Direkt zum Inhalt

Pfadnavigation

  1. Startseite
  2. Physik Abitur
  3. 4 Elektrizitätslehre und Magnetismus
  4. 4.5 Elektrische Leitungsvorgänge
  5. 4.5.5 Elektrische Leitungsvorgänge in Halbleitern
  6. Transistor als Schalter

Transistor als Schalter

Die Wirkungsweise von Transistoren ermöglicht es nicht nur, sich stetig ändernde Eingangssignale in (verstärkte) stetig veränderte Ausgangssignale zu wandeln.
Er ist auch in der Lage, sich sprunghaft ändernde Eingangssignale zu verarbeiten und liefert dann ebenfalls sich sprunghaft ändernde Ausgangssignale.
Wechseln die Eingangssignale nur zwischen zwei festen Werten, so spricht man von einem Schalterbetrieb. Der Transistor wirkt wie ein elektronischer, kontaktloser Schalter.

Schule wird easy mit KI-Tutor Kim und Duden Learnattack

  • Kim hat in Deutsch, Mathe, Englisch und 6 weiteren Schulfächern immer eine von Lehrkräften geprüfte Erklärung, Video oder Übung parat.
  • 24/7 auf Learnattack.de und WhatsApp mit Bildupload und Sprachnachrichten verfügbar. Ideal, um bei den Hausaufgaben und beim Lernen von Fremdsprachen zu unterstützen.
  • Viel günstiger als andere Nachhilfe und schützt deine Daten.
Jetzt 30 Tage risikofrei testen
Your browser does not support the video tag.

Um die Wirkungsweise eines Transistors als Schalter richtig zu verstehen, ist es sinnvoll, ihn mit einem mechanischen Schalter zu vergleichen und zunächst die Verhältnisse in einem einfachen Stromkreis mit mechanischem Schalter zu betrachten.

Vorgänge an mechanischen Schaltern

In erster Näherung ist ein Schalter ein Bauelement in einem Stromkreis, das entweder einen unendlich großen Widerstand (geöffnet) oder praktisch den Widerstandswert null hat (geschlossen). In Bild 1 ist ein einfacher Stromkreis mit Schalter dargestellt.
Wegen seiner elektrischen Eigenschaften ergeben sich in beiden Fällen unterschiedliche Spannungsverteilungen. Bei geöffnetem Schalter fließt kein Strom, also liegt die gesamte Spannung am geöffneten Schalter, am Lastwiderstand liegt keine Spannung.
Bei geschlossenem Schalter ist der Schalterwiderstand praktisch null, die gesamte Spannung liegt am Lastwiderstand, am Schalter ist sie null.

  • Stromkreis mit mechanischem Schalter und Spannungsverhältnisse in einem solchen einfachen Stromkreis

Stellt man diese Situation in einem I-U- Diagramm dar, so erhält man auf der Widerstandsgeraden nur zwei Arbeitspunkte, zwischen denen bei Schalterbetätigung lediglich gewechselt wird. Das beschreibt Bild 2.
Die Widerstandsgerade wird wegen des sehr kleinen Innenwiderstandes einer technischen Spannungsquelle praktisch durch den Lastwiderstand bestimmt.
Bei mechanischen Schaltern sind nur wenige Schaltvorgänge je Sekunde erreichbar. Darüber hinaus zeigen solche Schalter in vielen Fällen ein Verhalten, das als Prellvorgang bezeichnet wird. Darunter ist folgendes zu verstehen: Nähert man z.B. den beweglichen Schalterkontakt dem feststehenden, so beträgt (er ist ja geöffnet) die Spannung zwischen diesen beiden Punkten U 0 . Während des Annäherns erhöht sich aber die elektrische Feldstärke nach E = U 0 s .

Da in der Luft zwischen den Schalterkontakten stets einige Ionen existieren, werden diese durch die wachsende Feldstärke immer größeren beschleunigenden Kräften ausgesetzt. Ihre Geschwindigkeit wird so hoch, dass sie beim Zusammenprall mit neutralen Luftmolekülen diese ionisieren (Stoßionisation). Dadurch kann die Gasstrecke zwischen den Kontakten leitend werden, es kommt zu einer sogenannten Bogenentladung (elektrischer Funke). Wenn dieser Fall eintritt, entsteht eine neue Spannungsverteilung, denn die leitende Gasstrecke zwischen den Kontakten hat jetzt nur einen kleinen Widerstand. Die Spannung am Schalter wird dadurch klein, die Entladung reißt ab. Dadurch verlischt der Funke. Nun ist wieder die ursprüngliche Situation, wegen der fortgesetzten Annäherung aber mit größerer Feldstärke, entstanden. Es bildet sich erneut eine Funkenentladung usw. Es werden durch diesen Mechanismus in rascher Folge Ein - Aus - Zustände erzeugt, bis die einander genäherten Kontakte mechanisch einander konstant berühren.

Die umgekehrten Vorgänge spielen sich beim mechanischen Öffnen ab. Wegen des anfänglich sehr kleinen Abstandes beginnen diese aber bei sehr hohen elektrischen Feldstärken. Diese kurzzeitigen Bogenstrecken zerstören mit der Zeit die Schalterkontakte. Deshalb sind beispielsweise Lichtschalter so gebaut, dass sie beim Betätigen zunächst einen Spannvorgang für eine Zugfeder auslösen, die dann bei Überschreiten einer bestimmten Spannkraft den eigentlichen Schalterkontakt mit einer Geschwindigkeit bewegt, die vom Fingerdruck auf den Schalter völlig unabhängig ist. Den Öffnungsfunken eines Schalters kann man sogar durch die Schalterabdeckung hindurch im dunklen Raum sehen.
Schalter, die Stromkreise mit hohen Spannungen schließen oder öffnen, haben deshalb eine sehr aufwendige Konstruktion und gehören z.B. in Elektroenergieverteilungen zu den teuersten Baugruppen.

Wegen der geringen Schaltfrequenz (mechanische Trägheit) und des beschriebenen Prellvorgangs sind mechanische Schalter für einen elektronischen Einsatz praktisch bedeutungslos. Sie haben nur dort einen Sinn, wo bei geringen Schaltfrequenzen große elektrische Energien geschaltet werden müssen.

  • I-U-Kennlinie und Arbeitspunkte für einen einfachen Stromkreis mit Schalter

Transistor als elektronischer Schalter

In der Elektronik, insbesondere in der Digitaltechnik, gibt es umfangreiche Aufgaben, bei deren Durchführung kleine elektrische Leistungen mit hoher Frequenz und insbesondere prellfrei zu schalten sind, z.B. bei Oszillografen oder bei digitalen Zählern (Uhren).

Für einen npn-Transistor in Emitterschaltung zeigt Bild 3 die Schaltung und die Verhältnisse im Kennlinienfeld. Soll ein Transistor sich hinsichtlich der Spannungs- und Stromverhältnisse wie ein Schalter verhalten, so muss der dem eingeschalteten Zustand entsprechende Arbeitspunkt eine möglichst kleine Kollektor-Emitter-Spannung und einen möglichst hohen Kollektorstrom haben. Der dem ausgeschalteten Zustand entsprechende Zustand muss dagegen eine möglichst große Kollektor-Emitter-Spannung und einen möglichst kleinen Kollektorstrom besitzen.
Um den Punkt A 2 trotz Exemplarstreuungen des eingesetzten Transistors immer sicher zu erreichen, arbeitet man mit einer Übersteuerungstechnik, d.h. man wählt einen um 20% bis 50% überhöhten Basisstrom.
Um den Punkt A 1 sicher zu erreichen, darf kein Basisstrom mehr fließen, der Kollektorstrom muss praktisch der Kollektorreststrom sein. Man könnte also zusammenfassend formulieren:

Durch die sprunghafte Änderung des Basisstromes ändert sich auch der Kollektorstrom sprunghaft. Damit wirkt ein Transistor als trägheitsloser elektronischer Schalter.

  • Emitterschaltung eines Transistors im Schalterbetrieb

Im Bild 4 ist eine häufig eingesetzte Anwenderschaltung zu sehen, in der Helligkeitsschwankungen in elektrische Spannungen, die nur zwei Werte entsprechend den beiden Schalterarbeitspunkte n besitzen.
Fällt Licht auf die Fotodiode, verringert sich ihr Widerstand. Die Basis-Emitter-Spannung reicht nicht mehr zum Durchsteuern des Transistors, er sperrt. Am Kollektor liegt praktisch die Betriebsspannung. Ohne Lichteinfall ist der Diodenwiderstand so groß, dass ein hoher Basisstrom fließt, der Transistor ist also durchgesteuert, seine am Kollektor liegende Spannung ist nur die Sättigungsspannung von etwa 0,2 V. Da die Diode ihre Leitfähigkeit mit hoher Frequenz ändern kann, lässt sich diese Schaltung vielfach nutzen.
Ein Beispiel ist die Drehzahlmessung. Bei jeder Umdrehung wird ein Lichtweg einmal unterbrochen. Die dabei entstehenden Spannungen werden mithilfe eines Zählers immer 1s lang gezählt und angezeigt. Nach Ablauf einer Sekunde wird der Zählvorgang neu gestartet, die Zähleranzeige auf null zurück gesetzt.

Schalten induktiver Lasten

Liegt in der Kollektorleitung ein Bauelement mit einer Induktivität, so kommt es während des Schaltvorganges wegen der auftretenden Selbstinduktion zu Problemen. Wird der Kollektorstrom eingeschaltet, so induziert das sich in der Spule aufbauende Magnetfeld (lenzsche Regel) eine Induktionsspannung entgegengesetzter Polarität zur anliegenden Spannung. Dadurch wird das sprunghafte Ansteigen des Kollektorstroms verhindert, der Arbeitspunkt verschiebt sich langsamer auf der Widerstandsgeraden. Bei genügend großer Induktivität darf diese dann die Verlustleistungshyperbel nicht mehr schneiden, da eine unzulässige Erwärmung des Transistors die Folge wäre.
Unter Umständen viel problematischer wird dagegen der Ausschaltvorgang. Die dabei entstehende Selbstinduktionsspannung ist zur anliegenden gleich-gerichtet, beide addieren sich. Da der gesperrte Transistor den größten Widerstand hat, fällt praktisch die Summe aus Betriebs- und Induktionsspannung über der Emitter-Kollektor-Strecke ab. Diese Spannungssumme übersteigt in den meisten Fällen den zulässigen Maximalwert von U C E , der Transistor wird zerstört. Abhilfe schafft hier eine parallel zur Induktivität geschaltete Richtdiode, die für die Selbstinduktionsspannung in Flussrichtung liegt, also ihren Aufbau verhindert. Eine solche Diode wird als Freilaufdiode bezeichnet.

  • Schalterbetrieb eines Transistors mit Fotodiode
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Transistor als Schalter." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/transistor-als-schalter (Abgerufen: 19. May 2025, 20:59 UTC)

Suche nach passenden Schlagwörtern

  • Stoßionisation
  • Lastwiderstand
  • Prellvorgang
  • Schaltfrequenz
  • Basisstrom
  • Schalterkontakt
  • Öffnungsfunken
  • Feldstärke
  • Emitterschaltung
  • Fotodiode
  • Transistor
  • Schaltvorgänge
  • Kollektorstrom
  • Schalter; Spannungsverteilungen
  • digitale Zähler
  • Schalterwiderstand
  • Übersteuerungstechnik
  • Bogenentladung
  • Widerstandsgerade
Jetzt durchstarten

Lernblockade und Hausaufgabenstress?

Entspannt durch die Schule mit KI-Tutor Kim und Duden Learnattack.

  • Kim hat in Deutsch, Mathe, Englisch und 6 weiteren Schulfächern immer eine von Lehrkräften geprüfte Erklärung, Video oder Übung parat.
  • 24/7 auf Learnattack.de und WhatsApp mit Bildupload und Sprachnachrichten verfügbar. Ideal, um bei den Hausaufgaben und beim Lernen von Fremdsprachen zu unterstützen.
  • Viel günstiger als andere Nachhilfe und schützt deine Daten.

Verwandte Artikel

Transistor als Verstärker

Die Wirkungsweise von Transistoren ermöglicht es nicht nur, sich sprunghaft ändernde Eingangssignale zu verarbeiten und in sich stetig ändernde Ausgangssignale zu wandeln, einen Transistor also als elektronischen, kontaktlosen Schalter zu nutzen.
Er ist auch in der sich Lage, schwache und sich stetig ändernde Eingangssignale in (verstärkte) stetig veränderte Ausgangssignale zu wandeln. Der Transistor wirkt dann als Verstärker.
Die Verstärkerwirkung eines Transistors kann in unterschiedlichen Schaltungen realisiert werden. Ausführlich dargestellt ist die weitverbreitete Emitterschaltung.

Aufbau und Wirkungsweise von Transistoren

Transfer Resistor (Übertragungswiderstand, übertragender Widerstand) war die Arbeitsbezeichnung für das in den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts in Angriff genommene Projekt, ein Halbleiterbauelement auf Halbleiterbasis zu entwickeln, das die Funktion einer Verstärkerröhre realisieren kann. Aus dieser Bezeichnung wurde der Name des Bauelements – des Transistors – abgeleitet.
Der Aufbau der verschiedensten Arten von Transistoren ist relativ ähnlich. Das gilt auch für die grundsätzliche Wirkungsweise. Beides ist in dem Beitrag erläutert.

Transistoren im Überblick

Im Laufe der reichlich 50 Jahre seit seiner Erfindung hat der Transistor als aktives Bauelement im gesamten Bereich der Elektronik seinen Platz gefunden. Daran hat auch die Entwicklung integrierter analoger und digitaler Schaltkreise nichts geändert. Er hat bis auf wenige Spezialanwendungen die Elektronenröhre praktisch völlig verdrängt.
Die nachfolgende Darstellung umfasst:

  • die historische Entwicklung von Transistoren,
  • die technologische Realisierung von Transistoren
  • der Kennzeichnungsschlüssel für Transistoren.

Leitung in Halbleitern

Halbleiter sind Stoffe, die bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren und der von Leitern liegen. Ihre breite technische Nutzung begann nach der Entdeckung des Transistoreffekts (1948). Ohne die Halbleiterelektronik sind moderne technische Geräte nicht denkbar. Die physikalischen Grundlagen dafür sind elektrische Leitungsvorgänge in Halbleitermaterialien wie Germanium und Silicium, wobei deren Leitfähigkeit durch den gezielten Einbau von Fremdatomen (Dotieren) in weiten Grenzen beeinflusst werden kann. Heute existieren eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen für die unterschiedlichsten Anwendungen.

Lichtempfänger und Lichtsender

Lichtempfänger auf Halbleiterbasis sind Fotowiderstände, Fotodioden und Fototransistoren. Während die Fotowiderstände über ihre gesamte Ausdehnung aus einheitlich dotiertem Material bestehen, haben Fotodioden und Fototransistoren pn-Übergänge.
Lichtsender auf Halbleiterbasis sind speziell gestaltete Dioden. Sie werden Lichtemitterdioden (LED), Lumineszenzdioden oder Leuchtdioden genannt, wenn das von ihnen ausgesendete Licht eine inkohärente Strahlung darstellt. Es gibt sie für den Infrarotbereich (IRED) und für den sichtbaren Bereich des Lichtes. Senden sie dagegen kohärentes Licht aus, bezeichnet man sie als Laserdioden.

Ein Angebot von

Footer

  • Impressum
  • Sicherheit & Datenschutz
  • AGB
© Duden Learnattack GmbH, 2025