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Übersteuerung und Sättigung (Transistor)

Im Zusammenhang mit dem bipolaren Transistor hört man manchmal von Übersteuerung/Übersteuern und Sättigung. Der Fachmann verwendet die Begriffe "einen Transistor übersteuern" oder "der Transistor befindet sich in der Sättigung". In der Regel sagt einem Unkundigen das überhaupt nichts. Und tatsächlich, beschäftigt man sich mit Transistor-Schaltungen nur am Rande, kommt man mit Übersteuerung und Sättigung kaum in Berührung. Zumindest nicht, wenn man sich hauptsächlich mit dem Transistor als Verstärker beschäftigt. Betreibt man einen Transistor als Schalter, sollte man wissen, was diese Begriffe bedeuten.

Zustände einer Transistor-Schalterstufe

Insgesamt gibt es 4 Zustände, die eine Transistor-Schalterstufe (Transistor als Schalter) einnehmen kann. Die meisten Elektroniker kennen zwei. Den sperrenden und den leitenden Zustand. Denkbar wäre auch EIN und AUS. Bei den insgesamt 4 Zuständen handelt es sich um Arbeitspunkte (AP).

Zustände einer Transistor-Schalterstufe

Übersteuerung

In der Betriebsart "Transistor als Schalter" wird der Transistor in der Regel immer übersteuert bzw. übersteuert betrieben. Im Übersteuerungszustand schaltet der Transistor schneller in den leitenden Zustand. Das heißt, die Einschaltzeit verkürzt sich. Da dabei der Transistorkristall mit Ladungsträgern überflutet ist, verlängert sich aber auch die Ausschaltzeit. Der Sperrzustand ist erst mit dem Ausräumen der Ladungsträger und dem anschließenden Aufbau der Sperrzone erreicht.

Wie kommt es zur Übersteuerung des Transistors?

Übersteuerungszustand
Die Übersteuerung erfolgt im leitenden Zustand. Das bedeutet, an der Basis liegt eine Spannung UBE und es fließt ein Strom IB. Der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ist klein. Die Kollektor-Emitter-Spannung UCE ist klein. Das bedeutet, der Transistor ist "durchgesteuert". Wird in diesem Zustand die Spannung UBE und der Strom IB weiter erhöht, dann verringert sich der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke. Das bedeutet, die Kollektor-Emitter-Spannung UCE sinkt weiter. Irgendwann ist UCE soweit abgesunken, dass UCE = UBE ist. Die Spannung UCB liegt dann bei 0V. An der Basis-Kollektor-Strecke liegt keine Spannung mehr an. Hier beginnt die sogenannte Übersteuerung des Transistors.

Sättigung

Sättigung bedeutet, dass der Transistor "ganz auf" bzw. "voll leitend" ist. Gerne wird auch die unförmige Bezeichnung "voll durchgesteuert" verwendet. An diesem Punkt kann man den Basisstrom IB erhöhen wie man will. In der Kollektor-Emitter-Strecke fließt deshalb nicht mehr Strom. Physikalisch liegt die Kollektor-Emitter-Spannung bei "voll leitend" nicht bei 0 V, sondern je nach Transistor eher bei 0,05...0,2 V.
Sättigungszustand
Der Sättigungszustand ist erreicht, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors ihren niederohmigsten Zustand erreicht hat. Das passiert dann, wenn die Basisspannung UBE und der Basisstrom IB vergrößert wird und der Transistorkristall mit Ladungsträgern überschwemmt ist. Dann unterschreitet die Kollektor-Emitter-Spannung UCE den Wert der Basis-Emitter-Spannung UBE.
Bei der Sättigungsspannung UCEsat knicken die Kennlinien im Ausgangskennlinienfeld scharf ab und verlaufen näherungsweise durch den Ursprung des Kennlinienfeldes.
Im Sättigungszustand wird auch die Basis-Kollektor-Diode leitend. Das bedeutet, ein Teil des Basis-Steuerstroms fließt über den Kollektor zum Emitter ab. Das bedeutet, man braucht im Sättigungsbereich einen immer größeren Basisstrom, um einen bestimmten Kollektorstrom bei kleiner werdender Kollektor-Emitter-Spannung zu erhalten. Außerhalb des Sättigungsbereichs ist der Kollektorstrom fast unabhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung.

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