Elektrotechnsches Grundlagen-Labor II Transstor als Schalter Versuch Nr. 5 Erforderlche Geräte Anzahl Bezechnung, Daten GL-Nr. 1 Doppelnetzgerät 198 1 Oszllograph 178 1 Impulsgenerator 153 1 NF-Transstor B = 100 2 Doden 1 Wderstand 51Ω 2 Wderstände 470Ω 1 Wderstand 1kΩ 1 Wderstand 10kΩ 1 Wderstand 15kΩ 1 Wderstand 30kΩ 1 Wderstand 47kΩ 1 Wderstand 91kΩ 1 Kondensator 15pF 1 Kondensator 50pF 1 Kondensator 150pF 1 Kondensator 500pF 1 Schaltkasten 1 Kurzschlussstecker 3 Koaxalkabel BN-BN 1 Koaxalkabel BN / 2 Bananenstecker Datum: Name: Versuch durchgeführt:
1 Theoretsche Grundlagen 1.1 Transstoren als Schalter Der Grundbausten der dgtalen Schaltungstechnk st der gesteuerte Schalter. In sener dealen Form st deser be Vorhandensen enes Steuer- oder Engangssgnals (z.b. Engangsspannung u e > 0) engeschaltet, d.h. sen Wderstand st en = 0. be fehlendem Engangssgnal (u e = 0) st er ausgeschaltet, d.h. sen Wderstand st aus. Der Übergang zwschen desen beden Zuständen erfolgt be sprungförmger Änderung des Engangssgnals verzögerungsfre n unendlch kurzer Zet. Legt man desen dealen Schalter nach Bld 1 über enen Wderstand an ene deale Glechspannungsquelle mt der Klemmenspannung +U P, so ergeben sch für de Spannung u am Schalter und den Strom durch den Schalter de n dem nebenstehenden -u-dagramm engezechneten Werte. Be geegneter Auslegung der Schaltung kann dann z.b. de Spannung u als Steuersgnal u e für andere gesteuerte Schalter denen. I en = U P Schalter en G S u I aus = 0 U en = 0 u Schalter aus U aus = U P Bld 1 Idealer Schalter In den nachfolgenden Schaltbldern wrd de Betrebsspannung +U P der Enfachhet halber nur als Potenzal der mt +U P bezechneten Klemme gegenüber dem Nullpotenzal (Symbol ) angegeben. U P selbst und alle weteren mt Großbuchstaben bezechneten Spannungen und Ströme snd als Beträge aufzufassen. Mechansche Schalter kommen dem Ideal bezüglch der Wderstände en und aus sehr nahe, snd aber mt hohen Trägheten behaftet, so dass se be hohen Schaltfrequenzen ncht ensetzbar snd. Elektronsche Schalter arbeten um mehrere Größenordnungen schneller, snd jedoch bezüglch hrer Let- und Sperregenschaften ncht deal (s. Bld 2). 2
U P = u en I en Schalter En aus S u = U P - u en I aus = u aus Schalter Aus U en u U aus U P Bld 2 Nchtdealer Schalter mt Sperrwderstand aus und Durchlasswderstand en, entsprechend enem Transstor be nedrgen Frequenzen aus hat nur enen endlchen Wert und en st größer als null. Da der Zusammenhang zwschen Schalterstrom und Schalterspannung u durch U P und n Form der n das Dagramm von Bld 2 engezechneten Arbetsgeraden gegeben st (vgl. de Versuche Nchtlneare Wderstände und Transstor-Kennlnen ), ergeben sch für de Ströme und Spannungen m en- und ausgeschalteten Zustand andere Werte als n Bld 1. Insbesondere st de Dfferenz U = U aus U en der bem Schaltvorgang auftretenden Spannung gegenüber dem dealen Schalter verrngert. In desem Versuch wrd der gesteuerte Schalter, we berets n Bld 2 angedeutet, durch enen bpolaren npn-transstor realsert. Das Schaltsymbol mt den Anschlüssen Bass (B), Emtter (E) und Kollektor () sowe den zugehörgen Spannungen und Strömen st n Bld 3 dargestellt. Der Transstor kann verenfacht als en vom Bassstrom B als Steuergröße abhängender Wderstand aufgefasst werden, entsprechend enem nchtdealen Schalter, der für B > 0 en- und für B = 0 ausgeschaltet st. B B u BE u E E Bld 3 Ströme und Spannungen am Transstor 3
Dese Steuerung arbetet auch ncht verzögerungsfre. Deshalb werden m Folgenden nach ener Beschrebung der Schaltzustände (statsches Verhalten) das Zustandekommen der Schaltverzögerung und Maßnahmen zu hrer Beenflussung behandelt (dynamsches Verhalten). 1.2 Darstellung der Schaltzustände m Kennlnenfeld Zur Darstellung der Schaltzustände dent das n Bld 4 gezechnete Ausgangskennlnenfeld, d.h. es werden analog zu den Bldern 1 und 2 de möglchen Schaltzustände n enem =f(u E )-Koordnatensystem dargestellt (s. herzu auch Versuch Transstorkennlnen ). De Schaltzustände legen alle auf der sog. Arbetsgeraden, de durch de Betrebsspannung U P und den Kollektorwderstand gemäß der Bezehung u E = U (1) P festgelegt wrd. U B = 0 III u BE B u E I S I 0 4 3 2 II I 1 I BS B B = 0 U P u E Bld 4 Schaltzustände m Kennlnenfeld De Lage des Arbetspunkts, d.h. des jewelgen Schaltzustands auf der Arbetsgeraden, wrd durch de Ansteuerung des Transstors an der Bass bestmmt. Als Steuerparameter wrd der Bassstrom B gewählt. De zugehörge Kennlne ergbt als Schnttpunkt mt der Arbetsgeraden den Arbetspunkt. Der Sperrberech (I) wrd durch de Kennlne B = 0 begrenzt. Der Arbetspunkt auf deser Kennlne entsprcht dem Schaltzustand Aus. Der herbe fleßende Kollektorstrom I 0 st be S-Transstoren annähernd null: 0 = I 0 (2) 4
De Kollektorspannung hat den Wert u E U P (3) Ene wetere Verrngerung des Bassstroms ( B < 0) brngt statsch kenen wesentlchen Untersched, hat jedoch Enfluss auf de Schaltzeten (s. Abschntt 1.3.2). Erfüllt der Bassstrom de Unglechung 0 < B < I BS (4) (I BS : Basssättgungsstrom) so befndet sch der Transstor m aktven Berech, bespelswese mt dem Arbetspunkt. Deser Arbetspunkt entsprcht dem enes lnearen Verstärkers. Der aktve Berech wrd bem Umschalten kurzzetg durchlaufen. Es glt: = B (5) B u E = U (6) P (B: Stromverstärkung). Der Sättgungsberech (III) wrd begrenzt durch de Knespannungskennlne. Dese st gegeben durch gleche Werte von u BE und u E, d.h. u B = 0. Der zugehörge Arbetspunkt mt den Werten B = I BS (7) = B I = I (8) BS S u = u = U (9) E BE BES (U BES : Basssättgungsspannung) (I S : Kollektorsättgungsspannung) wrd jedoch ncht als En -Arbetspunkt verwendet, wel er z.b. be Änderung der Stromverstärkung B nfolge Alterung oder Umweltenflüssen (z.b. Temperaturänderung) nstabl würde. Falls U P >> U BES st, glt näherungswese U P IS (10) Der Schaltzustand En wrd daher n den Arbetspunkt gelegt. Der Kollektorstrom kann n desem Fall auch be weterer Vergrößerung von B (Übersteuerung) ncht mehr anstegen (Sättgung des Transstors). Herbe st B = I = ü I mt ü > 1 (11) Bü BS 5
I S (12) u E = U < u U (13) ES BE BES (ü: Übersteuerungsfaktor) (U ES : Kollektorsättgungsspannung). 1.3 Dynamsches Verhalten 1.3.1 Gesättgter Schalter In den mesten Anwendungsfällen arbeten mehrere glechartge Transstorschalter derart zusammen, dass ener den anderen (oder mehrere andere) steuert. En drektes Hnterenanderschalten von Transstoren nach Bld 4 st jedoch m Allgemenen ncht möglch, da ausgangssetg relatv hohe Spannungen mt klenen Innenwderständen auftreten (s. Glechung (3)), am Engang jedoch en Steuerstrom B be relatv klener Spannung benötgt wrd. Dese Stromsteuerung lässt sch am enfachsten dadurch realseren, dass man nach Bld 5 enen Bassvorwderstand B vorseht, der an de steuernde Spannungsquelle angeschlossen wrd. B u E = u a u e B Bld 5 Gesättgter Schalter Bld 6 zegt en für de Beschrebung des statschen und dynamschen Verhaltens geegnetes Ersatzschaltbld des Transstors und das zugehörge Ausgangskennlnenfeld. De Ersatzschaltung besteht aus der Engangskapaztät e und dem Engangswderstand e, ener gesteuerten Stromquelle, d.h. ener dealen Stromquelle mt dem Kurzschlussstrom ( e B) sowe der dealen Dode D S und dem Wderstand S. Der Steuerstrom e st m statonären Zustand glech dem Bassstrom B. Be sprunghaften Änderungen von B, we se zum En- bzw. Ausschalten des Transstors vorgenommen werden, folgt jedoch e nur verzögert e umgeladen werden muss. 6
B B e S e e e B D S E e > 0 e = 0 u E Bld 6 Transstorersatzschaltung und zugehörges Ausgangskennlnenfeld Der Engangswderstand e entsprcht etwa dem dfferenzellen Wderstand ener Dode für = B (s. Versuch Nchtlneare Wderstände ), d.h. e U T / B. Er legt, da der Innenwderstand der Steuerquelle vernachlässgt werden kann, parallel zu B. e setzt sch aus folgenden Antelen zusammen: Es bedeuten = + + + (1 v). (14) e S D BE B + S = const. D ~ B BE = f(u BE ) B = f(u B ) Schaltkapaztät Dffusonskapaztät, berückschtgt de Ladungsspecherung n der Bass Sperrschchtkapaztät Sperrschchtkapaztät klen. v u E = Spannungsverstärkung, m aktven Berech ~, sonst u BE Zusammen mt dem Vorwderstand B und dem ebenfalls vom Arbetspunkt abhänggen Transstorengangswderstand e ergbt sch en -Gled, dessen Zetkonstante τ =( // ) (15) B e e 7
de Abschätzung der zu erwartenden Schaltzeten ermöglcht. Ene quanttatve Bestmmung deser Größen st jedoch, besonders m Sättgungsberech, je nach der geforderten Genaugket sehr schwerg und bedngt de Kenntns der physkalschen und technologschen Daten des Transstors. Se kann daher m ahmen deses Versuchs ncht durchgeführt werden. Für ene genauere Beschrebung wrd auf de m Abschntt 2 genannte Lteratur verwesen. Um dennoch enen Endruck von den zu erwartenden Größenordnungen und dem Betrag der genannten Telkapaztäten zu vermtteln, snd nachfolgend für de Arbetspunkte von Bld 4 chtwerte zusammengestellt. Herbe st en für Schalteranwendung ncht sonderlch geegneter NF-Transstor mt B = 100 zugrunde gelegt, we er n desem Versuch verwendet wrd. Weter se U P = 10V, B = 10kΩ, = 1kΩ. 8
Tabelle 1 Arbetspunkt S /pf 10 10 10 10 D /nf 0 0,75 1,5 15 BE /pf 10 20 30 50 B /pf 2 3 10 20 v 0 200 1 0 e /nf 0,02 1,4 1,6 15 B e / Ω 10k 500 250 100 τ /µs 0,2 0,7 0,4 1,5 Be Ansteuerung der Schaltung von Bld 5 mt dem n Bld 7 gezegten Spannungsverlauf kann man nun unter Berückschtgung des oben Gesagten den zetlchen Verlauf des Steuerstroms e sowe des Kollektorstroms bestmmen. 9
1 u e /U P = B /I Bü t = 0 t = 0 t ü e /I BS 1 τ τ t ü 1 0,9 /I S 0,1 t d t r t s t f t Bld 7 Engangsspannung, Bass- und Kollektorstrom bem Schaltvorgang Enschalten: B BÜ BS Zur Zet t = 0 sprngt de Steuerspannung auf u e = U e = U P und damt der Bassstrom auf = I = ü I. Der Steuerstrom e reagert erst verzögert und strebt asymptotsch mt der Zetkonstanten τ nach dem statonären Endwert U U = e P e = I Bü = ü I BS (16) B B Der Kollektorstrom kann jedoch nur bs zum Wert I S folgen (sehe Glechungen (8), (10), (12)) und blebt dann konstant. De Zetfunkton des Stromanstegs st angenähert t / τ (t) = ü I (1 e ) (AP ) (17) S 10
Ausschalten: In der Basszone des Transstors st m letenden Zustand ene dem Bassstrom annähernd proportonale Ladung gespechert. Deser Effekt wrd durch de oben engeführte Kapaztät D beschreben. Wenn nun de Engangsspannung u e weder auf null sprngt, begnnt sch de Kapaztät e über e und B zu entladen, d.h. der Steuerstrom e geht mt der Zetkonstanten τ nach Null. Sobald de aufgrund der Übersteuerung vorhandene überschüssge Ladung abgebaut st, d.h. wenn der Strom e den Wert I BS unterschretet, gelangt der Transstor n den aktven Berech und der Kollektorstrom geht m selben Maß we e zurück: t / τ (t) = IS e (AP ) (18) Es werden folgende Zeten für das En- und Ausschalten defnert: t d t r t s Verzögerungszet (delay tme), gemessen vom Enschaltzetpunkt (t = 0) bs zu dem Wert, be dem = 0,1 IS st. Anstegszet (rse tme), kennzechnet de Zet, de der Kollektorstrom benötgt, um von = 0,1 IS bs = 0,9 I S anzuwachsen. Specherzet (storage tme), gemessen vom Ausschaltzetpunkt bs zu dem Wert, be dem = 0,9 I wrd. S t f Abfallzet (fall tme), kennzechnet de Zet, n der vom Wert = 0,9 I S bs = 0,1 abgefallen st. I S Ferner werden de En- bzw. Ausschaltzet defnert: t = t + t (19) en d r t = t + t (20) aus s f Legt man de Zetfunktonen (17) und (18) zugrunde, erhält man für de Schaltzeten: t d t r t s 0,1 = τ (AP ) (21) ü ü 0,1 τ = τ ln (AP ) (22) ü 0,9 ü ü = τ ln τ ln ü (AP ) (23) 0,9 t f = τ ln9 2τ (AP ) (24) 11
Be allen desen Zetangaben st zu beachten, dass de Zetkonstante τ vom Arbetspunkt abhängg st. Be gerngeren Anforderungen an de Genaugket der Ergebnsse genügt es jedoch, n den Glechungen (17), (18) und (21) bs (24) für τ konstante mttlere Werte enzusetzen, und zwar für de jewels angegebenen Arbetspunkte. Für den her verwendeten Transstor snd deses Werte n Tabelle 1 aufgeführt. 1.3.2 Gesättgter Schalter mt Ausräumstrom Wll man de Zunahme der Specherzet durch de Übersteuerung verhndern, müssen bem Ausschalten durch enen negatven Bassstrom zusätzlch Ladungsträger (Elektronen) aus der Basszone abgeführt werden. Man sprcht vom Ausräumen der Bass. 1.3.2.1 Ausräumstrom durch negatve Hlfsspannung In der Schaltung nach Bld 8 fleßt, nachdem de Engangsspannung u e zu Null geworden st, der Ausräumstrom U N B = I Ba = a I BS (25) B2 (a: Ausräumfaktor) n de Bass (herbe wrd angenommen, dass mmer u BE << U N st. Nach desem Endwert fällt be glecher Zetkonstante τ der Steuerstrom e schneller ab, wodurch de Zeten t s und t f verkürzt werden. Der Transstor sperrt, sobald = e = 0 st (Bld 9). Der Steuerstrom e kann ncht negatv werden, da be negatven Bassspannungen der Engangswderstand e sehr groß wrd. Der Enschaltvorgang st der gleche we n Abschntt 1.3.3, nur glt anstelle der Glechung (16) für den Bassstrom U U P N B = I Bü = ü I BS (26) B1 B2 Für de Ausschaltzeten erhält man t s t f a + ü ü 1 = τ ln τ (AP ) (27) a + 0,9 a a + 0,9 τ = τ ln (AP ) (28) a + 0,1 a wobe hnschtlch der Zetkonstanten τ deselben Überlegungen we n Abschntt 1.3.1 gelten. We man seht, kann theoretsch durch enen großen Ausräumfaktor de 12
Specherzet t s trotz Übersteuerung klen gehalten und de Abfallzet t f sogar unabhängg von ü verkürzt werden. Herzu müssen jedoch de Wderstände B1 und B2 verklenert werden, wodurch aber de Belastung der Quellen von u e und U N erhöht wrd. B1 B u e B2 - U N Bld 8 Transstorschalter mt Ausräumstrom 13
u e /U P t = 0 t = 0 t ü e /I BS 1 τ τ t - a ü 1 0,9 /I S 0,1 t r t s t f t - a t d Bld 9 Engangsspannung, Steuer- und Kollektorstrom bem Schaltvorgang Schleßlch gelten de angestellten Berechnungen nur für den Fall der sog. Stromsteuerung, d.h. de engangssetge Beschaltung des Transstors st hochohmg m Verglech zum Transstorengang ( >> ) und kann daher als Stromquelle aufgefasst werden (vgl. Abschntt 1.3.1). B1 B2 e 14
1.3.2.2 Ausräumen durch -Kopplung De oben beschrebenen Schwergketen vermedet de Schaltung nach Bld 10. B B Bld 10 -Kopplung Der Wderstand B wrd so bemessen, dass der Übersteuerungsfaktor nur weng ü- ber ens legt. Der nur während des En- bzw. Ausschaltvorgangs fleßende Umladestrom des Kondensators B wrkt als zusätzlcher Übersteuerungs- bzw. als Ausräumstrom. Be rchtger Dmensonerung blden B und B zusammen mt den Elementen e und e der Transstorschaltung (Bld 6) enen frequenzkompenserten Spannungsteler, d.h. es glt = τ (29) B B e e Dese Bezehung erlaubt es umgekehrt, be expermentellem Abglech von B und/oder B auf kürzeste Schaltzeten enen chtwert für de Zetkonstante τ zu bestmmen. 1.3.3 Ungesättgter Schalter Ene andere Möglchket, de Schaltzeten zu verkürzen besteht darn, de Sättgung überhaupt zu vermeden. Herzu werden zwe Methoden behandelt. 1.3.3.1 Klemmschaltung Zur Erklärung deses Prnzps soll Bld 11 denen. 15
Dese Tatsache wrd be dem Transstorschalter nach Bld 13 ausgenützt. Dem Strom I von Bld 11 entsprcht der über B fleßende Strom aus der Steuerquelle. Deser fleßt als Bassstrom über de Dode D 1 solange u BE < u E st, d.h. während sch der Arbetspunkt m aktven Berech befndet. Im Sättgungsberech glt nach (9) bzw. (13) u E < u BE, was zur Folge hat, dass jetzt Strom über D 2 fleßt, und zwar gerade so vel, dass der Transstor knapp an der Grenze der Sättgung gehalten wrd. Er wrd gews 1 I 2 u 1 D 1 D 2 u 2 Bld 11 Dodenschaltung Der Strom I se engeprägt. Er telt sch nach der Knotenpunktregel auf de beden Doden auf, d.h. I = 1 + 2. Weter folgt, wenn man für de Kennlne ener Dode (Bld 12) D ud / UT ( e 1) = I (30) S (U T 26mV; I S : Dodenparameter) ansetzt, für das Verhältns der Ströme n Bld 11 1 (u 2 u1) / UT e 2 = (31) Man erkennt, dass schon be gerngen Potenzalunterscheden u 1 u 2 der Strom I fast vollständg über dejenge Dode fleßt, deren Kathode negatver st. D u D Bld 12 Dodenkennlne 16
D 2 2 B I D 1 1 u E = u 2 u BE = u 1 sermaßen m Arbetspunkt be enem nur weng über ens legenden Übersteuerungsfaktor ü festgeklemmt. Bld 13 Klemmschaltung De Schaltung ergbt somt wegen des zunächst großen Bassstroms ene kurze Enschaltzet, ohne dass wegen Übersteuerung de Specherzet verlängert wrd. De Egenschaft des übersteuerten Schalters, Toleranzen auszuglechen, blebt jedoch erhalten. 1.3.2.2 Stromschalterprnzp Bld 14 zegt ene ähnlche Anordnung we Bld 11. 1 2 u 1 D 1 D 2 u 2 I Bld 14 Stromschalter mt Doden Man fndet analog, dass der Strom I her über de Dode mt der postveren Anode fleßt, also z.b. be konstanter Spannung u 2 durch Veränderung von u 1 von ener Dode auf de andere umgeschaltet werden kann. An deser Tatsache ändert sch nchts, wenn man we n Bld 15 de Dode D 1 durch enen Transstor ersetzt. Es glt dann: E I und D = 0, falls u 1 > u 2 (32) = 17
= E 0 und D = I, falls u 1 < u 2 (33) = E = 1 D = 2 u 1 I D u 2 Bld 15 Stromschalter mt Transstor Voraussetzung für das Funktoneren des Stromschalters st, dass der Strom I möglchst unabhängg von den Spannungen u 1 und u 2 st. Des st be der Schaltung von Bld 16 n ausrechendem Maß der Fall, wenn u 1, u 2 << U N st. Es glt dann U N I (34) E D 1 D 2 u E = u 1 E D D U D I - U N Bld 16 Technscher Stromschalter De Spannung u 2 wrd durch de Dode D erzeugt. Falls ID UP / D > I st, blebt dese Spannung unabhängg vom Schaltzustand hnrechend konstant: u 2 = UD 0,75V. We aus (32), (33) und (34) hervorgeht, st der Arbetspunkt n kenem Fall von rgendenem Transstorparameter abhängg, nsbesondere ncht von der stark 18
schwankenden Stromverstärkung. Da kene Toleranzprobleme auftreten, kann auf ene Übersteuerung verzchtet werden. Des st erfüllt, wenn I < U P Ue (35) st. Dadurch wrd ncht nur de Specherzet sehr kurz, sondern aufgrund des nederohmgen Engangs (Spannungssteuerung) reduzeren sch de Zetkonstante τ und damt de Schaltzeten allgemen. 2 Weterführende Lteratur [1] Müller, udolf: Bauelemente der Halbleter-Elektronk Sprnger-Verlag Berln, Hedelberg, New York Fachberechsbblothek: ELT 530/005 [2] Tetze, Ulrch; Schenk, hrstoph: Halbleter-Schaltungstechnk Sprnger-Verlag Berln, Hedelberg, New York Fachberechsbblothek: ELT 530/189 3 Fragen und Aufgaben Nachstehende Fragen und Aufgaben denen Ihrer Selbstkontrolle. Falls Se ohne Zuhlfenahme des ersten Abschntts de Lösung ncht fnden können, sollten Se de betreffenden Kaptel nochmals durcharbeten. Aufgaben, auf de m folgenden verten Abschntt Bezug genommen wrd, werden zur Auswertung der Versuchsergebnsse benötgt und sollten daher n jedem Fall vorher gelöst werden, damt de für de Messungen zur Verfügung stehende Zet ncht unnötgerwese geschmälert wrd. 1. Nennen Se de Vor- und Nachtele des mechanschen und elektronschen Schalters! 2. Warum snd Klensgnalparameter ncht zu Berechnung von Transstorschaltstufen verwendbar? 3. Zechnen Se das Ausgangskennlnenfeld enes Transstors und legen Se Sperrberech, aktven Berech und Sättgungsberech fest. Zechnen Se ene Arbetsgerade und kennzechnen Se de Schaltzustände Aus und En! 4. Wovon snd de Schaltzeten enes Transstorschalters abhängg? 5. Warum kann bem gesättgten Schalter de Specherzet durch Ausräumen verkürzt werden? 19
6. We st der Übersteuerungsfaktor ü defnert? 7. We st der Ausräumfaktor a defnert? 8. Welche Bezehung ergbt sch zwschen Übersteuerungsfaktor und Anstegszet? 9. Welche Vortele hat das Stromschalterprnzp? 10. Berechnen Se für ü = 1, 2, 5, 10 de Bassvorwderstände B! Gehen Se davon aus, dass de Bass-Emtter-Spannung u BE des Transstors m Schaltzustand En gegenüber der Engangsspannung U e vernachlässgbar st! (U e = U P = 10V, = 1kΩ, B = 100) 11. Berechnen Se für ü = 1, 2, 5, 10 und a = 0, d.h. ohne Ausräumen, de auf τ bezogenen Zeten t d, t r, t s und t f und tragen Se dese n enem Dagramm n Abhänggket von ü auf! 12. Berechnen Se für ü = 1, 2, 5, 10 und a = 1, 2 de auf τ bezogenen Zeten t s und t f und tragen Se dese n enem Dagramm n Abhänggket von ü auf! 4 Versuchsanletung 4.1 Hnwese zu den Geräten Der Impulsgenerator GL 153 dent zur Ansteuerung der Versuchsschaltung. Er bestzt enen Trggerausgang zur externen Trggerung des Oszllographen und zwe Impulsausgänge für postve bzw. negatve Impulse. De Impulsfolgefrequenz (repetton rate) lässt sch von 0,01Hz... 10MHz, de Impulsbrete (pulse wdth) von 10ns... 10ms, de Impulshöhe (ampltude) von 0... 10V vareren. Weterhn lässt sch de Lage des Impulses auf dem Oszllographenschrm verscheben, ndem de Verzögerung (pulse delay) zwschen Trgger- und Ausgangsmpuls m Berech 10ns... 10ms geegnet gewählt wrd. Der Ausgang des Impulsgenerators (postve output) wrd über ene Koaxalletung mt 50Ω Wellenwderstand mt dem Engang der Versuchsschaltung verbunden, der durch enen parallelgeschalteten Wderstand zur Anpassung ebenfalls auf 50Ω ausgelegt wrd. Der Impulsgenerator wrd auf frelaufenden Betreb (Schalter gate mode auf non-gated ) und Enzelmpulse (Schalter pulse mode auf sgl ) geschaltet. Das Doppelnetzgerät GL 198 lefert zwe von 0... 16V enstellbare Glechspannungen mt vernachlässgbar klenem Innenwderstand. Kathodenstrahl-Oszllograph (KO): Es steht en Zwestrahl-Trgger-Oszllograph zur glechzetgen Abbldung der Engangs- und Ausgangsmpulse zur Verfügung. Es st darauf zu achten, dass Zet- und Ampltudenmaßstäbe geecht und de Engangswahlschalter auf Glechspannungskopplung (D) engestellt snd. Dann können auch de Spesespannungen mt Hlfe des KO engestellt werden. De Trggerung wrd extern vorgenommen; herzu st der Anschluss advanced trgger output des GL 153 mt dem Trggerengang des KO zu 20
verbnden. Beachten Se: Der Oszllograph zegt ncht den Verlauf des Kollektorstroms, sondern de dadurch am Kollektorwderstand entstehende Spannung an. Dese bestzt entgegengesetztes Vorzechen! In den folgenden Versuchen sollen Impulsbrete und Spesespannung mmer de glechen Werte haben, so dass en Verglech zwschen den zu realserenden Schaltungen möglch st. Impulsbrete: T = 4µs Impulsampltude: U e = 10V Spesespannungen: U P = U N = 10V. De Spannungsverläufe snd am Kathodenstrahl-Oszllograph (KO) so enzustellen, dass ene möglchst gute Ablesbarket der n 1.3.1 defnerten Zeten möglch st. Der verwendete Transstor hat de Stromverstärkung B = 100. 4.2 Enfachster ungesättgter Schalter 470 Ω KO(A) KO(B) 91 kω u e 51 Ω Bld 17 Bestmmen Se alle n 1.3.1 defnerten Zeten und tragen Se de Werte n de Tabelle en! 4.3 Gesättgter Schalter Messen Se gemäß der Tabelle de Schaltzeten n Abhänggket vom Übersteuerungsgrad ü! Untersuchen Se, nwewet der n Bld 7 angenommene Stromverlauf und de Glechungen (21) bs (24) den tatsächlchen Verhältnssen entsprechen! Verwenden Se dazu de Ergebnsse der Aufgabe 11! 21
1 kω KO(A) KO(B) B u e 51 Ω Bld 18 Gesättgter Schalter 4.4 Ausräumstrom durch negatve Hlfsspannung 1 kω KO(A) KO(B) B u e 51 Ω B2 - U N Bld 19 Messen Se nach der Tabelle de Schaltzeten für konstante Ausräumfaktoren a = 1 und a = 2 und de glechen Übersteuerungsfaktoren we n Versuch 4.3! Verglechen Se de Ergebnsse und nterpreteren Se de Unterschede! Überprüfen Se de Überenstmmung von Bld 9 und den Glechungen (27) und (28) mt der Praxs! Verwenden Se de Ergebnsse von Aufgabe 12! 22
4.5 Ausräumströme durch -Kopplung KO(A) B 1 kω KO(B) u e 51 Ω 91 kω Bld 20 Bestmmen Se für de n der Tabelle angegebenen Kapaztätswerte de Schaltzeten und tragen Se de Werte n de Tabelle en! Geben Se enen chtwert für de Zetkonstante τ an! 4.6 Klemmschaltung KO(A) D 2 1 kω KO(B) 15 kω D 1 u e 51 Ω Bld 21 Achten Se auf de rchtge Polung der Doden! Messen Se de Schaltzeten mt und ohne Dode D 2 und verglechen Se de Ergebnsse! Beachten Se de unterschedlchen Werte der Ausgangsspannung u E m letenden Zustand des Transstors und erklären Se desen Sachverhalt! 23
4.7 Stromschalterprnzp Verrngern Se de Ampltude der Engangsspannung u e auf 1,5V! Beachten Se, dass der Emtter ncht mehr mt Masse verbunden st! 470 Ω KO(A) KO(B) 470 Ω D KO(B)* u e 51 Ω 1 kω D - U N Bld 22 Bestmmen Se gemäß der Tabelle de Schaltzeten! * Überzeugen Se sch davon, dass de Spannung an der Dode D nur unwesentlch vom Schaltzustand abhängt! 24
Tabelle der Schaltzeten Versuch Parameter t d /µs t r /µs t s /µs t f /µs t en /µs t aus /µs 4.2 4.3 B /kω ü a = 0 91 1 47 2 47 30 5 91 10 10 4.4 B1 /kω ü B2 = 91kΩ a = 1 B2 = 47kΩ a = 2 47 1 30 2 15 5 47 10 10 30 1 30 91 2 15 91 5 10 30 10 4.5 B /pf 4.6 4.7 0 15 50 150 500 ohne D 2 mt D 2 zu 4.5: Zetkonstante τ zu 4.6: u E(en) = ohne Dode D 2 u E(en) = mt Dode D 2 25