Transistor einfach erklärt: Schalter und Logik

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil mit einem steuerbaren Stromweg. Eine elektrische Steuerung verändert, wie gut dieser Weg Strom leitet. Beim Schalten nutzen wir einen ausgeschalteten und einen gut eingeschalteten Zustand.

Eine Spannung zwischen zwei Punkten kann Strom durch einen geschlossenen Stromkreis antreiben. Ein Stromkreis ist ein durchgehender Weg von der Stromversorgung über die Bauteile und zurück. Ein Verbraucher nutzt elektrische Energie, etwa eine Lampe. Diese Energie kommt aus der Stromversorgung. Der Transistor steuert den Stromweg zum Verbraucher.

Wir betrachten zunächst einen Bipolartransistor. Bei dieser Transistorart kann ein kleiner Steuerstrom einen größeren Strom im gesteuerten Stromweg beeinflussen. Die Anschlüsse und den Steuerstrom lernst du im nächsten Abschnitt kennen.

Für alle Schaltfälle dieser Seite gilt: Die Bauteile sind passend angeschlossen. Die Stromversorgung passt zum Verbraucher und zum Transistor. Geeignete Bauteile begrenzen die Ströme auf passende Werte.

Im Schaltermodell unterscheiden wir zwei gewünschte Zustände: Sperrt der Transistor, ist der gesteuerte Stromweg unterbrochen. Leitet der Transistor ausreichend gut, ist der Stromweg eingeschaltet. Sehr kleine Restströme im ausgeschalteten Zustand lassen wir in diesem vereinfachten Modell weg.

Beim Bipolartransistor heißen die drei Anschlüsse Basis, Kollektor und Emitter. Die Basis ist der Steueranschluss. Der Basisstrom fließt über die Basis und den Emitter. Er steuert den Strom zwischen Kollektor und Emitter.

Beim Feldeffekttransistor steuert ein elektrisches Feld den Stromweg. Ein elektrisches Feld übt Kräfte auf elektrische Ladungen aus, etwa auf die winzigen geladenen Teilchen, die einen Strom tragen.

Wir betrachten als Beispiel einen selbstsperrenden MOSFET. Die Abkürzung steht für den englischen Namen „Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor“. Dieser Name beschreibt seine Materialschichten und die Steuerung durch ein elektrisches Feld. Gemeint ist hier eine Feldeffekt-Bauart mit einem elektrisch isolierten, also getrennten Steueranschluss.

Die drei Anschlüsse dieses MOSFET heißen Gate, Drain und Source. Das sind ihre englischen Anschlussnamen. Das Gate ist der Steueranschluss. Der gesteuerte Stromweg liegt zwischen Drain und Source. Die Spannung zwischen Gate und Source erzeugt das steuernde elektrische Feld. Wir nennen sie kurz Gate-Source-Spannung.

„Selbstsperrend“ bedeutet: Bei einer Spannung von null zwischen Gate und Source sperrt dieser Typ im vereinfachten Modell. Eine passende Gate-Source-Spannung lässt ihn zu leiten beginnen. Die Grenze für diesen Leitbeginn heißt Schwellspannung. Ihr Überschreiten garantiert noch kein vollständiges Einschalten. Welche Spannung für gutes Einschalten nötig ist, hängt vom Bauteil und vom vorgesehenen Strom ab. Dafür braucht man passende Angaben im Datenblatt, der technischen Beschreibung des Herstellers.

Für den passend angeschlossenen Bipolartransistor gilt im Schaltermodell: Ohne wirksamen Basisstrom sperrt er. Der Stromweg zwischen Kollektor und Emitter ist dann ausgeschaltet. Der angeschlossene Verbraucher erhält über diesen Weg im Modell keinen Strom.

Fließt Basisstrom, kann der Transistor leiten. Ein beliebig kleiner Basisstrom genügt aber nicht für vollständiges Einschalten. Bei einem zu kleinen Basisstrom kann der Transistor nur teilweise leiten. Dann verhält er sich nicht wie ein gut eingeschalteter Schalter.

Für gutes Einschalten muss der Basisstrom für den vorgesehenen Strom durch den Verbraucher ausreichen. Die passende Größe hängt vom Transistor und vom benötigten Strom ab. „Vollständig eingeschaltet“ heißt in unserem Schaltfall: Der Transistor leitet ausreichend gut für diesen Verbraucher. Aus der bloßen Aussage „Es fließt Basisstrom“ kannst du das noch nicht schließen.

Der Basisstrom ist der Steuerstrom. Er ist nicht mit dem Strom zwischen Kollektor und Emitter gleichzusetzen. Die elektrische Energie für den Verbraucher kommt weiterhin aus der Stromversorgung.

Ein Logikgatter ist eine Schaltung, die elektrische Eingangssignale nach einer festen Regel zu einem Ausgangssignal verarbeitet. Ein Eingang nimmt ein Signal auf. Am Ausgang liegt das Ergebnis an. Die Signale stellen Informationen durch Spannungen dar.

Auf dieser Seite verwenden wir folgende Zuordnung: Ein niedriger Spannungsbereich steht für den logischen Wert 0, ein hoher für den logischen Wert 1. Die genauen Spannungsgrenzen hängen von der verwendeten Schaltung ab. Die Werte 0 und 1 beschreiben also Signalspannungen. Aus „Transistor leitet“ folgt keine allgemeine Zuordnung zu 1.

Ein einzelner Transistor stellt einen steuerbaren Stromweg bereit. Erst das Zusammenspiel mit weiteren Bauteilen ergibt die vollständige Gatter-Schaltung mit ihren Ein- und Ausgängen. Ein Widerstand ist beispielsweise ein Bauteil, das Strom begrenzen kann. Manche einfachen Transistorgatter enthalten Widerstände. Andere Gatter bestehen aus mehreren Transistoren und brauchen keine gesonderten Widerstände. Ein Widerstand ist deshalb keine Pflichtzutat jedes Gatters.

Betrachte ein einfaches Umkehrmodell: Seine Schaltung enthält einen Bipolartransistor und Widerstände. Ein Widerstand begrenzt den Basisstrom. Ein anderer verbindet den Ausgang mit der Stromversorgung und hält seine Spannung hoch, solange der Transistor sperrt. Ist der Transistor gut eingeschaltet, verbindet er den Ausgang so mit dem Rückweg zur Stromversorgung, dass die Ausgangsspannung niedrig wird. Am Ausgang ist in diesem Modell kein weiterer Verbraucher angeschlossen.

Der Aufbau ist so gewählt: Eine niedrige Eingangsspannung erzeugt keinen wirksamen Basisstrom. Der Transistor sperrt und der Ausgang steht auf 1. Eine hohe Eingangsspannung erzeugt einen ausreichenden Basisstrom. Der Transistor leitet gut und der Ausgang steht auf 0. Die gesamte Schaltung kehrt damit den Signalwert um.