Bovenstaand schema vergelijkt de transistor als schakelelement met een relais als schakelelement.


De overeenkomsten zijn:

1        Een kleine stuurstroom (Ib) veroorzaakt een grote stroom in de vermogen kring (Ic).

2        De stroom wordt bepaald door de belasting in de vermogen kring. IC wordt bepaalt door RC volgens de wet van Ohm.

3        Wanneer de schakelaar open is, staat de volledige voedingsspanning over de schakelaar en vloeit er geen stroom door de
          vermogen kring.

4        Wanneer de schakelaar gesloten is, staat de volledige voedingsspanning over de belasting en vloeit er stroom door de
          verrmogen kring.

De verschillen zijn:

1        De transistor vormt geen galvanische scheiding tussen de stuurkring en de vermogen kring.

2        Over de transistor blijft een kleine verzadigingsspanning staan, waar die bij een relais verwaarloosbaar klein kan zijn.

3        De transistor kan praktisch oneindig veel schakelcycli voltooien terwijl dat bij elektromechanische schakelaars veelal beperkt
          blijft tot enkele 1000.000.

4        De transistor schakelsnelheid is miljoenen keren hoger dan die van een elektromagnetische schakelaar.

5        Het mechanisch relais schakelt minstens 1000 keer trager dan een transistor.

6        Het mechanisch relais vertoond effecten als schakeldender.

7        De transistor is uitermate schokbestendig.

8        De werking van de transistor als schakelaar wordt niet beďnvloed door permanent magnetische of laag frequente magnetische
          velden

9        De werking van het mechanisch relais wordt niet beďnvloed door hoogfrequente magnetische of elektrische velden.

10      De transistor weegt, afhankelijk van de behuizing, 1000 keer minder dan een relais met dezelfde schakelcapaciteit.

11      De transistor is, afhankelijk van de behuizing, 1000 keer kleiner dan het mechanisch relais.

12      De stuurstroom die de transistor opneemt is minstens 100x kleiner dan die van de spoel van een mechanisch relais voor
          gelijkblijvende belastingen.
Elektronische componenten
informatie
1       Bipolaire junctie transistor

De bipolaire junctie transistor wordt door vaklui dikwijls transistor of tor tor(etje) genoemd.
In deze tekst wordt "transistor" gebruikt wanneer een bipolaire junctie transistor bedoeld wordt.

1.2     Aansluitingen

De transistor heeft drie aansluitingen.

Basis
Emitter
Collector

1.3     NPN en PNP

Transistoren kunnen in twee groepen worden verdeeld.

NPN transistoren
PNP transistoren

Volgende tip is handig om ze te onderscheiden.
1.4      Behuizingen

Elektronische componenten worden in standaard behuizingen op de markt gebracht. Zo zijn ze compatible met alle gangbare CAD pakketten die voor het ontwerp gebruikt worden.

De pin-out is niet voor elke behuizing en type transistor dezelfde. De pinout moet opgezocht worden in het datablad (datasheet).
De principiële werking van een NPN of PNP transistor is dezelfde.
Toch is het belangrijk om ze te kunnen onderscheiden, want de polariteit van hun aansluitingen is verschillend.

De transistor bestaat uit drie opeenvolgende lagen halfgeleidermateriaal.

Bevindt het laagje P-materiaal zich tussen twee blokjes N-halfgeleider, dan spreekt men van een NPN-transistor. Wordt een blokje N-halfgeleider omringd door twee lagen P-halfgeleider, dan vormt het geheel een PNP-transistor.

Iedere transistor bestaat uit twee PN-overgangen of twee dioden.

Als de spanning over de basis emitter diode groter is dan de diode drempelspanning van ongeveer 0,7 V, dan geleidt de basis-emitter diode en vloeit er een basisstroom lb.

Hierdoor ontstaat er een grote collectorstroom lc door de gesperde collectorbasis diode die te wijten is aan:

1       De zeer dunne basis die wordt overspoeld door talrijke vrije ladingen, afkomstig van de emitter.
2       Het hoge elektrisch veld dat de collector de vrije ladingen een hoge kinetische energie geeft zodat ze doorheen
         de sperlaag van basis collector diode dringen.
1.5     Werking van een junctietransistor
1.6     De transistor versterkt stroom.

Als er geen stroom door de basis van de transistor naar de emitter vloeit, dan spert hij.

Vloeit er stroom door de basis, dan zal er ook een stroom door de collector vloeien.
De collectorstroom zal veel groter zijn dan de basisstroom, namelijk zoveel groter als de versterkingsfactor van de transistor.

De collectorstroom vloeit van collector naar emitter.
De basisstroom vloeit eveneens naar de emitter.


Een transistor op zich kan geen stromen of spanningen opwekken.
Wel kan een transistor stromen versterken.

Er is echter een maximum aan de grootte van de basisstroom Ib en de collectorstroom Ic.

Indien ervoor wordt gezorgd dat Ib varieert tussen maximum en minimum stroom, dan kent de schakeling twee toestanden:
die van geleiding en van niet-geleiding. Op die manier kan de schakeling als bouwelement van een digitaal systeem gebruikt worden.

Wordt de basisstroomverandering
?Ib beperkt tot een gebied waarin de transistor een lineaire verhouding tussen de basisstroom Ib en de collectorstroom Ic vertoont, dan kunnen stromen met willekeurige signaalvormen nauwkeurig versterkt worden.
Dit is wat er gebeurt in een audioversterker.

1.7     Toepassingen van bipolaire junctie transitoren
Voorbeeld van een PCB waarop transitoren gesoldeerd zijn.
Deze schakeling is een audio eindverster.
Voorbeeld van de schematische voorstelling van bovenstaande audio eindversterker.
Je herkent ongetwijfeld de transistoren.
De versterkingsfactor wordt aangeduid met  ß of hFE .

De collectorstroom is hFE keren groter dan de basisstroom.

De collectorstroom kan, indien de transistorschakeling slecht ontworpen is, gemakkelijk te groot worden.

Voordat er stroom door de basis van de transistor kan vloeien, moet het spanningsverschil tussen de basis en de emitter 0,6V
bedragen!

Vanaf het moment dat de spanning op de basis hoger wordt dan 0.6Volt, zal de basisstroom zeer snel toenemen.
Als we deze stroom niet beperken, wordt de transistor vernietigd.
Om de basisstroom te beperken schakelen we een weerstand in
serie met de basis.

De stroom die naar de basis vloeit moet niet noodzakelijk uit dezelfde
bron komen als degene die de collectorstroom levert.

De voorwaarde opdat de transistor zou geleiden is dat zowel
de basisspanning als collectorspanning een positieve polariteit moeten hebben ten opzichte van de emitter.




Ook de collectorstroom moet beperkt worden.
Dit gebeurt door de belasting in de collector op te nemen.
Universeel noemt men deze weerstand de collectorweerstand.

De collectorstroom vloeit via de emitter terug naar de bron.
Wanneer er een weerstand in de emitterleiding wordt opgenomen,
zal de collectorstroom eveneens begrensd worden.

Een weerstand in de emitterleiding beperkt de versterking en  de toepassing wordt in volgende hoofdstukken besproken.



Schema 1

In schema 1 is de  collector positief ten opzichte van de basis. Doordat de spanning op de basis 0V is en er dus geen basisstroom naar de emitter kan vloeien, is de transistor gesperd. Er vloeit geen collectorstroom, geen emitterstroom en geen basis stroom.

Schema 2

In schema 2 is de  collectorspanning positief t.o.v. de emitter. Doordat ook de spanning op de basis hoger is dan 0.6V terwijl de spanning op de basis positief is t.o.v. de emitter, vloeit er een basisstroom naar de emitter.
De basisstroom heeft collectorstroom tot gevolg.
Beiden, de basisstroom en de collectorstroom, vloeien terug naar de bron via de emitter.

Schema 3

De stroom van de collectorkring wordt door een andere bron geleverd dan de stroom door de basiskring. Doordat de emitter negatief moet zijn t.o.v. collector en basis, moeten de negatieve polen van de batterijen verbonden zijn.
In schema 3 is de  collectorspanning positief t.o.v. de emitter.
Doordat ook de spanning op de basis hoger is dan 0.6V, terwijl de spanning op de basis positief is t.o.v. de emitter, vloeit er een basisstroom naar de emitter.
De basisstroom heeft collectorstroom tot gevolg.
Beiden, de basisstroom en de collectorstroom, vloeien terug naar de bron via de emitter.
1.7     Testen van transistoren

Speciale testapparatuur

Deze professionele tester is een volledig automatisch toestel dat drie aansluithaakjes heeft, dewelke in gelijk welke volgorde aan gelijk welke onbekende component kunnen aangesloten worden. Het toestel bepaalt zelf wat soort component het is, geeft de aansluitingen en de karakteristieken, zoals stroomversterking het verschil tussen een darlington en gewone transistor, en is toepasbaar voor dioden, transistoren, darlington transistoren, thyristoren , leds, tweekleuren leds, mosfet's, junctie fet's , triac's, en diac’s.
Curvetracers zijn transistortesters die
nauwkeurig de relatie tussen basisstroom
en collectorstroom afbeelden.
Zij worden voornamelijk gebruikt om bij
hoogwaardige audioversterkers de
karakteristieken van de transistoren zo
nauwkeurig mogelijk te matchen.
Transistortest met een multimeter

Om de transistorwerking volledig te kunnen testen met een multimeter, zijn zes metingen nodig. Elektrische eigenschappen kunnen hier niet uit afgeleid worden.

Zet de multimeter in de stand “diode test.”

Sluit de plus pool, rode draad van de multimeter, aan op de basis van de transistor.

Over basis en emitter en over basis en collector staat de PN overgang spanning.
Bij een goed werkende siliciumjunctie transistor is dit tussen 0.5V en 0.8V.

Met een omgekeerde aansluiting moet de aanduiding nu OL of de voedingsspanning van de meter aanduiden omdat de PN overgang nu in de sperrichting geschakeld is.

Tussen collector en emitter mag je nooit spanning meten. Hier staan namelijk steeds twee dioden omgekeerd in serie geschakeld, waardoor er steeds één gesperd is.

Wordt de + meterklem aangesloten op de basis en de - meterklem op de emitter van de te testen transistor, dan is de transistor van het NPN type wanneer de meter een normale PN drempelspanning tussen 0.5V en 0.8V aangeeft. Anders is hij van het PNP type.

1.8     Transistor schakelingen

1.8.1  GES - gemeenschappelijke emitterschakeling

In de gemeenschappelijke emitterschakeling is de emitter de gemeenschappelijk pool voor de basisspanning en voor de collectorspanning.

Het verschijnsel dat IC veel groter is dan Ib, noemt men het transistoreffect en wordt  weergegeven door de uitdrukking
Hierin is hFE de gelijkstroomversterkingsfactor van de transistor.
Het is een vermenigvuldigingsfactor en daarom een onbenoemd getal.
Praktische waarden voor hFE zijn begrepen tussen 50 en 1000.

Ten gevolge van de collectorstroom ontstaat over de collectorweerstand RC een spanningsval.
Over de transistor valt de rest van de spanning.
1.8.2  De transistor als schakelaar

Een belangrijke toepassing van de GES schakeling is het gebruik ervan om de transistor als elektronische schakelaar in te zetten.

Transistoren als schakelaar van grote of kleine stromen in verbruikers, vinden toepassingen in PLC’s, vermogen sturingen, aan/uit schakelaars en ondenkbaar veel variaties op deze thema’s.

Eigenschappen van een transistor als schakelaar
GBS eigenschappen

De GBS bezit ongeveer dezelfde spanningsversterking als de GES, maar haar vermogensversterking is lager.

De GBS bezit een lage ingangscapaciteit en is daardoor geschikt voor het versterken van signalen met hoge frequenties.

Vooral als de inwendige weerstand van de signaalbron laag is, is de GBS de geschikte schakeling. Ook hier zijn de ingangs- en uitgangsspanning in fase.

1.8.3  Berekening van een transistor schakelaar

Gegeven

Een lamp met een equivalente weerstand van 200
?, vormt de belasting die moet aan en uitgeschakeld worden.
S1 zal de stroom in de stuurkring schakelen.
Rb1 voorkomt dan geďnduceerde stromen de transistor in geleiding brengen wanneer S1 open staat en de basis van de transistor hoog impedant zou worden. ( hoog impedant = Een hoge wisselstroom weerstand vertonen)

De transistor gegevens zijn eigenschappen van het gebruikte transistor type!

Transistor
Type BC337
VCEmax 50V
ICmax 1000mA
IBmax 100mA
Ptot 625mW
hFE 300
VCEsat 0,7V(max)

Opmerkingen

Omdat de hFE van transistoren niet zo nauwkeurig bepaald is en bovendien afhankelijk van parameters als Ic en de temperatuur, is het niet verstandig de berekende waarde van Rb zonder meer toe te passen.

Wanneer Ib ook maar iets te klein is, wordt de spanningsval over collectoremitter van de transistor groter dan de verzadigingsspanning met een excessieve verhoging van het door de transistor gedissipeerde vermogen.

Halvering van de berekende waarde van Rb zal de kleine stroom Ib weliswaar laten toenemen, maar het ermee gepaard gaande vermogen verlies blijft verwaarloosbaar en de transistor gegarandeerd in verzadiging gestuurd worden.

RB1 moet ervoor zorgen dat de spanning over de basisemitter overgang 0V blijft wanneer de schakelaar geopend is. Deze weerstand mag groot zijn in verhouding tot de basisweerstand die hoofdzakelijk de basisstroom bepaald.
Als vuistregel kun je in de meeste gevallen Rb1 = 10 X Rb toepassen.
Door deze praktische ontwerpregel toe te passen is het niet nodig Rb1 in de berekening van de  basisweerstand op te nemen.
1.9 Wisselstroom versterker met gelijkspanningsvoeding

Omdat door een transistor geen wisselstroom kan lopen, moet de te versterken wisselstroom gesuperponeerd worden op een geschikte gelijkstroom.

Op die manier wordt een signaal versterkt dat bestaat uit een gelijkspanning met de originele eigenschappen van het wisselstroom signaal.

Door een gelijkstroom wordt IC zo ingesteld dan UCE = ˝ VCC.

Door met een condensator het wisselstroomsignaal in te koppelen, wordt de gelijkstroominstelling niet beďnvloed en wordt het signaal bij de instelstroom opgeteld of er van af getrokken.


1.9.1 De transistor als wisselstroomversterker

Werking van de schakeling

C1               Koppelcondensator
                   Door het wisselstroomsignaal met een condensator in te koppelen, wordt de gelijkspanningsinstelling van de
                   versterkertrap niet beďnvloed.

Rb               Basisweerstand
                   Weerstand die de gelijkstroom instelling bepaald.
                   Rb is zo berekend dat de basisstroom een spanning over de transistor (Vce)
                   veroorzaakt die gelijk is aan de helft van de voedingsspanning.

Rc               Collectorweerstand
                   Collectorweerstand die de collector stroom bepaalt.

C2               Koppelcondensator
                   Door het versterkte wisselstroomsignaal met een condensator uit te koppelen, wordt de gelijkspanningsinstelling van de
                   versterkertrap niet beďnvloed.

T1               Transistor
                   Actief element dat voor de versterking van het signaal instaat.
Berekening van de wisselstroom versterker.

Gegeven

Het signaal van een functiegenerator moet versterkt worden.
VS1 is wisselstroom bron van de functiegenerator met een impedantie van 600
?.
Het signaal is een sinusvormig signaal met een amplitude van 10mV en bandbreedte van 10KHz, waarbij de laagste frequentie 1KHz en de hoogste frequentie 11KHz bedraagt.

Transistor
Type BC547 NPN general purpose small signal transistor
VCEmax 45V
ICmax 100mA
IBmax 20mA
Ptot 500mW
hFE 500 bij Ic = 10mA

Vcc 12VDC

Praktisch schema
Om de schakeling temperatuur onafhankelijk te maken, wordt de stabilisatieweerstand Re opgenomen.
Opdat de gelijkstromen Ib en Ic uitsluitend naar de transistor vloeien en niet beďnvloed worden door respectievelijk de bron Ui en de belasting RL, worden de condensatoren C2 en C3 toegevoegd.

Hierdoor bereikt men twee effecten

1        Eens de condensator geladen, vormt hij een oneindige weerstand voor gelijkstroom.

2        Voor signaalstromen vormen beide condensatoren een te verwaarlozen weerstand wanneer hun impedantie laag genoeg
          gekozen wordt.


Voor Ib vormt C1 een oneindige weerstand, zodat VS1 geen invloed heeft op de grootte van de instelgelijkstroom Ib. Voor de gelijkstroom Ic vormt C2 een oneindige weerstand, zodat men RL buiten beschouwing mag laten.
Daarom worden C1 en C2 koppelcondensatoren genoemd.

De stabilisatieweerstand Re is slechts nodig op gelijkstroomgebied of DC-gebied om
stroomvariaties ten gevolge van de temperatuursveranderingen tegen te werken.
Op wisselspanningsgebied moet de schakeling een GES-schakeling vormen.
Daarom wordt over Re een condensator C3 geplaatst die op signaalgebied of AC-gebied Re kortsluit.


1.10   Junctie transistor basisschakelingen

GES eigenschappen

De GES schakeling heeft een hoge spannings- en stroomversterking.
Daarom wordt de GES het meest toegepast om een hoge versterking van wisselspanningen te verkrijgen. Zo worden de zwakke signalen van bv. microfoons versterkt tot grote spanningen.

In de GES ondergaat het uitgangssignaal een fasedraaiing van 180°.


GCS - Emittervolger schakeling

GCS transistor instelling
In deze schakeling ligt de collector op signaalgebied via de voedingsbron Uv aan de massa. Hierdoor is de collector het gemeenschappelijke punt voor de ingangs- en uitgangsketen zodat deze schakeling ook Gemeenschappelijke - collector schakeling genoemd wordt of afgekort GCS. De condensatoren C1 en C2 vormen voor het signaal een kortsluiting.

De dimensionering van de componenten geschiedt op dezelfde wijze als bij de GES.
De keuze van de nodige collectorgelijkstroom is bijvoorbeeld Ic = 2 mA.
Neem verder aan dat hFE = 200 en UV1 = 12 V.

We kiezen Uce = de helft van de voedingsspanning = 6V

Hieruit volgt
URe ˝ . UV1 = 6V

Re = URe / Ic = 6V / 2mA = 3KO.

Ub = URe + 0,7 V = 6,7 V.

De basis gelijkstroom Ib = Ic / hFE = 2mA / 200 = 0,01mA

De basis instelweerstand Rb = (UV1 – Ub) / Ib
Rb = (12V – 6.7V) / 0.01mA = 530KO

GCS eigenschappen

De GCS schakeling heeft een grote stroomversterking.

De combinatie van een GES gevolgd door een GCS levert grote uitgangsvermogens op, nodig voor het sturen van actuatoren zoals luidsprekers.

Het uitgangssignaal is bijna even groot als het ingangssignaal en is in fase met het ingangssignaal.

Omdat het uitgangssignaal van de emitter wordt afgenomen en een getrouwe kopie is van het ingangssignaal, noemt men deze schakeling ook emittervolger.
Omwille van de zeer grote ingangsweerstand en de zeer kleine uitgangsweerstand is de emittervolger een ideale scheidingstrap of buffer.

Bezit een signaalbron een hoge inwendige weerstand en een lage belastingsweerstand, dan plaatst men tussen bron en belasting een GCS als scheidingstrap. Daarom wordt de GCS ook aangetroffen in eind- of vermogenstrappen met lage belastingsweerstanden.

GBS - gemeenschappelijk basisschakeling
Menu