Die folgende Animation veranschaulicht das Kennlinienfeld eines Bipolartransistors (BJT) in einer Emitterschaltung. Eingangs-, Ausgangs-, Übertragungs- und Stromsteuerkennlinie werden im Vierquadranten-Kennlinienfeld gemeinsam dargestellt und interaktiv verknüpft.
Links
Beschreibung der Animation
Die Animation zeigt links eine einfache Transistorschaltung (Emitterschaltung) mit einem Arbeitswiderstand RA im Kollektorzweig und der Betriebsspannung Uges. Rechts daneben ist das vollständige Vierquadranten-Kennlinienfeld dargestellt, in dem die vier charakteristischen Kennlinien des Transistors gemeinsam abgebildet sind.
Schaltung und Kennlinienfeld sind interaktiv miteinander verknüpft: Änderungen von Betriebsspannung, Basis-Emitter-Spannung oder Arbeitswiderstand wirken sich unmittelbar auf den Arbeitspunkt, die Spannungsaufteilung in der Schaltung und den Stromfluss aus.
Die vier Kennlinien
- Ausgangskennlinienfeld (Quadrant I): Kollektorstrom IC in Abhängigkeit von UCE für verschiedene Basisströme IB (rote Hypo-Kurven, 20–100 μA)
- Stromsteuerkennlinie (Quadrant II): Zusammenhang zwischen Basisstrom IB und Kollektorstrom IC
- Eingangskennlinie (Quadrant III): Basisstrom IB in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung UBE
- Übertragungskennlinie (Quadrant IV): Kollektorstrom IC in Abhängigkeit von UBE
Die rote Arbeitsgerade im Ausgangskennlinienfeld wird durch Betriebsspannung Uges und Arbeitswiderstand RA bestimmt. Ihr Schnittpunkt mit der aktuellen IB-Kurve legt den Arbeitspunkt des Transistors fest.
Grundlegende Zusammenhänge
Im aktiven Bereich ist der Kollektorstrom näherungsweise proportional zum Basisstrom:
\[ I_C = \beta \cdot I_B \]
Mit dem Stromverstärkungsfaktor \( \beta \) (auch hFE, typisch 50–500). Für die Ströme gilt die Knotenregel:
\[ I_E = I_C + I_B \]
Die Arbeitsgerade beschreibt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung in der äußeren Beschaltung:
\[ I_C = \frac{U_{ges} – U_{CE}}{R_A} \]
Interaktive Steuerung
Über die Bedienelemente lassen sich folgende Größen einstellen:
- Uges (0–10 V): Betriebsspannung der Schaltung – verschiebt den Endpunkt der Arbeitsgeraden auf der UCE-Achse
- UBE (0–0,8 V): Basis-Emitter-Spannung – bestimmt über die Eingangskennlinie den Basisstrom und damit den Arbeitspunkt
- RA (0–2000 Ω): Arbeitswiderstand im Kollektorzweig – verändert die Steigung der Arbeitsgeraden
Über Checkboxen können zusätzliche Größen ein- und ausgeblendet werden: die Teilspannungen am Arbeitswiderstand (URA) und am Transistor (UTra) sowie der Gesamtstrom (Iges) und der Basisstrom (IB).
Physikalischer Hintergrund
Das Kennlinienfeld fasst die elektrischen Eigenschaften des Transistors in einer einzigen Darstellung zusammen und macht die Kopplung der vier charakteristischen Kurven sichtbar. Ein kleiner Basisstrom steuert einen wesentlich größeren Kollektorstrom – darauf beruht die Verstärkerwirkung des Transistors.
Je nach Lage des Arbeitspunktes arbeitet der Transistor in unterschiedlichen Bereichen:
- Sperrbereich: Kein nennenswerter Stromfluss – der Transistor ist ausgeschaltet.
- Aktiver Bereich (Linearbereich): Der Kollektorstrom ist näherungsweise proportional zum Basisstrom – entscheidend für Verstärkerschaltungen.
- Sättigungsbereich: Der Kollektorstrom ist durch die äußere Beschaltung begrenzt – wichtig für Schaltanwendungen.
Der Übergang zwischen diesen Bereichen ist in der Animation direkt sichtbar: Wird UBE schrittweise erhöht, wandert der Arbeitspunkt entlang der Arbeitsgeraden vom Sperr- über den aktiven bis in den Sättigungsbereich, während sich gleichzeitig die Spannungsaufteilung zwischen Arbeitswiderstand und Transistor verändert.
Praktische Anwendungen
- Verstärkerschaltungen: Dimensionierung des Arbeitspunktes für lineare Signalverstärkung
- Schaltanwendungen: Nutzung des Transistors als elektronischer Schalter zwischen Sperr- und Sättigungsbereich
- Schaltungsentwurf: Grafische Bestimmung von Strömen, Spannungen und Widerständen aus dem Kennlinienfeld
- Lehre: Anschauliche Vermittlung des Zusammenspiels der vier Transistor-Kennlinien
Verwandte Animationen
HD-Animationen
Web-Animationen
Überblick
| Titel | Transistor-Kennlinienfeld |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | MIT |