Übungsserie, Bipolartransistor 1

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1 13. März 2017 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Übungsserie, Bipolartransistor 1 Aufgabe 1. Invertierender Verstärker Die Abbildung 1 stellt einen invertierenden Verstärker dar. Es sei = 10 kω und = 1 kω. Der Transistor habe die Stromverstärkung h F E = 300. T Abbildung 1: Schaltung mit NPN-Transistor. a) Angenommen die Eingangsspannung beträgt 0 V. Wie hoch ist dann die Ausgangsspannung? b) Angenommen die Eingangsspannung beträgt 5 V. Wie hoch ist dann die Ausgangsspannung? c) Angenommen für eine Eingangsspannung von 0.6 V beträgt der Eingangsstrom I B = 10 µa, wie hoch ist dann die Ausgangsspannung? d) Fertigen Sie eine Skizze an, welche den ungefähren Verlauf der Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung darstellt. Daraus sollte klar werden, warum man von einem invertierenden Verstärker spricht. Aufgabe 2. Was macht diese Schaltung? a) Wie hängt in der Schaltung in Abb. 2 die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung ab, proportional oder umgekehrt proportional? b) Wie hängt in der Schaltung in Abb. 3 die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung ab, proportinal oder umgekehrt proportional?

2 Übungsserie, Bipolartransistor 1, Elektronik 1 2 R 3 T 1 T 2 Abbildung 2: Schaltung mit zwei NPN-Transistoren. T 2 T 1 R 3 Abbildung 3: Schaltung mit zwei NPN-Transistoren.

3 Übungsserie, Bipolartransistor 1, Elektronik 1 3 Aufgabe 3. Emitterfolger Der Transistor in der folgenden Schaltung habe eine Stromverstärkung h F E = 180 und der R E Abbildung 4: Kollektorschaltung. Widerstand habe den Wert R E = 100 Ω. Die Spannung an dem Widerstand betrage u a = 4 V. a) Wie gross sind die Ströme I C und I B durch den Kollektor bzw. durch die Basis? b) Berechnen Sie die Verlustleistung die aufgrund des Kollektorstromes in dem Transistor umgesetzt wird. c) Könnte der Transistor BC337 diese Verlustleistung bei einer Umgebungstemperatur von 25 verkraften? Sehen Sie im Datenblatt nach. Aufgabe 4. Linearregler Alleine mit dem Widerstand und der Zenerdiode D 1 aus Abb. 5 könnte eine Spannungsstabilisierungsschaltung realisiert werden. T D 1 R L Abbildung 5: Linearregler mit NPN-Transistor und Zenerdiode. a) Welchen Vorteil bringt der zusätzliche Transistor in der Schaltung? b) Mit welchem Widerstand wird die Spannungsquelle bestehend aus der Quelle für u e und dem Netzwerk aus und D 1 belastet, wenn R L = 100 Ω und die Gleichstromverstärkung des Transistors gleich h F E = 300? Lösung 1.

4 Übungsserie, Bipolartransistor 1, Elektronik 1 4 a) I B = 0 I C = 0 u a = 10 V b) Der Transistor arbeitet entweder im Verstärkerbereich oder im Sättigungsbereich. Für den Verstärkerbereich wurde in der Vorlesung ein einfaches Modell, wonach der Kollektorstrom I C = I B h F E und der Basisstrom der Strom durch eine Diode ist die an der Spannung U BE anliegt. Wir gehen zuerst davon aus, dass der Transistor sich im Verstärkerbereich befindet und bezeichnen diese Annahme als Hypothese 1. Die Alternative nennen wir Hypothese 2, wonach der Transistor sich im Sättigungsbereich befindet: Hypothese 1: I B (5 V 0.7 V)/10 kω = 430 µa I C = 129 ma. Dieser Strom ist so hoch, dass die Ausgangsspannung gleich 10 V I C = 119 v wäre. Die Ausgangsspannung wird aber bei voll durchgesteuertem Transistor mindestens 0V betragen. D.h. die Hypothese 1 ist falsch. Hypothese 2: Weil Hypothese 1 falsch ist, muss Hypothese 2 gelten. Der Transistor befindet sich also im Sättigungsbereich. Für diesen gilt u CE u BE. Damit folgt, u CE 0.7 V. Eine Genauere Beschreibung des Verhaltens im Sättigungsbereich kann oft im Datenblatt des Transistors gefunden werden. c) Nach ähnlicher Rechnung wie in Teilaufgabe (b) ergibt sich u a = 7 V. d) ist = 0 so ist die Ausgangsspannung gleich 10 V. Steigt u e in richtung 0.7 V so ist die Ausgangsspannung bereits kleiner als 3 V. Noch höhrere Eingangsspannungen reduzieren die Ausgangsspannung weiter bis sie annähern 0 V beträgt. Weist man einer hohen Spannung den logischen Wert 1 und einer tiefen Spannung den logischen Wert 0 zu, so realisiert diese Schaltung eine logische Negation bzw. in Englisch ausgedrückt einen Inverter. Lösung 2. a) Die Schaltung besteht aus zwei Invertern. Dementsprechend steigt die Ausgangsspannung wenn die Eingangsspannung steigt und umgekehrt. Die Bauteilwerte können in relativ weiten Bereichen variiert werden ohne die Funktion der Schaltung im wesentlichen zu verändern. Wichtig ist, dass alle Ströme klein genug sind, sodass kein Bauteil zerstört wird und dass sie gleichzeitg gross genug sind, sodass die Tansistoren bei den gewünschten Spannungen durchsteuern. b) Die Schaltung stellt einen Inverter gefolgt von einem Spannungsfolger dar. Die Ausgangsspannung steigt also wenn die Eingangsspannung sinkt und umgekehrt. Der Spannungsfolger erlaubt die Wahl eines relativ geringen Lastwiderstandes R 3. Lösung 3. a) I C = I E I B, I E = u a /R E = 4 V/100 Ω = 40 ma. I E = (1 + h F E )I B, d.h. I B = 40 ma/181 = 221 µa. I C = h F E I B = µa = ma. b) P v = I C U CE = ma 6 V = mw. c) Die verkraftbare Verlustleistung bei Raumtemperatur (Power dissipation at T amb = 25 ) beträgt 625 mw. D.h. der Transistor kann die Verlustleistung verkraften. Lösung 4.

5 Übungsserie, Bipolartransistor 1, Elektronik 1 5 a) Ohne den Transistor müsste umso kleiner sein, je grösser der Laststrom ist. Das führt zu relativ grossen Verlustleistungen in und damit zu einer Spannungsversorgung mit schlechtem Wirkungsgrad. Der Transistor reduziert die Belastung für die Spannungsquelle bestehend aus und D 1, dadurch kann grösser gewählt und damit Leistung gespart werden. b) Der Strom mit dem die Spannungsquelle bestehend aus und D 1 belastet wird, wird etwa um den Faktor h F E reduziert, d.h. Der Widerstand mit dem die Spannungsquelle belastet wird ist etwa h F E R L = 30 kω.