Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien

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1 15. März 2016 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien Einführung In diesem Praktikum soll das Ausgangskennlinienfeld des NPN-Transistors BC337 ausgemessen werden, um später einen Verstärker dimensionieren und bauen zu können. In allen hier beschriebenen Aufgaben kommt derselbe Transistortyp zum Einsatz. Das Ausgangskennlinienfeld hat die im 1. Quadranten in Abb. 1 dargestellte Gestalt. Uebertragungskennlinie I C ma Ausgangskennlinienfeld I B U CE = 5 V I B µa U CE U CE = 5 V Eingangskennlinie U BE V Abbildung 1: Kennlinienfelder eines NPN-Transistors. Das Ausgangskennlinienfeld liegt im 1. Quadranten dieser Darstellung.

2 Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien, Elektronik Aufzeichnen des Ausgangskennlinienfeldes Das Ziel dieser Aufgabe ist es, zwei Kennlinienäste des Ausgangskennlinenfeldes in Abb. 1 für die beiden Basisströme 100 µa und 1 ma zu messen. Die Messwerte sollen mit Hilfe eines MATLAB-Skripts als Kennlinienfeld dargestellt werden. Eine Messchaltung zur Aufzeichnung des Ausgangskennlinienfeldes findet sich in Abb. 2. Die Spannungsquellen U 1 und U CE können mit dem Labornetzgerät realisiert werden. Die Ströme I B und I C können mit Hilfe der Handmultimeter gemessen werden. R 1 IB I C U 1 10 kω U BE U CE Abbildung 2: Messchaltung für die Bestimmung des Ausgangskennlinienfeldes. a) Achten Sie darauf, dass die Verlustleistung P V = I C U CE 650 mw, siehe Datenblatt. b) Es sollen Äste des Ausgangskennlinienfeldes für I B {100, 1000} µa gemessen werden. Stellen Sie dazu jeweils den betreffenden Basisstrom durch Wahl von U 1 ein. Für jeden der Werte soll die Spannung U CE von 0 bis 15 V in von Ihnen gewählten Stufen verändern werden und der sich einstellende Kollektorstrom I C gemessen werden. Legen Sie für jeden Wert von I B einen Vektor für I C und einen für U CE in einem MATLAB- Skript an. Hinweis: Der Strom I B ändert sich geringfügig in Abhähngigkeit von U CE. Ausserdem steigt I C mit wachsender Temperatur an. c) Stellen Sie die beiden Äste des Kennlinienfeldes dar. d) Wie gross ist die Stromverstärkung h F E := I C I B für U CE = 5 V und für die verschiedenen Basisströme?

3 Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien, Elektronik 1 3 e) Stimmen Ihre Ergebnisse mit den Angaben aus dem Datenblatt überein? 2 Der Transistor als Schalter Eine Leistungs-LED benötigt für ihren Betrieb einen Strom in der Grössenordnung von einigen hundert ma. Mit dem Transistor BC337 kann dieser Strom ohne weiteres geschaltet werden, eine entsprechende Schaltung ist in Abb. 3 dargestellt. Wichtig dabei ist, dass die Verlustleistung P V = I C U CE 625 mw, bzw. dass die Spannung U CB ausreichend klein ist, siehe Datenblatt im Abschnitt Absolute Maximum Ratings. Für das Einschalten des Transistors ist ein relativ geringer Basisstrom I B erforderlich, sodass die LED sogar mit dem geringen verfügbaren Strom aus einem GPIO-Pin eines Mikrokontrollers oder eines FPGAs gesteuert werden kann. Für die D R 2 I C R 1 I B T U 1 U 2 Abbildung 3: NPN-Transistor als Schalter Betriebsspannung gelte U 2 = 8 V und für die Steuerspannung U 1 aus dem Mikrokontroller gelte U 1 = 3.5 V für ein und U 1 = 0 V für aus. a) Dimensionieren Sie den Widerstand R 2 so, dass bei eingeschaltetem Transistor, bzw. bei U CE 0.2 V die LED mit einem Strom I F 400 ma betrieben wird. Betrachten Sie zu diesem Zweck die Kennlinie der LED welche den Zusammenhang von U F und I F angibt. b) Dimensionieren Sie den Widerstand R 1 so, dass bei einer Steuerspannung U 1 = 3.5 V der Transistor so gut leitet, dass die LED voll leuchtet. Hinweis: Die Verstärkung des Transistors bei I C = 400 ma können Sie aus dem Kennlinienfeld bestimmen. c) Bauen sie die Schaltung auf und überprüfen Sie die Funktion! Erhöhen Sie die Betriebsspannung nur langsam und überprüfen Sie dabei laufend die Temperatur des Transistors.

4 Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien, Elektronik 1 4 Er sollte nicht zu heiss werden, damit er nicht zerstört wird. Wichtig: Beim Umschalten zwischen den Zuständen ein und aus wird der Transistor kurzzeitig jenseits der Verlustleistungshyperbel betrieben. Damit diese Situation nicht zur Zerstörung des Transistors führt, muss schnell zwischen den beiden Zuständen aus und ein umgeschaltet werden.

5 Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien, Elektronik Kollektorschaltung Die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle sinkt mit steigender Belastung, weil am Innenwiderstand der Spannungsquelle ein Teil der Quellspannung abfällt. In dieser Aufgabe soll ein Transistor in Kollektorschaltung als ein Spannungsfolger verwendet werden, um die Quelle zu entlasten. Um den Effekt des Transistors besonders eindrücklich zu machen, soll vorerst eine Spannungsquelle mit Innenwiderstand R q = 1050 Ω realisiert werden. Abb. 4 zeigt das entsprechende Schaltbild. Verwenden Sie dazu den Funktionsgenerator und einen geeigneten Widerstandswert R. Die Spannung u q (t) soll einen Offset von ū = 4 V besitzen, einen Scheitelwert von Spannungsquelle Funktionsgenerator R i R u Ri u q u a(t) R L Abbildung 4: Belastete Spannungsquelle. û = 2 V und eine Frequenz von 1 khz. a) Der Lastwiderstand in Abb. 4 sei R L = 200 Ω. Berechnen sie den Spizte-Spitze-Wert des Wechselanteils der Ausgangsspannung und vergleichen Sie diesen Wert mit dem tatsächlich beobachteten Verlauf, beide Werte sollten nahezu identisch sein. b) Schalten Sie nun den Transistor entsprechend Abb. 5 zwischen Quelle und Last. Beachten Sie, dass eine Versorgungsspannung von 10 V nötig ist. Messen Sie erneut die Ausgangsspannung. Ihr Wechselspannungsanteil sollte nun etwa gleich dem Wechselspannungsanteil der Spannung u q (t) sein. Der Gleichspannungsanteil am Ausgang sollte wegen der Basis- Emitter Diode des Transistors etwa um 0.7 V tiefer sein als jener der Quelle. c) Die Quelle bildet also gemeinsam mit dem Transistor eine neue Spannungsquelle. Diese besitzt jedoch einen Innenwiderstand R i der viel kleiner ist als der Innenwiderstand R q. Bestimmen Sie R i messtechnisch. Achten Sie darauf, dass der Transistor dabei nur in Arbeitspunkten betrieben wird, die er unbeschadet übersteht. Ein Blick in das Datenblatt unter dem Abschnitt Absolute Maximum Ratings hilft.

6 Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien, Elektronik V R q = 1050 Ω u q(t) u e(t) u a(t) R L Abbildung 5: Kollektorschaltung (Emitterfolger) d) Erkennen Sie eine Gesetzmässigkeit zwischen der Gleichstromverstärkung h F E des Transistors und seiner Fähigkeit den Innenwiderstand der Quelle zu reduzieren? e) Warum ist der Gleichanteil der Ausgangsspannung u a (t) tiefer als jener der Quellspannung u q (t), währendem die Wechselanteil etwa gleich gross sind? f) Wie Stark wird die Quelle bestehend aus u q (t) und R q durch den Transistor und den Widerstand R L belastet, d.h wie gross ist der Strom I B den die Quelle liefern muss? Wie hoch ist der Strom I E durch den Verbraucher?