A1: Die Aufgabe 1 ist Grundlage für alle nachfolgenden Aufgaben und wird von jedem Studenten im Selbststudium erarbeitet.

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1 Wirtschaftsingenieurwesen Grundlagen der Elektronik und Schaltungstechnik Prof. Dr. Ing. Hoffmann Übung 4 Bipolartransistor als Schalter und Verstärker Übung 4: A1: Die Aufgabe 1 ist Grundlage für alle nachfolgenden Aufgaben und wird von jedem Studenten im Selbststudium erarbeitet. 1

2 Aufgabe 1: Transistor in Emitterschaltung Spannungen, Ströme, Kennlinien, Parameter, Ersatzschaltungen a) Skizzieren Sie die Schaltung eines npn-transistors in Emitterschaltung und beschriften Sie alle am Transistor auftretenden Ströme und Spannungen. b) Kennzeichnen Sie das Eingangskennlinienfeld, Ausgangskennlinienfeld, Übertragungskennlinienfeld und das Rückwirkungskennlinienfeld des gegebenen Vierquadrantenkennlinienfeldes. c) Kennzeichnen Sie den Aktiven Bereich, den Übersteuerungsbereich, den Sperrbereich und den Durchbruchbereich im Ausgangskennlinienfeld. Gehen Sie auf die Funktionsweise des Transistors in diesen Arbeitsbereichen ein. d) Tragen Sie den Arbeitspunkt AP1 mit UCE = 16V und ICE = 13mA in allen vier Quadranten ein. e) Skizzieren Sie das Ersatzschaltbild für das Großsignal- und Kleinsignal-Übertragungsverhalten eines Transistors in Emitterschaltung. f) Bestimmen Sie die Großsignal- und die Kleinsignalparameter des Transistors in dem Arbeitspunkt AP1. P tot = 300mW 2

3 Aufgabe 2: Transistoren als Schalter binärer Signale Es soll überprüft werden, ob für die gegebene logische Schaltung folgende Pegelzuordnung gilt: Low: 0V bis 1,3V 0 und High: 2V bis 5V 1 Gegeben: UB = 5V; RB = 20kΩ; RC = 330Ω; B 200; Kennlinienfeld a) Welche logische Funktion realisiert die Schaltung? b) Konstruieren Sie die Arbeitsgerade des Kollektorwiderstandes RC. c) Bestimmen Sie die Ausgangsspannung UA für die Eingangsspannungen UE = 0V, UE = 1,3V; UE = 2V; UE = 5V Hinweis: Diese Aufgabe kann sowohl rechnerisch als auch graphisch gelöst werden. Bei einer rechnerischen Lösung kann für UE >> 0,7V näherungsweise mit UBE = 0,7V gerechnet werden. Die graphische Lösung erfolgt unter Anwendung der Zweipoltheorie auf den Ein- und Ausgangskreis. d) Tragen Sie die resultierenden vier Arbeitspunkte in das Ein- und Ausgangskennlinienfeld ein. e) Gilt die Pegelzuordnung? U E U A

4 Aufgabe 3: Logische Verknüpfung mit Transistoren Die folgende Schaltung realisiert zwei unterschiedliche logische Verknüpfungen, je nachdem, ob man das Ausgangssignal UA1 oder UA2 abgreift. Die Schaltung ist derart dimensioniert, dass folgende Zuordnung von Spannung- und Logikpegel gilt: Low: 0V bis 1,3V 0 und High: 2V bis +U B 1 Wiederholen Sie zunächst, welche Spannung UBE an der Basis des Transistors liegen muss bzw. welcher Basisstrom IB fließen muss, damit die Kollektor-Emitter-Strecke leitend oder gesperrt ist. Stellen Sie für diese beiden Ausgänge jeweils in Abhängigkeit von den Eingangssignalen die Wahrheitstabelle auf und erklären Sie anhand der Schaltung, um welche logische Funktion es sich handelt. U A2 U E1 U E2 U A1 4

5 Aufgabe 4: Transistor als Schalter ohmscher Lasten Die Betriebsdaten der in der Schaltung verwendeten Signallampe im Dauerbetrieb sind mit einer Lampenspannung von 6V und einem typischen Lampenstrom von 5mA angegeben. Befindet sich die Leuchte im eingeschalteten Zustand, besitzt sie einen Betriebs- bzw. Warmwiderstand Rwarm, der das Neunfache des Kaltwiderstandes Rkalt im ausgeschalteten Zustand beträgt. Der verwendete Transistor habe das dargestellte Ausgangskennlinienfeld. a) Tragen Sie die Grenze des linearen Aussteuerbereiches UCB = 0V und IB = 0A in das Ausgangskennlinienfeld ein. Erläutern Sie das Verhalten des Transistors im Sperrbereich und im Übersteuerungsbereich. b) Der Transistor wird mit einem Basisstromsprung von 0 auf 30μA eingeschaltet. Welchen Weg nimmt der Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld vom Zeitpunkt des Einschaltens bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Lampe? Hinweis: Beginnen Sie bei der Lösung mit der Konstruktion der Widerstandsgerade für Rwarm und Rkalt. c) Wie groß muss der Basisstrom mindestens sein, um im eingeschalteten Zustand den Sättigungsbereich zu erreichen? Was geschieht, wenn der Basisstrom kleiner als dieser Mindestwert ist? 5

6 Aufgabe 5: Transistor als NF-Verstärker d) Betrachten Sie nun ausschließlich die Schaltung bei einer Betriebsspannung UB1=5V. Für den Basisstrom soll gelten ib(t)=15μa+10μa sin(ω t). Formulieren Sie analog die Funktion für die Kollektor-Emitter-Spannung uce(t) vor dem Koppelkondensator und für die Ausgangsspannung ua(t) hinter dem Koppelkondensator. Hinweis: Die Funktion und der Sinn der Koppelkondensatoren erschließt sich nach Beantwortung der Frage, wie sich ein Kondensator bei dem Anlegen einer Gleich- und Wechselspannung verhält. In diesem Beispiel kann angenommen werden, dass die Kapazität der Koppelkondensatoren sehr groß gewählt wurde und ihr Wechselstromwiderstand bei der betrachteten Signalfrequenz vernachlässigbar ist. 6