Demonstrationsexperiment WS 2009/2010. Transistor als Verstärker

Transkript

1 Sarah Zinke Demonstrationsexperiment WS 2009/2010 Thema: Transistor als Verstärker 1. Versuchsbeschreibung 1.1 Materialliste ein Transistor 2N3055 (npn-transistor) ein Widerstand 220Ω ein Potentiometer 10k Ω ein LDR-Fotowiderstand (LDR TO 18) ein Stelltrafo ein Netzgerät ein Lautsprecher ein Streckbrett ein Rahmen für das Steckbrett 9 Verbindungskabel (3x rot, 3x blau, 2x grün, 1x gelb) 1.2 Schaltplan Dieser Schaltplan wird für beide Versuchsteile verwendet: Der Potentiometer (genutzt als Spannungsteiler) ist mit dem LDR-Fotowiderstand (lichtabhängiger Widerstand) in Reihe geschaltet. Der npn-transistor wird in zwei Stromkreisen verschaltet. Der Basis-Stromkreis geht vom Emitter über den pn-übergang zur Basis, wohingegen der Kollektor-Stromkreis über den np- und pn-übergang vom Emitter zum Kollektor führt. 1.3 Versuchsdurchführung Anhand des Schaltplans wird die Schaltung auf das Steckbrett aufgebaut. Dieses wird dann in den für das Steckbrett vorgesehenen senkrecht stehenden Rahmen eingespannt. Anschließend wird das Netzgerät eingeschaltet (Kollektorspannung U=7,2V). 1. Versuchsteil: Wenn man mit einer kleinen Lampe den LDR-Fotowiderstand beleuchtet, so hört man ein Signal aus dem Lautsprecher. Entsprechend ertönt bei fehlender Beleuchtung kein Signal. Dies liegt daran, dass der Widerstandswert des LDR-Fotowiderstandes den Basisstrom steuert und deshalb bei Beleuchtung der Basis- und Kollektorstrom ansteigen bzw. bei Dunkelheit der Basisstrom zu klein ist, um den Transistor leitend zu machen. 1

2 2. Versuchsteil: Durch Erhöhung der Spannung am Stelltrafo wird das (lauter werdende) Netzbrummen des Stelltrafos am Lautsprecher hörbar. Hierbei wird der Basisstrom dem Transistor zugeführt, welcher dann einen verstärkten Kollektorstrom bewirkt. Der größere Kollektorstrom erzeugt am Lautsprecher das verstärkte Netzbrummen des Stelltrafos. Die Verstärkung beruht auf der Tatsache, dass eine geringe Änderung des Basisstroms eine viel größere Veränderung des Kollektorstroms des Transistors verursacht. Bei Erniedrigung der Spannung am Stelltrafo nimmt die Lautstärke dieses Netzbrummens nach und nach ab und verstummt letztendlich bei einer angelegten Spannung (zwischen Emitter und Basis) von 0V. 2. Lernvoraussetzungen (1) Die Schüler sollen mit den Grundlagen der Elektrik und Elektronik vertraut sein. (2) Die Schüler sollen in der Lage sein, eine Schaltung zu lesen und zu verstehen. (3) Die Schüler sollen den LDR-Fotowiderstand als Bauelement bereits kennen gelernt haben und wissen, dass dessen Widerstandswert von Helligkeit bzw. Dunkelheit abhängig ist. (4) Die Schüler sollen den Transistor als ein Halbleiterbauelement bereits kennen. (5) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor aus drei verschieden dotierten Schichten besteht und je nach Schichtenfolge ein npn- oder ein pnp-transistor vorliegt. (6) Die Schüler sollen die Bezeichnungen Emitter, Kollektor und Basis, die für die einzelnen Schichten stehen, kennen. (7) Die Schüler sollen wissen, dass an Leitungsvorgängen im Transistor Elektronen und Defektelektronen (Löcher) beteiligt sind. (8) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor in zwei Stromkreisen verschaltet wird, dem Basis- und dem Kollektor-Stromkreis. 3. Lernziele 3.1 Grobziel Die Schüler sollen wissen, dass mit einem Transistor Spannungs- und Stromsignale verstärkt werden können. Sie sollen verstehen, dass eine Verstärkung bei einer geringen Änderung der Spannung im Basis-Stromkreis, welche zu einer größeren Veränderung des Kollektorstroms führt, auftritt. 3.2 Feinziele (1) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor bei Beleuchtung des LDR-Fotowiderstandes durchgeschaltet wird und so ein Signal am Lautsprecher hörbar ist. (2) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor beim Abdunkeln des LDR-Fotowiderstandes sperrt und somit kein Signal aus dem Lautsprecher zu hören ist. (3) Die Schüler sollten in der Lage sein zu erkennen, dass der Widerstandswert des LDR- Fotowiderstandes den Basisstrom steuert. (4) Die Schüler sollen verstehen, dass durch den Lichteinfall auf den LDR-Fotowiderstand der Basisstrom zunimmt und den Transistor durchschaltet, woraus ein größerer Kollektorstrom resultiert, welcher das Signal am Lautsprecher erzeugt. Weiterhin sollen sie sich erschließen können, dass wenn kein Licht auf den LDR-Fotowiderstand fällt, der Basisstrom zu klein ist, um den Transistor leitend zu machen. (5) Die Schüler sollen verstehen, dass bei Erhöhung der Spannung am Stelltrafo das Netzbrummen des Stelltrafos verstärkt wird und somit am Lautsprecher zu hören ist. (6) Sie sollen erklären können, dass der Basisstrom dem Transistor zugeführt wird, welcher dann einen verstärkten Kollektorstrom bewirkt. Der größere Kollektorstrom erzeugt am Lautsprecher das verstärkte Brummen des Stelltrafos. 2

3 (7) Die Schüler sollen den Prozess der Verstärkung (geringe Änderung des Basisstroms bewirkt eine viel größere Veränderung des Kollektorstroms) anhand der zwei vorgeführten Versuchsteile erklären können. 4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtssthema Das Thema Transistor als Verstärker ist in den Profilbereich der 9.Jahrgangsstufe (Bereich: Halbleiter und Mikroelektronik) des naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums einzuordnen. 5. Experimentelle Alternativen Anstelle des Lautsprechers ist es möglich einen Hörer zu verwenden, wobei sich dies beim Demonstrationsexperiment als nachteilig erweisen könnte, da nicht alle Schüler die Veränderungen der Signallautstärke hören können, sondern jeweils nur einer. Anstatt des LDR-Fotowiderstandes ist es auch möglich eine Fotodiode in den Stromkreis einzubauen, die ebenfalls das sichtbare Licht in einen elektrischen Strom umwandelt, der nach Verstärkung ein Signal am Lautsprecher hörbar werden lässt. Auch ist es möglich akkustische Signale zu verstärken. Baut man zum Beispiel ein Mikrofon oder einen ipod in einen modifizierten Schaltkreis ein, so kann man auch diese Signale verstärken, was sich positiv auf das Interesse der Schüler auswirken würde. Dieser Schaltplan müsste dann anstelle des 220Ω-Widerstandes einen Kondensator und statt des LDR- Fotowiderstandes einen Widerstand enthalten. Das Mikrofon bzw. der ipod würde dann an die Stelle des Stelltrafos eingebaut werden. 6. Mögliche und notwendige Modifikation des Demonstrationsexperimentes beim Einsatz als Schülerversuch Den Versuch Transistor als Verstärker kann man am Ende einer Unterrichtsreihe zum Halbleiter vorführen. Mit dem Versuch ist es möglich eine praktische Anwendung des Transistors darzustellen. Zum einen kann der Lehrer den Versuch der Klasse zeigen, zum anderen ist es aber auch möglich die Schüler im Rahmen einer Schülerübung in Kleingruppen oder Partnerarbeit mit einzubeziehen. Hierfür ist es eine gute Motivation einen Aufbau zu wählen, der eine Verbindung zum alltäglichen Leben der Schüler knüpft. Zum Beispiel können die Schüler anhand einer Anleitung des Lehrers einen Verstärker für einen ipod bauen. 7. Unterrichtsverfahren Hier wurde das Normalverfahren als Unterrichtsverfahren gewählt. 7.1 Sozialformen Die gewählte Sozialform ist ein Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment. 7.2 Lehr- und Lernformen Die Lehrform ist darbietend (Vorführung des Versuches durch den Lehrer, Tafelanschrift). Als Lernformen wurden die entdeckende (Schüler beobachten den Versuch) und antwortenderarbeitende Lernform gewählt. 3

4 7.3 Motivations-/Einstiegssituation Als Einstiegssituation bietet es sich an, die Freizeit der Schüler mit deren Schulleben zu verbinden. Hierfür kann man sie bitten, für eine bestimmte Problemsituation eine Lösung zu finden. Diese Situation könnte zum Beispiel lauten: Du bist auf einer Party. Leider ist dort keine Musikanlage vorhanden, sondern lediglich ein ipod. Was kannst du unternehmen, dass alle Partygäste die Musik hören können und nicht nur der Besitzer des ipods? Die Antwort der Klasse würde im idealtypischen Fall lauten, dass das Signal des ipods verstärkt werden müsste und über einen Lautsprecher für alle hörbar gemacht werden könnte. Da der Transistor als Schalter bereits bekannt ist, wird es für die Schülern kein großes Problem darstellen, den möglichen Einsatz des Transistors als Verstärker zu erkennen 7.4 Problemfragen bzw. Hypothesen Bei der Planung des Versuches stellt sich der Lehrer zunächst die Frage, ob die Schüler den vielfältigen Einsatz von Transistoren kennen. Durch die Motivationssituation sollte sich bei den Schülern die Frage stellen, wie man vorgehen muss, um eine Verstärkung von Signalen zu erreichen. Dies soll durch die Demonstration der beiden Versuchsteile und die Vorkenntnisse der Schüler beantworten werden. In der Unterrichtsstunde sollten die Schüler erkennen, dass sie im Alltag vermehrt auf Situationen treffen, in denen ein Transistor in der Funktion als Verstärker verwendet wird. Beispiele hierfür sind der Einsatz von Transistoren in Radio- und Fernsehempfängern. 8. Sicherung der Lernziele Tafelanschrift: (Versuchsaufbau wird als Kopie zum Einkleben ins Heft ausgeteilt) VERSUCHSAUFBAU: Der Transistor als Verstärker VERSUCHSDURCHFÜHRUNG: Versuchsteil 1: Mit einer kleinen Lampe wird der LDR-Fotowiderstand beleuchtet, woraufhin ein Signal aus dem Lautsprecher zu hören ist. Entsprechend ist bei fehlender Beleuchtung/ Dunkelheit kein Signal zu hören. Versuchsteil 2: Erhöht man die Spannung am Stelltrafo, so wird das Netzbrummen des Stelltrafos am Lautsprecher zunehmend hörbar. Bei Erniedrigung der Spannung nimmt die Lautstärke des Netzbrummens nach und nach ab. 4

5 ERGEBNISSE: Versuchsteil 1: 1. Bei Beleuchtung des LDR-Fotowiderstandes wird der Transistor durchgeschaltet und man kann ein Signal am Lautsprecher hören. 2. Durch Abdunkeln des LDR-Fotowiderstandes sperrt der Transistor und man hört kein Signal aus dem Lautsprecher. 3. Der Widerstandswert des LDR-Fotowiderstandes steuert den Basisstrom. 4. Durch den Lichteinfall auf den LDR-Fotowiderstand nimmt der Basisstrom zu und der Transistor wird durchgeschaltet, woraus ein größerer Kollektorstrom resultiert, welcher das Signal am Lautsprecher erzeugt. Wenn kein Licht auf den LDR-Fotowiderstand fällt, ist der Basisstrom zu klein, um den Transistor leitend zu machen. Versuchsteil 2: 1. Bei Erhöhung der Spannung am Stelltrafo wird das Netzbrummen des Stelltrafos verstärkt, so dass es zunehmend lauter aus dem Lautsprecher zu hören ist. 2. Der Basisstrom wird hierbei dem Transistor zugeführt, welcher dann einen verstärkten Kollektorstrom bewirkt. Der größere Kollektorstrom erzeugt am Lautsprecher das verstärkte Brummen des Stelltrafos. 3. Die Verstärkung erfolgt durch eine geringe Veränderung des Basisstroms, die eine größere Veränderung des Kollektorstroms bewirkt. 9. Lernzielkontrolle Um sicher zu sein, dass die Schüler die formulierten Lernziele erreicht haben, ist es wichtig am Ende der Stunde eine vom Lehrer moderierte Zusammenfassung der Unterrichtsstunde machen zu lassen. Hierfür muss nicht unbedingt ein Schüler gezielt ausgewählt werden. In einem gemeinsamen Gespräch und durch Beiträge so vieler Schüler wie möglich, kann der Lehrer prüfen, ob er die gewünschten Lernziele erreicht hat. 5