NPN- vs. PNP-Transistor: Was ist der Unterschied zwischen ihnen?

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Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil mit drei Anschlüssen, mit dem der Stromfluss gesteuert werden kann. Es war das erste elektronische Bauteil, das einen elektrischen Strom schalten oder verstärken konnte. Obwohl es andere Arten von Transistoren gibt, werden Bipolartransistoren immer noch häufig in digitalen Schaltkreisen eingesetzt, da sie eine unkomplizierte Technologie darstellen, mit der anspruchsvolle elektronische Schaltkreise gebaut werden können. Eine der größten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts war der Transistor. Von Computern und Mobiltelefonen bis hin zu Autos und Flugzeugen findet man sie in fast jedem elektrischen Gerät. Um die komplexen elektronischen Schaltkreise zu schaffen, die unsere moderne Welt antreiben, sind Transistoren erforderlich – winzige Schalter, die den Stromfluss regulieren.

Welche zwei grundlegenden Transistortypen gibt es?

Bipolartransistoren (BJTs) Basis, Emitter und Kollektor sind die drei Halbleiterschichten, aus denen ein BJT besteht. Elektronen werden vom Emitter emittiert, in ihrer Bewegung zwischen Emitter und Kollektor von der Basis gesteuert und dann vom Kollektor gesammelt. Um die Bewegung eines größeren Stroms vom Emitter zum Kollektor zu steuern, verwenden BJTs einen winzigen Basisstrom. Hier findet eine Stromverstärkung statt. BJTs sind ein gängiges Bauteil in vielen verschiedenen Arten von elektronischen Geräten, wie Computern, Smartphones und Fernsehern.

NPN-Bipolartransistor

PNP-Bipolartransistor

Feldeffekttransistoren (FETs) Source, Gate und Drain sind die drei Halbleiterschichten, die sich in FETs befinden. Das Gate reguliert den Stromfluss zwischen Quelle und Abfluss, den beiden Anschlüssen, durch die der Strom fließt. Das elektrische Feld am Gate eines FET wird verwendet, um den Stromfluss zwischen Quelle und Abfluss zu regulieren. Der Begriff dafür lautet Feldeffektsteuerung. Elektronische Geräte wie Computer, Mobiltelefone und digitale Schaltkreise verwenden alle FETs. Der optimale Transistortyp für eine bestimmte Anwendung hängt von den Anforderungen dieser Anwendung ab. FETs eignen sich normalerweise besser zum Schalten von Signalen als BJTs zur Signalverstärkung.

Wer hat den Transistor erfunden?

John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley von Bell Labs entwickelten 1947 den Transistor. Ihre Innovation revolutionierte die Elektronikbranche und ebnete den Weg für die Entwicklung moderner Computer und anderer elektronischer Geräte.

Was macht ein Transistor?

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das elektronische Signale schalten oder verstärken kann. Er besteht aus einem Kollektor, einer Basis und einem Emitter, drei dotierten Halbleiterschichten. Eine geringe Spannung an der Basis eines Transistors ermöglicht einen deutlich höheren Stromfluss vom Kollektor zum Emitter. Transistoren sind aufgrund ihrer Verstärkungswirkung in elektrischen Schaltkreisen äußerst nützlich.

Wie funktioniert ein Transistor?

Ein kleiner Strom an der Basis eines Transistors steuert die Strommenge, die zwischen Emitter und Kollektor fließt. Der Transistor ist ausgeschaltet, wenn kein Strom an der Basis anliegt und kein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt. Der Transistor ist eingeschaltet und Strom kann vom Emitter zum Kollektor fließen, wenn ein geringer Strom an die Basis angelegt wird. Daraus folgt, dass die Strommenge, die von der Basis zum Emitter fließt, proportional zu der Menge ist, die vom Kollektor zum Emitter fließt. Infolgedessen kann ein geringer Basisstrom einen viel größeren Kollektorstrom regeln. Aus diesem Grund sind Transistoren zur Signalverstärkung äußerst hilfreich. Mit Transistoren können auch Schalter hergestellt werden. Wenn der Basisstrom abgeschaltet wird, fließt kein Strom vom Emitter zum Kollektor, wodurch auch der Transistor ausgeschaltet wird. Strom fließt vom Emitter zum Kollektor, wenn der Transistor durch den Basisstrom aktiviert wird. Da sie die Binärzahlen 0 und 1 darstellen können, eignen sich Transistoren perfekt für den Einsatz in digitalen Schaltkreisen.

Wie testet man einen Transistor?

Identifizieren Sie die Transistor-Pins: Die Emitter-, Basis- und Kollektor-Pins eines Transistors sind die drei Pins, die er im Allgemeinen hat. Verwenden Sie ein Multimeter im Diodenmodus, um diese Pins zu lokalisieren, oder sehen Sie im Datenblatt des Transistors nach. Normalerweise sind Basis und Kollektor mit den kleineren Pins verbunden, während der Emitter mit dem größten Pin verbunden ist.
Multimeter einrichten: Schalten Sie Ihr Multimeter, falls verfügbar, in den hFE- (Stromverstärkungs-) oder Diodentestmodus. Stellen Sie sicher, dass der Pluspol des Multimeters mit der Anode und der Minuspol mit der Kathode verbunden ist, wenn Sie den Diodentestmodus verwenden.
Basis-Emitter-Verbindung testen: Wenn Sie die Multimetersonden über die Basis-Emitter-Verbindung des Transistors legen, können Sie die Basis-Emitter-Verbindung testen. Der Pluspol des Multimeters sollte mit der Basis eines NPN-Transistors verbunden sein und der Minuspol mit dem Emitter. Bei einem PNP-Transistor sind die Anschlüsse umgekehrt. Wenn die Verbindung ordnungsgemäß funktioniert, sollte das Multimeter einen Spannungsabfall von etwa 0,6 bis 0,7 Volt anzeigen. Die Verbindung könnte defekt sein, wenn der Spannungsabfall deutlich vom erwarteten Wert abweicht oder wenn kein Spannungsabfall auftritt.
Testen Sie die Basis-Kollektor-Verbindung: Die Basis-Kollektor-Verbindung sollte durch Wiederholen des Verfahrens getestet werden. Die Basis eines NPN-Transistors sollte mit dem Pluspol des Multimeters verbunden werden und der Kollektor mit dem Minuspol. Bei PNP-Transistoren werden umgekehrte Verbindungen verwendet. Wenn die Verbindung ordnungsgemäß funktioniert, sollte das Multimeter einen Spannungsabfall anzeigen, der dem der Basis-Emitter-Verbindung ähnelt (zwischen 0,6 und 0,7 Volt). Die Verbindung könnte defekt sein, wenn kein Spannungsabfall auftritt oder ein Spannungsabfall deutlich anders ist.
Testen Sie die hFE (Stromverstärkung): Wenn Ihr Multimeter über einen Transistor-hFE-Testmodus verfügt, können Sie damit die Stromverstärkung des Transistors bestimmen. Dies wird als Testen der hFE (Stromverstärkung) bezeichnet. Befolgen Sie bei diesem Test die Anweisungen, die Ihrem Multimeter beiliegen. Der hFE-Wert eines intakten Transistors sollte innerhalb der im Datenblatt aufgeführten Parameter liegen.
Zusätzliche Tests: Sie können komplexere Tests durchführen, um die Leistung des Transistors zu bewerten, wenn Sie Zugriff auf ein Oszilloskop oder einen Transistortester haben, einschließlich der Messung des Verstärkungs-Bandbreiten-Produkts oder der Suche nach Leckströmen.

Denken Sie beim Testen des Transistors daran, ihn von allen Stromquellen zu trennen. Bedenken Sie außerdem, dass diese Methoden zwar einen breiten Rahmen zum Testen von Transistoren bieten, die genauen Prozesse jedoch je nach Transistortyp und den Ihnen zur Verfügung stehenden Werkzeugen variieren können.

NPN-Transistoren

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Der am weitesten verbreitete Transistortyp sind NPN-Transistoren. Sie bestehen aus drei Halbleiterschichten, wobei in der Mitte eine N-Typ-Schicht zwischen zwei P-Typ-Schichten liegt. Um einen NPN-Transistor einzuschalten, wird an dessen Basisanschluss eine kleine positive Spannung angelegt. Dadurch bewegen sich die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung, nämlich vom Emitteranschluss zum Basisanschluss. Der Strom fließt dann vom Emitter zum Kollektor, während die Elektronen den Basisanschluss passieren und den Kollektoranschluss erreichen. Der Transistor schaltet ab, wenn an den Basisanschluss entweder keine Spannung oder eine negative Spannung angelegt wird. Dies liegt daran, dass die Elektronen sich nicht vom Emitter zur Basis bewegen können.

NPN-Transistorsymbol

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PNP-Transistoren

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Auch wenn PNP-Transistoren weniger verbreitet sind als NPN-Transistoren, werden sie dennoch häufig in elektrischen Schaltkreisen verwendet. PNP-Transistoren bestehen aus drei Schichten Halbleitermaterial, einer P-Typ-Schicht zwischen zwei N-Typ-Schichten. Ein PNP-Transistor wird durch Anlegen einer winzigen negativen Spannung an den Basisanschluss aktiviert. Dadurch beginnt sich der Emitteranschluss zum Basisanschluss mit Löchern zu füllen. Die Löcher sorgen dann für einen Stromfluss vom Emitter zum Kollektoranschluss, indem sie durch den Basisanschluss laufen. Der Transistor schaltet ab, wenn eine positive Spannung oder keine Spannung an den Basisanschluss angelegt wird. Dies geschieht, weil die Löcher nicht in der Lage sind, vom Emitter zur Basis zu gelangen.

PNP-Transistorsymbol

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Video zu NPN- und PNP-Transistoren

Unterschiede zwischen NPN- und PNP-Transistoren

Einer der Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Transistoren besteht darin, dass bei einer positiven Versorgung des Basisanschlusses des NPN-Transistors der Stromfluss zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen erfolgt. Wenn eine negative Spannung an den Basisanschluss eines PNP-Transistors angelegt wird, bewegen sich die Ladungsträger vom Emitteranschluss zum Kollektor. In tabellarischer Form werden viele Parameter verwendet, um zwischen NPN- und PNP-Transistoren zu unterscheiden. Die Hauptunterschiede zwischen NPN- und PNP-Transistoren sind die folgenden:

Die Symbole für NPN- und PNP-Transistoren sind nahezu identisch. Der Hauptunterschied ist die Richtung des Pfeils, die auf dem Emitter basiert. Bei einem PNP-Transistor geht der Pfeil nach innen und bei einem NPN-Transistor nach außen zur Basis.
Der PNP-Transistor wird aktiviert, wenn Löcher in die Basis eindringen, während der NPN-Transistor aktiviert wird, wenn Elektronen in die Basis eindringen.
Der Innenstrom in NPN-Transistoren wird durch die wechselnden Positionen der Elektronen verursacht, während der Innenstrom in PNP-Transistoren durch die wechselnden Positionen der Löcher verursacht wird.
Der Ausgangsstrom in NPN-Transistoren wird durch den Fluss der Löcher erzeugt, während er in PNP durch den Fluss der Elektronen erzeugt wird.
Bei NPN-Transistoren ist der Minoritätsladungsträger ein Loch, während es bei PNP-Transistoren ein Elektron ist.
Da in einem NPN-Transistor ein Elektron als Hauptladungsträger dient, ist seine Schaltzeit länger als die eines PNP-Transistors.
Sowohl die NPN- als auch die PNP-Transistoren haben eine Verbindung, die an der Emitter-Basis-Verbindung in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Die Kollektor-Basis-Übergänge der NPN- und PNP-Transistoren sind in Sperrrichtung verbunden.

Anwendungen von NPN- und PNP-Transistoren

NPN- und PNP-Transistoren werden in einer Vielzahl elektronischer Anwendungen eingesetzt. Einige gängige Beispiele sind:

Verstärker
Schalter
Logikgatter
Stromversorgungen
Motorsteuerungen
Sensoren

Anwendungen von NPN-Transistoren

Hauptsächlich aus Schaltgründen verwendet.
Sie werden in einem Darlington-Paar-Aufbau verwendet, um schwache Signale zu verstärken.
In Schaltkreisen, in denen wir den Strom ableiten müssen.
Außerdem werden sie in Temperatursensorschaltungen verwendet.
Sie können in Situationen effektiv funktionieren, die sehr hohe Frequenzen erfordern.
Werden in logarithmischen Konvertern verwendet.

Anwendungen von PNP-Transistoren

Sie werden hauptsächlich als Schalter verwendet.
Sie werden in Verstärkerschaltungen eingesetzt.
Sie werden in Mehrtransistorschaltungen verwendet, die als Darlington-Paarschaltungen bezeichnet werden.
Sie werden mittlerweile auch in der Robotik eingesetzt.
Der Stromfluss in Elektromotoren wird mithilfe von PNP-Transistoren gesteuert.
PNP-Transistoren werden in Matched-Pair-Schaltungen verwendet, um die erforderliche und gleichzeitige Leistung zu erzeugen.

Kann NPN statt PNP verwendet werden?

Ja, in manchen Situationen können NPN-Transistoren statt PNP-Transistoren verwendet werden, aber es gibt ein paar wichtige Dinge zu beachten. Dies sind die Einzelheiten:

Polarität: Die Polarität des Stromflusses unterscheidet NPN- und PNP-Transistoren voneinander. Der Strom in einem NPN-Transistor fließt vom Emitter zur Basis und dann zum Kollektor. In einem PNP-Transistor fließt der Strom vom Emitter zur Basis, bevor er umkehrt und zum Kollektor fließt. Dies zeigt an, dass die Strompolaritäten in den beiden verschiedenen Transistortypen vertauscht sind.
Spannungspegel: Aufgrund ihrer unterschiedlichen Polaritäten benötigen NPN- und PNP-Transistoren unterschiedliche Spannungspegel. Im Vergleich zum Emitter muss die Basis eines NPN-Transistors normalerweise positiv sein, während die Basis eines PNP-Transistors normalerweise negativ sein muss. Daher müssen die Spannungspegel und Polaritäten der Schaltung geändert werden, wenn anstelle eines PNP-Transistors ein NPN-Transistor verwendet wird.
Schaltkreisänderungen: Wenn ein PNP-Transistor durch einen NPN-Transistor ersetzt wird, muss der Schaltkreis möglicherweise geändert werden. Um beispielsweise die verschiedenen Polaritäten und Spannungsanforderungen des NPN-Transistors zu erfüllen, müssen die Vorspannungswiderstände und Spannungsquellen möglicherweise neu angeordnet oder geändert werden.
Strom- und Leistungswerte: Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der als Ersatz verwendete NPN-Transistor die erforderlichen Strom- und Leistungspegel des Schaltkreises bewältigen kann. Überprüfen Sie die maximalen Nennwerte des NPN-Transistors auf seinem Datenblatt und vergleichen Sie sie mit den Spezifikationen der Schaltung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass, obwohl NPN-Transistoren PNP-Transistoren ersetzen können, sorgfältige Beachtung der Polarität, Spannungspegel, Schaltungsanpassungen und Strom-/Leistungswerte erforderlich ist, um einen ordnungsgemäßen Betrieb und die Kompatibilität mit der Schaltung sicherzustellen.

Fazit

NPN- und PNP-Transistoren sind zwei der wichtigsten Transistortypen. Sie werden in praktisch jedem elektronischen Gerät verwendet, von Computern und Smartphones bis hin zu Autos und Flugzeugen. NPN-Transistoren sind weiter verbreitet als PNP-Transistoren, aber beide Typen sind für den Aufbau der komplexen elektronischen Schaltungen, die unsere moderne Welt antreiben, unerlässlich.