Sensorik. Praktikum Halbleiterbauelemente. B i p o l a r e T r a n s i s t o r e n

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1 Snsorik Praktikum Halblitrbaulmnt i p o l a r T r a n s i s t o r n 1 Grundlagn Struktur und Wirkungsprinzip ds Transistors Arbitswis dr Transistorn Einstllung ds Arbitspunkts Transistor-Grundschaltungn rsuchsdurchführung Einstllung und thrmisch Stabilisirung ds Arbitspunkts mit asisvorwidrstand Einstllung und thrmisch Stabilisirung ds Arbitspunkts bi inr Schaltung mit asisspannungstilr Ermittlung dr Knngrößn von Emittrschaltungn (dynamischs rhaltn) ichtig Einstllung ds Arbitspunkts und Übrsturung bi inr Emittrschaltung Transistorschaltr mit ohmschn Lastn Litratur Fragn zum rsuch... 11

2 ipolar Transistorn Sit 2 1 Grundlagn Es ist zu mpfhln das Litraturvrzichnis zu bachtn und nach zusätzlichn Informationn zu schaun. 1.1 Struktur und Wirkungsprinzip ds Transistors ipolar Transistorn sind aktiv Halblitrbaulmnt mit inr npn- odr pnp-schichtfolg. Si wrdn untr andrm in dr Elktrotchnik zur rstärkung lktrischr Signal ingstzt. Di untrschidlichstn Anwndungsfäll habn zu inr großn ilfalt vrschidnr Transistortypn gführt. Auch analog und digital intgrirt Schaltungn (I) sind aus mhrrn Transistorn zusammn gschaltt. Abb. 1: Grundprinzip bipolarr Transistorartn 1) m dn Transistor richtig anwndn zu könnn, muss das lktrisch rhaltn bkannt sin. Di spzilln Eignschaftn ins Transistortyps lassn sich nur durch so gnannt Knndatn angbn. Dis Knndatn sind in Datnbüchrn zu findn, dazu zähln Grnzdatn, statisch - sowi dynamisch Knndatn und di Transistor-Knnlinin auch Knnlininfldr gnannt, di bsondrs für das Großsignalvrhaltn von dutung sind. Aus dr Abb. 2 ght hrvor, dass s für dn Transistor vir vrschidn Knnlininfldr (tribs-rich) gibt. Das rhaltn von bipolarn Transistorn kann durch di Stromgrößn I E, I, I und di Spannungsgrößn E, E, bschribn wrdn. Di gnaun Zusammnhäng zwischn disn Größn wrdn in inm irquadrantn-knnlininfld dargstllt. J nach Grundschaltung shn dis Knnlininfldr andrs aus. 1. Ausgangsknnlininfld I = f ( E) ) mit I als Paramtr 2. Eingangsknnlininfld I = f ( E ) mit E als Paramtr 3. Sturknnlininfld I = f (I ) mit E als Paramtr 4. ückwirkungsknnlininfld E = f ( E ) mit I als Paramtr Abb.2 Knnlininfldr ds Transistors (Emittrschaltung) 2)

3 ipolar Transistorn Sit Arbitswis dr Transistorn Dr Kollktorstrom I ist in Funktion ds asisstroms I. Di Ström sind durch dn Stromvrstärkungsfaktor vrknüpft. I I Daraus folgt, dass di Knnlini ins Transistors glich dr Knnlini dr ntsprchndn Diod ist, wnn man dn Strom mit dm Stromvrstärkungsfaktor multiplizirt. Dr Transistor stllt in Stromqull dar. Durch rändrn dr Kollktorspannung lässt sich dr Kollktorstrom nicht binflussn, r ist nur von dm di asis-emittr-diod durchflißndn asisstrom abhängig. Lgt man nun in di Kollktorlitung inn so gnanntn Kollktorwidrstand, an dm dr Kollktorstrom inn Spannungsabfall rzugt. Somit ist dr Spannungsfall in Funktion ds Kollktorstroms und damit auch in Funktion ds asisstroms. Man kann dahr di Spannungsvrstärkung wi folgt brchnn: E I S I E S Dabi ist di Spannung dr Spannungsabfall am Kollktorwidrstand, di Spannung E di asis- Emittr-Sturspannung, S di Stilhit und I dr Kollktorwchslstrom. Das Problm dr Transistorbschaltung ligt darin, dn Arbitspunkt thrmisch unabhängig fstzuhaltn. Abb. 3: Aussturung ins Transistors Di Arbitsgrad (Abb. 3) J größr dr asisstrom I ist, dsto mhr sturt in Transistor durch. Di Spannung E wird immr klinr. i inm bstimmtn asisstrom wird dr klinst Wrt für di Kollktor-Emittr-Spannung, di so gnannt Kollktor-Emittr-SättigungsspannungESat 0, 2, rricht. Dr Kollktorstrom I wird nahzu ausschlißlich durch dn äußrn Stromkris bstimmt. Ab inm bstimmtn Sturzustand gilt. Di Kollktordiod ist nicht mhr in Sprrrichtung gpolt. Ein Transistor bfindt sich im E E

4 ipolar Transistorn Sit 4 Übrsturungszustand, wnn Kollktordiod und Emittrdiod in Durchlassrichtung btribn wrdn. In dism Fall ist das Innr ds Transistors von Ladungsträgrn übrschwmmt. Im Übrsturungszustand bi Sättigungsspannung rricht di Kollktor-Emittr-Strck ihrn klinstn Widrstandswrt. Mit dr tribsspannung Arbitsgrad durch dn Widrstand als Lrlaufspannung (1) und dm Kurzschlussstrom im Ausgangsknnlininfld fstglgt. (5) wird di Sprrbrich: I 0. In Sprrbrich flißt annährnd kin Strom, sodass man dn Transistor als inn (nichtidaln) offnn Schaltr btrachtn kann. Aktivr rich: zwischn I 0 (2) und I I (3). Disr rich knnzichnt sich durch in Ü vrzrrungsfris und linars rhaltn und wird dann vrwndt, wnn dr Transistor als rstärkr btribn wrdn muss. I I (3) mit 0 Übrsturungsbrich: zwischn Ü, ESat und I Imax (4) mit E st. i Schalttransistorn ligt dr Arbitspunkt im Sprrbrich odr im Übrsturungsbrich. Außrdm hat das zu Folg, dass man minimal Listungsvrlust rricht. 3) 1.3 Einstllung ds Arbitspunkts Da di Arbitswis ds Transistors allin von dr Tmpratur abhängt, ist s notwndig, dn Arbitspunkt thrmisch stabil zu haltn. Dis lässt sich durch inn Widrstand im Emittrkris rrichn. Sollt infolg inr Stromrhöhung di Spannung an dism Widrstand anstign, so vrmindrt sich bi inr konstantn asisspannung di Sturspannung und damit auch dr asisstrom, di Folg davon ist in fallndr E Kollktorstrom. Es ntstht somit in stark Stromggnkopplung. Dahr ist s wichtig, di asisspannung ds Transistors konstant zu haltn. Dr Tilrstrom (asisspannungstilr) wird dshalb 10-mal größr als dr asisstrom gwählt. Dr Kollktorwidrstand ds Transistors muss so dimnsionirt wrdn, dass r mit dm Kollktorstrom in symmtrisch Aussturung rmöglicht. zichnt man di tribsspannung mit und di am Widrstand abfallnd Spannung mit mit twa 1 olt, so rhält man: E st und brücksichtigt witr di stspannung ds Transistors 2 Est E Hirbi ist E di notwndig Spannung am Emittrwidrstand. Im Allgminn ist di Größ ds Kollktorwidrstands fstglgt. Falls das nicht dr Fall sin sollt, ist dafür dr Kollktorstrom I ggbn. Di Schaltung ds Transistors in Abb. 4 wird nun wi folgt brchnt: Abb. 4 : Einstllung ds Arbitspunkts

5 ipolar Transistorn Sit 5 Paramtr Emittrwidrstand E asisspannung 2 Kollktorwidrstand Obrr asistilrwidrstand 1 ntrr asistilrwidrstand 2 rchnung E I E 2 = E + E E = 0,7 für Si I 1 11I 11I I 10I 2 2 Tabll 1: Paramtr und ihr rchnung Di nutzung disr anggbnn Glichungn ist großzügig zu handhabn, da di Tolranzn dr vrwndtn autil wsntlich größr sind als di Gnauigkit dr rchnungn. Hirfür könnn Normwrt in di Schaltung ingstzt wrdn. 1.4 Transistor-Grundschaltungn Abb. 5 zigt di dri Grundschaltungn für Transistorn. Abb. 5: Prinzip dr Transistor-Grundschaltungn Di jwilig zichnung dr Schaltung ist von drjnign Elktrod abglitt, di dn gminsamn zugspunkt für das Eingangs- und Ausgangssignal bildt. Aufgrund dr Wirkungswis ins Transistors hat jd dr dri Grundschaltungn bsondr Eignschaftn, di in dr Tabll. 6 anggbn sind. Di Zahlnwrt gltn für inn Klinsignaltransistor mit folgndn Datn: = 100; h 22 = 50 µs; F T = 300 MHz; I E = 5 ma; T = 40 m; r b = 800

6 ipolar Transistorn Sit 6 Grundschaltung Emittrschaltung Stromvrstärkung ds Transistors i 100 E Spannungsvrstärkung ds Transistors u T Eingangswidrstand a E E I r 800 Ausgangs- Widrstand a a a 1k Frqunzgang Eignschaftn -Häufigst rstärkrschaltung -Strom- und Spannungs- rstärkung -Phasnvrschibung von 180 -Durch Gggkopplung und schaltung gut variirbar Kollktorschaltung 101 a E k a 18 k -Impndazwandlr von hochohmig auf nidrohmig -Eingangsstuf für hochohmig Qulln -Ausgangstransistor in Listungsvrstärkrn asisc schaltung 1 i u a 1k i -Impdanzwandlr von nidrohmig auf hochohmig -Hochfrqunzvrstärkr mit gutm Frqunzgang Tabll 2: Di wichtigstn Eignschaftn von Transistorgrundschaltungn.

7 ipolar Transistorn Sit 7 2 rsuchsdurchführung Zur Durchführung disr rsuch sind folgnd Grät rfordrlich: 1 Glichspannungsqull = 0 bis 24 1 Funktionsgnrator (Sinus) 1 Oszilloskop 2 ilfachinstrumnt 1 Übungsschaltung II.2/3-SN Einstllung und thrmisch Stabilisirung ds Arbitspunkts mit asisvorwidrstand Aufgab 2.1.1: Abb alisirn Si di Mssschaltung ntsprchnd dr Abb. 6 (Übungsschaltung II.2/3-SN 1). 2. Mit Hilf von Tr5 dn Arbitspunkt so instlln, dass A = ½ ist. Falls dis nicht rrichbar, inn Widrstand 3a paralll zu 3 schaltn (r. 13/16). 3. Mssn Si all anggbnn Spannungn mit dm ilfachinstrumnt und tragn Si di Msswrt in di rst Zil dr Tabll 3 in ( E 0). 4. Erwärmn Si Transistor mit dr Hand (ca. 20 Skundn) und bobachtn Si dabi di Ausgangsspannung A. Notirn Si di Ändrung dr Ausgangsspannung. achtn Si dabi, dass dr Transistor dabi mit dn Fingrn kurzgschlossn wrdn kann. Fragn zur Aufgab: 1. i Erwärmung ds Transistors wird A klinr/größr und warum? E 0 E 1 k E asis E A E Tabll 3 Aufgab 2.1.2: 1. Emittrwidrstand E (8 + 9) anschlißn (r. 22/35 wglassn). 2. Mit Hilf von Tr5 dn Arbitspunkt widr so instlln, dass mit dm di Ausgangsspannung A = ½ bträgt. Tragn Si di Msswrt in di zwit Zil dr Tabll 3 in ( E 1 k ).

8 ipolar Transistorn Sit 8 3. All anggbnn Spannungn widr mit dm ilfachinstrumnt mssn und di Msswrt in di Tabll 2 intragn. 4. Erwärmn Si dn Transistor widr mit dr Hand (ca. 20 Skundn) und bobachtn Si dabi di Ausgangsspannung A. Notirn Si di Ändrung dr Ausgangsspannung. Fragn zur Aufgab: 1. Ist di rschibung ds Arbitspunkts durch Erwärmung gringr/größr als bi dm vorhrghndn rsuch? 2. Aus wlchm Grund ist das passirt? 2.2 Einstllung und thrmisch Stabilisirung ds Arbitspunkts bi inr Schaltung mit asisspannungstilr Abb.7 Aufgab 2.2.1: 1. alisirn Si di Mssschaltung ntsprchnd dr Abb Mit Hilf von Tr7 dn Arbitspunkt so instlln, dass A = ½ ist. 3. Erwärmn Si dn Transistor widr mit dr Hand (ca. 20 Skundn) und bobachtn Si dabi di Ausgangsspannung A. Notirn Si di Ändrung dr Ausgangsspannung. Fragn zur Aufgab: 1. Wlch witrn ortil bitt di Schaltung mit asisspannungstilr? 2.3 Ermittlung dr Knngrößn von Emittrschaltungn (dynamischs rhaltn) Aufgab 2.3.1: 1. Mssschaltung ntsprchnd Abb. 8 ralisirn. 2. Mit Hilf von Tr7 dn Arbitspunkt ds Transistors so instlln, dass A = + 7 bträgt. 3. Di Trimmr Tr1, Tr2 und Tr3 auf jwils 0 instlln und sinusförmig Spannung u SS = 1 ; f = 1 khz auf dn Eingang 1 gbn. 4. Amplitud und Phasnvrschibung von u SS und u ass mit Digitalspichroszilloskop (DSO) mssn und notirn.

9 ipolar Transistorn Sit 9 Abb.8: Ersatzschaltbild für di Ermittlung von r und r a. Aufgab 2.3.2: 1. u SS auf 50% von Anfangswrt mit Tr1 und Tr2 instlln. 2. Mit Hilf ds vorhandnn Spannungstilrs aus (Tr1 + Tr2) und r (ds Wchslstrom- Eingangswidrstands) lässt sich dr Wchslstrom-Eingangswidrstand brchnn bzw. mssn. Aufgab 2.3.3: 1. Trimmr Tr1, Tr2 und Tr3 widr auf = 0 Ohm instlln. 2. Eingangswchslspannung u SS so instlln, dass u ass = 1,6 bträgt. 3. Tr8 anschlißn und so instlln, dass u a auf u ass = 0,8 absinkt. 4. Dr Wchslstrom-Ausgangswidrstand r a dr Emittrschaltung ist zu brchnn bzw. zu mssn. Fragn zur Aufgabn: 1. Aus wlchm Grund kann mit disr Mthod dr Wchslstrom-Ausgangswidrstand r a bzw. dr Wchslstrom-Eingangswidrstand r rmittlt wrdn? 2. Wlchn Einfluss hat dr Emittrkondnsator (rück 31/32) auf di rstärkung (gründung)? 3. Wi vrändrt sich di rstärkung u, wnn dr Kollktorwidrstand von 6 = 2,7 k auf 5 = 5,6 k(twa um dn Faktor 2) gändrt wird? Wi kommt disr Effkt zustand? 2.4 ichtig Einstllung ds Arbitspunkts und Übrsturung bi inr Emittrschaltung Abb.9 Aufgab 2.4.1: 1. Mssschaltung ntsprchnd Abb. 9 ralisirn. 2. Mit Hilf von Tr7 dn Arbitspunkt auf A = + 7 instlln und zunächst in sinusförmig Eingangs-Wchslspannung (1 khz) u SS = 1 auf dn Eingang 4 gbn. 3. Di Form dr Ausgangs-Wchslspannung bi disr Dimnsionirung dr Schaltung und dr Eingangs-Wchslspannung ist mit Hilf ds DSO zu bobachtn und zu notirn. 4. A = + 3 instlln und widr in sinusförmig Eingangs-Wchslspannung (1 khz) u SS = 1 auf dn Eingang 4 gbn.

10 ipolar Transistorn Sit Di Form dr Ausgangs-Wchslspannung bi disr Dimnsionirung dr Schaltung und dr Eingangs-Wchslspannung ist widr zu bobachtn und zu notirn. Fragn zur Aufgab: 1. Gbn Si in gründung für diss rhaltn dr Ausgangs-Wchslspannung in dn bidn rsuchn an (Ausgangsknnlininfld). 2.5 Transistorschaltr mit ohmschn Lastn Transistorschaltr mit ohmschn Lastn Abb.10: Transistorschaltr mit ohmschn Lastn Aufgab 2.5.1: 1. Mssschaltung ntsprchnd Abb. 10 ralisirn. 2. Trimmr Tr7 auf Mittlstllung instlln und rchtckförmig Spannung u SS = 2 ; f = 1 khz auf dn Eingang gbn. 3. rlauf von u und u a mit dm DSO mssn. 4. Eingangsspannung auf u SS = 3 rhöhn und rlauf von u und u a mit dm DSO rfassn. Fragn zur Aufgab: 1. Wlchn Einfluss hat di Erhöhung dr Eingangsspannung auf di Ausgangsspannung? 2. Aus wlchm Grund tritt disr Effkt auf? 3. Litratur 1). HPI-Fachbuchrih Pflaum rlag Münchn 2). orlsung Halblitrbaulmnt 3).

11 ipolar Transistorn Sit Fragn zum rsuch 1) Wi lässt sich mit inm Sinusgnrator, instllbarm Widrstand und Oszilloskop dr Eingangswidrstand inr rstärkrstuf mssn? 2) Durch wlch Maßnahm kann wirkungsvoll in thrmisch Arbitspunktstabilisirung rricht wrdn? 3) Wlch Phasnbzihung bstht bi dn dri Transistorgrundschaltungn zwischn dr Eingangsund Ausgangsgröß? 4) Wlch tribswis für di Transistorschaltung ligt bi Aufgab 2.3 und wlch bi 2.5 vor, wi ändrt sich dabi di Spannung E? 5) Wi ist di Grnzfrqunz dfinirt? Wlchr ntrschid ist zwischn Grnzfrqunz und Transitfrqunz? 6) Wlch Achsn und wlchr Paramtr (Emittrschaltung) kommn bi dr Ausgangsknnlini vor? 7) Wi ist das auschmaß dfinirt? 8) Wlch zichnung und wlch Einhit wrdn für dn Wärmwidrstand anggbn? 9) Wi kann mit Hilf ins Diodntstrs di Transistorfunktion übrprüft wrdn (praktisch schribung)? 10) i wlchr tribswis (rstärkr odr Schaltr) wird di Transistorschaltung stark übrsturt? 11) sümirn Si in wnign Sätzn, was Si in dism Laborpraktikum glrnt habn. Es wird von dn Stundntn in anständig Ausarbitung/ Auswrtung rwartt, di nicht handschriftlich (z.. in Word odr LaTx), übrsichtlich, mit alln zughörign Graphn und Tablln und in Ausarbitung pro Grupp anzufrtign ist. Studntn habn in arbitungszit von 2-3 Wochn nach dm durchgführtn rsuch. Dnkn Si dran Ihr Namn, Matriklnummr, - Adrssn und Gruppnnummr anzugbn.