Werking Transistor en het Transistoreffect

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4, Hoofdstuk 2, Paragraaf 2.4&2.4 Blz 111 t/m 116

Weet je dat de Transistorversterker is ontwikkel door William Shockley, John Bardeen en Walter Brattain? Deze wetenschappers waren op zoek naar een vervanging voor de vacuümbuizen die in de eerste computers werden gebruikt. Vlak voor de Kerstmis van 1947 maakte het drietal de eerste transistor. Deze transistor verbruikte minder energie en was veel kleiner. In 1956 kregen de heren de Nobelprijs voor hun uitvinding.

Voordat je verder leest!

Voordat je verder leest kijk eerst eens naar de volgende artikelen die ook over de transistor gaan:

Verschillende Klasse instellingen Transistor

Karakteristiek Transistor;

Fundamentele schakelingen;

Behuizing en Basistoepassing;

Werking van de Transistor

In alle lesboeken die over de uitleg van de werking van de transistor zijn geschreven wordt de werking vaak voorgesteld als watermodel. De loop van water spreekt meer aan dan de loop van een elektrische stroom.

In het watermodel zie je de dire aansluitingen B van basis, E van emitter en C van collector. In het gewoon Nederlands kun je bij E van emitteren spreken en dat betekent uitzenden of uitstralen. C van collecteren wat verzamelen betekent.

De werking van het watermodel

De collector is een denkbeeldig reservoir. Dit reservoir wordt gevuld met water. Onder in het reservoir is een klep gemonteerd. Deze klep wordt door water dichtgedrukt. Er stroomt dus geen water van de collector naar de emitter.

De basis zorgt ervoor dat de klep opengaat op het moment dat er genoeg waterdruk op het poortje B staat. Het gevolg is dat er water stroomt van C naar E. Hiermee is dus de waterstroom te regelen. Zie onderstaande afbeelding voor het watermodel.

De Technische uitleg van de Transistor

De collector verzamelt nog altijd de elektronen van een elektrische stroom. Echter, zolang de B geen stroom voert zal de transistor geen stroom doorlaten van C naar E. Pas wanneer er een klein stroompje door de B gaat vloeien komt de transistor in geleiding.

Hoe tekenen wij dan de transistor? Nou, zeker niet als watermodel maar daarvoor gebruiken wij onderstaande symbolen. Hierbij valt op dat er een PNP- en een NPN-type transistor bestaat. Daarbij zit het verschil in de polariteit van de voedingsspanning.

Diodevoorstelling van de Transistor

Wanner je de transistor op een meer professionele manier benadert dan kun je deze als volgt voorstellen. De transistor vormt in wezen de combinatie van twee halfgeleiderdioden. Het vervangingsschema van een transistor kan er dan ook uitzien zoals in de afbeelding hieronder.

Bij de NPN-transistor vormen beide anodes een geheel, bij de PNP transistor zijn dat de kathoden. Dit houdt in dat een transistor niet uit twee afzonderlijke dioden kan samengesteld worden.

Elektrische voorwaarden

Een transistor kan alleen versterken indien hij van voedingsspanning wordt voorzien. Bij het aansluiten van deze spanning moeten we aan twee voorwaarden voldoen:

• De basis-emitterdiode moet in doorlaatrichting staan;
• De collector-basisdiode moet in sperrichting staan.

Om aan deze twee voorwaarden te voldoen, sluiten we een NPN-transistor aan volgens onderstaande afbeelding.

De spanningsbron Ube zorgt ervoor dat de basis-emitterdiode in doorlaatrichting staat, doordat de plus aan de basis zit. De waarde van de spanning Ube hoeft bij een siliciumtransistor maar circa 0,6 volt te zijn, overeenkomstig de drempelspanning van een siliciumdiode.

De spanningsbron Ube en de basis-emitterdiode van de transistor vormen het zogenaamde ingangscircuit, zie bovenstaande afbeelding. De collector-basisdiode staat in sperrichting, doordat de batterij Uv met een grotere positieve spanning aan de collector ligt. Ten opzichte van massa staat er dus op de collector +10V en op de basis circa 0,6V.

Hieruit volgt dat de spanning Ubc=-9,6V, dus de collector-basisdiode spert. Het circuit gevormd door de batterij Uv en de collector-emitterovergang noemen we het uitgangscircuit. Hoewel de collector-basisdiode in sperrichting staat, zal hierdoor toch stroom kunnen lopen.

Hieruit bijkt nog eens dat de collector-basisovergang niet als een echte diode werkt. De grootte van de collectorstroom Ic hangt af van de mate waarin de basis-emitterdiode geleidt. Hoe meer de basis-emitterdiode geleidt, des te groter wordt de stroom van collector naar emitter.

Zonder op het inwendige gedrag van de PN-overgangen in te gaan stellen we dat de stroom Ib in het ingangscircuit van basis naar emitter de vrije ladingdragers vanuit de collector als het ware meezuigt. In de emitter lopen beide stromen Ib en Ic.

Het Transistor Effect

Een kleine basisstroom heeft een grote collectorstroom tot gevolge. Om de verhouding tussen ingang en uitgang van de transistor uit te drukken wordt gebruikgemaakt van de notatie Hfe. Dit is de verhouding tussen de collectorstroom en basisstroom. Dit noemen we de gelijkstroomversterkingsfactor Hfe.

In het algemeen geldt bij versterking (A): de verhouding van de uitgang ten opzichte van de ingang. De stroomversterking Hfe is als volgt te bepalen:

Hfe=Ic/Ib

Ic is daarbij de collectorstroom, Ib is de basisstroom.

De andere formules zijn dan af te leiden:

• Ic=Hfe keer Ib;
• Ie=Ic+Ib;
• Ie=Ib(Hfe+1);
• Waarbij Ie de emitterstroom is.

Rekenvoorbeelden

Voorbeeld 1

Gegeven: Collectorstroom Ic=50mA en Basisstroom Ib= 1Ma.
Gevraagd = Hfe
Oplossing: Hfe=Ic/Ib=50/1= 50, dus Hfe is 50

Let op: Hfe is niet hetzelfde als Ai. Beide worden stroomversterking genoemd. Bij Hfe gaat het over de stroomversterkingsfactor in de transistor. Bij Ai gaat het over de uitgangstroom naar de belasting die aan een transistor is aangesloten ten opzichte van de ingangssignaalstroom.

Volgens de 1ste wet van Kirchoff wordt de basisstroom en de collectorstroom opgeteld en vormen samen de emitterstroom. De eerste wet van Kirchoff wordt verder niet behandeld.

Voorbeeld 2

GegevenL Ic=50mA en Ib=1mA
Gevraagd: Ie
Oplossing: Ie=Ic+Ib= 50+1= 51mA
We hadden dit ook kunnen oplossen met behulp van de volgende formule: Ie=Ib(Hfe+1)=1 keer (50+1) = 51mA

De basisstroom wordt bepaald door de spanning Ube; dit is de spanning die over de basis-emitterdiode staat. Nu is de collectorstroom een factor Hfe keer zo groot.

Samenvatting werking en effect van de Transistor

• Er zijn bipolaire en unipolaire transistors;
• Een bipolaire transistor heeft 3 aansluitingen: basis(b), collector(c) en emitter(e);
• De aansluitingen van een transistor heten basis(b), collector(c) en emitter(e);
• Bipolaire transistors kan men onderscheiden in PNP en NPN transistors;
• Een transistor kan worden beschouwd als een combinatie van twee PN-overgangen ;
• Bij een PNP transistor hebben de dioden in het vervangingsschema doorverbonden kathoden;
• Bij een NPN transistor hebben de dioden in het vervangingsschema doorverbonden anoden;
• De collector heeft een groter oppervlak dan de emitter. Daarom kunnen deze twee aansluitingen niet verwisseld worden;
• De collector van een PNP is altijd met de min(-) pool van de voeding verbonden. De PNP wordt negatief gestuurd op de basis;
• De collector van een NPN is altijd met de plus(+) pool van de voeding verbonden. De NPN wordt positief gestuurd op de basis.

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4, Hoofdstuk 2, Paragraaf 2.4&2.4 Blz 111 t/m 116