Kennlinienaufnahme elektronische Bauelemente

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1 Messtechnik-Praktikum Kennlinienaufnahme elektronische Bauelemente Silvio Fuchs & Simon Stützer 1 Augabenstellung 1. a) Bauen Sie eine Schaltung zur Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines elektronischen Bauelementes (Diode) mit einem Elektronenstrahloszillographen auf. Verwenden Sie dazu einen massefreien Generator. Zur Strommessung wird ein 1kΩ Widerstand eingesetzt. b) Nehmen Sie die Kennlinie I = f(u) des Bauelementes auf. Die Stromachse wird dabei nach Ausmessen des omschen Vorwiderstandes in [A] kalibriert. 2. a) Bauen Sie die Schaltung zur Bestimmung des differentiellen Widerstandes r D eines elektronischen Bauelements auf. b) Bestimmen Sie den differentiellen Eigenwiderstand eines npn-transistors (h 11 -Parameter) als Funktion des Arbeitspunktes durch Variation der Gleichspannung U = im Bereich on 0 bis 10V. Messen Sie die dazugehörigen Gleichstromanteil I B. Stellen Sie in jedem Arbeitspunkt den Wechselstromanteil δi BE so ein, dass Sie differentiell messen können. Die Wechselspannung δu BE im Arbeitspunkt wird mit dem Röhrenvoltmeter bei einer Messfrequenz von f 500Hz gemessen. Die Kontrolle des sinusförmigen Spannungsverlaufes erfolgt mit dem Elektronenstrahloszillogrphen. Warum ist diese Vorgehensweise nötig? c) Stellen Sie den gemessenen differentiellen Widerstand r D als Funktion des Gleichstromanteils I B im Arbeitspunkt graphisch dar. d) Nehmen Sie die Strom-Spannungskennlinie von 0 10V mit der vereinfachten Schaltung (Abbildung 3) punktweise auf und vergleichen Sie diese mit dem Verlauf des differentiellen Widerstandes unter 2 a). Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. 1

2 2 Grundlagen Zur Charakterisierung zweipoliger elektronischer Bauelemente dient u.a. eine Strom-Spannungs-Kennlinie. Eine solche Kennlinie dient zur Beschreibung des Bauelementes und seiner Eigenschaft, Strom in Abhängigkeit von der Spannung unterschiedlich zu leiten. Zur Visualisierung wird eine Diode und ein bekannter Widerstand in Reihe geschaltet und die Spannung am Widerstand und am Bauelement abgegriffen. Diese wird auf dem Oszillographen über die beiden Eingänge CH1/CH2 sichtbar gemacht und man erhält die charakteristische Kennlinie. Bei Bauelementen mit nicht linearer Kennlinie, beispielsweise Dioden, ist jedoch ein ohmscher Widerstand nicht zweckmäßig, sodass ein differentieller Widerstand betrachtet wird. Es gilt r D = du AP di AP U AP I AP Dieser Quotient entspricht der Steigung der Tangente am betrachteten Arbeitspunkt der Kennlinie. So ist es möglich die gesamte Kennlinie Punktweise aufzunehmen. Abbildung 1: Schamtischer Verlauf der Kennlinie zu Aufgabe 2 b) Abbildung 2: Schamtischer Verlauf der Kennlinie zu Aufgabe 2 d) 2

3 3 Schaltung und verwendete Messgeräte 3.1 Schaltungen Abbildung 3: Schaltung zur Aufnahme einer Strom-Spannnungs-Kennlinie einer Diode Abbildung 4: Schaltung zur Aufnahme eines differentiellen Widerstandes eines elektronischen Bauelementes Abbildung 5: Schaltung zur Aufnahme einer Strom-Spannnungs-Kennlinie 3.2 Messinstrumente Zur Messung wurden folgende Messinstrumente verwendet: MX22 und MX24 Handmultimeter LMV181A Röhrenvoltmeter HM8011 Digitalmultimeter Oszillograph LCR-Messbrücke 3

4 4 Messwerte Aufgabe 2 b) Abbildung 6: Stom-Spannungs-Kennlinie eines npn-transitors differentiell gemesse 4

5 Aufgabe 2 d) Abbildung 7: Stom-Spannungs-Kennlinie eines npn-transitors punktweise gemesse 5

6 5 Auswertung Aufgabe 1 b) Abbildung 8: Stom-Spannungs-Kennlinie einer Diode Bemerkung: Die I-U-Kennlinie wurde direkt am Oszillographen abfotografiert. Da der Widerstand mit 1, 008kΩ nur minimal über den für die Kallibrierung zweckmässigen Widerstand von 1kΩ lag wurde diese minimale Stauchung der y-achse vernachlässigt. Wie man sieht, sperrt die Diode in negativer Richtung den Stromfluss. Auf der positiven Spannungsachse sinkt der Widerstand mit zunehmender Spannung. 6

7 Aufgabe 2 b) Abbildung 9: differentielle Stom-Spannungs-Kennlinie eines npn-transitors Abbildung 10: differentielle Widerstand als Funktion der Spannung Man erkennt in Abbildung 9 den typischen Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode. Dies ist nicht verwunderlich, da der Transistor auf der Basis-Emitter-Strecke wie eine Diode wirkt. Der Sprung in der Kurve der orginalen Messwerte wird in der Diskussion näher erläutert. In Abbildung 10 erkennt man zunächst, dass bei kleinen Spannungen der differentielle Widerstand relativ konstant bleibt, und dann mit zunehmender Spannung exponentiell fällt (logarithmische Darstellung zeigt einen linearen Verlauf). Die Kontrolle der sinusförmigen Spannungsverläufe ist notwendig um die nährungsweise Linearität in der differentiellen Widerstandsmessung zu gewährleisten. Sobald die Sinusfunktion der Wechselspannung degeneriert, kann nicht mehr von einem linearen ohmschen Gesetzt ausgegangen werden. 7

8 Aufgabe 2 c) Abbildung 11: differentieller Widerstand als Funktion des Stromes logarithmisch in I 8

9 Aufgabe 2 d) Abbildung 12: punktweise Stom-Spannungs-Kennlinie eines npn-transitors (vereinfachte Schaltung) Abbildung 13: punktweiser Widerstand über der Spannung eines npn-transitors (vereinfachte Schaltung) 9

10 Abbildung 14: punktweiser Widerstand über der Spannung eines npn-transitors (vereinfachte Schaltung) Beim Vergleich von Abbildung 9 (differentielle Messung) und 12 (punktweise Messung) wurden, nach Umrechnen des Innenwiderstandes des Amperemeters, die gleichen Ergebnisse erzielt. Dies ist liegt darin begründet, dass das selbe Bauteil vermessen wurde und bei Abbildung 9 der Wechselstromkreis lediglich als Messinstrument des differentiellen Widerstandes dient und keinen Einfluss auf die Strom- Spannungs-Kennlinie hat. Im Vergleich zur punktweisen Messung (Abb.: 13) lässt sich der Widerstand als Funktion der Spannung in der differentiellen Messung (Abb.:10) genauer bestimmen. Man erkennt, dass ab einem Punkt beide Kurven linear fallen (logarithmische Darstellung). Allerdings wurde mit Hilfe der differentiellen Messung für sehr geringe Spannungen ein nahezu konstanter Widerstand gemessen, wo eine punktweise Messung überhaupt nicht möglich war. Die punktweise Messung lässt den nichtlinearen Charakter der Strom-Spannungskurve unberücksichtigt und geht von einem linearen ohmschen Gesetz aus. Beim Vergleich der Abbildungen 14 und 11 erkennt man zunächst den ähnlichen Verlauf der Kurven (logarithmische Darstellung in I). Auch hier erweist sich die differentielle Messung als genauer. Prinzipiell wird mit der punktweisen Messung der Widerstand viel grösser bestimmt als in der differetiellen Messung. 10

11 6 Diskussion In diesem Versuch wurde die Problematik der Charakterisierung von Bauelementen anhand von Strom- Spannungs-Kennlinien behandelt. Bei realen Bauteilen ist diese Kurve meist nicht linear. Um aber dennoch ohmsche Widerstände bestimmen zu können, misst man differentiell. Man nährt punktweise einen linearen Verlauf an die reale Kurve an. Je schmaler dieser Nährungsbereich ist, desto genauer ist die Widerstandsbestimmung. Messfehler wurden in die Diagramme eingezeichnet. Diese sind aber im Vergleich zu den Messwerten sehr gering. Eine gesonderte Betrachtung ist deshalb nicht nötig. In Abbildung 9 und 10 erkennt man Sprünge der Messwerte. Diese entstehen bei der Messbereichsumschaltung des Amperemeters auf 400mA. Die Spannung am Bauelement, die hier als Abzisse dient, wurde nicht direkt gemessen, sondern über den Strom und den vorgeschalteten Widerstand errechnet. Der Innenwiderstand des Amperemeters ändert sich natürlich bei einem Messbereichswechsel, und damit wird die errechnete Spannung inkorrekt. Um diesen Fehler auszugleichen, wurde ein Korrekturwiderstand von 495Ω angenommen, was den stetigen Verlauf der Kurven sicherstellt. 11