Grundschaltungen der Elektronik

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1 Grundschaltungen der Elektronik Arbeitsbuch Mit CD-ROM D1 R1 U AC1 230 V 50 Hz C1 U DC R2 U AC2 D2 230 V / 24 V U DC t Festo Didactic de

2 Bestell-Nr.: Stand: 09/2011 Autor: Karl-Heinz Drüke Redaktion: Frank Ebel Grafik: Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger Layout: 09/2011, Frank Ebel, Beatrice Huber Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2013 Internet: Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt. Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer und Studenten des Standortes für den Unterricht. Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen. Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen, unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic GmbH & Co. KG. Hinweis Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen.

3 Inhalt Bestimmungsgemäße Verwendung IV Vorwort V Einleitung VII Arbeits- und Sicherheitshinweise VIII Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) IX Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Grundschaltungen der Elektronik X Gerätesatz XIII Zuordnung von Komponenten und Aufgaben Grundschaltungen der Elektronik XVIII Hinweise für den Lehrer/Ausbilder XX Struktur der Aufgaben XXI Bezeichnung der Komponenten XXI Inhalte der CD-ROM XXII Aufgaben und Lösungen Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren 3 Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen 21 Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker 39 Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers 57 Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen 73 Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen 91 Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern 111 Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen 129 Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern 147 Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs 163 Aufgaben und Arbeitsblätter Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren 3 Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen 21 Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker 39 Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers 57 Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen 73 Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen 91 Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern 111 Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen 129 Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern 147 Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs 163 Festo Didactic GmbH & Co. KG III

4 Bestimmungsgemäße Verwendung Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen: für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen. Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten. Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. IV Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des Lernsystems: Technologieorientierte Trainingspakete Mechatronik und Fabrikautomation Prozessautomation und Regelungstechnik Mobile Robotik Hybride Lernfabriken Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert. Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik, Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben. Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Antrieben möglich. Festo Didactic GmbH & Co. KG V

6 Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen: Hardware Medien Seminare Hardware Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte der begleitenden Medien angepasst. Medien Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die praxisorientierte Teachware umfasst: Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse) Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen) Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen) Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung) Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten) Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt: Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte) Simulationssoftware Visualisierungssoftware Software zur Messdatenerfassung Projektierungs- und Konstruktionssoftware Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet. Seminare Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab. Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch? Dann senden Sie eine an: Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung. VI Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Einleitung Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) behandelt die folgenden Themen: Grundlagen Gleichstromtechnik Grundlagen Wechselstromtechnik Grundlagen Halbleiter Grundschaltungen der Elektronik Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik schließt die Reihe der Arbeitsbücher für die Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik. Vor allem auf die analytische Betrachtung des Zusammenspiels der bereits aus den ersten drei Grundlagenbüchern bekannten Bauteile wird hier Wert gelegt. Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop und Sicherheits-Laborleitungen. Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema Grundschaltungen der Elektronik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthalten die Lehrbücher Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr und Elektrotechnik, Bestell-Nr Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Dioden, Transistoren, Messgeräte usw.) zur Verfügung. Festo Didactic GmbH & Co. KG VII

8 Arbeits- und Sicherheitshinweise Allgemein Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen arbeiten. Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle Hinweise zur Sicherheit! Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt werden und sind umgehend zu beseitigen. Elektrik Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter! Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts unterbrochen werden. Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden. In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten. In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal verantwortlich zu überwachen. Vorsicht! Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen getrennt wurde. Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen Nennstromstärke. Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat. Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen, maximal 25 V DC. Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her! Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab! Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern. Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den Leitungen. VIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

9 Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundschaltungen der Elektronik. Einzelne Komponenten aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein. Wichtige Komponenten des TP 1011 Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen Grundlagen-Netzteil EduTrainer Komplette Laboreinrichtungen Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Halbleitertechnik. Die Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert. Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur Verfügung gestellt. Medien Fachbücher Tabellenbuch Arbeitsbücher Digitale Lernprogramme Fachkunde Elektroberufe Elektrotechnik Elektrotechnik/Elektronik Grundlagen Gleichstromtechnik Grundlagen Wechselstromtechnik Grundlagen Halbleiter Grundschaltungen der Elektronik WBT Elektrik 1 Grundlagen der Elektrotechnik WBT Elektrik 2 Gleich- und Wechselstromschaltkreise WBT Elektronik 1 Grundlagen der Halbleitertechnik WBT Elektronik 2 Integrierte Schaltkreise WBT Elektrische Schutzmaßnahmen Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011 Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2, Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt. Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren Katalogen und im Internet. Festo Didactic GmbH & Co. KG IX

10 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Grundschaltungen der Elektronik Aufgabe 1: Kennwerte von Transistoren Sie können Transistoren auf Funktion überprüfen. Sie können die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln. Sie kennen typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren. Sie können Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren. Sie können die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln. Sie kennen die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung. Sie kennen die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers. Aufgabe 2: Transistorgrundschaltungen Sie kennen den Unterschied zwischen einem Emitterfolger und einer Emitterschaltung. Sie erkennen die drei Transistorgrundschaltungen. Sie können die Spannungsverstärkung von Transistorschaltungen messen. Sie kennen die typische Spannungsverstärkung der Transistorgrundschaltungen. Sie wissen, welche Transistorgrundschaltung eine Phasendrehung von180 bewirkt. Sie wissen, welche Transistorgrundschaltungen nichtinvertierend arbeiten. Sie können die typischen Eingangs- und Ausgangswiderstände der Grundschaltungen angeben. Sie können die Eingangs- und Ausgangswiderstände von Verstärkerschaltungen messen. Aufgabe 3: Mehrstufige Verstärker Sie wissen, was eine Darlingtonschaltung ist. Sie kennen eine komplementäre Darlingtonschaltung. Sie können Ströme im Nanoamperebereich messen. Sie wissen, was eine Gegenkopplung ist. Sie können mit zwei Widerständen den Verstärkungsfaktor programmieren. Sie wissen, wie man Messsignale im Millivoltbereich erzeugt. Sie können den Frequenzgang eines Verstärkers aufnehmen. Sie können die Grenzfrequenzen von Verstärkern ermitteln. X Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 Aufgabe 4: Leistungsverstärker Sie kennen die Arbeitspunkteinstellung in Schaltungen mit positiver und negativer Betriebsspannung. Sie können eine Gegenkopplung erkennen. Sie erkennen, welche Bausteile den Verstärkungsfaktor V U einer Schaltung bestimmen. Sie erkennen, ob ein Verstärker ein Leistungsverstärker oder ein Spannungsverstärker ist. Sie erkennen eine Gegentakt-Endstufe. Sie wissen, was Übernahmeverzerrungen sind. Sie wissen, wie sich eine Gegenkopplung auf Signalverzerrungen auswirkt. Sie können den B-Betrieb und den AB-Betrieb einer Endstufe unterscheiden. Sie können ohne Amperemeter den Ruhestrom einer Endstufe messen. Sie können die Ausgangsleistung eines Verstärkers ermitteln. Aufgabe 5: Differenz- und Gleichspannungsverstärker Sie erkennen die typische Struktur der Differenzverstärkergrundschaltung. Sie können Ströme in Schaltungen indirekt ermitteln. Sie kennen die typischen Eigenschaften eines Differenzverstärkers. Sie können die zwei Kennlinien U out = f (U in ) des Differenzverstärkers aufnehmen und zeichnen. Sie kennen den Unterschied zwischen Differenz- und Gleichtaktverstärkung. Sie wissen, wie eine hohe Gleichtaktunterdrückung erzielt wird und wo man diese Eigenschaft benötigt. Sie erkennen eine Konstantstromquelle/-senke und können den Konstantstrom berechnen. Sie wissen, was ein Komparator ist. Sie können einen Dämmerungsschalter bauen und seine Funktion erklären. Sie wissen, was eine Mitkopplung ist und was sie bewirkt. Sie kennen den Aufbau und die typischen Eigenschaften eines Gleichspannungsverstärkers. Sie wissen Bescheid über Offset und Offset-Abgleich. Aufgabe 6: Impuls- und Sägezahngeneratoren Sie erkennen die Grundschaltung des klassischen Astabilen Multivibrators (AMV). Sie kennen die typischen Eigenschaften eines astabilen Multivibrators. Sie kennen die Eigenschaften einer Triggerschaltung. Sie können die Schaltschwellen und die Hysterese einer Triggerschaltung messen und errechnen. Sie können einen Rechteckgenerator aus einer Triggerschaltung und einem RC-Glied umbauen. Sie können die Impulsdaten verschiedener Rechteckgeneratoren messen und errechnen. Sie wissen, was Pulsdauermodulation (PDM, PWM) ist und wo man sie anwendet. Sie kennen die Eigenschaften einer monostabilen Kippschaltung. Sie können die Kapazität von Kondensatoren messen. Sie können die zeitbestimmenden Glieder verschiedener Impulsschaltungen dimensionieren. Sie wissen, wie ein UNIJUNCTION-Transistor (UJT) arbeitet und wie man ihn testet. Sie können krumme Sägezahnspannungen in linear ansteigende verwandeln. Festo Didactic GmbH & Co. KG XI

12 Aufgabe 7: Sinusgeneratoren Sie kennen die typischen Eigenschaften eines LC-Schwingkreises. Sie können die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises messtechnisch und rechnerisch ermitteln. Sie erkennen einen Schwingkreis in Dreipunktschaltung. Sie können den Kopplungsfaktor eines Frequenz bestimmenden Schaltungsteiles ermitteln. Sie können LC-Oszillatoren bauen und in Betrieb nehmen. Sie können mit Hilfe eines Oszillators die Induktivität unbekannter Spulen bestimmen. Sie kennen das Prinzip von induktiven Näherungssensoren. Sie können einen Metalldetektor aufbauen und in Betrieb nehmen. Sie kennen die Grundschaltung und die Eigenschaften eines Wiengliedes. Sie kennen den Aufbau eines RC-Sinusgenerators mit Wienglied. Ihnen ist das Problem der Verstärkungseinstellung in RC-Generatoren vertraut. Aufgabe 8: Netzteilschaltungen Sie wissen, welche Aufgabe das Netzteil in elektronischen Geräten hat. Sie kennen die drei wichtigsten Gleichrichterschaltungen in Netzgeräten. Sie kennen den Hintergrund der Begriffe Einpuls- und Zweipulsgleichrichter. Sie wissen, wo in einer Schaltung man den Ladekondensator findet. Sie können den Innen- oder Ausgangswiderstand von Spannungsquellen bestimmen. Sie können den Begriff Referenzspannung zuordnen. Sie wissen, wie ein elektronischer Spannungsregler arbeitet. Sie können die Ausgangsspannung von Spannungsregelschaltungen berechnen. Sie kennen die Aufgabe und Funktion einer Strombegrenzung in Netzgeräten. Aufgabe 9: Gleichspannungswandler Sie wissen, wie sich der Strom in einer Spule beim Einschalten einer Gleichspannung verhält. Sie wissen, wie die Spannung an einer Spule beim Ausschalten des Stromes reagiert. Sie können den Stromverlauf in einer Spule indirekt messen und auf dem Oszilloskop darstellen. Sie können einen PNP-Transistor an positiver Betriebsspannung als elektronischen Schalter betreiben. Sie können positive Gleichspannung in negative umformen. Sie können aus einer kleinen Gleichspannung eine größere machen. Sie können aus einem Transistor und einem Transformator einen Sperrschwinger aufbauen. Sie wissen, was eine Ladungspumpe ist. Sie wissen, wie man die Ausgangsspannung von Spannungswandlern stabilisieren kann. XII Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 Aufgabe 10: Thyristoren und TRIACs Sie wissen, wodurch sich das Verhalten eines Thyristors von dem eines Transistors unterscheidet. Sie können den Begriff SCR oder Steuerbarer Gleichrichter zuordnen. Sie wissen, unter welcher Bedingung ein Thyristor zündet. Sie wissen, wann ein leitender Thyristor wieder sperrt. Sie können die Funktion eines Thyristors mit einfachen Mitteln überprüfen. Sie kennen den Unterschied zwischen einem Thyristor und einem TRIAC. Sie wissen, wie man Thyristoren potenzialfrei oder isoliert ansteuern kann. Sie wissen, wie man mit Thyristoren Gleich- und Wechselstrom schalten kann. Sie kennen die Funktion eines Halbleiterrelais. Sie sind mit der Funktion einer Phasenanschnittsteuerung vertraut. Gerätesatz Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik vermittelt Kenntnisse über den Aufbau, die Funktion und das Verhalten von Verstärkerschaltungen, Netzteilschaltungen, Kippstufen und Schaltungen der Leistungselektronik. Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) enthält alle Komponenten, die für die Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter, ein Speicher-Oszilloskop und Sicherheits- Laborleitungen benötigt. Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr Komponente Bestell-Nr. Menge Grundlagen-Netzteil EduTrainer Universal-Steckfeld EduTrainer Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz Festo Didactic GmbH & Co. KG XIII

14 Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr Komponente Menge Widerstand, 10 Ω/2 W 1 Widerstand, 22 Ω/2 W 2 Widerstand, 33 Ω/2 W 1 Widerstand, 100 Ω/2 W 2 Widerstand, 220 Ω/2 W 1 Widerstand, 330 Ω/2 W 1 Widerstand, 470 Ω/2 W 2 Widerstand, 680 Ω/2 W 1 Widerstand, 1 kω/2 W 3 Widerstand, 2,2 kω/2 W 2 Widerstand, 4,7 kω/2 W 2 Widerstand, 10 kω/2 W 3 Widerstand, 22 kω/2 W 3 Widerstand, 47 kω/2 W 2 Widerstand, 100 kω/2 W 2 Widerstand, 1 MΩ/2 W 1 Potenziometer, 1 kω/0,5 W 1 Potenziometer, 10 kω/0,5 W 1 Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kω/0,45 W 1 Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W 1 Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W 1 Kondensator, 100 pf/100 V 1 Kondensator, 10 nf/100 V 2 Kondensator, 47 nf/100 V 1 Kondensator, 0,1 μf/100 V 2 Kondensator, 0,22 μf/100 V 1 Kondensator, 0,47 μf/100 V 2 Kondensator, 1,0 μf/100 V 2 Kondensator, 10 μf/250 V, gepolt 2 Kondensator, 100 μf/63 V, gepolt 1 Kondensator, 470 μf/50 V, gepolt 1 XIV Festo Didactic GmbH & Co. KG

15 Komponente Menge Spule, 100 mh/50 ma 1 Diode, AA118 1 Diode, 1N Z-Diode, ZPD 3,3 1 Z-Diode, ZPD 10 1 DIAC, 33 V/1 ma 1 NPN-Transistor, BC140, 40 V/1 A 2 NPN-Transistor, BC547, 50 V/100 ma 1 PNP-Transistor, BC160, 40 V/1 A 1 P-Kanal-JFET-Transistor, 2N3820, 20 V/10 ma 1 N-Kanal-JFET-Transistor, 2N3819, 25 V/50 ma 1 UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647, 35 V/50 ma 1 P-Kanal-MOSFET-Transistor, BS250, 60 V/180 ma 1 Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A 1 TRIAC, TIC206, 400 V/4 A 1 Transformatorspule, N = Transformatorspule, N = Transformatoreisenkern mit Halter 1 Leuchtmelder, 12 V/62 ma 1 Leuchtdiode (LED), 20 ma, blau 1 Leuchtdiode (LED), 20 ma, rot oder grün 1 Wechsler 1 Festo Didactic GmbH & Co. KG XV

16 Grafische Symbole des Gerätesatzes Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol Widerstand Z-Diode Potenziometer DIAC Widerstand, temperaturabhängig (NTC) NPN-Transistor Widerstand, lichtabhängig (LDR) PNP-Transistor Widerstand, spannungsabhängig (VDR) P-Kanal-JFET-Transistor U Kondensator N-Kanal-JFET-Transistor XVI Festo Didactic GmbH & Co. KG

17 Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol Kondensator, gepolt UNIJUNCTION-Transistor Spule P-Kanal-MOSFET-Transistor Diode Thyristor TRIAC LED blau Transformatorspule LED rot oder grün Leuchtmelder Wechsler Festo Didactic GmbH & Co. KG XVII

18 Zuordnung von Komponenten und Aufgaben Grundschaltungen der Elektronik Aufgabe Komponente Diode, 1N Elektrolytkondensator, 10 μf Elektrolytkondensator, 100 μf Elektrolytkondensator, 220 μf 1 Elektrolytkondensator, 470 μf 1 JFET-Transistor, 2N JFET-Transistor, 2N Kondensator, 1 nf 1 Kondensator, 10 nf Kondensator, 47 nf 1 2 Kondensator, 0,1 μf Kondensator, 0,22 μf Kondensator, 0,47 μf 1 Kondensator, 1 μf Leuchtdiode, 20 ma, blau Leuchtdiode, 20 ma, rot oder grün 1 Leuchtmelder, 12 V/62 ma Potenziometer, 10 kω Spule, 100 mh/50 ma 1 Thyristor, TIC106 1 TRIAC, TIC206 1 Transformatorspule, N = Transformatorspule, N = Transformatoreisenkern mit Halter 1 1 Transistor, BC Transistor, BC Transistor, BC UNIJUNCTION-Transistor, 2N Wechsler 1 1 XVIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

19 Aufgabe Komponente Widerstand, 10 Ω Widerstand, 33 Ω Widerstand, 100 Ω Widerstand, 220 Ω 1 1 Widerstand, 330 Ω 1 Widerstand, 470 Ω Widerstand, 680 Ω 1 2 Widerstand, 1 kω Widerstand, 2,2 kω Widerstand, 22 kω Widerstand, 4,7 kω Widerstand, 10 kω Widerstand, 47 kω Widerstand, 100 kω Widerstand, 1 MΩ 1 1 Widerstand, lichtabhängig (LDR) 1 Z-Diode, ZPD Festo Didactic GmbH & Co. KG XIX

20 Hinweise für den Lehrer/Ausbilder Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs sind der Aufbau und die Analyse ausgewählter Grundschaltungen. Zu den Schaltungen gehören unter anderem Netzteilschaltungen, Verstärkerschaltungen, Kippstufen und Schaltungen der Leistungselektronik. Durch die direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet. Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabe zugeordnet. Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab. Pro Aufgabe können ca. 1 bis 1,5 Stunden angesetzt werden. Komponenten des Gerätesatzes Arbeitsbuch und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 10 Aufgaben benötigen Sie nur Komponenten eines Gerätesatzes TP Normen Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet: EN bis EN Graphische Symbole für Schaltpläne EN Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte; Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung DIN VDE Errichten von Niederspannungsanlagen Allgemeine Grundsätze, (IEC ) Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe DIN VDE Errichten von Niederspannungsanlagen Schutzmaßnahmen (IEC ) Schutz gegen elektrischen Schlag Kennzeichnungen im Arbeitsbuch Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt. Ausnahme: Angaben und Auswertungen zu Strom sind immer rot dargestellt, Angaben und Auswertungen zur Spannung sind immer blau dargestellt. Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet. Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt. XX Festo Didactic GmbH & Co. KG

21 Lösungen Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer Messungen können von diesen Daten abweichen. Lernfelder Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema Grundschaltungen der Elektronik dem Lernfeld 1 der Berufsschule zugeordnet. Struktur der Aufgaben Alle 10 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in: Titel Lernziele Problemstellung Schaltung oder Lageplan Arbeitsauftrag Arbeitshilfen Arbeitsblätter Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung. Bezeichnung der Komponenten Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines Schaltkreises werden durchnummeriert. Widerstände: R, R1, R2,... Kondensatoren: C, C1, C2, Signalgeräte: P, P1, P2,... Hinweis Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich, werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXI

22 Inhalte der CD-ROM Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung. Die CD-ROM enthält folgende Ordner: Bedienungsanleitungen Bilder Präsentationen Produktinformationen Bedienungsanleitungen Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten. Bilder Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden. Präsentationen Kurzpräsentationen der Schaltungen des Trainingspakets sind in diesem Verzeichnis gespeichert. Diese Präsentationen können z. B. bei der Erstellung von Projektpräsentationen verwendet werden. Produktinformationen Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten. XXII Festo Didactic GmbH & Co. KG

23 Inhalt Aufgaben und Lösungen Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren 3 Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen 21 Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker 39 Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers 57 Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen 73 Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen 91 Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern 111 Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen 129 Aufgabe 9: Kennenlernen von Gleichspannungswandlern 147 Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs 163 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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25 Aufgabe 1 Untersuchen der Kennwerte von Transistoren Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben, können Sie Transistoren auf Funktion überprüfen. können Sie die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln. kennen Sie typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren. können Sie Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren. können Sie die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln. kennen Sie die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung. kennen Sie die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers. Problembeschreibung Sie arbeiten in einem Unternehmen, das klassische HiFi-Verstärker herstellt und repariert. Im Rahmen Ihrer Einarbeitung sollen Sie sich mit dem Verhalten von Transistoren und ihren typischen Kennwerten vertraut machen. Dazu bauen Sie eine Testschaltung auf, mit der man die Stromverstärkung von Transistoren ermitteln kann. Mit der leicht abgewandelten Schaltung untersuchen Sie anschließend, wie ein Transistor zum Spannungsverstärker wird. Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Arbeitsaufträge 1. Bauen Sie eine Testschaltung mit dem NPN-Transistor BC140 auf und ermitteln Sie seine Stromverstärkung B bei den Kollektorstromwerten I C = 1 ma, 5 ma und 10 ma. 2. Ermitteln Sie zum Vergleich die Stromverstärkung B des Transistors BC Bauen Sie die Testschaltung so um, dass sie zum Testen von PNP-Transistoren geeignet ist und ermitteln Sie die Stromverstärkung B des Transistors BC Bauen Sie eine Versuchsschaltung auf, in der Transistoren (zerstörungsfrei) mit Gleichspannung angesteuert werden. Machen Sie sich mit dem Grundprinzip der Spannungsverstärkung vertraut. 5. Ermitteln Sie mit der Versuchsschaltung die Spannungsverstärkung V U bei Einsatz der Transistoren BC140 und BC Erweitern Sie die Versuchsschaltung so, dass ein Transistor BC140 zusätzlich mit Wechselspannung angesteuert werden kann. Machen Sie sich mit dem Prinzip der Wechselspannungsverstärkung vertraut. 7. Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und Verzerrungen des Ausgangssignals. 8. Finden Sie heraus, ob die Versuchsschaltung eine Emittergrundschaltung, eine Basisgrundschaltung oder eine Kollektorgrundschaltung ist. Arbeitshilfen Fachbücher, Tabellenbücher Auszüge aus Herstellerkatalogen Datenblätter Internet WBT Elektronik 1 und Elektronik 2 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

27 Information Grundwissen zu Dioden und Transistoren Transistoren und Dioden bestehen aus Halbleiterwerkstoff, meist Silizium. Halbleiter können durch den Einbau von Fremdatomen so beeinflusst werden, dass der Stromtransport in ihnen entweder durch negative Ladungsträger (Elektronen) oder durch positive Ladungsträger (sog. Löcher oder Defektelektronen ) erfolgt. Auf diese Weise veränderte Halbleiter nennt man entsprechend N-Material und P-Material. Beim Zusammenfügen von P- und N-Material entsteht ein PN-Übergang. Er lässt den elektrischen Strom nur in einer Richtung durch und wirkt so als elektrisches Ventil oder Diode. Mit dem elektrischen Grundgesetz Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen stoßen sich ab kann man sich die Funktion der Diode leicht erklären P N P N Halbleiterdiode Schaltzeichen und Aufbau Sperrrichtung Verbindet man die N-Zone des PN-Übergangs mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und die P-Zone mit dem Minuspol, so werden die Ladungsträger im Halbleiter nach außen gezogen. Dadurch entsteht am PN-Übergang eine breite ladungsträgerfreie Zone, die wie eine Isolierschicht wirkt und so einen Stromfluss verhindert. Der PN-Übergang (die Diode) sperrt. Durchlassrichtung Polt man nun die äußere Spannungsquelle um (Plus an P-Zone, Minus an N-Zone), so werden die Ladungsträger in den beiden Bereichen auf einander zu getrieben und können (nach Überschreiten einer bestimmten Schwellspannung ) den PN-Übergang überwinden. Es fließt ein Strom. Die Diode leitet. Den mit der N-Zone verbunden Anschluss einer Diode nennt man Kathode, der zur P-Zone führende heißt Anode. Der Pfeil im Schaltzeichen der Diode gibt die Durchlassrichtung für die technische Stromrichtung an. Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 Transistoren (genauer bipolare Transistoren ) bestehen aus drei Halbleiterschichten, entweder in der Reihenfolge N-P-N-Material oder P-N-P-Material. Die mittlere Schicht ist die Basis, die beiden äußeren haben die Bezeichnung Emitter und Kollektor (englisch: Collector). Daher werden die Anschlüsse eines Transistors meist kurz mit E, B, C gekennzeichnet N P = B C P N = B C N E P E NPN- und PNP-Transistor Aufbau und Schaltzeichen Die Betriebsspannung eines Transistors muss stets so gepolt sein, dass die Ladungsträger der Emitterzone zum Kollektor gezogen werden. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, ergibt sich daraus: NPN-Transistoren arbeiten mit positiver Kollektor-Emitter-Spannung U CE PNP-Transistoren arbeiten mit negativer Kollektor-Emitter-Spannung U CE Ohne Basisspannung ist jedoch kein Ladungsträgerfluss vom Emitter zum Kollektor möglich. Die Basisschicht verhindert, dass die Anziehungskraft des Kollektors bis in die Emitterzone reicht. Erst wenn mit Hilfe einer Basisspannung Ladungsträger aus der Emitterzone in die (dünne) Basisschicht gehoben werden, geraten sie in den Anziehungsbereich des Kollektors und fließen zum größten Teil nach dort weiter. Um die Ladungsträger vom Emitter zur Basis zu ziehen, muss die Basis-Emitter- Spannung U BE die gleiche Polarität haben wie die Kollektor-Emitter-Spannung U CE. Daraus ergibt sich: NPN-Transistoren werden bei positiver Basis-Emitter-Spannung U BE leitend PNP-Transistoren werden bei negativer Basis-Emitter-Spannung U BE leitend Und damit ist schon die Grundfunktion des Verstärkerbauelements Transistor geklärt: Über eine relativ geringe Basis-Emitter-Spannung U BE lässt sich steuern, wie viel Ladungsträgerstrom vom Emitter zum Kollektor des Transistors fließt. Man kann zur Steuerung des Kollektorstromes aber auch einen Basisstrom I B vorgeben. Zu jedem Basisstrom stellt sich automatisch eine bestimmte Basis-Emitter-Spannung U BE ein und zu dieser wieder ein bestimmter Kollektorstrom I C. Der Zusammenhang zwischen Kollektorstrom I C und Basisstrom I B ist jedoch wesentlich linearer als der zwischen I C und U BE. Das Verhältnis I C / I B nennt man Stromverstärkung B des Transistors. Es kann von Transistor zu Transistor variieren und liegt meist zwischen 50 und Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Das Ersatzschaltbild eines Transistors stellt seine Wirkungsweise noch einfacher dar: Die Basis- Emitter-Strecke des Transistors wirkt wie eine Diode in Durchlassrichtung. Der durch sie fließende Basisstrom I B verursacht zwischen Emitter und Kollektor einen B-mal größeren Strom I C. Das Stromquellen-Symbol deutet an, dass der Kollektorstrom weitgehend unabhängig ist von der Größe der Kollektorspannung. I B I C B C I C = I B B E NPN-Transistor Ersatzschaltbild Im Transistorsymbol wird der Emitter mit einem Pfeil gekennzeichnet. Unabhängig von den inneren Vorgängen im Transistor entspricht die Pfeilrichtung im Symbol jedoch der technischen Stromrichtung. Für die Symbole von Halbleiterbauelementen gilt allgemein: Der Pfeil zeigt entweder auf eine P-Zone oder er kommt aus einer N-Zone. (Eselsbrücke: P = pieksender Pfeil, N = hinausgehender Pfeil). Was tut ein Verstärker? Das Mikrofon eines Telefons verwandelt Schallwellen, wie sie durch Sprache oder Musik erzeugt werden, in Wechselspannungen im Millivolt-Bereich. Dieses Signal ist jedoch zu schwach, um einen Hörer oder Lautsprecher direkt zu betreiben. Denn diese benötigen einige Volt für eine gut hörbare Wiedergabe. Daher muss man einen Verstärker zwischen Mikrofon und Hörer oder Lautsprecher schalten. Zur Erzeugung des Ausgangssignals benötigt jeder Verstärker eine Betriebs(gleich)spannung. U+ U in(ac) = 15 mv SS U out(ac) = 1.2 V SS V = U / U u out in Verstärker Schaltzeichen Auf den folgenden Seiten lernen Sie die Arbeitsweise von Transistorverstärkern kennen. Festo Didactic GmbH & Co. KG

30 1. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC140 Information Der Transistor als Stromverstärker Mit der folgenden Schaltung können Sie die Funktion von NPN-Transistoren überprüfen. Mit dem variablen Spannungsteiler (Potenziometer) R lässt sich der Basisstrom I B des Transistors einstellen. Jeder Basisstrom bewirkt (in einem intakten Transistor) einen wesentlich größeren Kollektorstrom I C. Dividiert man den Messwert von I C durch den Messwert von I B, so erhält man den Stromverstärkungsfaktor B des Transistors unter Test. I B = I C B Die beiden Widerstände R1 und R2 sind sogenannte Schutzwiderstände. Sie begrenzen den Basis- und den Kollektorstrom auf Werte, die den Transistor nicht beschädigen können, falls das Potenziometer R unvorsichtig bedient wird. ma I C I B R2 + U = 12 V R R1 K1 μa Testschaltung zur Messung der Stromverstärkung B Kennzeichnung Benennung Parameter R1 Widerstand 10 kω, 47 kω, 100 kω (je nach Aufgabe) R2 Widerstand 1 kω R Potenziometer 10 kω K1 Transistor BC140, BC547, BC160 (je nach Aufgabe) Bauteilliste 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 a) Bauen Sie nun die Testschaltung mit einem Transistor BC140 auf und stellen Sie I C = 1 ma ein. Lesen Sie den Basisstrom I B ab und notieren Sie seinen Wert. Errechnen Sie aus den Messdaten die Stromverstärkung B des untersuchten Transistors. Wiederholen Sie die Messung für I C = 5 ma und 10 ma. Tragen Sie die Werte unter BC140 (1) in die Tabelle ein. Transistor BC140 (1) BC140 (2) BC547 BC160 I C [ma] I B [μa] 7,7 38,5 76,9 8,0 39,8 79,5 3,2 16,1 32,4 4,2 20,8 40,3 B = I C / I B Messwertetabelle b) Im Bauteilesatz des EduTrainers ist noch ein zweiter Transistor BC140 vorhanden. Testen Sie diesen auf gleiche Weise und ermitteln Sie auch seine Stromverstärkung B bei I C = 1 ma, 5 ma und 10 ma. Tragen Sie die Werte unter BC140 (2) in die Tabelle ein. (Es ist völlig normal, wenn die Stromverstärkungsfaktoren von Transistor zu Transistor unterschiedlich sind, auch bei solchen vom gleichen Typ!) 2. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC547 a) Wiederholen Sie die gleiche Prozedur mit dem Transistor BC547 und tragen seine Werte in die Tabelle ein. 3. Stromverstärkung des PNP-Transistors BC160 a) Der Transistor BC160 ist ein PNP-Typ. Damit er richtig arbeiten kann, muss die bisherige Messschaltung leicht verändert werden. Was ist zu tun? Man muss nur die Betriebsspannung umpolen. Falls die Messgeräte Zeigerinstrumente sind, müssen auch deren Anschlüsse vertauscht werden. Digitalmessgeräte wechseln automatisch das Vorzeichen ihrer Anzeige. b) Ermitteln Sie mit der geänderten Testschaltung die noch fehlenden Daten des Transistors BC160 und übertragen Sie auch diese in die Tabelle. Festo Didactic GmbH & Co. KG

32 c) Lassen Sie den Transistor in der Schaltung und erforschen Sie experimentell. 1. Welcher größtmögliche Basisstrom lässt sich mit dem Potenziometer einstellen? I Bmax = ca. 240 μa 2. Versuchen Sie, diesen Wert aus den Daten der Testschaltung zu berechnen. Der maximale Spannungsfall an R1 beträgt U U BE = 12 V 0,7 V = 11,3 V / 47 kω = 240 μa 3. Welcher größtmögliche Kollektorstrom lässt sich in der Schaltung einstellen? I Cmax = ca. 12 ma 4. Versuchen Sie, I Cmax aus den Daten der Testschaltung zu berechnen. Der maximale Spannungsfall an R2 beträgt U U Emin 12 V 0 V = 12 V. Dann fließt durch R2 und den in Reihe liegenden Transistor ein Strom I Cmax = 12 V / 1 kω = 12 ma. 5. Der Kollektorstrom I C lässt sich nur bis zu einem bestimmten Grenzwert I Cmax durch den Basisstrom I B steuern. Wie nennt man den Zustand, wenn der Transistor nicht mehr auf weitere Erhöhung des Steuersignals reagiert? Man sagt, der Transistor ist übersteuert oder in Sättigung. (Er arbeitet jetzt wie ein Schalter im EIN-Zustand. I C wird durch U und R2 bestimmt.) 6. Was ist zu tun, wenn die Testschaltung für Kollektorströme bis etwa 25 ma erweitert werden soll? Man muss R2 kleiner machen. R 2 = U / I Cmax = 12 V / 25 ma = 480 Ω gewählt 470 Ω 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 4. Der Transistor als Spannungsverstärker Information Mit Hilfe einer Betriebs(gleich)spannung (hier mit U bezeichnet) können Transistoren auch als Spannungsverstärker arbeiten. Doch dazu muss man sie mit weiteren Bauelementen kombinieren, die Stromänderungen in Spannungsänderungen umformen. Im einfachsten Fall fügt man einen Arbeitswiderstand R A in die Kollektorleitung ein. Transistor und Widerstand bilden so eine Reihenschaltung, die vom Kollektorstrom I C durchflossen wird. Der Spannungsfall am Arbeitswiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz aus U RA = R A I C und der Spannungsfall U CE ergibt sich aus den Gesetzen der Reihenschaltung U CE = U C = U U RA. Auf diese Weise steuert die Eingangsspannung U in zuerst den Basisstrom I B und damit den Kollektorstrom I C und, dank des Arbeitswiderstandes R A, nun auch die Kollektorspannung U C. Diese dient jetzt als Ausgangsspannung U out. Bei der Spannungsverstärkung V U einer Schaltung betrachtet man nicht die Gleichspannungen an Eingang und Ausgang, sondern das Verhältnis von Spannungsänderung am Ausgang zu Verursachende Spannungsänderung am Eingang. In der Formelschreibweise wird eine Änderung oder Differenz durch den griechischen Buchstaben Δ (delta) dargestellt. Daher schreibt man U U ΔU Spannungsverstärkung VU = = U U ΔU out1 out2 out in1 in2 in 5. Spannungsverstärkung der NPN-Transistoren BC140 und BC547 a) Bauen Sie die bisherige Testschaltung um in einen Spannungsverstärker. R3 R2 R R1 K1 + U = 12 V V U in V U out Der Transistor als Spannungsverstärker Festo Didactic GmbH & Co. KG

34 Kennzeichnung Benennung Parameter R1 Widerstand 47 kω R2 Widerstand 1 kω R3 Widerstand 22 kω R Potenziometer 10 kω K1 Transistor BC140, BC547 Bauteilliste b) Ermitteln Sie mit der neuen Schaltung zu den gegebenen Eingangsspannungswerten der U in /U out -Tabelle die dazugehörige Ausgangsspannung beziehungsweise umgekehrt die Eingangsspannungen zu den U out -Werten. U in /U out -Tabelle BC140 U in [V] 0 0,59 0,84 0,97 1,10 1,84 1,38 1,57 2,0 U out [V] 12 11, ,2 0,1 c) Errechnen Sie aus den U out -Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔU out und aus den dazu gehörenden U in -Werten die Differenz ΔU in. Wie groß ist die Spannungsverstärkung V U der obigen Schaltung? V u = (10 V 2 V) / (0,84 V 1,38 V) = 8 V / -0,54 V = -14,8 15 (Andere Werte sind möglich!) Hinweis für den Unterricht Falls der Verstärkungsfaktor V U ein negatives Vorzeichen hat, ist dies kein Fehler. Es deutet nur an, dass die Verstärkerschaltung invertierend, das heißt umkehrend, ist. Macht man U in mehr positiv, so wird U out weniger positiv oder negativer. Und umgekehrt. d) Tauschen Sie den Transistor BC140 gegen einen BC547 aus und wiederholen Sie die Messungen. U in /U out -Tabelle BC547 U in [V] 0 0,621 0,738 0,828 0,908 0,99 1,08 1,57 2,0 U out [V] 12 11, ,2 0,15 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

35 e) Errechnen Sie aus den U out -Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔU out und aus den dazu gehörenden U in -Werten die Differenz ΔU in. Wie groß ist die Spannungsverstärkung V U der obigen Schaltung? V u = (10 V 2 V) / (0,738 V 1,08 V) = 8 V / -0,342V = 23,4 23 (Andere Werte sind möglich!) f) Beurteilen Sie die Verstärkungseigenschaften der beiden Typen BC140 und BC547. Die Schaltung mit dem Transistor BC547 liefert eine größere Spannungsverstärkung, vermutlich weil dieser Transistor eine höhere Stromverstärkung B hat als der Transistor BC140. g) Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung für den BC140 in einem Diagramm U out = f (U in ) dar. Zeichnen Sie dünn die Hilfslinien ein, mit denen man die zu U out = 10 V und U out = 2 V gehörenden U in -Werte aus der Kennlinie ermitteln kann. Tragen Sie dazu passend auch die Bezeichnungen ΔU out und ΔU in in das Diagramm ein. 14 U out V Uout 4 2 U in V 3.0 U in Diagramm U out = f (U in ) Festo Didactic GmbH & Co. KG

36 Information In der vorliegenden Schaltung zur Spannungsverstärkung schützt der Widerstand R1 den Transistor vor zuviel Basisstrom. Leider reduziert er auch die Spannungsverstärkung V U. Man kann die theoretisch mögliche Verstärkung aber auch in der geschützten Schaltung ermitteln, indem man anstelle der vom Potenziometer gelieferten Spannung U in die Basis-Emitter-Spannung U BE direkt am Transistor misst. Allerdings besteht beim direkten Anschließen eines Messgerätes mit langen Messleitungen an die Basis eines modernen Transistors die Gefahr, dass die Schaltung im 100 MHz-Bereich zu schwingen beginnt, also zum UKW-Sender wird. (Man kann diesen unerwünschten Effekt auch ohne Oszilloskop erkennen, wenn sich Messwerte bei Berührung der isolierten Messleitungen verändern oder auf Annähern der Hand reagieren!) Abhilfe schafft ein Entkopplungswiderstand von z. B. 1 bis 10 kω zwischen der Basis und der Messleitung (möglichst nah an der Basis!). Vor einen hochohmigen Voltmeter (R i 1 MΩ) verfälscht er den Messwert praktisch nicht h) Bauen Sie die bisherige Schaltung entsprechend um. R3 R2 R R1 K1 + U = 12 V V U out R DEC V U BE Messen von U BE über Entkopplungswiderstand (Schwingschutz) 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG

37 Kennzeichnung Benennung Parameter R1 Widerstand 47 kω R2 Widerstand 1 kω R3 Widerstand 22 kω R DEC Widerstand (Entkopplungswiderstand) 1 kω R Potenziometer 10 kω K1 Transistor BC547 Bauteilliste i) Ermitteln Sie mit der Schaltung die fehlenden Werte für die U BE /U out -Tabelle. U BE /U out -Tabelle BC547 U BE [mv] U out [V] 12 11, ,2 0,15 j) Errechnen Sie die Spannungsverstärkung V U aus ΔU out und ΔU BE. Verwenden Sie die Messwerte von U out = 4 V und 8 V. V u = (8 V 4 V) / (0,691 V 0,712 V) = 4 V / -0,021 V = 190,5 190! Festo Didactic GmbH & Co. KG

38 6. Der Transistor als Wechselspannungsverstärker Information Die Änderungen der Eingangsspannung, die bisher per Hand am Potenziometer R vorgenommen wurden, kann man auch durch Einkoppeln einer Wechselspannung erreichen. Damit der durch R1 fließende Gleichstrom nicht unerwünscht über die Wechselspannungsquelle abfließt, fügt man einen sogenannten Koppelkondensator C1 in die Signalleitung ein. Er hat für Gleichstrom einen unendlich hohen Widerstand X C, erscheint aber für Wechselstrom durchlässig. Das Potenziometer R dient nun zur Arbeitspunkteinstellung des Verstärkers. Da kleine Wechselspannungen allein nicht in der Lage sind, einen Transistor leitend zu machen, stellt man ihn mit einem Gleichstrom so ein, dass seine Kollektorspannung U C im Ruhezustand etwa in der Mitte zwischen ihren möglichen Extremwerten U Emax und U Emin liegt. Addiert man nun einen (kleinen) Wechselstrom zum Basisgleichstrom, so wird dieser im Takt des Wechselsignals größer und kleiner (Es entsteht ein Mischstrom.) Entsprechend pendeln auch der Kollektorstrom I C und die Kollektorspannung U C im Takt des Eingangssignals um ihre Ruhewerte. Mit einem weiteren Koppelkondensator C2 filtert man nun aus der schwankenden Kollektor(misch)spannung den Wechselspannungsanteil wieder heraus und verwendet ihn als Ausgangssignal U out. Auf diese Weise entsteht in der Verstärkerschaltung aus einem kleinen Wechselspannungssignal am Eingang ein wesentlich größeres (verstärktes) Wechselspannungssignal (mit gleicher Frequenz und Form) am Ausgang. Und das, obwohl der Transistor hier nur mit positiver Betriebsspannung U arbeitet! Misst man die Spitze-Spitze-Werte des Eingangs- und Ausgangssignals mit dem Oszilloskop, so kann man aus diesen Werten direkt die Wechselspannungsverstärkung V U(AC) der Schaltung errechnen. Wechselspannungsverstärkungsfaktor V U(AC) Uout(ss) U = = U U in(ss) out(eff) in(eff) 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG