Transistor erklärt - Wie Transistoren funktionieren
Ingenieursmentalität
https://www.youtube.com/watch?v=XvQW-U6Qse0

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 das ist ein transistor eines der wichtigsten geräte die jemals erfunden wurden deshalb sehen wir uns in diesem video im
0:08 detail land wie sie funktionieren transistoren gibt es in vielen formen und größen allerdings gibt es zwei
0:18 haupttypen bipolar und fällt effekt in diesem video werden wir uns hauptsächlich bipolar transistor in ansehen
0:25 transistoren sind kleine elektronische bauteile mit zwei hauptfunktionen sie können als schalter fungieren und schaltungen steuern aber auch signale
0:34 verstärken kleine transistoren mit geringer leistung sind in einem hartz gehäuse eingeschlossen um die internen teile zu
0:42 schützen transistoren mit höherer leistung haben jedoch teilweise ein metallgehäuse um die entstehende wärme abzuleiten da sie
0:48 die bauteile mit der zeit beschädigt transistoren mit metallgehäuse sind normalerweise auch mit einem kühlkörper
0:56 verbunden der zusätzlich dafür sorgt dass die unerwünschte wärme abgeführt wird in diesem netzteil haben wir zb muss für
1:02 transistoren die an großen kühlkörpern hängen ohne den körper erreicht schnell 45 grad bei einem strom von nur
1:14 1,2 mp und wenn der strom steigt werden sie noch viel heißer
1:24 elektronische schaltungen mit wenig strom können wir einfach harz körper transistoren verwenden die keinen kühlkörper benötigen
1:32 auf dem körper des transistors steht eine nummer mit der wir das datenblatt des herstellers finden können
1:39 jeder transistor ist für eine bestimmte spannung und stromstärke ausgelegt daher ist es wichtig diese daten zu prüfen
1:48 das tor haben wir drei bands mit der bezeichnung a b und c die stehen für den mieter die basis und den kollektor
1:56 bei hartz körper transistoren mit dieser flachen kannte ist normalerweise der linke der mieter die miete die basis und rechts der collector allerdings sind
2:04 nicht alle transistoren zu aufgebaut so dass man immer das datenblatt des herstellers überprüfen sollte
2:12 wenn wir eine glühbirne an einer batterie anschließen wissen wir dass die leuchtet wir können auch einen schalter in den
2:19 stromkreis einbauen und das licht durch eine unterbrechung der stromzufuhr steuern aber das erfordert einen menschen der
2:25 den schalter manuell bedient wie also können wir das automatisieren dazu verwenden wir einen transistor dieser transistor blockiert den
2:33 stromfluss also ist das licht aus wenn wir jedoch eine kleine spannung an den basis pin in der mitte anlegen lässt der transistor einen stromfluss im
2:42 hauptstrom kreis zu so dass das licht eingeschaltet wird dann noch einen schalter auf den steuer belegen können wir ihnen auch aus der
2:50 ferne bedienen oder einen sensor nutzen um die steuerung zu automatisieren typischerweise müssen mindestens 0,6 bis 0,7 volt an basisplan liegen damit der
3:01 transistor sich einschaltet diese einfache transistor schaltung hat zum beispiel eine rote led mit einer stromversorgung von 9 volt über den
3:07 hauptstrom kreis der basis pin ist mit dem netzteil der schaltplan sieht so aus wenn die versorgungsspannung am basis
3:18 bei 0,5 volt beträgt ist der transistor ausgeschaltet also ist auch die led aus 6 volt ist der transistor eingeschaltet
3:27 aber nicht voll also leuchtet die led nur dunkel weil der transistor noch nicht den vollen strom durch den hauptpreis fließen lässt
3:34 bei 0,7 volt ist die led dann heller weil der transistor fast den vollen strom durch lässt während die led bei 0,8 wollte die volle helligkeit hat und
3:42 der transistor voll geöffnet ist darum verwenden kleine spannung und wenig strom um eine
3:49 größere spannung und einen größeren strom zu steuern wir haben gesehen dass eine kleine änderung der spannung am basis pin
3:57 bereits eine große erinnerung im hauptstrom kreis bewirkt wer also ein signal an den basis verlegen wirkt der transistor wie ein
4:04 verstärker dann könnten wir zum beispiel ein mikrofon anschließen dass das
4:10 spannungssignale basis pin variiert wodurch ein lautsprecher in der hauptschalter verstärkt wird um einen sehr einfachen verstärker zu bilden
4:17 im basisfinnen gibt es gewöhnlich nur sehr wenig strom vielleicht ein milliampere oder noch weniger der kollektor hat dagegen viel mehr
4:25 strom etwa 100 milliarden das verhältnis zwischen den beiden nennt man strom verstärkung und hat das symbol
4:32 wetter das verhältnis finden wir im datenblatt des herstellers in diesem beispiel beträgt der collector
4:39 strom 100 meter und der basis strom einen milliampere also ist das verhältnis 100 geteilt durch 1 was 100 ergibt
4:49 die formel können wir auch umstellen um den strom zu finden von bipolar transistor in gibt es zwei haupttypen
4:59 mtn und pnp beide sehen fast identisch aus so dass wir auch hier die nummer überprüfen müssen um festzustellen um welchen es
5:06 sich handelt bei einem mpn transistor haben wir einen haupt stromkreis und einen steuer stromkreis beide sind mit dem pluspol der batterie
5:14 verbunden der hauptstrom crisis ausgeschaltet bis wir den schalter am steuer kreis drücken hier sehen wir das stroh durch beide
5:22 drehte zum transistor fließt selbst wenn wir den hauptstrom kreis wegnehmen leuchtet die steuer stromkreis led immer noch wenn der schalter
5:28 gedrückt wird da der strom durch den transistor zur batterie zurückkehrt in diesem vereinfachten beispiel fließend man mit tätigen des schalters 5
5:36 media in den basispass die kollekte ob hinfließen 20 milliampere und aus dem ermittler
5:42 fließen 25 milliarden der strom vereinigt sich also im transistor
5:50 auch bei einem pnp transistor haben wir wieder in den haupt und einen steuer stromkreis aber jetzt ist der ermittler mit dem
5:57 pluspol der batterie verbunden der hauptstrom crisis ausgeschaltet bis wir den schalter am steuer stromkreis
6:03 drücken hier können wir sehen dass etwas strom aus dem basis pin fließt und zur batterie zurückkehrt
6:11 der rest des stroms fließt durch den transistor und durch die haupt led zurück zur batterie
6:17 aber auch wenn wir den hauptstrom kreis wegnehmen schaltet sich die steuer stromkreis led immer noch ein in diesem beispiel fließen beim
6:24 betätigen des schalters 25 millimeter 20 millimeter aus dem kollektor und fünf milliardär basis der strom teilt sich also im transistor
6:35 stellen wir das einmal nebeneinander damit wir direkt vergleichen können transistoren werden auf elektrischen zeichnungen mit solchen symbolen
6:43 dargestellt der pfeil befindet sich auf der ermittler leitung er zeigt in die richtung des konventionellen stroms
6:50 damit wir wissen wie wir sie in unserer schaltungen einbinden müssen verstehen wie ein transistor funktioniert solltet ihr euch zunächst
7:00 wasser vorstellen dass durch ein rohr fließt das licht so lange frei durch das rohr bis wir es mit einer scheibe blockieren
7:09 wenn nun ein kleineres rom mit dem hauptraum verbinden und eine flügeltür darin anbringen können wir die scheibe mit hilfe einer rolle bewegen je weiter
7:16 die klappe geöffnet wird desto mehr wasser kann in das haupttor fließen da das flügel tor ein wenig schwer ist reicht eine kleine wassermengen nicht
7:23 aus um es zu öffnen daher ist eine bestimmte wassermenge erforderlich um das tor auch zu kriegen je mehr wasser im kleinen hof lief desto
7:33 weiter öffnet sich das ventil und lässt immer mehr wasser in das haupttor fließen
7:38 so funktioniert im grunde ein mpn transistor vielleicht bereits wisst nutzen wir bei der darstellung von elektrischen
7:45 schaltungen immer konventionellen strom in dieser mpn transistor schaltung gehen wir also davon aus dass der positive strom von den batterien alien kollekte
7:53 und den basis pin fließt und dann aus dem emittenten wir verwenden immer diese richtung für unsere schaltungen
8:00 aber das passiert eigentlich gar nicht in wirklichkeit fließen die elektronen vom negativen zum positiven pohl einer batterie
8:10 das wurde von james thompson bewiesen der einige experimente durchführte um das elektron zu entdecken und auch zu beweisen dass sie in die
8:16 entgegengesetzte richtung fließen in wirklichkeit fließen also elektronen von negativ in der mitte und dann aus dem kollektor und den basisplan wieder
8:25 heraus das nennen wir eine elektronen fluss ich werde sie direkt nebeneinander auf
8:32 führen damit ihr den unterschied zwischen den beiden theorien sehen könnt denkt daran dass schaltungen immer mit der konventionellen strom methode
8:38 dargestellt werden aber wissenschaftler und ingenieure wissen wie der elektronen fluss tatsächlich verläuft
8:45 übrigens haben in einem unserer anderen videos auch die funktionsweise einer batterie durchgenommen schaut doch mal rein die links findet
8:51 ihr in der infobox okay wir wissen also dass elektrizität der fluss von elektronen durch einen
8:59 draht ist der kupferdraht ist der leiter und das gummi ist der isolator elektronen können leicht durch kupfer fließen aber nicht durch das isolierte
9:08 gummi wenn wir uns das grundmodell eines atoms für einen metallischen leiter ansehen gibt es im zentrum den kern der von mehreren orbital schatten umgeben
9:15 ist der die elektronen enthält jede schale nimmt eine maximale anzahl von elektronen auf und ein elektron muss
9:25 eine bestimmte mengen energie haben ohne jede scham aufgenommen zu werden die elektronen die am weitesten vom kern entfernt sind haben die meiste energie
9:35 die äußerste schale nennt man valencia reiter hat immer zwischen ein und zwei elektronen in seiner valencia die elektronen werden zwar vom kern
9:45 festgehalten aber es gibt auch noch das sogenannte leitungs band wenn ein elektron dieses band erreicht kann es sich aus dem atom lösen und zu
9:54 anderen atomen wandern atom wie kupfer überlappen sich die balance schale und das leitungs band
10:03 so dass es für die elektronen sehr einfach ist sich zu bewegen bei einem isolator ist die äußerste schale sehr voll
10:09 es gibt nur sehr wenig oder gar keinen platz für ein weiteres elektron außerdem hat der kern die elektronen fest im griff und das leitungs band ist
10:17 so weit entfernt dass die elektronen es nicht erreichen können um zu entkommen daher kann der strom nicht durch dieses material fließen
10:26 jedoch ein material das halbleiter bezeichnet wird silizium ist ein beispiel dafür bei diesem material befindet sich ein
10:34 elektron zu viele der valencianer um eine leiter zu sein so dass es wie ein isolator wird da das leitungs bank jedoch recht nah ist gewinnen einige
10:41 elektronen genug energie und den sprung ins leitungsteam zu schaffen und frei zu werden wenn wir ihnen etwas energie von außen zu führen
10:47 daher kann dieses material sowohl als isolator als auch aus leiter fungieren reines silizium hat so gut wie keine freien elektronen so dass es von
10:57 ingenieuren mit einer kleinen menge eines anderen materials gedopt wird macht die elektrischen eigenschaften verändert
11:03 das wird petit und entry portierung genannt diese materialien werden kombiniert um einen pn übergang zu bilden
11:10 wie können sie auch ineinander schichten um einen npn oder pnp transistor zu bilden im inneren des transistors gibt es eine
11:18 kollekte pin und einem mieter finden dazwischen befindet sich 1 np ein transistor mit zwei schichten and material und einer schicht p material
11:28 basis ist der typ schicht verbunden bei einem transistor ist es genau umgekehrt und das ganze ist im harz eingeschlossen um die inneren materialien zu schützen
11:37 nehmen wir einmal an dass das silizium nachricht dotiert wurde so dass es im inneren nur reines silizium ist jedes silizium atom ist von vier anderen
11:46 silizium atome umgeben und jedes atom möchte acht elektronen in seiner valencia haben aber die silizium atome haben nur vier
11:54 elektronen in valencia also teilen sie sich heimlich ein elektron mit ihrem nachbar atom um die gewünschte nacht zu erhalten
12:03 das nennt man eine kuh valente bindung wenn wir dann ein n typ material wie phosphor hinzufügen wird dass die position von einigen der silizium atome
12:11 einnehmen die phosphor atome haben fünf elektronen in ihrer wahl in szene aber dass sich die silizium atome
12:19 elektronen teilen um auf ihre gewünschten acht zu kommen brauchen sie dieses zusätzliche elektronen nicht was bedeutet dass sich jetzt zusätzliche
12:26 elektronen im material befinden die sich frei bewegen können bei einer portierung fügen wir ein material wie aluminium hinzu
12:37 atom hat nur drei elektronen in seiner wahl ins all daher kann es einen vier nachbarn kein elektronischen teilen zur verfügung
12:44 stellen so dass eines von ihnen leer ausgehen muss das bedeutet dass ein loch entsteht in dem ein elektron sitzen kann
12:54 wir haben uns zwei dotierte silizium stücke eines mit zu vielen und eines mit zu wenig elektronen die beiden materialien verbinden sich zu
13:03 einem pn übergang an diesem übergang entsteht eine sogenannte verarmung zone in diesem bereich wandern ein paar der
13:10 überschüssigen elektronen von der einen seite hinüber und besetzen das loch auf der b seite
13:17 diese wanderung bildet eine barriere mit einer ansammlung von elektronen und löchern auf gegenüberliegenden seiten die elektronen sind negativ geladen und
13:26 die löcher werden daher ist positiv geladen angesehen durch diese anhäufung entsteht also ein leicht negativ geladener bereich und ein
13:33 leicht positiv geladener bereich das erzeugte ein elektrisches feld und verhindert dass weitere elektronen hinüber wandern
13:42 die potenzial differenz über diesen bereich beträgt typischerweise etwa 0,7 wollt wenn meine spannungsquelle über die beiden enten anschließen wobei der
13:51 pluspol mit dem typ material verbunden ist wird dadurch eine vorwärts spannung erzeugt und die elektronen beginnen zufließen
14:00 die spannungsquelle muss jedoch größer sein als die 0,7 volt barriere denn sonst schaffen die elektronen den sprung nicht wenn wir die
14:06 stromversorgung umkehren so dass der pluspol mit dem n typ material verbunden ist werden die in der barriere gehaltenen elektronen in richtung des
14:13 plus und die löcher in richtung des minus gezogen dadurch wird eine sperr vorspannung verursacht
14:18 in einem npn transistor haben wir zwei schichten des n typ batterie heißt so dass wir zwei übergänge und somit zwei barrieren haben
14:26 daher kann normalerweise kein strom durch ihn fließen das entschied material vom mieter ist stark notiert so dass es hier viele überschüssige elektronen gibt
14:36 die basis vom typ ist dagegen leicht rotiert also gibt es hier ein paar löcher und der kollektor mit antrieb ist mäßig sortiert so dass es auch hier ein
14:43 paar überschüssige elektronen liebt wenn man eine batterie über die basis und den er mitte anschließen wobei der pluspol mit der pc schicht verbunden ist wird
14:51 eine vorwärts spannung erzeugt die vorwärts spannung bewirkt dass die barriere zusammenbricht so lange die spannung mindestens 0,7 volt beträgt
14:59 die barriere wird also kleiner und die elektronen eilen hinüber um den raum im p material zu füllen einige dieser elektronen besetzen ein
15:06 loch und werden in richtung des positiven poster batterie gezogen die schicht ist dünn und wurde absichtlich leicht dotiert so dass die
15:14 wahrscheinlichkeit dass elektronen in ein loch fallen nur gering ist der rest kann sich frei material bewegen daher wird nur ein kleiner strom aus dem
15:23 basis bin fließen so dass ein überschuss in elektronen nur im material verbleibt wenn wir dann eine andere batterie zwischen dem er mitte und dem kollektor
15:31 anschließen wobei der pluspol mit dem kollektor verbunden ist werden die negativ geladenen elektronen im kollektor zum positiven anschluss
15:37 gezogen was eine sperre vor spannung verursacht wie ihr euch erinnert werden die elektronen und löcher der barriere in
15:45 der sperr vorspannung zurückgezogen youtube seite der barriere werden also zu einem typ seite gezogen und die
15:54 löcher auf der webseite werden zurück zum typ gezogen da es bereits einen überschuss ein elektronischer chip material gibt werden
16:02 sie sich bewegen und diese löcher zu besetzen und manche werden hinüber gezogen weil die spannung der batterie größer ist
16:09 also ist die anziehungskraft viel höher da diese elektronen hinüber gezogen werden fließen sie in die batterie soll das ein strom über den übergang entsteht
16:21 eine höhere spannung am basis bin öfter den transistor vollständig was bedeutet dass mehr strom fließt und mehr elektronen indizes schließen
16:30 somit werden mehr elektronen über die sperr vorspannung gezogen denn auch das im vergleich mit der collector seite mehr elektronen auf die
16:38 interseite des transistors fließen okay das war's für dieses video aber um mehr über die elektrotechnik zu lernen könnt ihr jetzt auf eines der videos auf
16:47 dem bildschirm klicken wir sehen uns dann dort für die nächste lektion und vergesst uns nicht auf facebook twitter instagram linkedin und natürlich beijing
16:55 meinte dot com zu folgen