Praktikum Nr. 3. Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik. Versuchsbericht für das elektronische Praktikum

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1 Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik Versuchsbericht für das elektronische Praktikum Praktikum Nr. 3 Manuel Schwarz Matrikelnr.: 207XXX Pascal Hahulla Matrikelnr.: 207XXX Thema: Transistorschaltungen Versuch durchgeführt am: Protokoll vorgelegt am: Teilnahme bestätigt am:

2 Inhaltsverzeichnis Nr. Thema Seite 0 Einleitung zu Transistorschaltungen 2 1 Messung der statistischen Stromverstärkung 3 2 Messung des Widerstandes der Kollektor-Emitterstrecke 5 3 Emitterschaltung 7 4 Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung 9 5 Kollektorschaltung 11 Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 1

3 Transistorschaltungen Transistoren sind elektrische Halbleiterbauelemente, welche zum verstärken und schalten von Strömen und Spannungen genutzt werden können. In diesem Praktikum sollen verschiedene Transistorschaltungen auf ihre Eigenschaften wie Stromverstärkung und den optimalen Arbeitspunkt untersucht werden. Es wird ein npn-transistor verwendet. Das Praktikum ist in 5 Einzelversuche eingeteilt: Messung der statischen Stromverstärkung Messung des Widerstandes der Kollektor-Emitterstrecke Emitterschaltung Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Kollektorschaltung Im laufe der letzten drei Versuche wird deutlich, dass die verschiedenen Schaltungen sehr unterschiedliche stark Spannung verstärken können. Dies reicht von keiner Verstärkung (Faktor 1) hin bis zum etwa 125-fachen der Eingangsspannung. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 2

4 1 Messung der statischen Stromverstärkung (B) Mittels der Schaltung aus Abbildung 1 soll die statische Stromverstärkung des Transistors bestimmt werden. Hierfür werden an beiden Stromkreisen jeweils 10 V Gleichspannung angelegt. Es wird nur am Poti der Widerstand verändert. Da es sich bei einem Poti um einen stetig einstellbaren Spannungsteiler handelt, lassen sich verschiedene Werte für I C erzielen: 20 ma, 10 ma, 1 ma und 0,1 ma. Nachdem sich das Fluke DVM bei den jeweiligen Werten eingependelt hat, wird der jeweils dazugehörige Wert für I C am analogen Messgerät abgelesen. Mittels dieser Werte lässt sich nun die Stromverstärkung des Transistors bestimmen. Abb. 1: Schaltung zur Bestimmung der statischen Stromverstärkung B Die statische Stromverstärkung wird durch folgende Formel berechnet: B = I C = 20 A I B 0,058 ma = 344,8 Diese Berechnung wird für alle I C durchgeführt: I C I B B 20 μa 58 ma 344,8 10 μa 29 ma 344,8 1 μa 3 ma 333,3 0,1 μa 0,3 ma 333,3 Tabelle 1: Statische Stromverstärkung Unter diesen Bedingungen verstärkt der Transistor den Strom ca. um den Faktor 333 bis 345. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 3

5 Trägt man die ermittelten Werte für die Stromverstärkung als Funktion ergibt sich folgender Verlauf des Graphen: B= f I C auf, so 400 B ,01 0, Graph 1: Statische Stromverstärkung I C /ma Der Verlauf ist nahezu waagerecht, also ist in dem gemessenen Bereich die Verstärkung konstant und nahezu unabhängig von der Höhe des zu verstärkenden Stromes. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 4

6 2 Messung des Widerstandes der Kollektor- Emitterstrecke (r CE ) Nun soll der Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke ermittelt werden, hierfür wird die gleiche Schaltung wie im ersten Aufgabenteil verwendet (Abb. 1). Es werden zwei Messreihen mit den Basisströmen I B = 20 und 40 μa durchgeführt, welche durch einstellen des Potis konstant gehalten werden müssen. Beginnend mit U CE = 10 V wird an dem Kollektor- / Emitteranschluss des Transistors die Spannung auf 5 V und anschließend auf 1 V reduziert. Gemessen wird die Stromstärke I C. I B U CE I C I B U CE I C 20 μa 10 V 6,775 ma 40 μa 10 V 14,015 ma 20 μa 5 V 6,425 ma 40 μa 5 V 12,988 ma 20 μa 1 V 6,094 ma 40 μa 1 V 12,097 ma Tabelle 2: Messung Transistorwiderstand Überträgt man die Messwerte in einen Graphen, in dem man gegen die Spannung die Stromstärke aufträgt, so erhält man das Ausgangs-Kennlinienfeld des Transistors. Die Funktion hierfür lautet: I C = f(u CE ) Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 5

7 15 14 I C /ma I B = 40 μa I B = 20 μa U CE /V Graph 2: Ausgangs-Kennlinienfeld des Transistors Die Berechnung des Widerstandes erfolgt mit folgender Formel: r CE = U CE I C für I B = const. Für I B = 20 μa : r CE = U CE I C = 10 1 V 6,775 6,094 ma = 13,216 k Für I B = 40 μa : r CE = U CE I C = 10 1 V 14,015 12,097 ma = 4,692 k Mit zunehmendem Strom I B sinkt der Widerstand r CE, dies entspricht der Gesetzmäßigkeit U = R * I. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 6

8 3 Emitterschaltung In diesem Versuchsteil wird nun die Spannungsverstärkung von Transistoren untersucht. Hierfür wird ein Oszilloskop bei U e und U a angeschlossen und die größtmögliche Eingangsspannung U emax ermittelt. Ebenfalls muss der optimale Arbeitspunkt gefunden werden. Dieser liegt vor, wenn die Schwingungskurve sowohl in ihrem Maxima wie auch in ihrem Minima einen runden Verlauft hat und nicht abgeschnitten ist. Sobald die Kurve abgeschnitten ist, spricht man von einer Übersteuerung. Abb. 2: Emitterschaltung Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 7

9 U Amax = 11,3 V U CE = 8,1 V U Amin = 0,5 V U A = 10,8 V U Emax = 88 mv U Emin = 0 mv U E = 88 mv Graph 3: Emitterschaltung Oszilloskop Gemessene Verstärkung: A = U A = 10,8 V = 122,727 3 U E Theoretische Verstärkung: Berechnung benötigter Werte: I C = 12V U CE R C = 12 8,1 V 1000 = 3,9V 1000 = 3,9 ma U T = 26 mv (Vorgegeben) r CE = 13,216 k (Wert für die Kurve mit I B = 20 μa) Verstärkung: A = I C U T r CE = 3,9mA = 1982,4 26mV Dieser Wert weicht zu weit ab und kann so nicht stimmen. Ein sinnvolleres Ergebnis liefert die Rechnung, wenn man anstatt von r CE R C verwendet: A = I C U T R C = 3,9mA 1000 = mV Nun liegen beide Werte für die Verstärkung (A exp = -122,727 und A theo = -150) in der selben Größenordnung, dies ist ein realistisches Ergebnis. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 8

10 4 Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Der Versuchsaufbau ist mit dem vorherigen nahezu identisch. Neu ist nur ein 100 Ω Widerstand gegen Masse am Emitter (Abb. 3). Der Arbeitsablauf ist ebenfalls der selbe, zuerst muss wieder die größte Eingangsspannung gefunden werden, anschließend der optimale Arbeitspunkt. Durch ablesen der Spannungswerte U A und U E am Oszilloskop lässt sich dann die Verstärkung A berechnen, welche mit dem theoretischen Wert verglichen wird. Abb. 3: Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 9

11 Folgende Peak-To-Peak werte wurden abgelesen: U A = 10,32 V U E = 1,160 V Graph 4: Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Oszilloskop Gemessene Verstärkung: A = U A U E = 10,32 V 1,160 V = 8,896 Theoretische Verstärkung: A R C R E = = 10 Beide Werte liegen etwa in der selben Größenordnung, somit liegt ein realistisches Ergebnis vor. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 10

12 5 Kollektorschaltung Der Versuchsaufbau ist ist ebenfalls wieder nahezu identisch, lediglich der Widerstand am Kollektor wurde entfernt und die Messung U a findet nun am Emitter statt (Abb. 3). Der Arbeitsablauf ist ebenfalls der selbe, zuerst muss ebenfalls wieder die größte Eingangsspannung gefunden werden, anschließend der optimale Arbeitspunkt. Durch ablesen der Spannungswerte U A und U E am Oszilloskop wird dann die Verstärkung A berechnet. Abb. 4: Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Graph 5: Emitterschaltung Oszilloskop Folgende Peak-to-Peak werte wurden abgelesen: U A = 11,6 V (grün) U E = 11,84 V (rot) A = U A = 11,6 U E 11,84 V = 0,97973 Beide Kurven sind nahezu Deckungsgleich. Wären sie absolut Deckungsgleich, so wäre die Verstärkung A = 1. Da hier keine Verstärkung stattfindet und elektrische Bauteile immer eine gewisse Verlustleistung aufweisen, ist die Ausgangskennlinie U A kleiner als die Eingangskennlinie U E, weshalb die Verstärkung A auch nur 0,97973 beträgt. Elektronik Praktikumsbericht Manuel Schwarz / Pascal Hahulla Seite 11