Versuch: A2 Transistorschaltungen

Versuch: A2 Transistorschaltungen Ziel dieses Versuches: Verstehen, wie Bipolartransistoren in Schaltern und Verstärkern eingesetzt werden Aufbau eines Brückengleichrichters Aufbau einer Spannungskonstanthaltung mit Transistor Inhalte: Transistor, Transistorschalter, Funktionsgenerator, Pulsweitenmodulation (PWM), TTL-Generator Vorkenntnisse: das einfache Transistormodell, der Transistor als Schalter und als Verstärker Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr. 39 48565 Steinfurt Tel: 02551/962-124 / -166 Fax: 02551/962-201 e-mail: ROSE@FH-MUENSTER.DE

1 Einleitung 1.1 Einfacher Transistorschalter Oft werden in Schaltungen größere Leistungen mit Hilfe kleiner Leistungen geschaltet. Dadurch kann z.b. ein Computer mit einem kleinen Schalter an der Gehäusevorderseite eingeschaltet werden, ohne dass die 230V-Leitungen bis dahin verlegt werden müssten. In der Elektronik kommt mitunter noch hinzu, dass die Spannung oder maximale Leistung verschiedener Signale so genormt sind, dass sie für den Betrieb großer Lasten gar nicht geeignet sind. Eine kleine Glühlampe, wie sie im Praktikum vorhanden ist, wird zum Beispiel mit 12 Volt betrieben und erreicht dabei eine Leistung von 3 Watt. TTL-Signale, die Sie im Praktikum am Funktionsgenerator erhalten und die sonst auch von TTL-ICs geliefert werden, bewegen sich hingegen zwischen 0 und 5 Volt. Würden Sie die Lampe direkt an den TTL-Baustein anschließen, könnten Sie die Lampe also niemals mit voller Leistung betreiben. Außerdem hat der TTL-Ausgang des ICs einen Innenwiderstand von etwa 100, womit er auch nicht die notwendige Stromstärke liefern könnte. Zur Ansteuerung der Lampe müssen Sie deswegen dafür sorgen, dass Sie mit einem kleinen elektrischen Signal eine größere Last schalten können. Das kann mit einem Transistorschalter erreicht werden, der mit den oben genannten Angaben bereits dimensionert werden könnte. Abbildung 1: einfacher Transistorsschalter in zwei Varianten Eine Spannung über den Basiswiderstand R, z.b. die 5 Volt des TTL-High-Pegels, führt abhängig von dessen Widerstandswert zu einem Stromfluss zwischen Basis und Emitter des Transistors. Das wiederum ermöglicht einen größeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Das Verhältnis zwischen ICE und IBE ist die Stromverstärkung B, die im Datenblatt des Transistors zu finden ist. 1.2 Leistungssteuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM) Den Funktionsgenerator kennen Sie bereits aus dem letzten Praktikumsversuch. Dabei wurde die Pulsweitenmodulation jedoch noch nicht benutzt. Während bei den drei anderen Signalformen Sinus, Dreieck und Rechteck die Signalform fest vorgegeben ist, kann bei der vierten Signalform das Tastverhältnis eingestellt werden, das die zeitliche Länge des High-Pegels im Verhältnis zur Periodenlänge angibt. Ein Tastverhältnis von 1 entspräche also einer Gleichspannung, eines von 0,5 dem bekannten Rechtecksignal. Trotz konstanter Amplitude ändert sich damit der arithmerische Mittelwert der Spannung, weswegen ein normales Voltmeter bei Tastverhältnissen kleiner 1 entsprechend kleinere Spannungswerte anzeigt (eine korrekte Vermessung des Signals ist nur mit einem Oszilloskop möglich). Korrekt angewendet kann mit der PWM also eingestellt werden, wie lange während einer Periodendauer Strom fließen bzw. Leistung umgesetzt werden kann. Version vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 2

1.3 Netzteil mit Brückengleichrichter und Spannungskonstanthaltung Wechselspannung muss für den Betrieb von vielen elektrischen Geräten zunächst in Gleichspannung umgewandelt werden. Diese sollte zudem auch noch möglichst konstant sein, da Schwankungen zu Fehlern und unerwartetem Verhalten führen können. Zwei einfache Schaltungen erlauben, dieses Ziel zu erreichen: Ein Brückengleichrichter kombiniert mit einem Spannungskonstanthalter. Abbildung 2: Ein Brückengleichrichter mit Siebkondensator Der Brückengleichrichter sollte prinzipiell bekannt sein und wird in diesem Praktikum aus vier Dioden des Typs 1N4007 aufgebaut und mit einem Siebkondensator mit C1 = 470 µf zur Glättung der Ausgangsspannung betrieben. Die Ausgangsspannung wird dann von der folgenden Schaltung konstant gehalten. Diese wird als Spannungskonstanthalter bezeichnet. Der Spannungskonstanthalter wird beispielsweise in Netzgeräten eingesetzt, um bei Schwankungen der Netzspannung und bei Schwankungen des Gerätestromes eine konstante Versorgungsspannung zu liefern. Die Funktionsweise haben wir in der Vorlesung behandelt. Uin wird vom Ausgang der Gleichrichterschaltung geliefert und ist um den Faktor Wurzel 2 größer als die Wechselspannung am Eingang. Der Spannungsfolger ist ein Emitterfolger. Die Basis liegt auf einem Potential UB, das durch die beiden Zenerdioden vorgegeben ist. An der Basis- Emitter-Strecke fallen typisch 0,7 V ab, falls der Transistor leitet. Damit ist das Emitterpotential UE bestimmt. Aus dem maximal erwarteten Ausgangsstrom und der Stromverstärkung erhält man den Basisstrom. Daraus kann man berechnen, wie R1 zu dimensionieren ist. Abbildung 3: Spannungskonstanthalter mit Transistor Version vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 3

2 Vorarbeiten Arbeiten Sie die Anleitung durch. Beschreiben Sie mit eigenen Worten, wie ein Transistor prinzipiell arbeitet (die genauen inneren, physikalischen Vorgänge interessieren weniger). Zeichnen Sie das Schaltzeichen des bipolaren Transistors mit Beschriftung der Anschlüsse. Überlegen Sie sich, wie die Schaltungen für die ersten beiden Aufgaben im folgenden Kapitel aussehen und zeichnen Sie die Schaltpläne. Die folgende Tabelle und das Datenblatt im Anhang können als Orientierungshilfe bei der Dimensionierung dienen. Wichtige Entwurfsparameter: Daraus ergeben sich: Betriebsspannung (Verbraucherstromkreis) Eingangsspannung (Steuerstromkreis) Leistung am Verbraucher Strom durch Verbraucher Basisstrom Spannungsabfall am Basiswiderstand Größe des Basiswiderstandes Max. Verlustleistung am Basiswiderstand Wozu dient ein Brückengleichrichter? Zeichnen Sie qualitativ den Spannungsverlauf davor und dahinter und mit dem Siebkondensator. In der letzten Aufgabe soll ein Netzteil für Ihr Smartphone aufgebaut werden. Wir nehmen an Ihr Handy benötigt 5V und 500mA. Wie groß muss R1 und Rz aus Abb. 3 sen, wenn der Spannungskontanthalter nach dem Brückengleichrichter aus der Abb. 2 angeschlossen ist? Version vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 4

3 Aufgaben Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Sie arbeiten in einem Unternehmen der Automobilindustrie. Dort gestalten und prüfen Sie als Ingenieur Schaltungen für die Fahrzeuge. Auch hier ist ihr Chef ein Freund kurzer Formulierungen. In den Fahrzeugen soll die Glühlampe der Innenbeleuchtung (12 V, 3 W) beim Öffnen der Türe durch einen Schließerkontakt im Scharnier automatisch eingeschaltet werden. Dazu wurde ein Transistorschalter mit dem BC140 und 10 kω Basiswiderstand erdacht, der die Glühlampe über ein 5 V-Steuersignal schaltet. Nun gibt es aber das Problem, dass die Glühlampe viel zu schwach leuchtet, obwohl die Versorgungsspannung stabile 12 V beträgt. Auch die 5 V Steuerspannung ist einwandfrei. Ihre Aufgabe ist es, die Schaltung nachzubauen und so anzupassen, dass die Lampe mit voller Helligkeit leuchtet. Zum Ermitteln der tatsächlichen Leistung stehen ihnen zwei Multimeter zur Verfügung. Schreiben Sie einen kurzen Report zu der Problemlösung, in dem Sie ihre Änderungen begründen. Nennen Sie möglichst genau die Bauteile, die Sie in der überarbeiteten Schaltung benutzen wollen. Ein häufig geäußerter Kundenwunsch ist, dass die Beleuchtung nach dem Schließen der Türe nicht sofort ausgehen, sondern wenigstens noch ein paar Sekunden an bleiben soll. Erweitern Sie die bestehende Schaltung so, dass dieser Wunsch erfüllt wird. Protokollieren Sie ihre Änderungen und nennen Sie wieder möglichst genau die Werte der verwendeten Bauteile. Während einiger Arbeiten in der Elektronikwerkstatt beschwert sich Ihr Smartphone über den niedrigen Akkuladestand. Da Sie noch einen wichtigen Anruf erwarten, sollte es zügig geladen werden. Ein Ladegerät hat aber niemand zur Hand, und beim einzig auffindbaren MicroUSB-zu- USB-Kabel wurde der USB-Stecker abgeschnitten. Bauen Sie daher aus vorhandenen Bauteilen ein provisorisches Ladegerät, das stabile 5V und maximal 500 ma am Ausgang liefert. Erzeugen Sie also mit dem Brückengleichrichter eine geglättete Gleichspannung für einen Spannungskonstanthalter. Testen und prüfen Sie die Schaltung am Ausgang auf Tauglichkeit, um sicherzugehen, dass ihr Smartphone nicht beschädigt, sondern tatsächlich geladen wird, und protokollieren Sie Ihre Messungen. Version vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 5

4 Anhang Version vom 18.04.2016 14:48:00 Seite 6