PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 1 Versuch 2 aktive Bauelemente (1) 1. Das statische Verhalten des Bipolartransistors Das Aufnehmen vollständiger Kennlinien wäre viel zu zeitaufwendig. Wir beschränken uns deshalb auf eine gleichsam stichprobenhafte Betrachtung verschiedener Arbeitspunkte (Abb. 1.1). Anschließend werden anwendungspraktisch wichtige Grundschaltungen im statischen Betrieb untersucht (Abb. 1.2 bis 1.6). Abb. 1.1 Grundsatzuntersuchungen am Bipolartransistor (Grundschaltung zur Kennlinienaufnahme) 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Kollektorspannung U CE anfänglich auf 5 V. 3. Basisspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! a) Was passiert bei U BE = 200 mv? b) Wann fängt ein nennenswerter Basisstrom I B zu fließen an (z. B. 10 µa)? c) Welcher Kollektorstrom fließt bei einem Basisstrom von 10 µa? d) Welcher Kollektorstrom fließt bei einem Basisstrom von 30 µa? Wie hoch ist dabei U BE? e) Was geschieht, wenn man die Basisspannung U BE weiter erhöht? Bei Kollektorstrom I C > 30 ma Versuch abbrechen (Basispannung auf Null). f) Basisspannung auf linken Anschlag zurück. Kollektorspannung U CE auf 10 V. Versuchsschritte a) bis d) wiederholen. Versuch abbrechen (alles aus), wenn Transistor beginnt, merklich warm zu werden.
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 2 Abb. 1.2 Der Bipolartransistor in Emitterschaltung 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! a) Ab wann (Basisspannung U BE, Basisstrom I B ) bewegt sich die Ausgangsspannung U A? b) Wann sinkt die Ausgangsspannung auf 0,5 V? c) Wann sinkt die Ausgangsspannung auf 0,1 V? d) Was geschieht, wenn man die Steuerspannung weiter erhöht? Bei Basisspannung U BE > 0,8 V Versuch abbrechen (Steuerspannung auf Null). e) Steuerspannung auf linken Anschlag zurück. Kollektorspannung U CE auf 20 V. Versuchsschritte a) bis d) wiederholen. Versuch abbrechen (alles aus), wenn Transistor beginnt, merklich warm zu werden. Abb. 1.3 Der Bipolartransistor in Kollektorschaltung
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 3 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! a) Ab wann (Steuerspannung U S, Basisstrom I B ) bewegt sich die Ausgangsspannung? b) Wie hoch ist die Ausgangsspannung U A, wenn Steuerspannung U S = Betriebsspannung U B? Um den in Rede stehenden Grenzfall genau darzustellen, Steuerspannungszuführung ans Labornetzgerät 2 (Betriebsspannung) anschließen. Welcher Basisstrom fließt in diesem Betriebsfall? c) Welche Steuerspannung ist erforderlich, damit die Ausgangsspannung der Betriebsspannung entspricht? (Steuerspannung wieder vom Labornetzgerät 1.) Abb. 1.4 Spannungsstabilisierung 1. Zunächst Widerstand 2k2 bestücken. 2. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Steuerspannung so, daß sich eine Ausgangsspannung von 5 V ergibt. a) Betriebsspannung verändern (zwischen5 und 15 V). Wie ändert sich die Ausgangsspannung? b) Betriebsspannung wieder auf 10 V. Widerstand verändern (Widerstandsdekade oder steckbare Widerstände). Durchprobieren: 1k, 500R, 100R. Wie ändert sich die Ausgangsspannung? Dann (bei jedem Widerstandswert) Betriessapnnung gemäß Punkt a) ändern.
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 4 Abb. 1.5 Konstantstromquelle mit npn-transistor. Last an Betriebsspannung Abb. 1.6 Konstantstromquelle (Prinzip) U A = U S U BE(on) I L UA = = RA U S U RA BE(on) Die Last, durch die ein konstanter Strom fließen soll, wird zunächst durch eine Widerstandsdekade oder steckbare Widerstände nachgebildet und anschließend durch eine LED dargestellt. 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Lastwiderstand R L ) zunächst auf 0 Ω (Überbrücken oder Widerstandsdekade auf Null). 3. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 5 a) Wie hängt der Laststrom von der Steuerspannung U S ab? Hinweis: Der Laststrom wird indirekt gemessen, und zwar anhand der über dem Arbeitswiderstand R A abfallenden Spannung U A. b) Welche Steuerspannung U S ist nötig, um einen Laststrom von 10 ma fließen zu lassen? c) Lastwiderstand R L erhöhen (mit 100R beginnen). Bis zu welchem Wert ist eine hinreichende Konstanz des Laststroms gewährleistet? Welche Kollektorspannung U C ergibt sich dabei? d) Lastwiderstand R L durch LED ersetzen. Verschiedene Typen (IR, farbig, weiß) ausprobieren. 2. Der Bipolartransistor als Schalter Wir untersuchen zunächst die Schaltzeiten (Einschaltverzögerung, Ausschaltverzögerung) der anwendungspraktisch wichtigsten Grundschaltungen (Abb. 2.1 und 2.2). Anschließend wird eine Transistorschaltstufe dimensioniert (Abb. 2.3). Abb. 2.7 Kollektorschaltung im Schaltbetrieb 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich + 5 V, Low-Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 khz. a) Wie sehen die Signalverläufe aus? Erklärung? b) Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. c) Betriebsspannung hochdrehen (bis 20 V). Was ändert sich (Ausgangsspannung, Schaltzeiten)? d) Betriebsspannung auf 10 V zurück. Impulsamplitude ebenfalls auf 10 V (gleich bzw. knapp unter Betriebsspannung. Was ändert sich (Ausgangsspannung, Schaltzeiten)?
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 6 e) Was geschieht (Ausgangsspannung, Schaltzeiten), wenn die Impulsamplitude über die Betriebsspannung hinaus erhöht wird (auf ca. 12 V)? Erklärung? Abb. 2.8 Emitterschaltung im Schaltbetrieb 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich 0,5 V, Low-Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 khz. a) Wie sehen die Signalverläufe aus? Erklärung? b) Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. c) Impulsamplitude auf 0,6 V. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. d) Impulsamplitude auf 1,0 V. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. e) Überlegen: Wie hängen Ein- und Ausschaltzeiten von der Impulsamplitude ab?was geschieht (Ausgangsspannung, Schaltzeiten). f) Arbeitswiderstand im Kollektorkreis gegen 510R auswechseln. Wie sehen die Signalverläufe jetzt aus? Erklärung?
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 7 Abb. 2.9 Transistorschaltstufe in Emitterschaltung 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. Zunächst keine negative Hilfsspannung. 2. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich 5 V, Low-Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 khz. a) Betrieb ohne Speedup-Kondensator mit 5 V Impulsamplitude. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. b) Impulsamplitude auf 8 V erhöhen. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. c) Speedup-Kondensator einsetzen. Was ändert sich? d) Zurück auf 5 V Impulsamplitude. Einschalt- und Ausschaltverzögerung bei eingesetztem Speedup- Kondensator messen. e) Speedup-Kondensator raus. Impulsamplitude verringern. Bis zu welcher Amplitude funktioniert es noch? Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. f) Speedup-Kondensator wieder rein. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. Impulsamplitude weiter verringern. Bis zu welcher Amplitude funktioniert es jetzt noch? g) Negative Hilfsspannung anlegen. Zunächst 0 V (linker Anschlag). Betriebsspannung U B auf 10 V, Impulsamplitude 2,5 V. Negative Hilfsspannung vorsichtig erhöhen. Welche der beiden Verzögerungszeiten sollte hierdurch beeinflußt werden? Von welchem Betrag der Hilfsspannung an it eine merkliche Änderung zu beobachten? Bei Hilfsspannung = -3 V Versuch abbrechen (Hilfsspannung auf Null). h) Negative Hilfsspannung zunächst wieder auf Null. Impulsamplitude 8 V. Mit diesen Anfangswerten Schritt g) wiederholen.
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 8 3. Impulsschaltungen mit Transistoren Es werden sechs typische Impulschaltungen (Tabelle 3.1) untersucht: eine Begrenzer- bzw. Impulsformerstufe (Abb. 3.1), der Schmitt-Trigger (Abb. 3.2), der Miller-Integrator (Abb. 3.3) sowie astabile, monostabile und bistabile Multivibratoren (Abb. 3.4 bis 3.6). Schaltung Funktion Schaltung Funktion Begrenzer/Impulsformer Schmitt-Trigger Erzeugung exakter Rechteckimpulse aus beliebigen eingansseitigen Signalverläufen astabiler Multivibrator monostabiler Multivibrator (Univibrator, Monoflop) Erzeugung von Rechteckschwingungen Erzeugung von Einzelimpulsen bestimmter Dauer Miller-Integrator Erzeugung fon Sägezahnimpulsen, Flankenverschleifung bistabiler Multivibrator (Flipflop) Signalspeicherung (RS-Flipflop), Frequenzteilung (T- Flipflop) Tabelle 3.1 Typische Impulsschaltungen Abb. 3.10 Begrenzerstufe (Impulsformer) mit Bipolartransistor
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 9 Versuchsdurchführung (beide Schaltungen): Abb. 3.11 Schmitt-Trigger 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Signalgenerator = Funktionsgenerator, Sinus- und Dreiecksignale mit symmetrischer Polarität (kein Offset), Amplitude anfänglich 0 V (linker Anschlag). Frequenz um 5 khz. a) Kontrolle der Funktionsweise. Signalamplitude langsam erhöhen. Von welchem Betrag an erscheinen Impulse am Ausgang? b) Bis zu welcher Signalfrequenz ist die jeweilige Schaltung betriebsfähig? Abb. 3.12 Miller-Integrator
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 10 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale (asymmetrisch), Amplitude 5 V, Low- Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz anfänglich um 5 khz. a) Kontrolle der Funktionsweise. Wie sieht das Ausgangssignal aus? Signalfrequenz erhöhen und verschiedene Tastverhältnisse durchprobieren. b) Mit weiteren Kondensatoren probieren (z. B. 47 nf). Abb. 3.13 Astabiler Multivibrator. Die Schaltung soll Rechteckimpulse abgeben a) Kontrolle der Funktionsweise. Wie sieht das Ausgangssignal aus? Signalfrequenz? b) Mit weiteren Kondensatoren und Widerständen probieren (z. B. Elkos 100 µf).
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 11 Abb. 3.14 Monostabiler Multivibrator 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale (asymmetrisch), Amplitude 5 V, Low- Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz anfänglich um 5 khz. a) Kontrolle der Funktionsweise. Wie sieht das Ausgangssignal aus? Signalfrequenz erhöhen und verschiedene Tastverhältnisse durchprobieren. Wann (bezogen auf die Breite der Eingangsimpulse) funktioniert die Schaltung nicht mehr? b) Mit weiteren Kondensatoren probieren (z. B. 47 nf). Abb. 3.15 Bistabiler Multivibrator
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 2 12 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale (asymmetrisch), Amplitude 5 V, Low- Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz anfänglich um 5 khz. a) Speedup-Kondensatoren zunächst weglassen. Koppelkondensatoren nicht zusammengeschaltet. Kontrolle der Funktion als RS-Flipflop. Schaltung muß bleibend umschalten, wenn dem jeweils gesperrten Transistor ein Impuls zugeführt wird. b) Koppelkondensatoren zusammenschalten. Kontrolle der Funktion als Frequenzteiler (T-Flipflop). Funktioniert es so? (Wenn nicht: woran könnte es liegen?) c) Speeedup-Kondensatoren einbauen. Funktioniert es jetzt? Ausprobieren, in welchen Bereichen der Impulsfrequenzen und Impulsbreiten die Schaltung korrekt arbeitet.