… und wie Sie den Transistor verstehen und ausprobieren können
Wieso der Transistor so wichtig ist Schon als Kind war ich fasziniert vom Inneren elektronischer Geräte. All die bunten Bauteile, Drähte und Platinen, die scheinbar chaotisch angeordnet sind, aber doch dafür sorgen, dass ein Radio Musik spielt, eine Lampe blinkt oder ein Gerät überhaupt funktioniert.
Dieses Staunen über die kleine, unsichtbare Welt der Elektronik hat mich nie losgelassen. Transistoren bilden dabei das Rückgrat moderner Elektronik. In einem Schaltkreis fungieren sie entweder als Verstärker oder als Schalter. Kaum vorstellbar, dass man mit einfachem Wissen ein funktionsfähiges Gerät bauen kann.
Wenn man heute ein Smartphone, ein Radio oder einen Computer in der Hand hält, steckt darin immer dasselbe unscheinbare Bauteil: der Transistor. Er ist winzig, kostet nur wenige Cent. Und doch ist er das Herzstück fast jeder elektronischen Schaltung. Ohne Transistor gäbe es keine moderne Technik.
Doch was genau macht dieses Bauteil eigentlich? Wie funktioniert es? Und wie kann man selbst damit kleine Schaltungen bauen, die tatsächlich etwas tun?
Genau darum geht es in diesem Beitrag. Ich möchte Ihnen zeigen, wie einfach es ist, einen Transistor zu verstehen, wenn man sich ihm Schritt für Schritt nähert. Sie brauchen dafür keine Elektronik-Ausbildung und keine teuren Geräte. Nur etwas Neugier und Spaß am Basteln. Ich selbst arbeite seit vielen Jahren mit Elektronik und habe gelernt: Wenn man einmal begriffen hat, wie ein Transistor „tickt“, öffnet sich die Tür zu einer völlig neuen Welt.
Gerade einfache Einstiegsexperimente wie dieses legen den Grundstein für Ihren Erfolg. Komplexere Projekte wirken viel überschaubarer und plausibel von der Funktion her, sobald Sie nachvollziehen können, wie die einzelnen Bauteile zusammenwirken und wie sich diese nach und nach zu größeren, funktionierenden Systemen verbinden lassen. Doch bleiben wir zunächst beim Transistor.
Was ist ein Transistor?
Ein Transistor ist ein winziger elektronischer Schalter. Er kann Strom einschalten, ausschalten oder verstärken. Im Inneren besteht er aus einem Halbleitermaterial, das auf ganz besondere Weise dotiert ist. Was heißt das? Es wurde gezielt verändert, damit es elektrischen Strom nur unter bestimmten Bedingungen leitet. Deshalb bezeichnet man es auch als Halbleiter.
Im Alltag begegnet uns der Transistor überall: im Autoradio, im Computer, im Fernseher, in jeder Fernbedienung und in unzähligen Sensoren. Selbst in einer einfachen LED-Taschenlampe kann ein Transistor enthalten sein. Zum Beispiel dann, wenn eine LED mit einer 1,5-Volt-Batterie leuchten soll, wie auch im verlinkten Beitrag.
Für uns als Bastler ist das Spannende: Mit einem einzigen Transistor kann man schon erstaunlich viel machen. Man kann damit eine LED schalten, ein Signal verstärken, Töne erzeugen oder sogar ein kleines Gedächtnis in einer Schaltung aufbauen.
Aufbau und Funktionsweise – einfach erklärt
Ein Transistor hat drei Beinchen. Diese heißen Basis, Kollektor und Emitter. Wenn Sie sich den Transistor vorstellen wie eine Wasserleitung mit einem Absperrhahn, dann ist die Basis der Griff, mit dem Sie bestimmen, ob Wasser fließen darf oder nicht. Der Kollektor ist der Eingang (wo das Wasser, also der Strom, ankommt), und der Emitter ist der Ausgang.
Geben Sie an die Basis eine kleine Spannung, öffnet sich der „elektrische Hahn“, und Strom kann vom Kollektor zum Emitter fließen. Entfernen Sie die Spannung, ist der Hahn zu. Der Stromfluss stoppt dann.
Das bedeutet: Ein Transistor kann mit einem winzigen Steuerstrom einen viel größeren Strom schalten. Genau das ist das Geheimnis seiner Vielseitigkeit. Und das ist auch der Grund, warum Millionen davon in jedem Mikrochip stecken. Kommen wir nun zur Praxis und setzen einen Transistor ein, und zwar als elektronischen Schalter.
Es gibt allerdings zwei Haupttypen von Bipolartransistoren: NPN und PNP. Beide funktionieren nach demselben Grundprinzip, aber die Richtung des Stromflusses und die Polarität sind unterschiedlich. Beim NPN-Transistor fließt der Strom, wenn an der Basis eine positive Spannung anliegt – er leitet also, wenn die Basis „ein Signal“ bekommt. Beim PNP-Transistor ist es genau umgekehrt: Er leitet, wenn die Basis negativer ist als der Emitter. Vereinfacht gesagt:
- Der NPN-Transistor schaltet ein, wenn man ihn mit Plus ansteuert.
- Der PNP-Transistor schaltet ein, wenn man ihm Minus gibt.
In vielen Schaltungen werden NPN-Typen bevorzugt, weil sie sich leichter mit den üblichen Plusspannungen betreiben lassen. Dennoch sind PNP-Transistoren wichtig, wenn man beispielsweise negative Spannungen oder symmetrische Signalpfade benötigt. Das ist zum Beispiel bei einem sogenannten Gegentaktverstärker wie im verlinkten Beitrag der Fall, der mithilfe zweier Transistoren (NPN und PNP) zwei Halbwellen eines Audiosignals verstärkt. Aber bleiben wir zunächst bei den einfachen Schaltungen.
In der Abbildung sehen Sie die Schaltzeichen von einem NPN-Transistor (T1) und einem PNP-Transistor (T2). Sie erkennen den Unterschied im Schaltzeichen am Emitterpfeil, der bei einem NPN-Transistor nach außen zeigt, beim PNP-Transistor nach innen. Beachten Sie aber, dass die Anschlüsse je nach Typ und Gehäuseform variieren können. Wenn Sie unsicher sind, können Sie im jeweiligen Datenblatt nachsehen oder mithilfe eines Bauteiletesters die Anschlussbelegung (und Funktion) die Transistor-Anschlussbelegung feststellen.
Kommen wir nun zur Praxis und setzen einen Transistor ein – und zwar als elektronischen Schalter.
Erste Schaltung: Eine LED mit Transistor schalten
Beginnen wir ganz einfach. Sie brauchen dazu:
- eine LED,
- einen 1-Kiloohm-Widerstand,
- einen 10-Kiloohm-Widerstand,
- einen NPN-Transistor (zum Beispiel BC548 oder ähnlich),
- einen Taster zum Ansteuern der Basis,
- Steckboard mit einigen Verbindungsleitungen
- und eine 9-Volt-Batterie mit Anschlussclip.
Wenn Sie die LED (über einen Vorwiderstand) an die Batterie anschließen, leuchtet sie. Wozu der Vorwiderstand da ist, können Sie im Beitrag über die LED-Schaltungen nachlesen. Sobald Sie einen Transistor in den Stromkreis einbauen, können Sie bestimmen, wann die LED leuchtet. Das kann zum Beispiel durch Drücken eines Tasters sein, der die Basis des Transistors ansteuert. Sehen Sie sich dazu das folgende Schaltbild an.
Der Transistor wirkt hier wie ein Schalter, der durch ein winziges Signal an der Basis „freigeschaltet“ wird. Das Schöne daran: Die LED wird über den Kollektor versorgt, während die Basis nur sehr wenig Strom braucht. So können Sie auch empfindliche Steuerungen aufbauen, die keine hohen Ströme vertragen.
Ich erinnere mich noch gut an meine erste Transistorschaltung. Es war interessant zu sehen, dass eine winzige Spannung an einem Beinchen plötzlich eine LED hell aufleuchten lässt. Der dafür notwendige Strom war so gering, dass schon das Berühren der Kontakte des Schalters den Transistor ansteuerte, also die LED schwach zum Leuchten bringen konnte. Es geht aber auch anders herum, wie die folgende Schaltung zeigen soll.
Der Inverter und wenn „An“ plötzlich „Aus“ bedeutet
Jetzt wird es etwas spannender. Wenn Sie die LED-Schaltung leicht verändern, können Sie sie so aufbauen, dass die LED ausgeht, sobald der Transistor angesteuert wird. Diese Variante zeigt die folgende Schaltung. Sie können die vorige Schatung leicht modifizieren, indem Sie die Diode zwischen Kollektor und Emitter des Transistors schalten und den Ausgang des Widerstandes direkt mit dem Kollektor des Transistors verbinden.
Der Transistor wird nun so in die Schaltung gesetzt, dass er die LED „kurzschließt“, sobald er durchgeschaltet ist. Die Spannung sucht sich dann den leichteren Weg durch den Transistor. Und die LED bekommt keinen Strom mehr. Das ist so, als wenn Sie im Supermarkt in der Schlange an der Kasse stehen. Sobald eine zweite Kasse aufmacht (der Widerstand, bis man drankommt sozusagen geringer wird), strömen einige Kunden dahin. Nur ist es hier so, dass der Transistor der LED den Stromfluss so gut wie komplett abnimmt.
So entsteht ein sogenannter Inverter oder NOT-Gatter. Ein „Signal an“ wird zu einem „Licht aus“. Das Prinzip ist identisch mit dem, was in digitalen Schaltungen geschieht. In jedem Computer arbeiten Millionen solcher Inverter. Nur eben in winzigster Form.
Der Transistor als Oszillator oder wenn es blinkt und pfeift
Zwei solcher Transistoren kann man auch miteinander verbinden. Wenn man das geschickt macht, entsteht ein Oszillator oder eine astabile Kippstufe. Das ist eine Schaltung, die selbstständig hin- und herschaltet. Mehr zur Blinkerschaltung mithilfe der astabilen Kippstufe mit Transistoren können Sie auch im hier verlinkten Beitrag nachlesen. Doch hier soll es erst einmal um eine einfache Schaltung gehen, die Sie ohne viel Theorie sofort aufbauen können. Das folgende Schaltbild zeigt eine solche Schaltung.
Das Ergebnis ist ein LED-Wechselblinker, bei dem beide LEDs abwechselnd geschaltet werden. Mit einer solchen Schaltung lässt sich auch ein Pfeifton erzeugen, wenn man statt der LEDs einen kleinen Lautsprecher anschließt und die Werte der Kondensatoren und Widerstände anpaast. Eine Schaltung dazu finden Sie in der Anwendung als Tonsignalgeber mithilfe der astabilen Kippstufe.
Die Kondensatorwerte und Widerstände bestimmen die Geschwindigkeit der Schwingung und damit auch die Blinkfrequenz. Geringere Kapazitätswerte lassen die LEDs schneller abwechselnd aufblinken.
Ich habe solche kleinen Oszillatoren schon oft auf dem Steckbrett aufgebaut, um neue Transistoren zu testen oder um einfach mit den Werten zu spielen. Es ist erstaunlich, wie lebendig Elektronik werden kann, wenn man sie wie mit dieser Schaltung ausprobiert.
Das SR-Latch und wenn die Schaltung sich „merkt“, was passiert ist
Jetzt kommen wir zu etwas, das fast schon nach Computern klingt. Ein SR-Latch ist eine kleine Schaltung, die sich merken kann, ob sie zuletzt „ein“ oder „aus“ war.
Sie besteht ebenfalls aus zwei Transistorschaltungen, die sich gegenseitig beeinflussen. Drücken Sie auf den einen Taster, geht die LED an. Drücken Sie auf den anderen, geht sie wieder aus. Das Besondere: Sie bleibt in diesem Zustand, bis Sie sie wieder ändern. Die folgende Schaltung zeigt eine Variante, bei der zwei LEDs eingesetzt wurden, sodass sie beide Schaltzustände anzeigt.
In der Schaltung wird schon erklärt, wie sie funktioniert. Drücken Sie den Taster S1, geht LED 2 an, drücken Sie S2, geht LED 1 an.
Damit haben Sie im Grunde schon ein winziges elektronisches Gedächtnis gebaut. Das ist ein Baustein, wie er in ähnlicher Form in jedem digitalen Gerät vorkommt. Es ist beeindruckend, wie man mit ein paar einfachen Bauteilen die Grundlagen der digitalen Logik sichtbar machen kann.
Diese Schaltung finden Sie übrigens auch in einem weiteren Beitrag mit anderen einfachen Schaltungen, die Sie mit nur wenigen Bauteilen selbst ausprobieren können.
Erweiterungen: Mit Licht oder Temperatur steuern
Jetzt, wo Sie den Transistor als Schalter verstehen, können Sie damit experimentieren. Transistoren lassen sich ja nicht nur als Schalter einsetzen wie Relais. Sie lassen sich auch mit variablen Strömen ansteuern. Und daraus lassen sich Schaltsignale für andere Bauteile gewinnen. Dazu hier ein Beispiel.
Setzen Sie an die Basis statt eines Tasters einen Fotowiderstand (LDR) ein. Dieser verändert seinen Widerstand je nach Helligkeit. Mithilfe einer einfachen Reihenschaltung eines festen Widerstandes (R1) und des lichtabhängigen Widerstandes (LDR) lässt sich eine von der Lichtmenge abhängige Spannung erzeugen, die zur Ansteuerung der Basis dient. Auch hierzu ein einfaches Schaltbild als Beispiel.
Das Ergebnis: Ihre LED geht automatisch an, wenn es dunkel ist. Oder umgekehrt, wenn Sie die Schaltung leicht anpassen. Damit haben Sie schon einen kleinen Lichtsensor gebaut. EIne etwas aufwendige Schaltung für einen Dämmerungsschalter mit Schmitt-Trigger finden Sie im verlinkten beitrag. Dort erfahren Sie auch, was es mit dem Schmitt-Trigger auf sich hat.
Alternativ zum LDR können Sie auch einen Thermistor verwenden. Das ist ein temperaturabhängiger Widerstand. Wenn es warm wird, ändert sich sein Widerstand, und der Transistor schaltet. Schon haben Sie einen simplen Temperaturalarm. Solche Experimente sind ideal, um zu verstehen, wie Sensoren in der Praxis arbeiten.
Ich selbst habe solche Schaltungen schon oft als einfache Warnanzeigen oder Testmodule eingesetzt. Der Reiz liegt darin, dass man alles selbst nachvollziehen kann. Es gibt keinen Computerchip, keine Software, sondern nur Elektronik, deren Funktion man auch ohne Weiteres verstehen kann.
Warum Sie Transistoren wirklich verstehen sollten
Vielleicht fragen Sie sich, warum man das alles noch lernen sollte, wo es heute doch fertige Module und Mikrocontroller gibt. Die Antwort ist einfach: Wer versteht, wie ein Transistor funktioniert, versteht die Grundlagen der Elektronik.
Und dieses Wissen hilft Ihnen, Schaltungen zu reparieren, Fehler zu finden und eigene Ideen umzusetzen. Sie erkennen, warum etwas funktioniert oder eben nicht. Außerdem macht es einfach Spaß, etwas so Grundlegendes selbst in der Hand zu haben.
Ich kann jedem Einsteiger nur empfehlen, sich ein Steckbrett, ein paar Transistoren, Widerstände und LEDs zu besorgen. Mit einer kleinen 5-Volt-Versorgung und etwas Geduld werden Sie schnell merken, wie lebendig Technik werden kann.
Und vielleicht geht es Ihnen wie mir, und das Thema begeistert Sie über viele Jahr(zehnt)e hinweg. Wie auch das Thema Elektronik-Reparaturen, das ich in einem gleichnamigen Buch beschrieben habe, das auch als E-Book Elektronik-Reparaturen erhältlich ist.
Der Transistor – klein, genial, unverzichtbar
Der Transistor ist mehr als nur ein Bauteil. Er ist das Fundament der modernen Elektronik. Und er ist gleichzeitig das Tor zum Verständnis der Technik, die uns täglich umgibt.
Ob Sie nun eine LED blinken lassen, ein kleines Signal verstärken oder eine intelligente Schaltung aufbauen möchten: Mit Transistoren ist das fast alles möglich. Ich selbst habe in unzähligen Projekten erlebt, wie schön es ist, wenn eine selbst gebaute Schaltung zum Leben erwacht.
Wenn Sie also Lust bekommen haben, tiefer einzusteigen: Probieren Sie es aus. Fangen Sie klein an, zum Beispiel mit einer LED, einem Widerstand und einem Transistor. Und wer weiß: Vielleicht bauen Sie schon bald Ihre eigenen kleinen elektronischen Systeme. Mehr einfache Schaltungen zum Ausprobieren finden Sie hier.
Denn genau so hat die Erfolgsgeschichte des Transistors vor Jahrzehnten begonnen. Mit Neugier, Experimentierfreude und den ersten einfachen Versuchen vor mehr als 70 Jahren.
