De TRANSISTOR

transistor.png
Hierboven het algemeen toegepast symbool voor transistor (twee uitvoeringen waarover later meer) in schakelingen, op finimuis.nl is dit symbool ook in gebruik.

De transistor is een halfgeleidercomponent in de elektronica.
Hij dient vooral om elektronische signalen te versterken of te schakelen. De transistor is de fundamentele bouwsteen van computers en vele andere elektronische schakelingen.
Soms worden transistors gebruikt als afzonderlijke component, maar hoofdzakelijk komen ze voor als fundamentele bouwsteen van geïntegreerde schakelingen.
geïntegreerde schakelingen, worden op deze site in een apart hoofdstuk besproken.

Als eerste de geschiedenis van de transistor:

Omdat de uitvinding en toepassing van de transistor, tot op de dag van vandaag de elektronica-wereld sterk heeft bëïnvloed is de geschiedenis van belang.

De natuurkundige Julius Edgar Lilienfeld had in 1923 de eerste werkzame transistor gebouwd en in 1925 een patent voor de eerste transistor in Canada aangevraagd in een apparaat dat volgens de beschrijving overeenkomt met een FET(Field-Effect-Transistor).
Hij heeft echter geen onderzoeksartikelen geschreven over deze transistor.

In 1934 heeft de Duitse uitvinder Oskar Heil een patent gekregen voor een vergelijkbaar apparaat.
replica-eerste-transistor.png
Hierboven een replica van de eerste als zodanig werkende transistor, zoals deze bij Bell Labs in Murray Hill (verenigde staten) ooit is ontwikkeld.

Volgens de wetenschapshistoricus Robert Arns heeft Bell Labs juridische documentatie waaruit blijkt dat William Shockley en Gerald Pearson werkzame apparaten hebben kunnen bouwen die gebaseerd waren op Lilienfelds patenten zonder eraan te refereren in wetenschappelijke publicaties.

In 1947 ontdekten John Bardeen en Walter Brattain in Bell Labs van AT&T in de Verenigde Staten dat wanneer elektrische contacten aan een germaniumkristal werden bevestigd, de elektrische stroom aan de uitgang groter werd afhankelijk van een kleine ingangsstroom.

De leider van de groep Vaste Stof Fysica William Shockley onderkende het belang van deze ontdekking en binnen de volgende maanden werd zeer veel werk verzet om de kennis over halfgeleiders uit te breiden en daarom wordt hij aangezien als de vader van de transistor.

Naamgeving:

De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samenvoeging van de Engelse woorden transfer, of transconductance(overdracht) en varistor (variabele weerstand, bedacht door John R. Pierce, een collega van Johm Bardeen, die sciencefictionboeken schreef.
Volgens Pierce zelf is de naam een verkorting van de term transresistance, de pendant van transconductance van elektronenbuizen en in lijn met termen als varistor, resistor en thermistor.

Het onderscheid tussen elektrotechniek en elektronica wordt doorgaans gemaakt op basis van de aanwezigheid van actieve componenten, waarvan de transistor de belangrijkste is, als halfgeleider voor sturing van vrije ladingdragers.
Hoewel men vaak als meervoud transistoren gebruikt, is het Nederlandse meervoud transistors. In het vakjargon van elektronici zegt men tor en torren.

Typen / constructies:

Er zijn twee basistypen transistors: de oorspronkelijke bipolaire transistor, en de veldeffecttransistor(FET). Deze laatste de (FET) bespreken we op deze site in een apart hoofdstuk.
De bipolaire transistor wordt gestuurd door middel van een stroompje en de veldeffecttransistor door middel van een spanning.
Elk transistor-type heeft tweetwee constructies. Welke afhankelijk zijn van de aanwezige halfgeleider-overgangen.

De transistor bestaat in principe uit twee dioden, welke op een bepaalde manier staan geschakeld.
Wanneer u het hoofdstuk over de DIODE op deze site bekeken heeft, is het u bekend dat een diode bestaat uit een PN-overgang.
Transistors bezitten feitelijk twee PN-overgangen, waarbij de de wijze van schakelen van het N- of het P-gedoteerd materiaal de overgang-volgorde bepaald.
Voor het bipolaire type zijn er PNP- en NPN-transistors, welke ieder een apart symbool hebben. Kort gezegd, lopen de stromen tegengesteld van elkaar.
transovergang.png
Hierboven een weergave van de NPN- en PNP-overgangen binnen een transistor (geheel bovenaan), direct daaronder de wijze waarop de twee dioden geschakeld staan, en daaronder het schema-symbool voor NPN (links) en PNPrechts. Deze sybolen worden op finimuis.nl gehanteerd.
De verklaring voor de letters B, C, en E zijn als volgt:
Een transistor heeft minimaal drie aansluitingen.
Voor de hier behandelede bipolaire transistor staat de letter B voor basis welke de gemeenschappelijke aansluitdraad voor de twee diodes is.
Voor de hier behandelede bipolaire transistor staat de letter E voor emitter.
Voor de hier behandelede bipolaire transistor staat de letter C voor collector.

Het verschil tussen NPN en PNP-transistors is de polariteit.
npnwerkinga
Hierboven een batterij, een NPN-transistor en een belasting(lamp).
De lamp is via de collector-emitter-overgang van de transistor aangesloten op de batterij. De lamp zal NOOIT kunnen oplichten, omdat via de PN-overgang(basis-collector-diode) welke in sperrichting staat absoluut GEEN stroom(I) kan lopen.
Op de afbeelding hieronder, is de situatie via een kleine toevoeging aanzienlijk gecompliceerder geworden.
npnwerking
Via de loper van Potentiometer(P1) zal er een spanning over Weerstand(R1) staan, waardoor er een stroom gaat lopen via de PN-overgang(basis-emitter-diode) welke in doorlaatrichting staat.
De spanning welke op de loper van de Potentiometer(P1) kan staan is minimaal 0 tot maximaal 4,5 Volt.
Wanneer u een multimeter met een DC stroombereik van 5 milliAmpére tussen Weerstand(R1) en de basis-aansluiting van de transistor plaatst, kunt u de stroom welke gaat lopen wanneer er op de loper van Potentiometer(P1) een spanning staat keurig aflezen.

Germanium(Ge) heeft een lagere doorlaatspanning (0,2 Volt) dan Silicium(Si) (0,7)Volt.
Omdat de eerste transistoren van Germanium zijn gemaakt en in sommige schakelingen nog steeds toegepast worden, is dit van belang.

De BC547-transistor is overigens een Silicium-uitvoering. De wijze van codering volgt verderop.

Wanneer de spanning op de loper van de Potentiometer(P1) onder 0,7 Volt blijft, zal er wel een stroom(Ib) lopen, maar de lamp zal uit blijven.
Komt nu de spanning op de loper van de Potentiometer(P1) boven 0,7 Volt, gebeurt er meer. De stroom(Ib) zal iets hoger zijn geworden, maar omdat de (basis-collector-diode) op dat moment doorslaat zal de lamp gaan oplichten en zal er een stroom(Ic) gaan lopen.
Indien de spanning op de loper van Potentiometer(P1) nu daalt tot of onder 0,7 Volt, zal de lamp weer uit gaan.
Als gevolg van bovenstaande, is er nog een constatering namelijk wanneer de spanning op de loper van Potentiometer(P1) verder stijgt. De lamp zal namelijk steeds feller oplichten naarmate de spanning over Weerstand(R1) stijgt, omdat de stroom(Ic) zal stijgen.
U kunt bij een NPN-transistor stellen dat de stroom(Ib) zorgt voor de sturing van stroom(Ic).

De drie lagen N P N in de transistor zijn dusdanig opgebouwd dat de collectorstroom(Ic) wezenlijk groter is dan de basisstroom(Ib).
In deze schakeling, zal een basisstroom(Ib) van 1 milliAmpére er voor zorgen dat de lamp een maximaal toelaatbare stroom(Ic) van 70 milliAmpére krijgt.
Conclusie, de transistor versterkt de basisstroom dus met 70x. Deze verhouding tussen collectorstroom en basisstroom is de versterkingsfactor ß. In datasheets, zal veelal hFE worden gebruikt.
Klik hier voor de datasheet van de BC547 transistor.
Via bovenstaande datasheet kunt u achterhalen, dat de hFE van deze transistor minimaal 110 tot maximaal 800 keer de basisstroom kan zijn.

Vanwege bovenstaande is in de opstelling Weerstand(R1) geplaatst, welke een relatief hoge weerstandswaarde heeft. Dit is nodig om de basisstroom welke kan vloeien te beperken. Via de basis-weerstand zoals deze veelal genoemd wordt kan dus de collector-stroom worden beperkt.

Als laatste staat vast dat de basis- en collectorstroom beide door de emitter lopen.
Omdat de basisstroom verhoudingsgewijs klein is, is over het algemeen gesteld dat de collector- en emitterstroom gelijk zijn.

Omdat de aard van beide PN-overgangen in de transistor verschillen, is het onmogelijk om de emitter met de basis-collector-stroom te sturen. De Emitter en Collector kunnen ook niet worden verwisseld, gebeurt dat per abuis dan zal de transistor mogelijk definitief kapot gaan.

We plaatsen nu een PNP-transistor BC557 op de plek van de npn-transistor. Omdat de alle polariteit andersom zijn, moeten de batterij-aansluitingen ook verwisseld worden.
pnpwerking
De Weerstand(R1) werkt ook nu als stroombegrenzer, echter beschermd hij nu de PN-overgang(basis-emitter-diode) wanneer de loper van Potentiometer(P1) op maximale spanning (4,5 Volt) ligt.

Bovenstaande uitleg over NPN- en PNP transistoren heeft betrekking op de basis-werking, er bestaan echter diverse deelschakelingen waarin transistoren verschillende functies hebben.


Hieronder enige afbeeldingen, van transistor waarbij de eerste twee uit de beginperiode van de transistor stammen.
exp-ti.png
Hierboven enkele experimentele NPN-transistors op Germanium (Ge)-basis, in een TO22-omhulling welke door Texas Instruments gevestigd in Murray Hill(Verenigde Staten) handmatig werden gemaakt begin jaren 50.
Omdat het experimentele typen betreft, hebben zijn ze niet voorzien van een codering.

j11.png
Hierboven de NPN J11-transistor op Germanium(Ge)-basis in een TO22-omhulling van Texas Instruments welke eind 1955 handmatig maar wel in een serie zijn gemaakt.

2n119.png
Hierboven één de eerste NPN transistoren welke door Texas Instrument (rond 1957) in massa-productie is genomen. gemaakt uit Silicium(Si) hetgeen aanzienlijk snellere schakeltijden oplevert en goedkoper te produceren is ten opzichte van Germanium(Ge).
Met de introductie van de Silicium-transistoren raakten de germanium-uitvoeringen uit de gratie. Echter bestaan er heden nog steeds Germanium(Ge) type.

Ook is een nieuwe wijze van codering (afgeleidt van de diode toegepast, welke voor de Amerikaanse markt de standaard is.


ac124s.pngac124k.png
Hierboven een de PNP germanium transistor de AC124s, welke door Telefunken zo rond 1967 op de markt is gebracht. Deze transistor kon worden geleverd met een koelblok van aluminium op de warmte beter te kunnen afvoeren.

bc107.png
Hierboven een veelvuldig toegepaste NPN Silicium transistor de BC107 in TO18-omhulling, welke heden ten dage nog veel gebruikt wordt.

koelster.png
Hierboven een koelster van aluminium, welke eenvoudig op de transistor-behuizing geplaatst kan worden. Veelal worden deze gebruikt bij iets grotere transistoren in een TO39-omhulling zoals bijvoorbeeld de BC140.

bc547.png
Hierboven een NPN Silicium transistor de BC547 in een TO92-omhulling. Deze transistor is in het eerder besproken werking-schema toegepastt.

bc557a.png
Hierboven een PNP Silicium transistor de BC557A in een TO92-omhulling. Deze transistor is in het eerder besproken werking-schema toegepast.
Het eventuele achtervoegsel welke NA het serienummer komt, bestaat uit één letter die informatie geeft over de stroomversterking hFE van de transistor, volgens onderstaande tabel:

Letter Voor bipolaire transistoren
A versterking hFE tussen 100 en 260
B versterking hFE tussen 250 en 500
C versterking hFE tussen 450 en 900
S special, bijvoorbeeld een koellichaam

transistors.png
Hierboven als laatste een verzameling transistoren van behoorlijk uiteenlopend formaat en toepassing
Geheel bovenaan de 2N3055 een NPN vermogen transistor in een TO3 omhulling, welke 15 Ampére collector stroom kan verdragen en daardoor 115 Watt vermogen kan sturen.
Daaronder de BD178 een PNP midden vermogen transistor in een TO126 omhulling, welke 30 Watt vermogen kan verwerken
Daaronder de BC178 een PNP laag vermogen transistor in een TO92 omhulling, welke 0,7 Watt vermogen kan verwerken
Geheel onderaan de BC850B een NPN laag vermogen transistor in een Surface Mount Device(SMD) SOT23 behuizing, welke 100 milliAmpére stroom kan verdragen en daardoor 0,2 Watt vermogen kan sturen.

Codering van transistors.

Omdat er al vrij snel na de uitvinding wereldwijd diverse fabrikanten transistors gingen produceren, waarbij iedere fabrikant een eigen codering gebruikte ontstond een warboel van coderingen.
Om bovenstaande reden, zijn er snel Internationale standaarden ontwikkeld.

JEDEC: Amerikaanse codering opgesteld door de Joint Electronic Device Engineering Council. De JEDEC-code levert bijvoorbeeld de bekende transistor code als 2N1613 op.
JIS: Japanse codering, opgesteld door de Japanese Industrial Standard. De JIS-code zadelt de wereld op met de diode zoals 2SC380.
Pro-electron: Europese standaard codering. De Pro-electron code levert een diode met de benaming als BC547 op.

Hieronder worden de 3 bovengenoemde standaarden/coderingen verklaard, LET OP: deze codering voor voor meerde soorten Halfgeleiders toegepast, en niet alleen voor transistors.

de JEDEC-codering:

De samenstelling van de codering: CIJFER - N - Serienummer - (eventueel achtervoegsel)
Het cijfer geeft het aantal PN-overgangen van de halfgeleider aan volgens onderstaande tabel:

Aantal PN-overgangen Het soort halfgeleider
1 DIODE
2 Bipolaire TRANSISTOR
3 (dual gate) MOSFET
4 OPTISCHE KOPPELAAR (LED + fototransistor)

De letter N welke direct na het cijfer komt is bij JEDEC altijd een N.

Het serienummer welke na de letter N komt kan liggen tussen 100 tot en met 9999 en geeft u geen extra informatie over het component

Als laatste kan er (met name bij transistoren) een achtervoegsel worden gebruikt om de stroomversterking(hFE) aan te geven volgens onderstaande tabel:

LETTER Mate van versterking
A LAGE
B MIDDELMATIG
C HOGE

Paktijk voorbeelden, een 1N914 is een Diode.
Een 2N2222A is een Transistor met een lage stroomversterking(hFE).
Een 3N128 is een N-kanaal Veldeffect transistor op Silicium basis.
Een 4N27 is een Optische koppelaar (bevattende een infrarood LED en een Fototransistor.

de JIS-codering:

De samenstelling van de codering: CIJFER - 2 LETTERS - Serienummer - (eventueel achtervoegsel)
Het cijfer geeft het aantal PN-overgangen van de halfgeleider aan volgens onderstaande tabel:

Aantal PN-overgangen Het soort halfgeleider
1 DIODE
2 TRANSISTOR
3 (dual gate) MOSFET

De 2 letters welke direct na het cijfer volgen geven bij JIS het toepassingsgebied aan, volgens onderstaande tabel:
Letters Toepassingsgebied
SA PNP-type hoogfrequent transistor
SB PNP-type audio transistor
SC NPN-type hoogfrequent transistor
SD NPN-type audio transistor
SE Diode algemeen
SF Thyristor
SG GUNN diode
SH UniJunction-transistor
SJ P-kanaal Field Effect Transistor of MOSFET
SK P-kanaal Field Effect Transistor of MOSFET
SM Triac
SQ Light Emitting Diode (LED)
SR Gelijkricht diode
SS Signaal diode
ST Avalance(lawine) diode
SV Varicap diode
SZ Zener diode

Het serienummer welke na de twee letter komt kan liggen tussen 10 tot en met 9999 en geeft u geen extra informatie over het component
Het eventuele achtervoegsel (welke niet verplicht is), heeft te maken met de goedkeuring voor bijvoorbeeld Militaire toepassingen.

LET OP:

omdat codering van Japanse componenten altijd met 2S begint, kan dit soms worden weggelaten bij het stempelen. Een 2SC380 transistor bijvoorbeeld, kan als C380 zijn gestempeld.

2sc945.png
Hierboven een 2SC945 component, welke gestempeld is volgens de JIS-codering met de weggelaten 2S aanduiding.

Een 2SA19 is een PNP-type hoogfrequent transistor.
Een 2SK1024-01 is een N-kanaal silicium Vermogen MOSFET transistor.

de Pro-Electron-codering:

De samenstelling van de codering: LETTER - LETTER - (soms)LETTER - Serienummer - (eventueel achtervoegsel)
De eerste letter geeft het materiaal weer, waauit de halfgeleider opgebouwd is, volgens onderstaande tabel:

Letter Soort materiaal
A Germanium, met een doorlaatspanning van 0,6 tot 1,0 Volt.
B Silicium, met een doorlaatspanning van 1,0 tot 1,3 Volt
C Gallium arsenide, met een doorlaatspanning van meer dan 1,3 Volt
R Materialen voor fotogevoelige en magnetisch gevoelige halfgeleiders, bijvoorbeeld cadmium sulfide

De tweede letter geeft informatie over het toepassingsgebied van het component, volgens onderstaande tabel:

Letter Toepassing
A Algemene laagvermogen diode voor hoogfrequent toepassingen, mengschakelingen en schakeltoepassingen
B Diode met veranderlijke capaciteit, varicap
C Klein signaal transistor voor audio toepassingen met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
D Vermogenstransistor voor audio toepassingen met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
E Tunnel diode
F Klein signaal hoogfrequent transistor met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
G Diode voor hoogfrequente oscillatie- toepassingen
H Component dat reageert op variaties in een magnetisch veld, zoals Hall-elementen
L Vermogenstransistor voor hoogfrequent toepassingen met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
N Optische koppelaar (optocoupler)
P Component dat gevoelig is voor straling
Q Diode die straling uitzendt, zoals een Light Emitting Diode (LED)
R Laagvermogen thyristor of triac met thermische weerstand groter dan 15 °K/W
T Hoogvermogen thyristor of triac met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
U Hoogvermogen transistor voor schakel toepassingen met thermische weerstand kleiner dan 15 °K/W
X Diode als vermenigvuldiger gebruikt, bijvoorbeeld een varactor
Y Vermogensdiode, zoals gelijkrichter en booster
Z Zenerdiode, referentiediode, spanningsbegrenzende diode

De(eventuele) 3e letter ,geeft aan dat de halfgeleider ontwikkeld is voor professionele of militaire toepassingen.Hiervoor worden de letters S, T, V, W, X, Y of Z gebruikt waarbij geen verklaring te vinden is voor de keuze van een bepaalde letter.

Het serienummer welke na de letter(s) komt kan liggen tussen 10 tot en met 9999 en geeft u geen extra informatie over het component.
Het eventuele achtervoegsel welke NA het serienummer komt, bestaat uit één letter die informatie geeft over de stroomversterking hFE van de transistor of de tolerantie van een zenerdiode, volgens onderstaande tabel:

Letter Voor bipolaire transistoren Voor unipolaire transistoren Voor zenerdioden
A versterking hFE tussen 100 en 260 drainstroom tussen 2 en 7 milliAmpére tolerantie +/- 1%
B versterking hFE tussen 250 en 500 drainstroom tussen 6 en 15 milliAmpére tolerantie +/- 2%
C versterking hFE tussen 450 en 900 drainstroom tussen 12 en 25 milliAmpére tolerantie +/- 5%
D - - tolerantie +/- 10%

Paktijk voorbeelden, een AC124 is een PNP germanium midden-vermogen transistor.
Een BC547 is een silicium laag vermogen transistor.

Voor detail-informatie, kunt u via een zoekmachine op internet voor nagenoeg iedere transistor datasheet-informatiebladen vinden.


In datasheets van transistors treft u ook diverse voltages aan, zoals bijvoorbeeld: VCEO en VCBO en VEBO. Voorgaande drie spanningen, zijn van toepassing op de PN-overgangen en zijn waarden de transistor maximaal aankan werkt.
Eveneens worden meestal de spanningen aangegeven bij een niet aangesloten BASIS. Deze noemt men: VCEO(bo) en VCBO(bo) en VEBO(bo).
Daarnaast worden ook de spanningen weergegeven, waarbij de transistor in saturatie (verzadiging)-mode staan. In verzadiging-mode, zal een verhoging van de basisstroom(Ib) geen verhoging van de collectorstroom(Ic) veroorzaken. Deze spanningen noemt met VCE(sat) en VBE(sat).

Laatste update : 27 januari 2015

Terug naar de Transistor pagina
Terug naar Component informatie
Terug naar Startpagina
Email aan Finimuis.nl