sich unmittelbar auf die Leitfähigkeit der Strecke zwischen C und E aus. Anders ausgedrückt: Mittels eines kleinen Steuerstromes (IB) ist man in der Lage, einen (theoretischen beliebig großen) Leistungsstrom (IC auf der Strecke C-E) entsprechend anzusteuern: Man verstärkt somit das Basis-Signal (IB) analog. Hierbei kommt der Verstärkungsfaktor B ins Spiel:

IC= B x IB

Neben dem eben aufgezeigten bipolaren npn-Transistor gibt es eine Vielzahl anderer Transistorarten, die in ihrer Anwendung aber prinzipiell das gleiche Wirkmuster besitzen. So gibt es beispielsweise den bipolaren pnp-Transistor, der im Vergleich zum npn-Transistor lediglich mit umgekehrten Polaritäten arbeitet. Speziell erwähnt werden soll aber vor allem die Gruppe der Feldeffekttransistoren (FET):

FET:

mosfet-transistor-foto
Ein FET zeichnet sich durch folgende Anschlüsse aus:

Source S (engl. „Quelle“), Drain D (engl. „Abfluss“), Gate G (engl. „Tor“)

mosfet-schaltbild
Das Besondere an FETs ist, dass lediglich mit einer Steuerspannung bzw. einem elektrischen Feld gearbeitet wird – ein tatsächlicher Steuerstrom fließt dabei nicht. Damit erfolgt die Steuerung des Leistungsstromes zwischen D und S – und somit der Prozess der Verstärkung – leistungslos (zum Zusammenhang Leistung, Strom, Spannung: Elektrotechnische Grundbegriffe).

Zudem können FETs – im Gegensatz zu bipolaren Transistoren – auch für Wechselstromverstärkung eingesetzt werden. Allerdings sind sie auch störanfälliger hinsichtlich elektrostatischer Aufladungen sowie häufig etwas langsamer in ihren Schaltgeschwindigkeiten.


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