Demonstrationsexperiment WS 2009/10 Thema: Der Transistor als Schalter Katrin Stumpf, Sarah Zinke, Sebastian Purucker 18.01.2010 1. Vorarbeiten 1.1 Materialliste Es sollten folgende Geräte/Bauteile bereitgelegt werden 1 npn Transistor (z.b. 2N3055) 1 Widerstand 8kΩ 1 Widerstand 100Ω 1 Schalter 1 Glühlame 6 Kabel mit Bananenstecker 1 Netzgerät 5V, DC stabilisiert 1.2 Mögliche Bedienfehler Es ist darauf zu achten, dass zwischen Basis und Anode ein Widerstand geschaltet ist, da der Transistor sonst durchbrennen kann. 1.3 Erzielbare Genauigkeit Da der Versuch nur qualitativ betrachtet wird, ist die Genauigkeit nicht relevant. Es besteht allerdings die Möglichkeit den Basis-Emitter-Strom und den Kollektor-Emitter-Strom zu messen, wodurch man den Versuch auch quantitativ betrachten kann. Allerdings ist auch hier die Genauigkeit nicht relevant, da es nur darum geht, wann ein Kollektor-Emitter-Strom fließt. 1.4 Gerätealternativen Falls dem Lehrer in der Schule kein Netzgerät mit stabilisierter Gleichspannung zur Verfügung steht, kann man dieses auch durch Batterien bzw. Akkus ersetzen. Die Glühlampe kann außerdem durch ein Strommessgerät ersetzt werden.
2. Motivation Um die Schüler für diesen Versuch zu motivieren, kann man zu beginn der Schulstunde folgenden Versuch präsentieren: Diese Schaltung wird auf einem Steckbrett so aufgebaut, dass sich der LDR neben dem Glühlämpchen befindet. Dieses Brett wird dann mit Hilfe einer Halterung senkrecht montiert. Der Lehrer behauptet dann in der Stunde, dass er ein Glühlämpchen mit Hilfe eines Feuerzeugs / Streichholzes anzünden kann. Da die meisten Schüler dies nicht glauben, muss der Lehrer dies beweisen, indem er ein brennendes Streichholz neben das Glühbirnchen (über der LDR) hält, wodurch der Widerstand im LDR kleiner wird. Hierdurch wird wiederum das Potential an der Basis des npn-transistors größer, wodurch ein Basis-Emitter-Strom und somit auch ein Kollektor-Emitter-Strom fließt. Als folge hieraus leuchtet das Glühlämpchen. Man kann bei diesem Versuch sozusagen das Lämpchen anzünden. (siehe Quelle 1) 3. Versuchsbeschreibung 3.1 Schaltplan
3.2 Versuchsdurchführung Die obige Schaltung wird auf einem senkrecht stehenden Steckbrett aufgebaut. Hierzu wird der Pluspol des Netzgerätes mit einem freien Punkt an der oberen Seite des Steckbrettes verbunden. Der negative Pol hingegen wird hingegen auf der Unterseite des Brettes angebracht. An diesen Punkten werden dann anschließend die Potentiale für den Versuch abgegriffen. Wird der Schalter dieses Versuchsaufbaus geschlossen, ist das Potential der Basis des Transistors größer als das des Emitters, wodurch es zum Stromfluss zwischen diesen beiden Anschlüssen des Transistors kommt. Hierdurch wird auch der Kollektor-Emitter-Stromkreis geschlossen, weshalb das Lämpchen leuchtet. Der Transistor ist demnach auf ein geschaltet, wenn an seiner Basis ein höheres Potential als am Emitter anliegt. 4. Lernvoraussetzungen 1. Die Schüler sollen wissen, dass ein Widerstand den Strom begrenzt und dass daran Spannung abfällt. 2. Die Schüler sollen wissen, dass Strom nur fließen kann, wenn der Stromkreis geschlossen ist. 3. Schüler sollen die Funktionsweise einer Diode mit Hilfe von p-n-übergängen erklären können. 4. Die Schüler sollen das Wassermodell des elektrischen Stromes kennen. 5. Lernziele 5.1 Grobziel Die Schüler sollen wissen, wie ein Transistor als Schalter im elektrischen Stromkreis einsetzen kann und wie man seine Funktionsweise mit Hilfe des Wassermodells und p-n- Übergängen erklären kann.. 5.2 Feinziele 1. Die Schüler sollen erkennen, dass der npn-transistor in obiger Schaltung einen Schalter darstellt. 2. Die Schüler sollen das Schaltsymbol eines npn-transistors kennen. 3. Die Schüler sollen die Begriffe Kollektor, Basis und Emitter kennen und diese den Anschlüssen eines Transistors zuordnen können und das Ersatzschaltbild eines npn-transistors kennen. 4. Schüler sollen die Funktionsweise eines npn-transistors mit Hilfe von p-n- Übergängen erklären können. 5. Die Schüler sollen Kenntnis vom Wassermodell des Transistors haben. 6. Die Schüler sollen wissen, dass die Basis eines npn-transistors positiv gegenüber dem Emitter sein muss, damit ein Kollektor-Emitter Strom fließen kann.
6. Übergeordneten Unterrichtsthema Bezug zur Unterrichtseinheit: Gymnasium G8, 9. Klasse: 9.4 Profilbereich am NTG Halbleiter und Mikroelektronik: einfaches Modell eines Halbleiters [ ] Transistor als Schalter (Quelle 4) 7. Experimentelle Alternativen Als Alternative zu dem oben genannten Experiment könnte man auch folgende Schaltung verwenden: Es werden dann U 1 und U 2 getrennt voneinander variiert und beobachtet, bei welchen Einstellungen das Lämpchen leuchtet. Hierbei liegt der Vorteil darin, dass man U 1 = U BE sehr einfach variieren und sogar größer als U 2 = U CE machen kann. Allerdings benötigt man für diesen Versuch zwei stabilisierte Gleichspannungsquellen. 8. Mögliche bzw. notwendige Modifikation des Demonstrationsexperiments bei Einsatz als Gruppenexperiment Es wäre ratsam im Steckgehäuse des Transistors an die Basis einen Widerstand anzulöten, damit der Transistor nicht durchbrennt, wenn der Widerstand vor der Basis von den Schülern weggelassen wird. Möchte man diese Bauteile nicht extra umlöten, ist es wichtig, dass die Schüler wissen, dass sie auf keinen Fall vergessen dürfen vor die Basis des Transistors einen Widerstand einzubauen. 9. Unterrichtsverfahren 9.1 Sozialformen Gruppenarbeit mit Demonstrationsexperiment 9.2 Lehrformen Anfangs fragend-entwickelnd, später entdeckend
9.3 Lernformen In der Gruppe erarbeitend, antwortend-erarbeitend 10. Sicherung der Lernziele Die Schüler sollen das Schaltbild des Demonstrationsexperiments in ihr Heft übernehmen. Außerdem sollen die Schüler am Transistor die Buchstaben C,B und E für Kollektor, Basis und Emitter ergänzen. Hefteintrag: Für diesen Versuch verwenden wir einen (npn-)transistor, welcher drei Anschlüsse hat. Diese nennt man Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E). Beobachtung: Bei geöffnetem Schalter leuchtet das Lämpchen nicht. => Es fließt kein Strom durch das Lämpchen und somit auch nicht vom Kollektor zum Emitter. Wird der Schalter geschlossen, beginnt das Lämpchen zu leuchten. => Es fließt nun Strom durch das Lämpchen. Der Kollektor-Basis-Stromkreis wurde demnach geschlossen. Ersatzschaltbild eines npn-transistors: (Quelle 3) Arbeitsauftrag: Die Schüler sollen sich anhand des Ersatzschaltbilds des npn-transistors in Gruppen überlegen, wie die Funktionsweise des Transistors (p-n-übergänge) zu erklären ist. Außerdem sollen die Schüler mit Hilfe eines Experimentierkastens feststellen, welche Bedingungen gelten müssen, damit ein Kollektor-Emitter-Strom fließen kann. Anschließend werden die Ergebnisse besprochen und folgendermaßen festgehalten: Modellvorstellung: Durch Schließen des Basis-Emitter-Stromkreises wird die Basis-Emitter-Diode leitend. Hierdurch wandern Elektronen aus dem Emitter in die Basis. Da die Basis jedoch sehr klein ist, können viele dieser Elektronen (ca. 99%) sogar die Kollektor-Basis-Sperrschicht erreichen. Von hier aus werden sie dann aufgrund der am Kollektor angeschossenen positiven Spannung abgesaugt.
Ist die Basis (B) positiv gegenüber dem Emitter (E), so kann vom Kollektor zum Emitter Strom fließen. Erklärung mit Hilfe des Wassermodells des elektrischen Stroms: (Quelle 2) Durch schließen des Basis-Emitter-Kreises fließt Wasser durch die Basis und bewegt eine klappe, die wiederum mit einem Schließmechanismus verbunden ist, wodurch der Durchgang beim Kollektor sich ebenfalls öffnet. Hierdurch kann auch Wasser vom Kollektor zum Emitter fließen. 11. Lernzielkontrolle Für die Lernzielkontrolle könnte man einen Schüler das Schaltsymbol eines Transistors an die Tafel zeichnen lassen. Anschließend soll ein anderer Schüler die Namen der Anschlüsse nennen. Nun trägt man an Kollektor, Basis und Emitter verschiedene Potentiale an und lässt einen weiteren Schüler entscheiden, ob zwischen Kollektor und Emitter Strom fließen kann. Bsp.:
12. Misskonzepte - Die Schüler könnten denken, dass die Basis negativ gegenüber dem Kollektor sein muss. Quellen 1. http://www.friedrich-verlag.de/pdf_preview/d513040_3133.pdf (aufgerufen 28.12.2009, 16.32) 2. http://www.brucewilles.de/grundlagen.html (aufgerufen 28.12.2009, 17.12) 3. http://de.wikipedia.org/wiki/bipolartransistor (aufgerufen 29.12.2009, 11.05) 4. http://www.isb-gym8- lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26438 (aufgerufen 02.01.2010)