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).

• AP1: Im Sperrzustand der Schalterstufe liegt der Arbeitspunkt bei AP1.
• AP2: Beim Wechsel in den leitenden Zustand wandert der Arbeitspunkt von AP1 nach AP2.
• AP3: Wird die Basisspannung und der Basisstrom weiter erhöht, erreicht der Arbeitspunkt AP3, den Bereich der Übersteuerung. Der Übersteuerungsbereich eines Transistors liegt zwischen AP3 und AP4. Hier kann der Transistor einen beliebigen Arbeitspunkt einnehmen.
• AP4: Der Sättigungszustand bei Arbeitspunkt AP4 ist dann erreicht, wenn trotz Erhöhung des Basisstromes die Kollektor-Emitter-Spannung nicht mehr weiter sinkt.

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?

Die Übersteuerung erfolgt im leitenden Zustand. Das bedeutet, an der Basis liegt eine Spannung U_BE und es fließt ein Strom I_B. Der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke ist klein. Die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE ist klein. Das bedeutet, der Transistor ist "durchgesteuert". Wird in diesem Zustand die Spannung U_BE und der Strom I_B weiter erhöht, dann verringert sich der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke. Das bedeutet, die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE sinkt weiter. Irgendwann ist U_CE soweit abgesunken, dass U_CE = U_BE ist. Die Spannung U_CB 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 I_B 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.

Der Sättigungszustand ist erreicht, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors ihren niederohmigsten Zustand erreicht hat. Das passiert dann, wenn die Basisspannung U_BE und der Basisstrom I_B vergrößert wird und der Transistorkristall mit Ladungsträgern überschwemmt ist. Dann unterschreitet die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE den Wert der Basis-Emitter-Spannung U_BE.
Bei der Sättigungsspannung U_CEsat 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.