PHYSIKALISCHES PRAKTIKUM FÜR ANFÄNGER LGyGe

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1 PHYSIKALISHES PRAKTIKM FÜR ANFÄNGER LGyGe Versuch: E 8 - Transistor 1. Grundlagen pnp- bzw. npn-übergang; Ströme im und Spannungen am Transistor, insbesondere Strom- und Spannungsverstärkung; Grundschaltungen, insbesondere Emitterschaltung; 4-Quadranten-Kennlinienfeld; Arbeitspunkt (Arbeitsgerade). Zusätzlich: Grundlagen zu Halbleitern (siehe E1 und E7): nterschied zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren, Dotierung von Halbleitern (Eigen- und Fremdleitung, Donatoren und Akzeptoren), pn-übergang mit und ohne angelegter Spannung (Funktionsweise Diode, Kennlinie). Literatur P. A. Tipler Physik Kap. Dotierte Halbleiter und Anwendungen Eichler, Krohnfeld, Sahm: Das neue physikalische Grundpraktikum, Kap. Transistoren W. Walcher: Praktikum der Physik, Kap. Aktive elektronische auelemente;. Tietze, h. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik

2 2. Experiment Geräte: 2 Spannungsquellen, 1 Funktionsgenerator, 1 Oszilloskop, (Hameg) 1 XY-Schreiber, 1 Digitalvoltmeter, bzw. Vielfachmessgerät Transistor D 139 und ggf. D 130, Widerstände (5,1 Ω, 10 Ω, 20 Ω, 51 Ω, 200 Ω, 470 Ω, 1 kω, 1,5 kω, 2 kω, 4,7 kω), Kondensator, 1µF und 100pF Potentiometer Steckbrett. 2.1) auen Sie folgende Schaltung auf: Helipot. 1 kω I = R 1 kω I 10 Ω I I = R Versorgungsspannung 5 V Strombegrenzung 0,41A E E Versorgungsspannung 10 V Strombegrenzung 0,8A Abb: Schaltung zur Aufnahme der Transistorkennlinien in Emitterschaltung. egrenzen Sie den Kollektorstrom des Transistors D139 auf 100 ma. 2.2) Kennlinienfeld: Machen Sie sich mit dem XY-Schreiber vertraut. Nehmen Sie mit Hilfe des XY- Schreibers das 4-Quadranten- Kennlinienfeld des Transistors auf. (Eingangskennlinien E zu E können aufgrund zu niedriger Eingangsimpedanz des XY-Schreibers verändert sein und müssen nicht unbedingt gemessen werden). Überlegen Sie insbesondere, wie Steuerkennlinie ( E =10V) - der Transistor vor Überlastung geschützt wird und - die Parameter konstant gehalten werden (insbesondere die Ströme). Da die Eingänge des Schreibers nicht ganz erdfrei sind, verzichten Sie auf eine Anbindung der Schaltung an das Erdpotential. I I Ausgangskennlinie (Parameter ist I oder E ) E Eingangskennlinie ( E =10V) E 4-Quadranten-Kennlinienfeld

3 2.3) Kleinspannungs-Verstärkung Wählen Sie einen Kollektorwiderstand kleiner als 1 kω. Überlegen Sie welchen I Sie maximal noch in Ihr Quadrantenfeld einzeichnen können und bemessen Sie danach R. Zeichnen Sie den daraus resultierenden Stromspannungsverlauf in die Ausgangskennlinie ein (Widerstandsgerade!). Die maximale Verlustleistung des Transistors beträgt etwa 12 Watt. Wo würde die Verlustleistungshyperbel im Kennlinienfeld von E /I in etwa liegen. Legen Sie nun den Arbeitspunkt der asis fest, indem Sie eine Wechselspannung (Funktionsgenerator) direkt an der asis über 1 µf einkoppeln: - Variieren Sie hierzu die asisspannung und beobachten Sie das verstärkte Signal am Oszilloskop. Ist die asisspannung zu klein gewählt wird der untere Teil des Eingangssignals abgeschnitten (Schwelle der Diodenkennlinie). ei zu hoher asisspannung erreicht man den nichtlinearen Teil der Steuerkennlinie (Verzerrung des Ausgangssignals). - Wählen Sie einen sinnvollen Kompromiss für die asisspannung. Die asis-emitterspannung sollte etwa 0,64 bis 0,74Volt betragen. Kontrollieren Sie diese mit einem Vielfachmessgerät oder einem Digitalvoltmeter. ei der Messung der Verstärkung kann das Digitalmultimeter stören, somit entfernen Sie dieses wieder. Welche max. Wechselspannungsamplitude können Sie an der asis einkoppeln, um unverzerrt die verstärkte Wechselspannung am Kollektor abgreifen zu können? eachten Sie die Größe des Eingangssignals bei einer möglichen Spannungsverstärkung von > 100. eobachten Sie auf dem Oszilloskop die Ein- und Ausgangsspannung gleichzeitig. Achtung: emerkung: Abhilfe: die rote uchse des N-Adapters ist der Signaleingang!!! Transistorschaltungen schwingen manchmal Kleiner Kondensator 100 pf zwischen Kollektor und Emitter 2.4) Verwenden Sie einen zweiten Widerstand am Emitter. ehalten Sie den Widerstand R =1 kω in der Schaltung. Wodurch ist jetzt die Spannungsverstärkung festgelegt? Variieren Sie Emitter- und Kollektorwiderstand (8 Variationen). Varieren Sie den Arbeitspunkt und die Wechselspannung in Form und Größe (Dreieck, Rechteck).

4 Hinweise: Haben Sie Probleme mit der Signalverstärkung, kontrollieren Sie ff. Punkte: a) Eingekoppeltes Signal sollte < 50 mv sein. b) Einkoppelung muß direkt an der asis erfolgen. c) Kontrollieren Sie das an der asis liegende Signal. d) Kontrollieren Sie den Arbeitspunkt der asis mittels eines Digitalmultimeters. e) Das Digitalmultimeter muss ggf. bei der Signalverstärkung entfernt werden. f) Koppeln Sie an der richtigen Stelle aus? g) etreiben sie Ihren Oszillographen in D- oder A-Stellung. In manchen Fällen weicht das Eingangssignal und das Ausgangssignal stark von einem sinusförmigen Signal ab. Was ist die rsache für diesen Effekt? 3. Auswertung Interpretieren Sie den Verlauf der Kennlinien im Vierquadrantenkennlinienfeld. estimmen Sie aus der I /I Kennlinie die maximale Stromverstärkung Welche maximale Spannungsverstärkung können Sie erreichen? Vergleichen Sie die aus den Kennlinienfeldern grafisch bestimmte Spannungsverstärkung mit der gemessenen Spannungsverstärkung. Vergleichen Sie die gemessene Kleinsignalverstärkung bei Verwendung der unterschiedlichen Emitter- und Kollektorwiderstände mit der berechneten Verstärkung.

5 4. Anlage: Kleinsignal-Verstärkung R I 2 R E E da der asisstrom etwa 50-mal kleiner ist als I : E I R E (1) E = I R E (2) 2 = E + E (3) Da 2 =const. folgt aus (3): E = E (4) Aus (2) und (4) folgt: E = I R E (5) = + I R (6) = - I R = - I R (7) Die Verstärkung in obiger Schaltung ist gegeben durch: I R R V D = = = I R R E E E