TRA - Grundlagen des Transistors

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1 TRA Grundlagen des Transistors Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl Daniel Flassig Gruppe 87 Aufgabenstellung n diesem Versuch sollen wichtige Eigenschaften des für unsere nformationsgesellschaft vielleicht wichtigesten elektrotechnischen Schaltelements untersucht werden, des Transistors. Aufgebaut aus zwei HalbleiterDioden hat der Transistor drei Stromverbindungen, Kollektor, Emitter und Basis. Auch bei angelegter Spannung fließt nur dann ein nicht minimaler KollektorEmitter Strom, wenn an der Basis eine Spannung angelegt wird. Die Verläufe der einzelnen Ströme in Abhängigkeit der angelegten Spannungen werden Kennlinien des Transistors genannt. Einige Kennlinien sollten mithilfe zweier variabler Spannungsquellen und dreier Multimeter bestimmt werden. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung à Kennlinien und Schaltpläne Bei der Bestimmung der Ausgangskennlinie wird der Basisstrom konstant gehalten, während bei Veränderung der KollektorEmitter Spannung der KollektorStrom gemessen wird. C B CE Figure 1 Die Eingangskennlinie ergibt sich, wenn bei konstanter KollektorEmitter Spannung der Basisstrom in Abhängigkeit der BasisSpannung angetragen wird.

2 TRA, Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl, Daniel Flassig 2 B B CE Figure 2 Die Steuerkennlinie zeigt die Veränderung des KollektorStroms bei KollektorEmitter Spannung und variierter BasisSpannung. C CE B Figure 3 Die Diodenkennlinie schließlich verwendet nur die BasisEmitter Diode und zeigt den Stromfluss in Abhängigkeit der angelegten Spannung, auch in Sperrichtung der Diode gemessen. R = 10 KW B B Figure 4

3 TRA, Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl, Daniel Flassig 3 à Stromechte und Spannungsechte Messungen Bei jeder der oben gezeigten Schaltungen wird sowohl der durch eine Teilschaltung (hier ein einzelner Transistor) fließende Strom, als auch die abfallende Spannung gemessen. Da jedoch ein Strommessgerät einen nicht verschwindenden und ein Spannungsmessgerät nur einen endlichen inneren Widerstand hat, verändert die Messung des Stroms die abfallende Spannung und umgekehrt. Man muss sich daher entscheiden, ob man die Messungen strom oder spannungsecht durchführt. Wie in Figure 1 4 zu sehen, nahmen wir alle Messungen spannungsecht vor. R R R R Stromechte Messung Spannun Figure 5 Bei der Entscheidung für einen Messtyp ist es sinnvoll, eine Modellrechnung mit den Widerständen der verwendeten Messgeräte vorzunehmen und den jeweils entstehenden Fehler abzuschätzen. m diese möglichst realistisch zu gestalten, bedienen wir uns zunächst zweier Messwerte der durchgeführten spannungsechten Messung der Ausgangskennlinie. Es gilt bei Spannungsechter Messung: = ê R bsp = 0.8 V ê 10 MΩ = 0.08 ma also bei dieser Messung (Multimetereinstellung 200 ma) deutlich unterhalb unserer Messgenauigkeit. Oder prozentual ausgedrückt: = 1 R 1 bsp 1 = 10 MΩ 64.5 ma V = % Da die Abweichung so klein ist, können wir dasselbe Wertepaar auch für die Modellrechnung zum Fehler der stromechten Messung verwenden. Bei einer Messung im Bereich 200 ma hat das Multimeter einen inneren Widerstand von 1 W. = R bsp = 1 Ω 64 ma = 64 mv 0.06 V wären bei dieser Messung durchaus am Multimeter abzulesen gewesen (Einstellung: 2V). Prozentual ergibt sich = 1 = 1 R bsp 1 = 8.8 % 0.8 V 1 1 Ω 64.5 ma Also eine viel deutlichere Abweichung als bei der spannungsechten Messung. Daher ist es in unserem Fall günstiger, alle Messungen spannungsecht durchzuführen.

4 TRA, Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl, Daniel Flassig 4 Versuchsauswertung à Ausgangskennlinie n Figure 6 sind die ermittelten Ausgangskennlinien für 0.3, 0.5 und 0.7mA Steuerstrom gezeigt. Ausgangskennlinie B =0.7mA B =0.5mA B =0.3mA Figure 6 Wie in der Praktikumsanleitung beschrieben, ist der aktive Bereich mit dem steilen Kurvenanstieg links im Graphen deutlich von dem Sättigungsbereich zu unterscheiden, in dem C nicht mehr sehr stark mit CE steigt. m sättigungsbereich verhält sich der Transistor also nicht (mehr) als ohm'scher Widerstand. Ausserdem ist in dem Diagramm zu sehen, dass schon mit relativ kleinen Änderungen von B deutliche nterschiede der Ausgangskennlinien erzielt werden können. Für die Stromverstärkung ergeben sich bei CE = 3 V folgende Werte: C ê B Table 1 Die wenigen Messwerte suggerieren ein leichtes Abnehmen der Stromverstärkung mit steigendem Basisstrom. Sie könnten aus einem linearen Zusammenhang hervorgehen, man müsste jedoch deutlich mehr Messungen vornehmen, um eine Aussage über die wahre Relation machen zu können.

5 TRA, Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl, Daniel Flassig 5 à Eingangskennlinie Eingangskennlinie CE =0V CE =3V n diesem Diagramm wird der Basisstrom in Abhängikeit einer variablen Basisspannung betrachtet. Falls die KollektorEmitter Spannung 0 ist, entspricht die Eingangskennlinie genau der Diodenkennlinie. Für diese steht die empirische Formulierung e = S K kt 1O zur Verfügung. Eine grobe Abschätzung (z.b. T < 400 K, > 0.5 V) zeigt, dass der Exponent im Bereich unserer Messwerte (hier 14.5) so groß sein wird, dass die (1) gegenüber dem Exponentialterm vernachlässigt werden kann: e = S kt Bildet man den Logarithmus, so erhält man: Ln@D = a b mit a = e und b = LnH kt SL. Nach dem Logarithmisieren der Stromwerte erhält man folgende Koordinatenpunkte, die visuell sehr gut auf einer Geraden liegen Figure 7

6 TRA, Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl, Daniel Flassig 6 Mit Mathematica berechneten wir die Parameter der Regressionsgerade f HxL = ax b und erhielten: a = ± 0.62 b = ± 0.34 Daraus ergibt sich direkt (Fehler nach Gauß fortgepflanzt): T = e ka = H ± 5.43L K = H44.62 ± 5.43L C S = e b = e Nicht beachtet sind hier mögliche systematische Fehler, die sich z.b. aus einer ungenauen Eichung unserer Messgeräte ergeben könnten. à Steuerkennlinie Steuerkennlinie CE =3V Figure 8 Es ist zu erkennen, dass der Transistor is zu einer bestimmten Basisspannung die KollektorEmitter Strecke sehr gut sperrt. Dann jedoch (bei uns ab ca. 0.5 V) steigt der KollektorStrom schnell sehr stark an. Diese Eigenschaft macht den Transistor als Schaltelement so interessant.

7 TRA, Anfängerpraktikum 1, 2006 Janina Fiehl, Daniel Flassig 7 à Diodenkennlinie Figure 9 Der positive Zweig der Diodenkennlinie entspricht genau der Eingangskennlinie für eine KollektorEmitter Spannung von 0V (siehe oben). Der negative Zweig hingegen zeigt den Sperrstrom bei gegebener Spannung an. Dieser bleibt über einen großen Spannungsbereich unterhalb unserer Messgenauigkeit, erst bei 5.2V konnten wir ihn nachweisen. Dann jedoch kommt es sehr bald zu einem Lawineneffekt und bei 6.12V lässt sich ein relativ großer Sperrstrom erreichen. st kein starker Widerstand (bei uns 10KW) in Reihe geschaltet, so kann es an dieser Stelle schnell zum "Durchbrennen" der Diode kommen. Referenzen [A] Praktikumsanleitung