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Wissenswertes zu Darlington Transistoren
Transistoren gehören zu den wichtigsten Bauteilen in der Elektronik. Die Darlington-Schaltung ist dabei eine der Grundschaltungen, die mit Transistoren erstellt werden kann. Erfahren Sie in diesem Ratgeber alles über die Funktionsweise einer Darlington-Schaltung.
Die vom US-Amerikaner Sidney Darlington im Jahr 1952 erfundene Darlington-Schaltung wird verwendet, wenn ein Signal deutlich verstärkt werden soll. Von einem Darlington-Transistor spricht man in der Elektronik immer dann, wenn eine aus zwei Transistoren bestehende Darlington-Schaltung in einem Gehäuse untergebracht ist und somit ein eigenes elektronisches Bauelement darstellt (zum Beispiel: BD681STU von ON Semiconductor). Eingesetzt werden Darlington-Schaltungen beziehungsweise Transistoren beispielsweise beim Bau von Verstärkern oder wenn eine Spannung, die nicht belastet werden darf, eine grosse Last steuern oder schalten soll. Eine entsprechende Schaltung besteht dann aus zwei hintereinandergeschalteten Bipolar-Transistoren. Diese werden so zusammengeschaltet, dass der Kollektorstrom des ersten Transistors dem Basisstrom des zweiten Transistors entspricht. Der erste Transistor dient quasi als Verstärker für den folgenden Transistor. Durch diese elektronische Schaltung können sehr hohe Stromverstärkungen realisiert werden.
Wie alle anderen Transistoren verfügen auch Darlington-Transistoren über drei Anschlüsse an ihrem Gehäuse. Diese tragen die Bezeichnung Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E). Transistoren werden generell in NPN- und PNP-Typen unterteilt. Die Abkürzungen geben einen Hinweis darauf, wie die Schichtfolge im Inneren des Transistors aufgebaut ist. Das Kürzel NPN steht für zwei negativ dotierte Halbleiterschichten, die eine positiv dotierte Schicht wie zwei Hälften eines Sandwichs umgeben. Bei einem Transistor mit PNP-Aufbau umgeben dagegen zwei positiv dotierte Schichten eine negativ dotierte Schicht. PNP-Transistoren sind aufgrund ihres Aufbaus träger und sie leiten zudem nur geringere Ströme.
Damit bei einem NPN-Transistor zwischen Kollektor und Emitter Strom fliesst, müssen sie an der Basis positiv angesteuert werden. Dabei ist die Spannung zwischen Kollektor und Emitter von der Spannung abhängig, die an der Basis anliegt. Je höher diese ist, desto höher ist auch die Spannung zwischen Emitter und Basis.
Bei einem Transistor mit PNP-Aufbau ist die Dotierung im Vergleich zu einem NPN-Transistor entgegengesetzt. Damit ein PNP-Transistor schaltet, muss die Basis entsprechend an ein negatives Potential angeschlossen werden.
Für die Kennzeichnung von Transistoren sind drei unterschiedliche Normen geläufig. Das wären für Europa die Pro-Electron/European Electronic Component Manufacturers Association (EECA), für Amerika das Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) und für Japan der Japanese Industrial Standard (JIS).
Sehen wir uns die in Europa gültige Pro-Electron ein wenig näher an: Die Kennzeichnung besteht bei Transistoren nach EECA-Norm aus einem Code, der Buchstaben und Ziffern enthält. Dabei weist der erste Buchstabe auf das Material hin, aus dem das Bauteil besteht. Am häufigsten findet man Halbleiter, die aus Silizium gefertigt werden, was durch ein B kenntlich gemacht wird. Weitere mögliche Materialien wären Germanium (A), Gallium (C), Keramik (D) und Verbund-Materialien (R). Der darauffolgende Buchstabe beschreibt die Funktion des Bauteils. Nachfolgend einige Beispiele für entsprechende Einsatzbereiche: Kleinleistungsdiode (A), NF-Leistungstransistor (D), Tunneldiode (E), Diode / LED / Laser (Q), HF-Leitungstransistor (L) und Leistungs- oder Schalttransistor (U). Unter Umständen kann die Bezeichnung eines Transistors auch noch einen dritten Buchstaben enthalten. Dieser weist dann auf ein Bauteil hin, welches besondere Anforderungen, wie sie zum Beispiel im militärischen Bereich gestellt werden, erfüllt. Mit den danach folgenden Ziffern individualisiert der Hersteller das Produkt; die Zahlen können frei vergeben werden.
Wenn in der Elektronik eine hohe Stromverstärkung benötigt wird, ist eine Darlington-Schaltung oder ein Darlington-Transistor gut geeignet. Eine eigene Vor- und Hauptverstärkung inklusive der sonst noch notwendigen Bauteile, kann entfallen. Transistoren sind in NPN- und PNP-Versionen erhältlich. Diese dürfen nicht verwechselt werden, da eine Schaltung, die mit der falschen Bauform erstellt wird, nicht funktionieren wird. Ebenfalls von grosser Bedeutung ist der Verstärkungsfaktor des Transistors. Er sollte so gewählt werden, dass der Verstärkungsfaktor möglichst genau zum angepeilten Verwendungszweck passt. Zudem muss die zur Verfügung stehende Verstärkungsbandbreite ausreichend dimensioniert sein. Darüber hinaus sind für einen sicheren Betrieb die Vorgaben des Herstellers zu beachten. Diese können Sie gewöhnlich in den Datenblättern nachlesen.
Um Ströme im Ampere-Bereich zu schalten und zu steuern, kann es sinnvoll sein, statt einfacher Transistoren auf Darlington-Transistoren zurückzugreifen. Dank der grossen Stromverstärkung lassen sich mit kleinen Strömen auch grosse Lasten schalten. Für die Anwendung als Schalter werden gewöhnlich Darlington-Transistoren mit kleinen Widerständen genutzt.
Was versteht man unter dem Dotieren von Halbleitern?
Beim Dotieren werden Fremdatome in einen Halbleiter eingebracht, um so dessen Leitfähigkeit zu verändern. Silizium kann zum Beispiel mit Bor, Phosphor oder Aluminium-Atomen dotiert werden.
Gibt es maximale Betriebstemperaturen bei Transistoren?
Eine Sperrschichttemperatur von 150 bis 200 °C sollte bei gewöhnlichen Transistoren auf Siliziumbasis nicht überschritten werden. Alles, was darüber hinaus geht, zerstört den Transistor oder führt zu einer schnelleren Alterung des Bauteils. Die vom Hersteller im Datenblatt angegeben Werte beziehen sich in der Regel auf eine Umgebungstemperatur von 25 °C.