BC547 » Der NPN Bipolartransistor anschaulich erklärt
Wenn Hobby-Elektroniker oder Elektronik-Auszubildende eine Transistorschaltung aufbauen wollen, verwenden sie gerne das elektronische Bauelement BC547. Der Grund ist eigentlich recht einfach.
Der preiswerte NPN Transistor BC547 ist zwar klein aber trotzdem noch recht handlich. Er hat ein stabiles Gehäuse in Bauform TO-92 und mit den langen Anschlussdrähten lässt er sich leicht in Platinen einsetzen. Alternativ dazu wird er zu Testzwecken auch gerne einmal frei verdrahtet. Das geht recht schnell und man kann leicht Änderungen an der Schaltung durchführen oder Fehler beseitigen.
Zudem weist der NPN Transistor BC547 breitgefächerte technische Leistungsmerkmale auf, wodurch er in vielen Schaltungen und Applikationen genutzt werden kann. Für uns sind das genügend Gründe, den Transistor einmal genauer zu betrachten. Dabei werden wir die grundsätzlichen Funktionen von bipolaren Transistoren als auch den Unterschied zwischen NPN und PNP erklären.
Das Wort Transistor setzt sich aus den beiden Wörtern „Transfer“ und „Resistor“ zusammen. Und aufgrund seiner Eigenschaften kann sich ein Transistor tatsächlich wie ein veränderbarer elektrischer Widerstand oder wie ein Schalter verhalten.
Die geschichtliche Entwicklung
Bereits in den 1920er Jahren fanden die ersten theoretischen Vorarbeiten zum Transistor statt. Man war auf der Suche nach einem Ersatz für die anfälligen Elektronenröhren.
Allerdings war man damals technisch noch nicht in der Lage, hochreines Silizium oder Germanium herzustellen. Erst in den 1940er Jahren wurde in den USA und zeitgleich dazu in Frankreich der Germanium-Transistor erfunden.
Obwohl der in Frankreich entwickelte Halbleiter mit dem Namen „Transitron“ die niedrigeren Rauschwerte, sowie eine bessere Stabilität und eine höhere Lebensdauer aufwies, blieb dem „Französischer Transistor“ der kommerzielle Erfolg leider verwehrt.
Transistoren sollten die recht anfälligen Elektronenröhren ersetzen.
Heute werden Transistoren aus Silizium hergestellt und dienen in elektrischen Schaltungen als kontaktlose Schalter, Regler, Impedanzwandler oder Verstärker. Diese vielfältigen Funktionen sind möglich, da ein Transistor in der Lage ist, mit einem kleinen Steuerstrom einen hohen Laststrom zu beeinflussen. Die gleiche Funktion könnte auch ein Relais übernehmen, doch der Transistor ist wesentlich schneller und zudem gibt es bei einem Transistor keinerlei mechanischen Komponenten. Dadurch ist ein Transistor auch keinem mechanischen Verschleiß unterworfen.
Neben dem Einsatz von einzelnen Transistoren wird die Transistortechnik auch in integrierten Schaltkreisen, den sogenannten ICs (integrated Circuit), verwendet. Dabei werden immer mehr Transistoren in ein IC-Gehäuse integriert. Die modernsten und schnellsten Prozessoren und Mikrocontroller beinhalten mittlerweile mehrere Milliarden Transistorelemente.
Der Transistor BC547 ist im Prinzip ein Halbleiter aus Silizium, der ähnlich wie eine Diode aufgebaut ist. Die genaue Funktion einer Diode mit dotiertem Silizium haben wir bereits in unserem Techniklexikon genauer beschrieben.
Im Gegensatz zu einer Diode besitzt ein Transistor nicht nur einen pn-Übergang. Durch die Anreihung von unterschiedlich dotierten Halbleitern entstehen zwei pn-Übergänge.
Daher werden diese Transistoren auch als bipolare Transistoren, BJT-Transistoren oder einfach nur BJT (Bipolar Junction Transitor) bezeichnet.
Da jedes der unterschiedlich dotierten Silizium-Halbleiterelemente der Doppeldiode einen eigenen Anschluss benötigt, hat ein Transistor drei elektrische Verbindungen.
Der Anschluss des mittleren Halbleiterelementes wird als Basis (B) bezeichnet. Der obere Anschluss ist der Kollektor (C) und der untere Anschluss wird als Emitter (E) bezeichnet. Im Prinzip sammelt der Kollektor die Elektronen auf, die der Emitter aussendet.
Wegen der zwei pn-Übergänge werden auch oft zwei gegeneinander geschaltete Dioden (Doppeldiode) als Ersatzschaltbild verwendet, um das Aufbauprinzip eines Transistors zu erklären. Allerdings ist es nicht möglich mit zwei separaten Dioden die Funktionsweise eines Transistors nachzustellen. Schließlich wird immer eine der beiden Dioden den Stromfluss verhindern. Die Ursache, warum ein Transistor diesbezüglich komplett anders reagiert, liegt im Aufbau und in der sehr dünnen Basisschicht. Auf den gezeigten Bildern ist diese lediglich aus optischen Gründen und zum besseren Verständnis wesentlich breiter dargestellt, als sie in Wirklichkeit ist.
Auch wenn der Kollektor und der Emitter aus gleich dotiertem Material bestehen, gibt es doch einen Unterschied: Der Emitter ist wesentlich höher dotiert als der Kollektor. Das bedeutet er besitzt weit mehr Fremdatome.
Je nachdem, wie die einzelnen Halbleiterelemente dotiert sind, gibt es bipolare PNP-Transistoren und NPN-Transistoren. Die grundsätzliche Funktion beider Transistortypen ist identisch, jedoch unterscheiden sie sich in der Stromrichtung. Beim Schaltzeichen werden die jeweiligen technischen Stromrichtungen mit unterschiedlich ausgerichteten Pfeilen am Emitteranschluss angezeigt.
Mit Hilfe eines Multimeters mit Diodentester kann man bei bipolaren Transistoren jeweils zwischen Basis und Emitter und zwischen Basis und Kollektor die Diodenfunktion der beiden pn-Übergänge messen.
Bevor man sich den inneren Aufbau eines Transistors anschaut, sollte man sich zunächst mit der grundsätzlichen Funktion vertraut machen. Dazu eignet sich ein Wasserleitungsrohr mit Wasserschieber in idealer Weise.
Vergleich mit einem Wasserleitungsschieber
Bei einem Transistor kann man mit einem geringen Strom von der Basis zum Emitter einen hohen Strom vom Kollektor zum Emitter steuern. Die angegebene Stromrichtung bezieht sich auf die technische Stromrichtung von Plus nach Minus.
Man kann sich das wie bei einer Wasserleitung (1) mit seitlichem Anschluss und Absperrschieber (2) vorstellen.
Eine Zugfeder (3) drückt die Steuerklappe (4) in die Anschlagstellung. In dieser Position sind die Steuerklappe und der Absperrschieber geschlossen.
Gesperrter Zustand
Wenn am seitlichen Abschluss kein Wasserdruck anliegt, bleibt die Steuerklappe durch die Kraft der Zugfeder geschlossen. Der mit der Klappe mechanisch verbundene Absperrschieber ist in diesem Zustand ebenfalls geschlossen.
Halb geöffneter Zustand
Wenn der Druck am seitlichen Anschluss erhöht wird, drückt das Wasser die Steuerklappe teilweise auf. Dadurch wird der Absperrschieber ebenfalls geöffnet. Das Wasser kann im begrenzten Umfang von oben nach unten fließen.
Voll geöffneter Zustand
Ab einen bestimmten Wasserdruck im seitlichen Anschlussrohr wird die Steuerklappe komplett aufgedrückt. In diesem Fall ist auch der Absperrschieber voll geöffnet und das Wasser kann ungehindert durch die Rohre fließen.
Funktion des Halbleiterelementes
Da es sich bei dem Transistor BC547 um einen NPN-Transistor handelt, wollen wir die Funktionsweise auch an einem NPN-Transistor erklären. Bei einem PNP-Transistor sind lediglich die dotierten Schichten anders angeordnet und die Stromrichtung ist umgedreht. Die Grundfunktionen sind aber bei beiden Transitor-Typen identisch.
Wichtig: Um die Funktion eines Transistor-Halbleiterelementes richtig zu verstehen, sollte man nicht die technische Stromrichtung von Plus nach Minus als Grundlage nehmen. Besser ist es die physikalische Stromrichtung, also das Fließen der Elektronen vom Minus-Pol einer Spannungsquelle zum Plus-Pol der Spannungsquelle zu betrachten.
Die beiden n-dotierten Bereiche am Emitter (E) und am Kollektor (C) besitzen jeweils einen Überschuss an freien Elektronen (blaue Punkte).
Der mittlere Bereich der Basis (B) ist p-dotiert und besitzt einen Überschuss an Defektelektronen oder auch Löchern (dunkle Punkte).
Wie bei einer Diode entsteht an den beiden pn-Übergängen durch Rekombination jeweils eine Sperrschicht, in denen die freien Elektronen die Löcher auffüllen.
Da die Sperrschicht keine freien Elektronen mehr besitzt, wirkt sie wie ein Isolator.
Damit bei einem Transistor (NPN) Elektronen vom Emitter (E) zum Kollektor (C) fließen können, müssen die beiden Anschlüsse mit einer Spannungsquelle (U1) verbunden werden. Im Falle des NPN-Transistors BC547 muss der Kollektor mit dem Plus-Anschluss der Spannungsquelle und der Emitter mit dem Minus-Anschluss verbunden werden. Um später den Strom durch den Transistor zu begrenzen, dient eine Lampe als Lastwiderstand (RL).
Durch das Anlegen der Spannung (U1) wird der Anteil der Elektronen im Emitter erhöht und der Anteil im Kollektor verringert. Dadurch verändern sich auch die Sperrschichten. Die Schicht zwischen Basis und Emitter wird dünner und die Schicht zwischen Basis und Kollektor wird dicker. Die Sperrwirkung ist aber immer noch so hoch, dass kein Strom (Elektronen) über die Emitter-/Kollektor-Strecke fließt und die Lampe nicht leuchtet. Der Transistor ist gesperrt.
Um den Transistor leitend zu schalten, muss an der Basis eine weitere Spannung (U2) angeschlossen werden. Dabei werden die Basis mit dem Plus-Anschluss und der Emitter mit dem Minus-Anschluss der zweiten Spannungsquelle (U2) verbunden. Solange die Höhe der Spannung an der Basis unter 0,7 V liegt passiert nichts und der Transistor ist immer noch gesperrt.
Wenn die Spannung der Basis-Emitter-Strecke die 0,7 V-Grenze erreicht, ist die Grenzschicht zwischen Basis und Emitter nicht mehr wirksam und die Elektronen können vom n-dotierten Bereich des Emitters in den p-dotierten Bereich der Basis fließen.
Allerdings wird nur ein sehr kleiner Anteil der Elektronen über den Basisanschluss zur Spannungsquelle (U2) abgeleitet. Zudem stehen in der dünnen p-dotierten Basisschicht nur sehr wenige Löcher zur Verfügung, die Elektronen aufnehmen können.
Aus diesem Grund durchtunneln die Elektronen die Grenzschicht zwischen der Basis und dem Kollektor. Sie verirren sich quasi in die n-Schicht des Kollektors. Dort werden sie vom hohen Pluspotential des Kollektors angezogen und fließen vom Kollektoranschluss weiter zum Pluspol der ersten Spannungsquelle. Es fließen somit Elektronen (elektrischer Strom) vom Emitter zum Kollektor. Da dadurch der Stromkreis geschlossen ist, leuchtet auch die Lampe.
Dieser Stromleitungs-Effekt ist umso stärker, je dünner die Basisschicht ist. Bei einer sehr dünnen Basisschicht ist der Strom von Emitter zum Kollektor um ein Vielfaches höher, als der Strom vom Emitter zur Basis. Zudem reagiert der Kollektorstrom direktproportional auf den Basis-Strom. Leichte Änderungen der Basis-Emitter-Spannung und somit des Basis-Stromes bewirkt eine große Änderung des Kollektor-Stromes. Die Stromschwankungen an der Basis werden somit vom Transistor verstärkt.
Der typische Strom-Verstärkungsfaktor beim BC547C liegt bei ca. 420 – 800. Das bedeutet, dass eine Stromänderung an der Basis von lediglich 1 mA eine Stromänderung von 420 – 800 mA am Kollektor hervorruft. Weitere wichtige Daten können bei Bedarf den technischen Unterlagen des Herstellers entnommen werden.
Neben der bereits angesprochenen Stromverstärkung, kann der Transistor BC547 auch die Spannung verstärken. Um eine Änderung des Basisstromes von lediglich 1 mA hervorzurufen, ist einerseits nur eine sehr kleine Änderung der Spannung an der Basis erforderlich. Auf der anderen Seite wirkt sich eine Änderung des Kollektorstromes von 420 – 800 mA sehr stark auf die Spannung am Kollektorwiderstand (Lastwiderstand) aus. Deshalb werden Transistoren sehr gerne als Spannungsverstärker eingesetzt.
Wie hoch die Spannungsverstärkung oder auch die Stromverstärkung in der jeweiligen Schaltung tatsächlich sind, hängt davon ab, in welcher Grundschaltung der Transistor betrieben wird und wie die Auslegung der Außenbeschaltung gewählt wurde.
Spannungsverstärkung in der Emitterschaltung
Die Funktion der Spannungsverstärkung lässt sich schön an einer Emitterschaltung zeigen. Die Emitterschaltung ist eine von drei möglichen Grundschaltungen, wie Transistoren in elektronischen Schaltungen betrieben werden können. Die Transistor-Grundschaltungen werden nachfolgend noch genauer erklärt.
Neben dem NPN Transistor BC547 sind noch drei weitere Widerstände und ein Kondensator verbaut. Die Betriebsspannung +UB kann laut Datenblatt des Transistors bis zu 45V betragen.
Die Widerstände R1 und R2 sind so ausgelegt, dass sich an der Basis eine Spannung von ca. 0,6 V einstellt. Der Widerstand RL fungiert als Lastwiderstand für den Transistor und begrenzt den Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke.
Der Kondensator C1 dient als Koppelkondensator. Er sorgt dafür, dass das Eingangssignal nicht von der Gleichspannung am Transistor überlagert wird. Niederfrequente Tonsignale hingegen können den Kondensator anstandslos passieren.
Ohne Ansteuersignal sperrt der Transistor. Da über den Widerstand RL kein elektrischer Strom fließt, fällt über den Widerstand auch keine Spannung ab. Am Kollektor bzw. am Ausgang UA liegt die Betriebsspannung +UB an.
Wenn das Eingangssignal ansteigt, wird die Spannungsänderung über den Kondensator an die Basis des Transistors übertragen. Die Basis-Emitter-Spannung steigt somit an. Ab einen Wert von 0,7 V beginnt die Basis-Emitter-Strecke und somit der Transistor zu leiten. Die Kollektor-Emitter-Strecke verringert ihren Widerstandswert und über den Widerstand RL und die Kollektor-Emitter-Strecke fliest Strom. Die Kollektor-Emitter-Spannung bzw. die Ausgangsspannung UA beginnt zu sinken.
Wenn die Spannung an der Basis des Transistors so groß ist, dass der Transistor voll durchsteuert, hat die Ausgangsspannung den minimalsten Wert erreicht. Ganz auf 0 Volt wird die Spannung nicht sinken, denn auch im voll durchgeschalteten Zustand fällt über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors eine geringe Restspannung ab.
Wenn die Spannung des Eingangssignals sinkt, steigt die Spannung am Ausgang wieder an. Sobald die Spannung an der Basis die 0,7 V-Grenze unterschreitet und demzufolge auch kein Basisstrom mehr fließt, ist die Spannung am Ausgang wieder auf dem Niveau der Betriebsspannung +UB.
Wenn als Ansteuerung eine sinusförmige Wechselspannung genutzt wird. kann am Ausgang die um ein Vielfaches verstärkte Wechselspannung abgegriffen werden.
Neben der bereits angesprochenen Spannungsverstärkung kann man auch gut erkennen, dass bei einer Emitterschaltung das Ausgangssignal dem Eingangssignal gegenüber um 180° phasengedreht ist.
Die Transistorgrundschaltungen sind nach dem Transistoranschluss benannt, der für das Ein- und das Ausgangssignal den gemeinsamen Bezugspunkt darstellt und wechselspannungsmäßig auf Masse liegt. Dabei muss der jeweilige Anschluss nicht zwangsweise an Masse geschaltet sein. Der vom Ein- und Ausgangssignal gemeinsam genutzte Transistoranschluss kann auch mit dem Plusspannungs-Potential verbunden sein. Denn die Ladekondensatoren im Netzteil stellen für eine Signal-Wechselspannung einen Kurzschluss dar.
Je nachdem welcher Transistoranschluss vom Ein- und Ausgangssignal gemeinsam genutzt wird, gibt es drei unterschiedlichen Grundschaltungen:
Emitterschaltung
Die Emitterschaltung wird gerne im Niederfrequenzbereich (NF) verwendet, um eine hohe Spannungsverstärkung zu erzeugen. Das Eingangssignal wird der Basis zugeführt und das Ausgangssignal am Kollektor abgegriffen.
Kollektorschaltung
Die Kollektorschaltung, oder auch Emitterfolger, wird in der Praxis am meisten eingesetzt. Die Spannungsverstärkung ist zwar kleiner als 1, dafür ist die Stromverstärkung, abhängig vom Transistor, sehr hoch.
Basisschaltung
Die Basisschaltung zeichnet sich durch einen geringen Eingangswiderstand und einen hohen Ausgangswiderstand aus. Die Spannungsverstärkung ist hoch und die Schaltung kann auch für hochfrequente Anwendungen genutzt werden.
Eigenschaften der Transistorgrundschaltungen im Überblick:
| Eigenschaft | Emitterschaltung | Kollektorschaltung | Basisschaltung |
|---|---|---|---|
| Spannungsverstärkung | Hoch | Niedrig | Hoch |
| Stromverstärkung | Hoch | Hoch | Niedrig |
| Eingangswiderstand | Mittel | Hoch | Niedrig |
| Ausgangswiderstand | Mittel | Niedrig | Hoch |
| Grenzfrequenz | Niedrig | Mittel | Hoch |
Wie wird der Transistor BC547 richtig angeschlossen?
Für die korrekte Funktion ist es wichtig, dass der Transistor richtig in die Schaltung eingebaut wird. Die jeweilige Belegung der drei Anschlussbeine kann in den technischen Unterlagen nachgeschlagen werden. Im Falle des BC547 haben wir die Anschlussbelegung noch einmal hier aufgeführt.
Kann man einen Transistor im ausgebauten Zustand auf Funktion prüfen?
Ja, das geht! Dazu reicht ein einfaches Digitalmultimeter mit Diodentest-Funktion. Damit kann geprüft werden, ob die beiden pn-Übergänge der Doppeldiode in Ordnung sind.
Die Dioden zwischen Basis und Emitter sowie zwischen Basis und Kollektor müssen den Prüfstrom des Messgerätes in einer Richtung durchlassen und in die andere Richtung sperren. Zwischen Kollektor und Emitter muss der Transistor in beiden Richtungen hochohmig sein.
Was bedeuten die Buchstaben „A“, „B“ oder „C“ nach der Transistorbezeichnung?
Die Buchstaben stehen für die unterschiedlichen Stromverstärkungen. Das Bauteil BC547C hat eine fast dreimal so hohe Stromverstärkung als der Transistor BC547A. Die genauen Werte können den technischen Informationen der Hersteller bzw. dem Datenblatt zu den jeweiligen Transistoren entnommen werden.
Was bedeutet RoHS bei den technischen Daten?
RoHS ist die Abkürzung von Restriction of Hazardous Substances. Die Richtlinie zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt dient zur Beschränkung von gefährlichen Stoffen wie z.B. Blei oder Cadmium in Elektro- und Elektronikgeräten bzw. deren Bauteilen.