Wann ist ein Transistor in der Sättigung?

[Lupin III.]

Ich habe ein kleines Verständnisproblem. Am besten erkläre ich die Frage anhand eines Beispiels.

Ich habe einen Transistor mit Verstärkungsfaktor hfe = 100. Emitter hängt an Masse, Kollektor über RL = 200 Ohm an 10V. Als Basisstrom nehme ich 1mA an.

Das heißt: auch wenn der Transistor gar nicht da wäre könnten schon mal höchstens 50mA durch RL fließen. Der Transistor würde bei einem Basisstrom von 1mA 100mA Kollektorstrom zulassen, wird aber durch RL begrenzt. Ist der Transistor in so einer Schaltung voll durchgeschalten und fällt beinahe die gesamte Spannung an RL ab? Ist die Bezeichnung dafür ein in der Sättigung betriebener Transistor? Wenn RL nur 50 Ohm wäre, wäre er dann nicht mehr in der Sättigung?

[kalledom]

Hallo Lupin III.,
ein Transistor gilt dann als übersteuert, wenn der Basisstrom größer ist als es zum Durchschalten des Transistors nötig wäre.
Wenn ein Transistor z.B. einen maximalen Strom von 0,1 A und einen Verstärkungsfaktor hfe als schlechtesten Wert = 100 hat, würde ein Basisstrom von 0,1 A / 100 = 0,001 A = 1 mA vollkommen ausreichen, um den Transistor "durchzuschalten".
Wenn ein Basisstrom von 10 mA gewählt würde, wäre dieser Transistor übersteuert.
Um diesen Transistor schnell und sicher durchzuschalten würde ich 2 mA als Basisstrom wählen. Damit wäre an der Collektor-Emitter-Strecke auch der geringstmögliche Spannungsabfall.
Bei zu geringem Basis-Strom würde der Transistor nicht mehr richtig durchschalten. An seiner Collektor-Emitter-Strecke würde eine höhere Spannung abfallen, was eine höhere Verlustleistung ... mehr Wärme ... evtl. Zerstörung bedeutet.
In Zweifelsfällen oder kritischen Schaltungen setze ich vorsichthalber Darlington-Transistoren ein.

[Lupin III.]

Ich habe jetzt versucht das mit dem Datenblatt eines BC337 (in dem Fall das von Motorola und KEC, haben die brauchbarsten Graphen) nachzuvollziehen und hoffe das richtig verstanden zu haben.

Das heißt also, wenn mein Transistor (Werte sind frei erfunden; jegliche Ähnlichkeit zu existierenden Transistoren ist rein zufällig und unbeabsichtigt ) im obigen Beispiel

a) einen Kollektorstrom von 800mA aushalten würde
b) der Basisstrom von 1mA wegen hfe = 100 aber nur 100mA zulassen würde
c) der Kollektorstrom aber schon allein durch die äußere Beschaltung 50mA nicht übersteigen kann

dürfte er schon fast keinen Spannungsabfall mehr verursachen.

Das lese ich zumindest aus dem Graphen "Saturation Voltage" im Datenblatt. IC = 50mA Linie gibt es keine, aber bei IC = 100mA und IB = 1mA zeigt ist ein VCE von 0,15 Volt abzulesen, bei wären es also noch weniger.

Ich glaube das war mein Denkfehler bis hierher. Irgendetwas hat mir gefehlt oder ich habe aus der falschen Richtung drauf geschaut. Ich habe immer den Kollektorstrom übersehen. Sättigung ist also eigentlich wenn IC/IB kleiner als hFE ist, der Transistor also nicht mehr verstärkt. Und um richtig zu "durch" zu schalten sollte IC/IB besser sogar nur 1/4 oder 1/5 von hFE sein. Zumindest ist da in den Graphen VCE meist unter 0,1V.

Wenn der letzte Absatz richtig ist, dann hat's tatsächlich Klick bei mir gemacht. Oder ist meine Richtung das zu sehen jetzt die falsche?

[Stromus]

Wenn ein Transistor z.B. einen maximalen Strom von 0,1 A und einen Verstärkungsfaktor hfe als schlechtesten Wert = 100 hat, würde ein Basisstrom von 0,1 A / 100 = 0,001 A = 1 mA vollkommen ausreichen, um den Transistor "durchzuschalten".

Negativ. Hängt davon ab, welche Spannung am Kollektor anliegt. Bei der Dimensionierung Ib = Ic/hfe ist derTransistor bestrebt, den abverlangten Kollektrostrom zu liefern. Wenn die Betriebsspannung steigen würde (bei diesem Ib = 1mA = konstant), so würde der Transistor unwesentlich mehr Ic liefern (die Kennlinie ist nicht parallel zu der X-Achse --> Early-Effekt), dafür steigt aber sein Uce und er arbeitet im aktiven Bereich. Wenn die Betriebsspannung sinken würde (weiterhin Ib = 1mA = konstant), so würde die Uce weiter sinken --> der Transistor "will" den Ic liefern und öffnet entsprchend mehr. Wird die Sättigungsgrenze (etwa 0,7...0,9V)unterschritten, so nimmt Ic ab und Uce bewegt sich in Richtung 0V.

@Lupin

Durch den Kollektorwiderstand wird der Transistor quasi behindert den Kollktrostrom zu liefern, der durch hfe möglich wäre. Wichtig ist, dass der Schnitt der Arbeitsgerade mit der Kennlinie des Transistors, die dem jeweiligen Basisstrom entspricht, sich unterhalb des Knickpunktes (die 0,7...0,9 oder sogar 1,2V bei Leistungstransistoren) der Transistorkennlinie befindet. Je weiter unterhalb, desto tiefer die Sättigung. Ist hfe = 100, so ist eine sichere Sättigung für Ic/Ib = 20...50 anzunehmen

[kalledom]

Hallo Lupin III.,
ja, so ist es :-)

... um richtig zu "durch" zu schalten sollte IC/IB besser sogar nur 1/4 oder 1/5 von hFE sein ...

Bei Stromfluß bleibt IMMER an der Collektor-Emitter-Strecke ein kleiner Spannungsabfall, der mit dem fließenden Strom multipliziert eine Verlustleistung ergibt. Bei 0,5 V * 1 A sind das immerhin schon 0,5 W, was einen Kühlkörper erforderlich machen könnte.