Die Raffinesse der Transistorenüberprüfung

Transistoren bzw. elektronische Halbleiter-Bauelemente unterliegen einer zunehmenden Miniaturisierung.

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste aktive Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Dieses Halbleiter-Elektronikelement mit drei oder oft auch vier Elektroden (Kontakten) besitzt die Fähigkeit, ein elektrisches Signal zu verstärken und kann weiters als Stromsteuergerät im Stromkreis fungieren.

Ein Meilenstein in der Entwicklung von Transistoren war der Umstand, dass ein Ersatz großer und energieaufwändiger Elektronenröhren durch Miniaturelemente stattfand. Heute werden sie teilweise in Nanometergrößen hergestellt wie dies bei Computer-Mikroprozessoren der Fall ist.

Die rasante Entwicklung der Transistoren hat auch dazu geführt, dass Testmethoden zwecks einer Überprüfung ihrer ordnungsgemäßen Funktion angepasst wurden.

Klassifizierung der Transistoren

Transistoren werden nach mehreren Kriterien klassifiziert, wobei im Folgenden die wichtigsten Typologien genannt werden:
• bipolare und unipolare Transistoren
• Transistoren aus Germanium, Silizium und unter Verwendung anderer Stoffe für die Hochfrequenztechnik hergestellt (Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Galliumarsenid)
• Transistoren mit niedriger oder hoher Leistung und gleichzeitig niedriger oder hoher Frequenz.

Die letzten beiden Klassifizierungen betreffen die zur Herstellung der Transistoren verwendeten Materialien und die grundlegenden Parameter. Entscheidender ist jedoch die im ersten Punkt beschriebene Systematik, denn diese Typologie ist entscheidend, da sie eigentlich zwei Grundtypen von Transistoren beschreibt – und zwar die, die sich in ihrem Funktionsprinzip unterscheiden: unipolare (Feldeffekttransistoren) und bipolare Transistoren. Selbstredend gibt es innerhalb jedes dieser Typen zusätzliche Untertypen von Transistoren (MOSFET, JFET, IGBT usw.), aber das grundlegende Funktionsprinzip haben sie gemein.

Unterschiede bei Transistoren

Feldeffekttransistoren zeichnen sich dadurch aus, dass der Strom durch einen Halbleiter mit einer Leitfähigkeitsart fließt. Im Detail bedeutet das, dass der Ausgangsstrom eine Funktion der Steuerspannung ist. Das Funktionsprinzip ist einfach: Der Halbleiter ist mit zwei Elektroden ausgestattet: Source S und Drain D – zwischen denen der Strom fließt (der sogenannte Kanal). Entlang dieses verläuft eine zusätzliche dritte Elektrode (G-Gate), die unter dem Einfluss der angelegten Spannung die Leitfähigkeit des Kanals verändert und damit den fließenden Strom beeinflusst. Auf diese einfache Weise ermöglicht der Feldeffekttransistor die Steuerung des Stroms innerhalb einer bestimmten Schaltung.

Bipolartransistoren haben eine kompliziertere Struktur. Sie bestehen aus drei Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit: n oder p (n: negativ; p: positiv). Die Anordnung dieser drei unterschiedlich leitenden Schichten kann die Reihenfolge npn oder pnp haben. Unabhängig davon, um welche Schicht es sich handelt, werden die E-(Emitter), B-(Basis) und C-(Kollektor)Schichten immer unterschieden. Das Funktionsprinzip dieser Transistoren besteht darin, einen „kleinen Strom“ zu verwenden, der zwischen der Basis und dem Emitter fließt, um den „größeren Strom“ zu steuern, der wiederum zwischen dem Kollektor und dem Emitter fließt. Wenn die Gleichspannung zwischen den Anschlüssen des Transistors so fließt, dass sich an der Klemme p ein Pluspol und an der Klemme n ein Minuspol befindet, erhält man einen Stromfluss und eine Art offenes Gate. Bei umgekehrter Polarität schließt das Gate aufgrund des hohen Widerstandes und der Stromfluss wird verhindert.

Einsatz der Transistoren

Aufgrund ihrer verstärkenden Eigenschaften werden Transistoren unter anderem in beim Bau aller Arten von Verstärkern eingesetzt. Sie sind das grundlegende Strukturelement einer Vielzahl elektronischer Schaltungen, wie z.B. Stromquellen, Generatoren, Stabilisatoren oder auch elektronische Schlüssel, die im Bau von Logikgattern eingesetzt wurden. Daher kommt es der am häufigsten bekannten Anwendung von Transistoren beim Bau von Halbleiter-RAM- und ROM-Speichern, d. h. Mikroprozessoren, nahe. Ihre Umsetzung wäre ohne die Integrationstechnik (integrierte Schaltungen) nicht möglich, deren Verwendung bereits weit verbreitet ist.

Wie überprüfe ich den Transistor? Testmethoden für einen ordnungsgemäßen Betrieb

Um die korrekte Funktion eines Transistors zu überprüfen, kann man derzeit eine der beiden beliebtesten Methoden verwenden: man kann ihn mit einem klassischen Multimeter überprüfen oder speziell entwickelte Tester verwenden, die verschiedene elektronische Komponenten testen, unter anderem Transistoren. Mit diesen Methoden sollte der Transistor aus der Schaltung ausgelötet und von der Leiterplatte entfernt werden, obwohl, diese Bauteile auch ohne diese Notwendigkeit getestet werden können.

Ein so genannter Bipolartransistortest kann entweder durch Umschalten des Multimeters in den Ohmmeter-Modus (Widerstandstest) oder durch den Diodentest durchgeführt werden; im ersteren Fall sollte die Grenze auf 2 kOhm eingestellt werden. Im nächsten Schritt ist festzustellen, ob es sich um einen npn- oder einen pnp-Transistor handelt – dabei kann die technische Dokumentation helfen. Angenommen, es liegt ein pnp-Typ vor und man testet im Ohmmeter-Modus, geht man wie folgt vor:
• Die negative Multimeter-Sonde wird an den Basisausgang (normalerweise eine schwarze Sonde) und die positive (rote) Sonde zuerst an den Kollektor und dann an den Emitter angeschlossen. Das Erhalten eines Wertes im Bereich ~ 500 -1.500 Ohm bestätigt den korrekten Betrieb des Transistors.
• Die rote Sonde wird mit der Basis verbunden und die schwarze Sonde wird auf den Kollektor und einmal auf den Emitter gelegt. Für einen ordnungsgemäß funktionierenden Transistor sollte das Multimeter anzeigen, dass der gemessene Wert außerhalb des angegebenen Bereichs liegt.
• Sowohl die positive als auch die negative Sonde berühren die Pins des Transistors, die dem Kollektor und dem Emitter entsprechen. Das Messergebnis sollte 1 sein, unabhängig davon, ob wir eine positive oder negative Sonde angewendet haben.
• Man testet den Widerstand von mindestens einem der Übergänge in beide Richtungen. Das Erhalten eines Ergebnisses von 1 in beide Richtungen, was den gegen unendlich gehenden Widerstand bezeichnet, bestätigt den Ausfall des Transistors. Das Ergebnis wird als gleich null oder fast null interpretiert.

Ein weiteres Beispiel

Angenommen, unser Transistor ist der npn-Typ und man geht davon aus, den Diodentest zu verwenden (da dieser Transistortyp einem System mit zwei parallelen Dioden ähnelt), müsste man zuerst das Multimeter in die entsprechende Position schalten, dann die rote Diode mit der Basis verbinden und die schwarze zum Emitter. Nach diesem Vorgang sollte das Messgerät auf seinem Display einen bestimmten Gleichspannungswert anzeigen, der mit den Daten in der technischen Dokumentation des getesteten Transistors verglichen werden sollte, denn es geht darum zu prüfen, ob der erhaltene Messwert im Bereich zwischen dem vom Bauteilhersteller angegebenen Minimum und Maximum liegt. Wenn dies der Fall ist, gehen wir vom korrekten Betrieb des Transistors aus.

Zusätzlich zu den obigen Tests für die korrekte Funktion des Transistors kann man auch versuchen, die Amplifikation, d. h. die mit dem Symbol h21 gekennzeichnete Stromverstärkung zu bestimmen, aber dafür muss das Messgerät mit einer speziellen Buchse ausgestattet sein, um solche Elemente zu testen. In diesem Fall wird das Gerät in den hFE-Modus geschalten, die Transistoranschlüsse gesteckt (in die mit den Symbolen B, E und C entsprechend gekennzeichneten Buchsen (Basis, Emitter, Kollektor)) und dann der gemessene DC-Verstärkungswert vom LCD-Bildschirm abgelesen.

MOSFET- und JFET-Transistoren

Eine Herausforderung stellen Feldeffekttransistoren vom MOSFET-Typ dar. In diesem Fall stellt man das Messgerät auch auf die Position Diodentest und führt dann die folgende Sequenz aus:
• positive Sonde zum Drain, negativ zum Gate (ca. 2 Sekunden lang)
• negative Sonde zur Source (für ca. 2 Sekunden)
• negative Sonde zum Drain, positiv zum Gate
• positive Sonde zur Source

Nach dieser Kombination sollte beim letzten Anschließen der roten Sonde an die Source (nicht vorher) ein Messwert auf dem Bildschirm des Multimeters erscheinen. Wenn bei früheren Verbindungen Messwerte auftraten, würde daraus geschlossen, dass der Transistor beschädigt ist. Dies liegt an einer einfachen Tatsache: Das Gate sollte von den anderen Systemen isoliert sein und bei solchen Kombinationen sollte nichts angezeigt werden.

Bei JFET-Transistoren ist das noch anders. Wenn man sie testen möchte, müsste man daran denken, dass sie zwischen Drain und Source einen geringen Widerstand haben und weiters der Kanal dieser Transistoren unter dem Einfluss der angelegten Spannung geschlossen ist. Wenn man also immer noch einen Durchschlag registriert bedeutet das, dass ein solcher Transistor durch einen neuen ersetzt werden muss, da das getestete Exemplar mit hoher Wahrscheinlichkeit defekt ist. Erwähnenswert ist, dass unipolare (Feldeffekt-)Transistoren Elemente sind, die gegenüber statischer Elektrizität empfindlich sind. Eine unachtsame oder mangelhafte Messung kann daher ein zuvor funktionsfähiges Bauteil beschädigen. Dies gilt umso mehr für IGBTs.

Prüfung von Transistoren mit Testgeräten für elektronische Bauteile

Multifunktionstester für elektronische Komponenten sind kleine Geräte, die klassischen Multimetern ähneln, aber ihre Spezialität ist das Testen von Transistoren, Widerständen, Kondensatoren, Dioden und vielen anderen Elementen, die in der konventionellen Elektronik verwendet werden. Sie können Spannung, Widerstand und verschiedene andere Parameter messen und die gemessenen Parameter auf ihren Displays darstellen. Sie werden normalerweise mit einer Batterie betrieben (meistens 9 V oder 12 V), zeichnen sich durch eine hohe Automatisierung des Betriebs aus, haben spezielle Anschlussbuchsen an der Vorderseite, was ihre Verwendung sehr einfach macht. Manche haben statt der Buchsen für die Füße der getesteten Elemente klassische Sonden, aber auch in ihrem Fall läuft alles automatisch. Es reicht aus, eine beliebige Sonde an einen beliebigen Fuß anzulegen, und der Tester identifiziert automatisch alle Pins, erkennt den Typ des Halbleiterübergangs, bestimmt den Typ des Transistors und testet die Durchlassspannung, die Abschaltspannung (für MOSFET-Transistoren), den Leckstrom, die Schwellenspannung, den Widerstand oder misst die Stromverstärkung.

Wie überprüft man den Transistor ohne Entlöten?

Die Überprüfung der Funktion des Transistors, ohne ihn aus dem System auszulöten, ist sehr mühsam und birgt ein hohes Fehlerrisiko, da das Messergebnis durch andere Elemente im System beeinflusst werden kann. Damit ein solcher Test zuverlässig ist, ist es wichtig, das Schema des Systems und die Spezifität seiner einzelnen Elemente und ihrer Wechselwirkungen zu kennen. Es gibt jedoch Geräte auf dem Markt, die eine Funktion haben, die es ermöglicht, die korrekte Funktion von Transistoren zu überprüfen, ohne sie entlöten zu müssen. Dies können beispielsweise Oszilloskope mit Komponententesterfunktion der Marke Rohde&Schwarz sein. Wichtig ist, dass man in der technischen Dokumentation dieser Zähler Diagramme findet, die die ordnungsgemäße Funktion ausgewählter Komponenten zeigen.

Natürlich ist die Anschaffung eines Oszilloskops mit Komponententestfunktion mit einem erheblichen Aufwand verbunden, aber bei professionellen Servicestellen ist das eine hervorragende Investition, denn die Komponententestfunktion ermöglicht einen schnellen Kennlinienvergleich von Geräten, deren Leistungsfähigkeit wir gegen die Eigenschaften der Reparaturbedürftigen nicht beanstanden. Sie sind ideale Diagnosewerkzeuge, die den Zeitaufwand für Reparaturen erheblich reduzieren.

Wie prüft man einen Transistor mit einem Multimeter aus dem Angebot von TME?

Unter Verwendung des TME-Katalogs in der Produktkategorie „Tragbare Digitalmultimeter“ lohnt sich der Einsatz des Filters „Transistortest“. Man erhält eine Liste dieser Modelle, mit denen man den Transistor sowohl mit klassischen Sonden als auch mit speziellen Pin-Slots testen kann, die mit pnp- und npn-Transistoren zusammenarbeiten. Hier findet man die Produkte von Marken wie unter anderem Peaktech, B&K Precision, Axiomet oder Uni-T. Alle ausgewählten Modelle sind kompakte Geräte, ausgestattet mit beleuchteten Flüssigkristallanzeigen, mehreren Buchsen und einem übersichtlichen Hauptdrehrad zur Wahl der Betriebsart. Die meisten von ihnen werden zudem durch Abdeckungen aus strapazierfähigen und stoßabsorbierenden Kunststoffen geschützt, um ihre Lebensdauer zu erhöhen.