Fachbereich Elektrotechnik u. Informatik Praktikum ElektronikI

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1 Fachbereich Elektrotechnik u. Informatik Praktikum ElektronikI Fachhochschule Münster University of Applied Sciences Versuch: 3 Gruppe: Datum: Antestat: Teilnehmer: Abtestat: (Name) (Vorname) Versuch 3: Bipolartransistor Voraussetzung für die Durchführung dieses Versuchs ist die Kenntnis folgender Themen: Aufbau eines Transistors Kennlinienfelder eines Transistors Konstruktion der Widerstandsgeraden Funktion und Wirkungsweise des Emitterwiderstands Literaturempfehlung zur Vorbereitung: Beuth, Bauelemente, Kap Einführung In diesem Versuch lernen Sie Aufbau, Kennlinien und Einsatzbereiche eines Bipolartransistors kennen. Hierzu werden zunächst die Kennlinien mit und ohne Emitterwiderstand aufgenommen. Dann verwenden Sie die Schaltung als Wechselspannungsverstärker und bestimmen jeweils die Verstärkung der Transistorstufe. 1.1 Aufbau und Funktionsweise eines Bipolartransistors Ein Bipolartransistor setzt sich aus Emitter und Kollektor zusammen, die durch eine dünne Basisschicht getrennt werden (siehe Abbildung 1). Je nach Typ des Transistors handelt es sich dabei um eine Schichtung der Dotierarten n-p-n oder p-n-p. Im Praktikum betrachten wir nur npn-transistoren da diese aufgrund ihrer besseren Eigenschaften im praktischen Einsatz eine dominierende Rolle spielen.

2 Emitter Basis Kollektor n n p n B p n B E Abb. 1: Technologischer Aufbau, Prinzipbild und Schaltsymbol eines npn-transistors Ausgehend vom technologischen Aufbau vereinfacht man das Transistormodell meist, indem nur der innere Transistor betrachtet wird (Abbildung 1). Die Basis-Emitter-Diodenstrecke wird typischerweise in Durchlassrichtung betrieben. Da der Emitter höher dotiert ist als die Basis, kann schon mit geringem Löcherstrom in die Basis hinein ein starker Emitterstrom (Elektronenstrom) aus der Basis angeregt werden. Die in die Basis einströmenden Elektronen geraten in das elektrische Feld der in Sperrrichtung betriebenen Kollektor-Basis-Diode und werden zum Kollektor gezogen. Als Folge ergibt sich die Möglichkeit, mit geringen Basisströmen große Kollektorströme hervorzurufen. Dies findet Anwendung in Verstärker- und Schaltstufen. E 1.1 Kennlinien eines Transistors Beim Betrieb eines Transistors treten an den drei Anschlussklemmen grundsätzlich drei Spannungen und drei Ströme auf, die voneinander abhängig sind (s. Abb. 2). U B I B U BE U E E Abb. 2: Transistorschaltsymbol mit Strom- und Spannungspfeilen des npn-transistors Deshalb ist das Verhalten eines Transistors mit einer Kennlinie nicht mehr beschreibbar. Um die vielfältigen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Spannungen und Strömen zu erfassen, kann ein Mehrfachkennlinienfeld verwendet werden. Ein derartiges Mehrfachkennlinienfeld soll im Folgenden am Beispiel der Emitterschaltung (Abb. 3a) erläutert werden. Die Schaltung nennt sich Emitterschaltung, da der Emitter gemeinsamer Bezugspunkt sowohl des Eingangs wie des Ausgangs ist. Der Kollektorwiderstand R dient dazu, die Ausgangsstromänderungen in Ausgangsspannungsänderungen umzuwandeln. I E Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 2

3 I Ausgangskennlinien I + R R Stromverstärkungskennlinie U E U BE Eingangskennlinie Arbeitsgerade U E U BE Abb. 3a: Prinzip der Emitterschaltung Abb. 3b: Drei-Quadranten-Kennlinienfeld des Transistors in Emitterschaltung In dem in Abb. 3b dargestellten Drei-Quadranten-Kennlinienfeld der Emitterschaltung enthält der erste Quadrant das Ausgangskennlinienfeld, das durch die Funktion I = f (U E ) mit als Parameter beschrieben wird. Der zweite Quadrant enthält das Stromverstärkungskennlinienfeld I = f ( ) und der dritte Quadrant das Eingangskennlinienfeld = f (U BE ). Oft werden auch im vierten Quadranten noch Kennlinien dargestellt, diese geben Aufschluss über die Rückwirkung der Ausgangsspannung U E auf die Eingangskennlinie. Diese ist in der Emitterschaltung jedoch gering und wird deshalb im Folgenden nicht weiter betrachtet. 1.2 Widerstandsgerade Um ermitteln zu können, wie sich in Abb. 3b die Spannung auf R und den nachgeschalteten Transistor aufteilt, geht man wie folgt vor: Es gilt (Maschenumlauf): Daraus wird I = I R + U E (1) U E = f (U E) (2) R R = Dies ist die Gleichung einer Geraden, die sich im Ausgangskennlinienfeld darstellen lässt und als Widerstandsgerade oder als Arbeitsgerade bezeichnet wird (s. Abb. 3b). Für die Konstruktion dieser Widerstandsgeraden werden zuerst ihre Schnittpunkte mit den Koordinatenachsen ermittelt. Der Schnittpunkt mit der Abszisse ergibt sich für I = 0. Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 3

4 Aus der Gleichung der Widerstandsgeraden erhält man für I = 0 : U Betrieb U E I = = 0 U E = (s. Abb. 3b) R R Der Schnittpunkt mit der Ordinate ergibt sich für U E = 0: I U R Betrieb E = U R U Betrieb I = (s. Abb. 3b) R Die beiden Schnittpunkte werden durch eine Gerade verbunden. Den Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der durch den eingestellten Basisstrom festgelegten Kennlinie I = f (U E ) bezeichnet man als Arbeitspunkt A (s. Abb. 4). Dieser Arbeitspunkt wird auf die anderen Kennlinien übertragen. Die Kollektor-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt wird als U EA bezeichnet. I Verlustleistungshyperbel R A A U EAP 0 U E 2π u 0 Ass u E (t) 2π u Ess A U BEAP U BE Abb. 4: Veranschaulichung des Verstärkungsvorganges im Mehrfach-Kennlinienfeld 1.3 Verlustleistungshyperbel Eine wichtige Kenngröße des Transistors ist die zulässige Verlustleistung. Die in einem Transistor auftretende Verlustleistung berechnet sich nach Abb. 3a wie folgt: PV = I UE + U BE (3) Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 4

5 Näherungsweise kann die Steuerleistung I U vernachlässigt werden. B BE Dann gilt: PV = I UE (4) Bei vorgegebener, maximal zulässiger Verlustleistung kann im Ausgangskennlinienfeld eine Hyperbel als Grenzkurve eingetragen werden (Verlustleistungshyperbel, s. Abb. 4). Sie verbindet alle Punkte des Kennlinienfeldes, für die das Produkt I UE gleich der maximal zulässigen Verlustleistung P V ist. Eine Transistorverstärkerschaltung muss nun so ausgelegt werden, dass der Transistor stets unterhalb seiner Verlustleistungshyperbel arbeitet. 1.4 Wechselstrom-Verhalten Einen einfachen Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung zeigt Abb. 5. Zur Arbeitspunkteinstellung der Basis-Emitterspannung U BEAP dient ein Basisspannungsteiler aus zwei Widerständen. Das Wechselsignal wird über Kondensatoren ( Koppelkondensatoren ) einbzw. ausgekoppelt, die für Gleichstrom eine Sperre darstellen. Damit werden Rückwirkungen der Signalquelle (z.b. Walkmen) oder der Last (z.b. Lautsprecher) auf den Arbeitspunkt verhindert. R 1 R Eingang 1 2 R 2 Ausgang U B Abb. 5: Einfacher Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung Möchte man das dynamische Verhalten (Wechselstromverhalten) der Schaltung vorhersagen, geht man von dem statischen Mehrfachkennlinienfeld aus. In dieses Kennlinienfeld trägt man, wie in Abb. 4 angegeben, die dynamischen Signale ein. Als Beispiel wird eine sinusförmige Spannung der Form u E (t) = û E sin ωt gewählt. Diese wird an der Eingangskennlinie, der Stromverstärkungskennlinie und im Ausgangskennlinienfeld an der Widerstandsgeraden gespiegelt. So kann zum Beispiel die Wechselspannungsverstärkung der Verstärkerschaltung graphisch aus dem Kennlinienfeld ermittelt werden (mit u ss : Spitze-Spitze-Spannung): V U = u Ass / u Ess Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 5

6 1.5 Emitterwiderstand In Wechselstromverstärkern, welche in Emitterschaltung aufgebaut sind, wird typischerweise auch im Emitterzweig ein Widerstand eingebaut (siehe Abbildung 6, hier ist R E allerdings nur wirksam bei geöffneter Kurzschlussbrücke). Dieser Emitterwiderstand führt dazu, dass bei steigender Eingangsspannung ein zunehmender Anteil an R E abfällt, sodass U BE weniger stark steigt. Damit wird der stark gekrümmten Eingangskennlinie des Transistors entgegengewirkt; der Zusammenhang zwischen U E und wird also linearer ( Stromgegenkopplung ). Ein weiterer Vorteil des Emitterwiderstandes liegt in der erzielten Arbeitspunktstabilisierung: Steigt bei konstanter Eingangsspannung (z.b. durch Erwärmung des Transistors) der Basisstrom, so wirkt der am Emitterwiderstand ansteigende Spannungsabfall einer weiteren Erhöhung des Stromes entgegen. Hinweise zur Spannungsbeschaltung und Versuchsdurchführung Vor dem Aufbau und dem Umstecken des Versuches, sowie nach erfolgtem Versuch, sind die Potentiometer auf Null zu drehen und die Spannungsversorgungen auszuschalten. 2. Versuchsdurchführung 2.1 Ermittlung des Mehrfachkennlinienfeldes des Transistors in Emitterschaltung R I ma µa U E U BE V R E V Abb. 6: Schaltung zur Ermittlung des Mehrfachkennlinienfeldes (Versuchsschaltung) Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 6

7 a) Zeichnen Sie zur Vorbereitung auf zwei Millimeterpapier-Blätter je ein 3 Quadranten- Diagramm (vgl. Abbildung 3b) mit folgenden Maßstäben ( Blatt A und Blatt B ): U E : 1 cm = 1 V; Bereich: 0-8 V; I : 1 cm = 2 ma, Bereich: 0-22 ma : 1 cm = 10 µa; Bereich: 0-70 µa; U BE : 1 cm = 10 mv; Bereich: mv b) Tragen Sie die Verlustleistungshyperbel für eine zulässige Transistor-Verlustleistung von P V = 100 mw in den ersten Quadranten von Blatt A ein. c) Nehmen Sie die Ausgangskennlinien I = f (U E ) nach der Schaltung in Abbildung 6 für U E = (0...7) V mit als Parameter auf ( = 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 µa) und tragen Sie diese direkt (ohne Eintragen in eine Tabelle) in den ersten Quadranten des beigefügten Koordinatenkreuzes (Blatt A) ein. (Anstelle von Kollektorwiderstand R und Emitterwiderstand R E sind Kurzschlussteckverbindungen einzustecken!) d) Fügen Sie nun den Kollektorwiderstand ein (R = 350 Ω) und bestimmen Sie durch Messung den sich ergebenden Arbeitspunkt (I AP, U EAP ) für = 7 V und = 40 µa. Tragen Sie den ermittelten Arbeitspunkt in das Ausgangskennlinienfeld ein und notieren Sie I AP und U EAP in Aufgabe 3.1a) (Seite 9). e) Ermitteln Sie aus dem gemessenen Ausgangskennlinienfeld die Stromverstärkungskennlinie I = f ( ) für U E = U EAP = konstant und tragen Sie diese in den zweiten Quadranten ein. Zeichnen Sie hierzu als Hilfslinie eine senkrechte Linie durch den gemessenen Arbeitspunkt im ersten Quadranten. f) Nehmen Sie die Eingangs-Kennlinie = f (U BE ) für U E = U EAP auf und tragen Sie die Kurve in den dritten Quadranten ein. (Kollektorwiderstand R und Emitterwiderstand R E überbrücken! Die in Unterpunkt c) messtechnisch ermittelte Spannung U EAP mit dem Potentiometer für einstellen und während der gesamten Messung konstant halten!) Im Folgenden soll untersucht werden, wie sich das Verhalten der Schaltung ändert, wenn ein Emitterwiderstand eingesetzt wird: g) Tragen sie die zuvor ermittelte Ausgangskennlinie (für = 40 µa) und die ermittelte Stromverstärkungskennlinie in den ersten bzw. zweiten Quadranten des erstellten Blattes B ein. h) Setzen Sie den Emitterwiderstand ein (R E = 5 Ω). Vermessen Sie die Eingangskennlinie = f (U BE + U RE ) und tragen Sie diese in den dritten Quadranten von Blatt B ein. (R überbrücken, U E = U EAP wieder konstant halten!) Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 7

8 2.2 Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung R K K V u a u E ~ V R E Abb. 7: Schaltung zur Ermittlung der Wechselspannungsverstärkung (Versuchsschaltung) a) Messung ohne Emitterwiderstand Speisen Sie aus dem Funktionsgenerator eine sinusförmige Eingangsspannung u E mit dem Effektivwert U E = 10 mv (Scheitelwert û e = 14,1 mv, Frequenz f = 1 khz) in den Verstärker ein. (R einsetzen, R E überbrücken, Arbeitspunkt einstellen: = 7 V, = 40 µa) Messen Sie die sich ergebende Ausgangswechselspannung U A mit dem Effektivwertvoltmeter. Tragen Sie U A und die sich daraus ergebende Spannungsverstärkung V U = U A /U E in die Tabelle auf Seite 9 ein. b) Messung mit Emitterwiderstand Es ist die gleiche Messung wie unter a) durchzuführen, allerdings mit aktiviertem Emitterwiderstand (gleicher Arbeitspunkt wie unter a)). Tragen Sie U A und die sich daraus ergebende Spannungsverstärkung V U in die Tabelle auf Seite 9 ein. Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 8

9 3. Ausarbeitung 3.1 Auswertung der Messungen ohne Emitterwiderstand (Transistorblatt A) a) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in Transistorblatt A ein (R = 350 Ω, = 7 V) und bestimmen Sie den sich daraus graphisch ergebenden Arbeitspunkt. Stimmt er mit dem messtechnisch ermittelten Wert überein? Messtechnisch: Graphisch: b) Konstruieren Sie graphisch den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung u a (t) im aufgenommenen Mehrfachkennlinienfeld (vgl. Abb. 4, ωt-maßstab: 2 cm = π). c) Tragen Sie die aus Unterpunkt b) ermittelte Spitze-Spitze-Ausgangsspannung u Ass und die sich ergebende Wechselspannungsverstärkung V U = u Ass /u Ess in untenstehende Tabelle ein. d) Welche Phasenlage hat u a gegenüber u e? Wie kann man dies schaltungstechnisch einfach erklären? Phasenlage: Erklärung: 3.2 Auswertung der Messungen mit Emitterwiderstand (Transistorblatt B) a) Zeichnen Sie auch hier die Arbeitsgerade ein und konstruieren Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung im aufgenommenen Mehrfachkennlinienfeld. b) Tragen Sie die aus Unterpunkt a) ermittelte Ausgangsspannung u Ass und die sich ergebende Wechselspannungsverstärkung V U = u Ass /u Ess in untenstehende Tabelle ein. U A (Messung) V U (Messung) u Ass (graphisch) V U (graphisch) ohne R E mit R E Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 9

10 3.3 Allgemeine Fragen zu den Versuchsergebnissen a) Begründen Sie, warum der Emitterwiderstand die Wechselspannungsverstärkung verringert! Antwort: b) Begründen Sie, warum der Emitterwiderstand die Verzerrung der Ausgangsspannung verringert! Antwort: c) Der gemessene und der aus der Arbeitgeraden ermittelte Arbeitspunkt liegen nicht im gleichen Punkt. Dies liegt am merkbaren Innenwiderstand des Strommessgerätes. Bestimmen Sie den Innenwiderstand dieses Messgerätes. Tipp: Zeichnen Sie sich zur Lösung eine zweite Arbeitgerade, die durch den gemessenen Arbeitspunkt geht. Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 10

11 4. Verbindung zum Vorlesungsstoff (Antworten bitte in die freien Felder eintragen!) 4.1 Was verstehen Sie unter der Gleichstromverstärkung B und der Kleinsignalstromverstärkung β (Skizze)? 4.2 Was versteht man unter Sättigung eines Transistors? Praktikum Elektronik Versuch 3 Seite 11