Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker

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1 18. März 2015 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker Einführung Die Schaltung in Abb. 1 stellt einen Audio Verstärker dar. Damit lassen sich die Signale aus einem Mikrofon verstärken und mit einem Lautsprecher hörbar machen. Die Berechnung der noch nicht bestimmten Bauteilwerten und die Inbetriebnahme erfordern mehrere Schritte die in den Folgenden Abschnitten erklärt sind. MIC C 2 u a (t) LSP Abbildung 1: Einstufige Audio Verstaerkerschaltung mit Bipolartransistor.

2 Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker, Elektronik Berechnung des Wertes von Wir betrachten zuerst die vereinfachte Schaltung in Abb. 2. Der Widerstand soll so gewählt werden, dass die Spannung u CE bei etwa der Hälfte der Betriebsspannung also bei 5 V liegt. Die folgende Anleitung führt Sie durch die Berechnung. a) Wie gross wird der Strom I C im Betrieb sein? b) Wie gross muss der Basisstrom I B sein? Für diese Berechnung muss man die Gleichstromverstärkung des Transistors bekannt sein. Allerdings ist diese von einem Exemplar des Transistors zu einem anderen unterschiedlich. Das Datenblatt für die Gleichstromverstärkung (DC Current Gain) h F E einen Minimalwert und einen Maximalwert an. Dieser hängt ausserdem vom Kollektorstrom I C ab. Sie müssen also etwas raten, um einen ungefähren Wert für die Gleichstromverstärkung zu erhalten. c) Welche Spannung u BE wird im Betrieb anliegen? Wie gross wird demzufolge die Spannung an sein? d) Wie gross muss nun sein? e) Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 2 auf. Wählen Sie einen Wert aus dem Widerstandssortiment der so nahe wie möglich am berechneten Wert von liegt. Prüfen Sie nach, ob die Spannungen u CE mit der Vorgabe von 5 V übereinstimmt. Korrigieren Sie notfalls den Wert des Widerstandes, sodass die Forderung erfüllt ist. I C u CE u BE Abbildung 2: Vereinfachte Schaltung für Arbeitspunktbetrachtung.

3 Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker, Elektronik Eingangsbeschaltung Nun soll die Verstärkerschaltung mit einem Funktionsgenerator angeregt werden. Funktioniert der Verstärker korrekt so sollte die Ausgangsspannung um ein vielfaches grösser sein. Gehen Sie bitte in den folgenden Schritten vor: a) Erweitern Sie nun die Schaltung durch den Kondensator entsprechend Abb. 3 mit dem Kondensator. Achten sie bitte auf die Polarität des Kondensators! b) Der Funktionsgenerator (FG) soll fürs erste die Spannung liefern. Nachdem die Funktion der Schaltung getestet wurde wird das Mikrofon den Funktionsgenerator ersetzen. Stellen Sie am FG eine sinusförmige Spannung mit einer Frequenz f = 1 khz und einer Spitze-Spitze-Spannung û e = 20 mv ein. Der Offset soll 0 V betragen. Verbinden Sie die Ausgangsspannung des FGs mit Kanal 1 des Oszilloskops und überprüfen Sie die am FG eingestellten Parameter auf ihre Richtigkeit. c) Stellen Sie nun die Spannung u CE (t) auf Kanal 2 des Oszilloskops dar. Es ist günstig wenn Sie den DC-Anteil unterdrücken indem Sie die AC-Kopplung wählen. d) Verbinden Sie nun den Ausgang des FGs mit dem Eingang des Verstärkers. e) Die Ausgangsspannung sollte nun also grösser sein als die Eingangsspannung. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist definiert als das Verhältnis V = û a û e. Lesen sie den Wert für û a vom Oszilloskop ab und berechnen Sie V, es ist ein Wert in der Grössenordnung von 100 zu erwartet. u CE (t) u BE Abbildung 3: Verstärkerschaltung mit Kapazität am Eingang

4 Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker, Elektronik Ausgangsbeschaltung Entsprechend Ihrer Wahl von ist die Ausgangsspannung u ce (t) keine reine Wechselspannung, sondern eine Mischspannung. Ihr Gleichanteil beträgt in etwa 5 V. Ein Lautsprecher sollte jedoch aus mehreren Gründen nicht an eine Gleichspannung angeschlossen werden. Zur Entkopplung der Gleichspannung soll der Kondensator C 2 eingesetzt werden, siehe Abb. 4. Zuerst muss der Wert von C 2 berechnet werden: a) Ein Kondensator mit der Kapazität C besitzt an einer sinusförmigen Spannung mit der Frequenz f den Widerstandswert X C = 1 2πfC. b) Der Kopfhörer besitzt den Widerstand R L, siehe Abb. 4. Bestimmen Sie ihn mit dem Ohmmeter. c) Sie können sich nun überlegen wie gross der Kapazitätswert C 2 mindestens sein muss, damit am Kondensator C 2 nur ein geringer Anteil der Spannung abfällt. Es ist zu berücksichtigen, dass tiefere Frequenzen einen höheren Widerstand X C bedeuten. Der Verstärker soll Frequenzen oberhalb von 100 Hz gut übertragen. d) Bauen Sie den Kondensator ein und Messen Sie nach ob u CE (t) u a (t) für f 100 Hz gilt. Achten Sie bitte unbedingt auf die richtige Polarität! e) Prüfen Sie nach ob diese Aussage auch noch stimmt wenn R L in Abb. 4 dem von Ihnen bestimmten Wert entspricht. u CE (t) R L u BE Abbildung 4: Verstärkerschaltung mit Kapazität am Eingang

5 Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker, Elektronik Einsatz Nun können Sie den Funktionsgenerator durch das Mikrophon ersetzen, siehe Abb. 5 a) Wenn Sie in das Mikrophon sprechen auf dessen Schutzgitter klopfen, sollte ein deutlich sichtbarer Ausschlag der Ausgangsspannung am Oszilloskop beobachtet werden können. b) Wenn das so ist, können sie den Kopfhörer an den Ausgang des Verstärkers schalten, siehe Abb. 5. c) Sie können nun z.b. mit Ihrem Laptop Musik erzeugen, das Mikro an den Lautsprecher halten und die Musik im Kopfhöhrer hören. d) Der Verstärkungsfaktor liegt in der Grössenordnung von v = 100. Sie können ihn erhöhen, indem Sie einen identischen zweiten Verstärker bauen und diesen in Serie zu dem ersten schalten. Wenn Ihnen die Zeit fehlt, können sie auch mit einer anderen Gruppe zusammenarbeiten und deren fertigen Verstärker in Serie mit Ihrem schalten. e) Um ein Stereosignal im Kopfhörer hörbar zu machen, können Sie die beiden Verstärker und zwei Mikrophone verwenden. Viel Spass! MIC C 2 u a (t) LSP Abbildung 5: Einstufige Audio Verstaerkerschaltung mit Bipolartransistor. 5 Eingangs- und Ausgangswiderstand a) Der Eingang des Verstärkers belastet das Mikrophon. Wie gross ist der Eingangswiderstand des Verstärkers mit dem das Mikrofon belastet wird? Bei Verstärkern wird typischerweise der Eingangswiderstand bei einer Frequenz von f = 1 khz angegeben. Überlegen Sie sich einen Weg, um diesen Widerstand zu bestimmen. Führen Sie den Weg durch und prüfen Sie Ihr Ergebnis auf Plausibilität.

6 Praktikum, Bipolartransistor als Verstärker, Elektronik 1 6 b) Der Ausgang des Verstärkers stellt eine Spannungsquelle dar. Sobald der Lautsprecher angeschlossen wird, sinkt die Spannung ab, denn ein Teil davon fällt am Innenwiderstand der Quelle ab. Überlegen Sie sich einen Weg, um den Ausgangswiderstand zu bestimmen. Führen Sie den Weg durch und überprüfen Sie Ihr Ergebnis auf Plausibilität.