HSD FB E I. Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik. Datum: WS/SS Gruppe:

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1 HSD FB E I Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Bauelemente-Praktikum Bipolartransistoren Datum: WS/SS Gruppe: Teilnehmer Name Matr.-Nr. Testat ersuchsaufbau Nr.: verwendete Geräte: Zur ersuchsvorbereitung und Übung im Umgang mit den Kleinsignalparametern bipolarer Transistoren ist die ufgabe auf der letzten Seite dieser ersuchsunterlage vor ntritt des Praktikums zu lösen. Labor für elektronische Bauelemente und Schaltungen Prof. Dr. Lauffs Dipl.-Ing. Hein Raum Tel.: 0211 /

2 1. Grundlagen oraussetzung für das erständnis der Wirkungsweise eines Bipolartransistors ist die Kenntnis der rbeitsweise eines pn-übergangs. 1.1 NPN und PNP Transistoren In der Modellvorstellung kann man sich einen Bipolartransistor durch erbindung zweier PN-Übergängen entstanden denken. Beim Bipolartransistor liegen also drei dotierte Halbleiterschichten vor, die je nach nordnung der dotierten Zonen in der Folge NPN oder PNP vorkommen. Entsprechend unterscheidet man bei Bipolartransistoren die Typen NPN und PNP. Die nschlüsse der einzelnen Halbleiterschichten nennt man Kollektor, Emitter und Basis. Wie man Bild 1.1 entnehmen kann, ist für einen NPN Transistor der Kollektor/Basis-PN-Übergang in Sperrichtung geschaltet; der Basis/Emitter-PN-Übergang in Durchlaßrichtung. Für PNP-Transistoren verlaufen Ströme und Spannungen in entgegengesetzter Richtung. Das Schaltzeichen für die beiden Transistortypen zeigt Bild 1.2. Der Pfeil im Emitter des Schaltzeichens gibt die konventionelle Stromrichtung an. Emitter- Zone Basis- Zone Kollektor- Zone I E N P N I B I C übliche Definition der Stromflußrichtung Elektronenflußrichtung U BE U CB Bild 1.1 Schaltzeichen NPN-Transistor Kollektor Schaltzeichen PNP-Transistor Kollektor Basis Basis Bild 1.2 Emitter Emitter 1 Lauffs

3 Transistoren können sowohl als erstärker als auch als Schalter eingesetzt werden. In diesem ersuch soll jedoch nur der erstärkerbetrieb behandelt werden. Das erhalten eines Transistors im erstärkerbetrieb läßt sich durch Kennlinien beschreiben. Bei drei Strömen I C, I B, I E und drei Spannungen U CE, U BE, U CB wäre eine ganze Reihe von Kennlinien möglich. Zur Beschreibung eines Transistors genügen aber vier Kennlinien: die Eingangskennlinie I B = f(u BE ), die usgangskennlinie I C = f(u CE ), die Stromsteuerkenninie I C = f(i B ) sowie die Rückwirkungskennlinie U BE = f(u CE ). uf die Rückwirkungskennlinie kann wegen der geringen Rückwirkung der Kollektorspannung auf den Eingang des Transistors oft verzichtet werden. lle vier Kennlinien lassen sich platzsparend in einem ierquadrantenkennlinienfeld zusammenfassen. Bild 1.3 zeigt eine solche Darstellung für einen npn-transistor in Emitterschaltung. I B = i B h 21 I C I. I C = f(u CE ) I C = i C h22 rbeits punkt U CE = u CE I C = i C II. I C = f(i B ) I B U CE III. I B = f(u BE ) h 12 h 11 U BE = u BE U CE = u CE U BE = u BE I B = i B I. U BE = f(u CE ) Bild 1.3 U BE 1.2 Hybridparamter Für kleine ussteuerungen um den rbeitspunkt können die Kennlinien durch ihre Tangenten im rbeitpunkt ersetzt werden. Der Transistor wird dann als linearer ierpol betrachtet und seine Eigenschaften durch Kleinsignalparameter beschrieben. Diese Kleinsignalparameter ergeben sich aus den Steigungen der Kennlinien im rbeitspunkt. Sie gelten nur für den rbeitspunkt, für den sie bestimmt wurden. 2 Lauffs

4 i 1 i 2 i 1 i 2 u 1 u 1 = h 11 i 1 h 12 u 2 i 2 = h 21 i 1 h 22 u 2 u 2 u 1 i 1 = y 11 u 1 y 12 u 2 i 2 = y 21 u 1 y 22 u 2 u 2 h-(hybrid)parameter y-(leitwert)parameter Bild 1.4 Lineare ierpole und ihre Beschreibung durch Kleinsignalparameter Das erhalten linearer ierpole läßt sich durch Hybrid- und Leitwertparameter (Bild 1.4), Widerstands- sowie Kettenparameter beschreiben. Der vorliegende ersuch beschränkt sich auf die Hybrid- oder h-parameter (hybrid = verschiedenartig, wegen der verschiedenartigen Dimensionen der Parameter). Mit u 1 = u BE, i 1 = i B, u 2 = u CE und i 2 = i C auf einen Transistor in Emitterschaltung bezogen führt die uflösung der h-parametergleichungen aus Bild 1.4 zu folgenden Interpretationen bzw. Berechnungen der h-parameter: h 11 ist der Kurzschluß-Eingangswiderstand r BE (bei kurzgeschlossenem usgang): h 11 u1 ube U = = = i i I 1 u B u B 2 = 0 CE = 0 = const. h 12 ist die Leerlauf-Spannungsrückwirkung D (bei leerlaufendem Eingang): h 12 u1 ube = = = u u h 21 ist die Kurzschluß-Stromverstärkung β (bei kurzgeschlossenem usgang): h 21 h 22 ist der Leerlauf-usgangsleitwert 1/r CE (bei leerlaufendem Eingang): h 22 Kurzschluß bedeutet in diesen Fällen U = u = 0 bzw. U = const.; Leerlauf bedeutet I = i = 0 bzw. I = const. Zur Ermittlung der Differenzenquotienten sind im jeweiligen rbeitpunkt der Kennlinien Tangenten einzuzeichnen (Bild 1.3). Mit diesen Tangenten sind möglichst große Steigungsdreiecke zu konstruieren, um eine gute blesgenauigkeit der Werte zu gewährleisten. U U BE BE 2 i CE i CE 1= 0 B= 0 I B= const. i2 ic = = = i i I I 1 u B u B 2= 0 CE = 0 = const. i2 ic I = = = u u U 2 i CE i CE 1= 0 B= 0 I B= const. C C 2. ersuchsdurchführung Unter erwendung eines X/Y-Schreibers sind zunächst die Kennlinien eines Transistors aufzuzeichnen und seine Kennwerte zu bestimmen. bschließend sind die dynamischen Kennwerte eines einfachen Transistorverstärkers zu ermitteln. 3 Lauffs

5 2.1 Eingangskennlinie IB = f(u BE) Stellen Sie bitte die erdrahtung der Meßgeräte und des X/Y Schreibers nach Schaltplan Bild 2.1 her. IC 10k X- X UB 1k IB Y Y- UBE BC141 µf UC Bild 2.1 Schreibereinstellung: UBE = Y = CH1 auf -40 m/cm IB = X = Chart auf 40 m/cm Stellen Sie bitte auf den Meßgeräten IB = 0,5 m und = 5 ein. Bitte ablesen: UBEmax =... m. Schreiberbedienung: Stellen Sie den Hebel auf LOD und legen Sie ein Blatt (DIN 4) so ein, daß es an der Seitenführung an der sich der Loadhebel befindet anliegt. Wenn Sie den LOD-Hebel nun zurückschalten testet der Schreiber die Papiergröße. Stellen Sie die oben angegebenen Empfindlichkeiten für X und Y über die UP und DOWN-Tasten auf dem Display ein. Justieren Sie den Schreiber nun so,daß sowohl Nullpunkt als auch der eingestellte Maximalwert auf dem Papier abgebildet werden können. Mit STOP kann man dabei zwischen Null und Meßwert umschalten. Die Nullpunkteinstellung kann für CH1 an dem Rändelpoti ZERO vorne und für den Chartkanal an dem Poti an der Rückseite erfolgen. Mit XES kann nun ein chsenkreuz gezeichnet werden. orher mit PEN den Schreibstift absenken. Nehmen Sie die Kennlinie auf, indem Sie den Basisstrom vom Maximalwert langsam bis auf Null reduzieren.kennzeichnen Sie den Maximalwert um eine spätere Skalierung vornehmen zu können. Bestimmen Sie durch Einzeichnen in Ihr Diagramm den Kurzschlusseingangswiderstand rbe = h11 für den rbeitspunkt von IB = 0,3m. h11 = = =

6 2.2 Stromsteuerkennlinie IC = f(ib) Stellen Sie bitte die erdrahtung der Meßgeräte und des X/Y Schreibers nach Schaltplan Bild 2.2 her. Y- IC 10k X- X Y UB 1k IB UBE BC141 µf UC Bild 2.2 Schreibereinstellung: IC = Y = CH1 auf 0,5 /cm IB = X = Chart auf 40 m/cm Stellen Sie bitte auf den Meßgeräten IB = 0,5 m und = 5 ein. blesen: ICmax =... m. Schreiberbedienung: Siehe 2.1. Nehmen Sie die Kennlinie auf, indem Sie den Basisstrom vom Maximalwert langsam bis auf Null reduzieren.kennzeichnen Sie den Maximalwert um eine spätere Skalierung vornehmen zu können. Bestimmen Sie durch Einzeichnen in Ihr Diagramm den Kurzschlussstromverstärkungsfaktor β = h21 für den rbeitspunkt I B = 0,3 m. h21 = = =

7 2.3 Spannungsrückwirkungskennlinie UBE = f(u CE) Stellen Sie bitte die erdrahtung der Meßgeräte und des X/Y Schreibers nach Schaltplan Bild 2.3 her. IC 10k UB 1k Y Y- IB UBE BC141 X µf X- UC Bild 2.3 Schreibereinstellung: UBE = Y = CH1 auf 40 m/cm = X = Chart auf -0,5 /cm Stellen Sie bitte auf den Meßgeräten IB = 0,3 m und = 6 ein. Bitte ablesen: UBE =... m für = 6. Nehmen Sie die Kennlinie auf, indem Sie die Kollektor-Emitterspannung vom Maximalwert langsam bis auf Null reduzieren. Bestimmen Sie durch Einzeichnen in Ihr Diagramm die Leerlaufspannungsrückwirkung D = h12 für = 5 (orzeichen beachten!). h12 = = =

8 2.4 usgangskennlinienfeld IC = f() Stellen Sie bitte die erdrahtung der Meßgeräte und des X/Y Schreibers nach Schaltplan Bild 2.4 her. Y- IC 10k Y UB 1k IB UBE BC141 X µf UC X- Bild 2.4 Schreibereinstellung: IC = Y = CH1 auf 0,5 /cm = X = Chart auf 0,5 /cm Stellen Sie bitte auf den Meßgeräten IB nach Tabelle und = 6 ein. Bitte ablesen: ICmax / m zu dem jeweiligen Tabellenwert von IB. Nehmen Sie die Kennlinien auf, indem Sie die Kollektor-Emitterspannung vom Maximalwert langsam bis auf Null reduzieren. IB / m / ICmax / m 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Bestimmen Sie durch Einzeichnen in Ihr Diagramm den Leerlaufausgangsleitwert 1/rce = h22 für den rbeitspunkt IB = 0,3 m, = 5. h22 = = =

9 2.5 Dynamische Kennwerte eines Transistorverstärkers Messung des dynamischen Ein- und usgangswiderstandes rein und raus sowie der dynamischen Stromverstärkung β mit kleinen Wechselspannungen Stellen Sie die erdrahtung der Meßgeräte nach Schaltplan Bild 2.5 her. IC u2 10k u1 UB 1k IB BC141 UBE Funktionsgenerator ube uce µf UC Bild 2.5 Für die obige Emitterschaltung wird als rbeitspunkt des Transistors BC141 IB = 0,3 m und = 5 eingestellt. Wählen Sie die Funktionsgeneratoreinstellung bei einer Frequenz von 1kHz und der Kurvenform Sinus so, daß die Basis-Emitter-Wechselspannung ube = 10 m beträgt. Messen Sie nun die Wechselspannungen uce, u1, und u2 gemäß Bild 2.5. Benutzen Sie bitte für die Wechselspannungsmessungen ein Hameg Digitalmultimeter in Meßart C. ube = m u1 = m ib = uce = u2 = ic = Bitte berechnen Sie: den dynamischer Eingangswiderstand rein = = = den dynamischen usgangswiderstand raus = = = den dynamischen Stromverstärkungsfaktor β = = = für die obige Transistorschaltung. 3.Datenblätter Datenblätter beziehungweise zusätzliche Informationen finden Sie auch im Internet unter: (ehem. Philips) - 8 -

10 Bauelemente-Praktikum, Bipolartransistoren Seite 9 4. ersuchsvorbereitung: Übung zur graphischen Bestimmung der h-parameter us dem folgenden ier-quadranten-kennlinienfeld eines Transistors sind dessen h-parameter für die Emitterschaltung in einem rbeitpunkt bei U CE = 10 und I C = 20 m zu ermitteln. I C m 25 Mustertransistor BC xxx I B /µ 120 U CE = I B / µ U CE / 0,2 0,4 0,6 Hinweis: Der diesen Kennlinien zugrunde liegende Mustertransistor dient nur als Beispiel zur Bestimmung der h-parameter. Er unterscheidet sich quantitativ deutlich von dem im Praktikum eingesetzten ersuchstransistor! U CE = 10 U BE 0,8 1 I B = µ Lauffs