Praktikum Physik. Protokoll zum Versuch: Kennlinien. Durchgeführt am Gruppe X. Name 1 und Name 2

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1 Praktikum Physik Protokoll zum Versuch: Kennlinien Durchgeführt am Gruppe X Name 1 und Name 2 Betreuer: Wir bestätigen hiermit, dass wir das Protokoll selbstständig erarbeitet haben und detaillierte Kenntnis vom gesamten Inhalt haben. Name 1 Name 2

2 Inhaltsangabe 1. Einführung 2. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei kleinen Spannungen a. Aufbau b. Ergebnisse c. Diskussion 3. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei hohen Spannungen a. Aufbau b. Ergebnisse c. Diskussion 4. Kennlinie einer Halbleiterdiode a. Aufbau b. Ergebnisse c. Diskussion 5. Oszilloskopversuch Diode im Wechselstromkreis a. Aufbau b. Ergebnisse c. Diskussion 6. Kennlinie eines MOS-FET s d. Aufbau e. Ergebnisse f. Diskussion 2

3 1. Einführung Im diesem Versuch wurden die Kennlinien von verschiedenen elektrischen Bauelementen aufgenommen. Dies wurde durch Messung von Spannung und Stromstärke, sowie Errechnung des ohmschen Widerstandes mit Hilfe des folgenden Zusammenhanges bewerkstelligt: =. Abbildung 1: Schaltbild zum Messen von Strom und Spannung (Quelle: Wie Abb. 1 zeigt werden Spannung parallel, Ströme dagegen in Serie gemessen. Dies liegt daran, dass man bei der Spannung eine Potentialdifferenz misst, also zwei Bezugspunkte braucht. Der Strom wird seriell gemessen, da die Stromstärke nach Kirchhoff an allen Punkten einer Masche gleich ist. 3

4 2. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei kleinen Spannungen 2.a. Aufbau Der Versuch wurde wie in Abb. 2 gezeigt aufgebaut: Abb.2: Aufbau Glühbirne Bei dem Versuch wurde die Abhängigkeit der Stromstärke I von einer eingestellten Spannung U gemessen und protokolliert. Es wurden jeweils Messungen bei Gleichspannungen von -5 V bis +5 V in 1 V-Schritten durchgeführt, je ein Versuchsdurchgang mit einer Glühbirne mit Metallfaden und einer mit einer Glühbirne mit Kohlefaden. 2.b. Ergebnisse Für Kohlefaden: Tabelle 1: Kohlefaden bei niedriger Spannung Spannung U/V Stromstärke I/mA Widerstand R/Ω ΔR/Ω -4,99-4,9 1018,4 ±41,6-3,99-3,9 1023,1 ±52,5-3 -2,9 1034,5 ±71,4-2 -1,9 1052,6 ±110,8-0,98-0,9 1088,9 ±242, ,99 0,9 1100,0 ±244,5 1,99 1,9 1047,4 ±110,3 2,99 2,9 1031,0 ±71,1 4 3,9 1025,6 ±52,6 4,98 4,9 1016,3 ±41,5 4

5 Stromstärke I/mA niedrige Spannung: Kohle Spannung U/V Abb.3: Kennlinie Kohleglühbirne bei niedrigen Spannungen Für Metallfaden: Tabelle 2: Metallfaden bei niedrigen Spannungen Spannung U/V Stromstärke I/mA Widerstand R/Ω ΔR/Ω -4, ,6 ±0,383-3,98-44,7 89,0 ±0, ,6 82,0 ±0, ,8 71,9 ±0, ,3 69,9 ±0, ,4 69,4 ±0,966 2,06 27,8 74,1 ±0,534 3,04 37,3 81,5 ±0,438 3,9 44,5 87,6 ±0, ,8 98,4 ±0,388 Stromstärle I/mA niedrige Spannung: Metall Spannung U/V Abb.4: Kennlinie Metallglühbirne bei niedrigen Spannungen 5

6 Größtfehlerrechnung: Fehlerabschätzung: ΔU = 0,02 V; ΔI = 0,2 ma Formel: ΔR = + = + 2.c. Diskussion Wie in den Schaubildern (Abb.3 und Abb.4) zu erkennen ist, steigt wie erwartet die Stromstärke relativ linear zu der eingestellten Spannung. Allerdings ist beim Metallfaden eine leichte Abflachung der Kennlinie im oberen Messbereich zu erkennen, bei Kohlefaden ist dies nicht der Fall. Hier verläuft die Kennlinie im Messbereich linear. Das Verhalten des Metallfadens lässt sich durch dessen leichte Erwärmung, welche bereits bei diesen geringen Spannungen auftritt, erklären. Kohle leitet im warmen Zustand den Strom immer besser, der ohm sche Widerstand des Kohlefadens wird also mit steigender Erwärmung, die durch steigende Spannung auftritt, immer geringer, deshalb sollte der Strom eigentlich nicht linear zur Spannung steigen. Die Kennlinie sollte abflachen, jedoch ist hier der Messbereich zu klein, um diesen Effekt erkennen zu können. Der ohm sche Widerstand bleibt in unserem Messbereich noch konstant. Beim Metall ist dies genau umgekehrt, der ohm sche Widerstand steigt mit steigender Temperatur, dadurch wird die Steigung der Kennlinie mit steigender Spannung geringer. Bei den in diesem Versuch angelegten Spannungen ist der Effekt der Erwärmung allerdings noch nicht stark ausgeprägt. 6

7 3. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei hohen Spannungen 3.a. Aufbau Der Aufbau entspricht genau dem Aufbau aus dem vorherigen Versuch. (Siehe Abb.2) Im Gegensatz zum vorherigen Versuch wurden die beiden Lampen bei höheren Spannungen, mit bis zu 220 V in 10 V-Schritten gemessen. Außerdem wurde Wechselspannung eingesetzt, was in diesem Fall aber keinen Unterschied macht. 3.b. Ergebnisse Für Kohlefaden: Tabelle 3: Kohlefaden bei hohen Spannungen Spannung U/V Stromstärke I/mA Widerstand R/mΩ ΔR/mΩ 9,9 10,3 961,2 18,7 20, ,7 8,4 30,2 33,9 890,9 5,3 40,5 47,1 859,9 3,7 50,5 60,8 830,6 2,7 60,1 74,5 806,7 2,2 69,9 89,1 784,5 1,8 80,7 106,3 759,2 1,4 90,2 121,4 743,0 1,2 100,3 138,3 725,2 1, ,1 706,6 0,9 120,1 173,5 692,2 0,8 130,8 193,2 677,0 0, ,5 0,6 149, ,1 0, ,6 0, ,6 0, ,6 0,4 190, ,4 0, ,7 0, ,8 0, ,9 0,3 7

8 Für Metallfaden: Tabelle 4: Metallfaden bei hohen Spannungen Spannung U/V Stromstärke I/mA Widerstand R/mΩ ΔR/mΩ ,1 0, ,7 0, ,1 0, ,8 0, ,8 0, ,0 0, ,2 0, ,6 0, ,2 0, ,4 0, ,8 0, ,0 0, ,8 0, ,1 0, ,4 0, ,5 0, ,9 0, ,5 0, ,7 0, ,8 0, ,1 0, ,5 0,6 450 hohe Spannung Stromstärke I/mA Kohle Metall Spannung U/V Abb.5: Kohle- und Metallfaden bei hohen Spannungen 8

9 3.c. Diskussion Hier sank bei der Kohle der Widerstand mit steigender Spannung bzw. Erwärmung des Fadens und beim Metall stieg der Widerstand. Bei ungefähr U = 140 V waren beide Wiederstände gleich groß und somit auch die Stromstärke. Darüber hinaus war der Widerstand der Kohle geringer als der des Metalls. Metalllampen sind besser geeignet als Kohlelampen, da geringe Spannungsschwankungen im Stromnetz bei höheren Spannungen bei Kohlelampen zu relativ großen Stromstärkeänderungen führen, während diese bei Metall nur geringe Änderungen verursachen. 4. Kennlinie einer Halbleiterdiode 4.a. Aufbau Für die Messungen mit der Halbleiterdiode wurde eine Schaltung aufgebaut, die in Abb. 6 zu sehen ist. Abbildung 6: Schaltung der Diode Durch Messen von Spannung und Stromstärke wurde die Kennlinie der Diode aufgenommen und zwar von -2 V bis +0,865 V, da hier eine maximale Stromstärke von 200 ma nicht überschritten werden durfte. 9

10 4.b. Ergebnisse Tabelle 5: Spannungs- und Stromverlauf der Diode Spannung U/V Stromstärke I/mA Widerstand R/m , , ,3 0 0,6 0 0, , , , , , , ,5 9 0, , Werden die Werte aus Tabelle 5 zu einer Kennlinie aufgetragen, so ergibt sich ein Diagramm wie in Abb. 7 dargestellt. Stromstärke I/mA ,5-2 -1,5-1 -0, ,5 1 1,5 Spannung U/V Abbildung 7: Kennlinie der Halbleiterdiode Aus dem Graphen lässt sich die Schleusenspannung der Diode zu etwa 0,8 V bestimmen. 10

11 4.c. Diskussion Im Vergleich zu den Kennlinien aus dem ersten Versuch fließt hier bei negativen Spannungen kein Strom. Dies liegt daran, dass die Diode Strom nur in einer Richtung passieren lässt. Bei Erreichen der Schleusenspannung bei 0,8 V steigt der Strom schlagartig steil an, da hier die Sperrschicht des dotierten Halbleiters durchbrochen wird und Strom fließen kann. 5. Oszilloskopversuch Diode im Wechselstromkreis 5.a. Aufbau CH 2 CH 1 Abbildung 8: Diode im Wechselstromkreis, CH 1 und CH 2 stellen die beiden Kanäle eines angeschlossenen Oszilloskops dar; verändert nach: Wie Abb. 8, zeigt wurde die Diode nun in einen Stromkreis mit Wechselspannung eingebracht. Zur Messung wurde nun ein Oszilloskop verwendet, dessen Kanal 1 die Wechselspannung maß und dessen Kanal 2 die Spannung abgriff, die über den Widerstand abfiel. 11

12 5.b. Ergebnisse Das Oszilloskop zeigte ein Bild an, wie es in Abb. 9 gezeigt ist. Abbildung 9: Anzeige des Oszilloskops 5.c. Diskussion Das Bild auf dem Oszilloskopschirm zeigt, dass der Strom von der Diode nur in eine Richtung durchgelassen wird. Durch die angelegte Wechselspannung will der Strom abwechselnd vor und zurück fließen, die Diode lässt aber nur eine Richtung zu. Außerdem wird eine bestimmte Mindestspannung, die Schleusenspannung, benötigt, damit überhaupt ein Stromfluss zustande kommen kann, deshalb fließt erst ein Strom in Durchlassrichtung wenn diese erreicht ist. 12

13 6. Kennlinie eines MOS-FET s 6.a. Aufbau Für diesen Versuch wurde ein selbstsperrender n-kanal MOS-FET benutzt und entsprechend Abb. 10 verschaltet. Abbildung 10: Schaltung des MOS-FET Wegen Zeitmangel wurde nur die Steuerkennlinie des Transistors aufgenommen. Dazu wurde die Source- Drain-Spannung U SD konstant bei 1 V gehalten und die Gatespannung U G, sowie der Gatestrom I G aufgezeichnet. Dabei wurde darauf geachtet, dass der Gatestrom unter 150 ma blieb. 13

14 6.b. Ergebnisse Tabelle 6: Gatespannungen und ströme des MOS-FET Gatespannung U G /V Stromstärke I G /ma 0,3 0,25 0,57 0, ,5 1,1 1,75 5 1, , ,3 58 2,5 83 2, , ,8 150 Die in Tabelle 6 aufgetragenen Gatespannungen und ströme sind in Abbildung 11 graphisch aufgetragen. Stromstärke I G /ma ,5 1 1,5 2 2,5 3 Gate-Spannung U G /V Abbildung 11: Kennlinie des MOS-FET Aus dem Graphen wurde die maximale Steilheit zu 340 ma/v bestimmt. Dazu wurde die Steigung der Verbindungsgeraden zwischen den Werten der Gatespannung von 2,5 und 2,6 V berechnet. Am Punkt der maximalen Steilheit bewirkt eine minimale Änderung der Gatespannung U G eine maximale Änderung der Stromstärke I G. 14

15 Es ist auch ein Ansatz zu einer Sättigung in der Steuerkennlinienkurve zu erkennen. 6.c. Diskussion Beim selbstsperrenden MOS-Feldeffekttransistor beginnt erst bei Erreichen einer bestimmten Spannung Strom zu fließen. Da der MOS-FET selbstsperrend ist, ist der n-kanal im Transistor konstitutiv aufgelöst, was bedeutet, dass kein Source-Drain-Strom fließen kann. Wird eine Gatespannung angelegt und erhöht, so beginnt der n-kanal sich wieder zu bilden und seine Leitfähigkeit wird erhöht und es fließt Source-Drain- Strom. Der Strom steigt bei geringen Spannungserhöhungen stark an, jedoch findet bei weiterer Spannungserhöhung eine Sättigung statt, wie in Abbildung 11 gerade noch zu erkennen ist. Aufgrund der starken Erhöhung des Stroms selbst bei geringen Spannungsänderungen kann der MOS-FET als Verstärker benutzt werden. 15

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