Grundlagen - Labor. Praktikumsübung. Laborversuch GL-24 / Bipolar-Transistor, MOSFET, J-FET Kennlinien und Anwendungen

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1 GRUNDLAGENLABOR 1(15) Fachbereich Systems Engineering Grundlagen - Labor Praktikumsübung Laborversuch GL-24 / Bipolar-Transistor, MOSFET, J-FET Kennlinien und Anwendungen Versuchsziele: Kennenlernen von Eigenschaften und Verhalten der Bauelemente Transistor und FET, Ermitteln von Kennlinien, Arbeitspunkteinstellung Anwendungsbeispiele: --- Transistor und MOSFET als Schaltverstärker --- J-FET als steuerbarer Widerstand --- Konstantstromquelle mit J-FET Die mit (VA) gekennzeichneten Vorbereitungsaufgaben sind vor Praktikumsbeginn zu bearbeiten und im Protokoll zu dokumentieren.

2 GRUNDLAGENLABOR 2(15) 1. Bipolar Transistor Kennlinien und Anwendungen 1.1 (VA) Simulation des Ausgangskennlinienfeldes mit Multisim : Simulieren Sie mit Hilfe des Programms MultiSim das Ausgangskennlinenfeld des Transistors 2N2222A für Stromsteuerung I C = f(u CE, I B=konst ). Verwenden Sie dazu nachfolgende Messschaltung und Analyse-Einstellungen: I C (ma) P Vmax I B U CE (V) a) Wählen Sie geeignete Werte für I B und stellen Sie 10 Kennlinien in den Bereichen I C = 0 1A und U CE = 0 40V dar. b) Zeichnen Sie (mit Hilfe der beiliegenden Datenblätter) in das Kennlinienfeld den zulässigen Arbeitbereich des Transistors 2N2222A ein. (Area of Save Operation ) 1.2 (VA) Arbeitpunkteinstellung: Gegeben ist nachfolgende einfache Arbeitpunkteinstellung (Transistor als Verstärker) mit Hilfe eines Basisvorwiderstand R B.

3 GRUNDLAGENLABOR 3(15) I C(A) + 11V R B R C I B(A) U CE(A) a) Dimensionieren Sie (mit Hilfe der beiliegenden Datenblätter) die Widerstände R C und R B für eine Verstärkerschaltung (d.h.: der Arbeitspunkt soll in der Mitte des Ausgangskennlinienfeldes liegen) wobei I Cmax = 50mA, U BE(A) = 0,7V und U B = 11V betragen soll. Die Stromverstärkung beträgt B 200 siehe beiliegende Datenblätter (B wird in den Datenblättern mit h FE (current gain) angegeben!) b) Zeichen Sie den Arbeitpunkt (incl. Widerstandsgerade) im Ausgangskennlinienfeld ein. (zoomen Sie dafür den Kennlinienbereich I C = 0 70 ma und U CE = 0 12 V) 1.3 Messung der Arbeitpunkteinstellung a) Überprüfen Sie vor dem Messbeginn mit Hilfe eines Multimeters die Funktionstüchtigkeit des verwendeten Transistors. b) Bauen Sie die Schaltung aus Aufgabe 1.2 mit den von Ihnen berechneten Bauteilwerten auf und überprüfen Sie die Arbeitpunkteinstellung. Messen Sie die tatsächlichen Strom- und Spannungsverhältnisse und dokumentieren Sie in tabellarischer Form die Messwerte für I C(A), U CE(A), I B(A), U BE(A), und B (A). Vergleichen Sie die Messwerte mit den Werten Ihrer Berechnung. c) Berechnen Sie die Verlustleistung P V(A) die im Transistor in Wärme umgesetzt wird. d) Untersuchen Sie das Verhalten des Arbeitspunktes bei Temperatureinfluss 1.4 Der Bipolar-Transistor als Schalter (Schaltverstärker): Der Transistor 2N2222A soll nun mit einer Eingangsspannung von U E = 5 V Ein- bzw. Ausgeschaltet werden. Im eingeschalteten Zustand soll der Transistor vollständig aufzusteuern damit I Cmax = 50mA fließt. Berechnen Sie mit der aus Aufgabe 1.3 eruierten tatsächlichen Stromverstärkung B (A) den dafür notwendigen Basisstrom I B(A) bzw. den notwendigen Basisvorwiderstand R B. U BE(A) = 0,7V

4 GRUNDLAGENLABOR 4(15) I C(A) + 11V U E R C 5V R B t U E I B(A) U A Bauen Sie die Schaltung mit den von Ihnen berechneten Bauteilwerten auf und a) messen Sie die Ausgangsspannung U A (bzw. die Restspannung U CE Rest (U CE sat )) bei U E = 0V und bei U E = 5V, die an der Kollektor-Emitterstrecke abfällt und berechnen Sie die Verlustleistung P V des Transistors im eingeschalteten Zustand. b) Betreiben Sie nun den Transistor im Übersteuerungszustand mit einem Übersteuerungsfaktor von ü = 5 ( 5 facher Basisstrom). Messen Sie erneut die Ausgangsspannung U A (Restspannung U CE Rest (U CE sat )) die in diesem Betriebsfall an der Kollektor-Emitterstrecke abfällt und berechnen Sie neuerlich die Verlustleistung P V. c) Stellen Sie beide Arbeitpunkte im Ausgangskennlinienfeld dar, vergleichen Sie die Verlustleistung beider Betriebsfälle und diskutieren Sie die Ergebnisse. d) Untersuchen Sie das dynamische Schaltverhalten des übersteuerten Transistors bei einer Schaltfrequenz von 200 khz. Durch welche Maßnahmen kann die Ausschaltverzögerung reduziert werden? 2. MOSFET Transistor Kennlinien und Anwendungen 2.1 Messung der Steuerkennlinie I D= f(u GS, U DS=konst ) eines selbstsperrenden n-kanal MOSFET Transistor vom Typ IRF610 Messschaltung: IRF 610 U DS = 15V U GS R G = 10kΩ

5 GRUNDLAGENLABOR 5(15) a) Wählen Sie geeignete Werte für U GS und ermitteln Sie die Steuerkennlinie des MOSFET-Transistors für eine konstante Drain-Source-Spannung von U DS = 15V. Stellen Sie die gemessenen Werte in einem Diagramm I D = f (U GS ) dar und vergleichen Sie Ihre Kennlinie mit der Kennlinie im Datenblatt des Herstellers. Dokumentieren Sie etwaige Abweichungen. b) Bestimmen Sie den Wert der Thresholdspannung (Mindest-Gatespannung) U T c) Ermitteln Sie für die Kennlinienmitte die Steilheit S. S I = D UGS (U = konstant) DS S = [ ma/ V] 2.2 MOSFET als Schalter: An Stelle des Bipolar-Transistors 2N2222A aus Aufgabe 1.4 soll nun der selbstsperrende n-kanal MOSFET Transistor vom Typ IRF610 als Schalter verwendet werden. R L = 220Ω +U B IRF 610 U E R G = 10kΩ U A a) Messen Sie die Ausgangsspannung U A (bzw. die Restspannung U DS Rest ) bei U E = 0V und bei U E = 5V, die an der Drain-Sourcestrecke abfällt und berechnen Sie die Verlustleistung P V des Transistors im eingeschalteten Zustand. b) Untersuchen Sie das dynamische Schaltverhalten des MOSFET-Transistors bei einer Schaltfrequenz von 10 khz und 100kHz. Durch welche Maßnahme kann das Ein- und Ausschaltverhalten bei höheren Frequenzen verbessert werden? c) Listen Sie die Vor- und Nachteile des Bipolar- bzw. MOSFET-Transistors als Schalter auf.

6 GRUNDLAGENLABOR 6(15) 3. J-FET Transistor als steuerbarer Widerstand 3.1 (VA) Steuerkennlinie eines Sperrschicht-FET Simulieren Sie mit Hilfe des Programms PSpice die Steuerkennline I D = f (-U GS, U DS=konst ) des J-FET Transistors J2N3819 für eine konstante Drain-Source-Spannung von U DS = 15V. Bestimmen Sie den Wert der Abschnürspannung U P. 3.2 J- FET (BF245C) als steuerbarer Widerstand Der Kanalwiderstand R DS eines FET s hängt stark von der Gate Source - Spannung U GS ab und lässt sich je nach FET-Typ zwischen Ω variieren. Wird ein Festwiderstand R V entsprechend nachfolgender Schaltung mit dem veränderbaren Kanalwiderstand eines J-FET s von Typ BF 245C in Reihe geschaltet, so entsteht ein Spannungsteiler, dessen Ausgangsspannung sich über U GS leistungslos verändern lässt. +U B 10 kω BF 245C R V U B = 20 V R V = 560 Ω -U GS 8,2V R DS U a a) In welchem Bereich kann die Ausgangsspannung U a mit Hilfe von U GS variiert werden? Stellen Sie Ihre Messwerte in einem Diagramm U a = f ( U GS ) dar. b) Berechnen Sie jeweils für die Messwerte von -U GS den dazugehörigen Drain-Source- Widerstand R DS und stellen Sie den Verlauf von R DS = f (-U GS ) in einem Diagramm dar ( log. Skalierung von R DS ). 3.3 Konstantstromquelle mit FET (Optional) Mit FET -Transistoren lassen sich besonders einfach Konstantstromquellen realisieren. Ausgenutzt wird dabei der große Ausgangswiderstand r DS von FET s bei Betrieb im Abschnürbereich. ( U DS hat nur einen kleinen Einfluss auf die Größe von I D ). Bei der nachfolgenden Schaltung wird U GS durch den Source -Widerstand R S erzeugt.

7 GRUNDLAGENLABOR 7(15) Dimensionierung: Die Gate Source Spannung U GS wird meist so gewählt, dass der Arbeitspunkt in der Mitte der Steuerkennlinie liegt. Aus dieser Kennlinie kann auch ermittelt werden, welche U GS für einen bestimmten Laststrom I L erforderlich ist. +U B = 10V I D I L = I = D U R GS S U = I. R GS D S R S I L R L Regelvorgang: Steigt z.b. der konstant zu haltende Laststrom I L geringfügig an, so steigt auch der Spannungsabfall an R S an. Dadurch wird die Gatespannung U GS negativer und bewirkt, dass der Drainstrom wieder auf den ursprünglichen Wert absinkt. Ein gegensätzlicher Regelvorgang läuft ab, wenn I L geringfügig kleiner wird. 5mA-Konstantstromquelle mit BF 245C: a) Ermitteln Sie (mit Hilfe der beiliegenden Datenblätter des BF245C) aus der Steuerkennlinie die notwendige Gate Source-Spannung U GS für einen Laststrom I L von 5mA und berechnen Sie daraus den Widerstand R S. b) Untersuchen Sie das Verhalten der Konstantstromquelle, wenn der Lastwiderstand R L in einem Bereich von 0 2 KΩ variiert wird. Stellen Sie den Verlauf von I L = f (R L ) in einem Diagramm dar und erklären Sie das Verhalten der Schaltung. (U B = 10V)

8 GRUNDLAGENLABOR 8(15) Datenblätter zu 2N2222, IRF 610 und BF 245:

9 GRUNDLAGENLABOR 9(15)

10 GRUNDLAGENLABOR 10(15)

11 GRUNDLAGENLABOR 11(15)

12 GRUNDLAGENLABOR 12(15) Datenblätter zu IRF 610:

13 GRUNDLAGENLABOR 13(15)

14 GRUNDLAGENLABOR 14(15) Datenblätter zu BF 245C:

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