DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht SCHÜEX MECKLENBURG-VORPOMMERN Der Transistor - Anschlussermittlung und Kennlinienaufnahme Daniel Güldner Schule: Baltic-Schule Rostock-Toitenwinkel Jugend forscht 2013
von Daniel Güldner Baltic-Schule Rostock-Toitenwinkel unterstützt vom RFZ Rostock Reutershagen 1
Inhaltsverzeichnis Einleitung Seite 3 Zum Aufbau der Transistoren Seite 4 Anschlussbestimmung Seite 5 Schaltung zur Kennlinienaufnahme Seite 6 Die Messungen Seite 8 Zusammenfassung Seite 10 Anhang Seite 11 2
Einleitung Bei uns an der Baltic-Schule gibt es im GTS-Angebot ein Projekt Jugend forscht, das ich ausprobieren wollte. Ich traf dort auf eine Schülerin, die sich mit Sonnenbewegungen beschäftigte und mit der Nutzung der Sonnenenergie. Wir haben bei diesen GTS-Stunden viel über technische Probleme und naturwissenschaftliche Phänomene diskutiert und auch Experimente durchgeführt. Dass unser GTS-Leiter sich selbst mit Elektronik beschäftigte, gefiel mir sehr, denn zu dieser Problematik hatte ich sehr viele Fragen. Ich u. a. durfte defekte Computernetzteile zerlegen und habe dann die ausgelöteten Bauteile einsortiert. Dabei habe ich auch viel über diese Bauteile gelernt. Immer wieder tauchte der Begriff Transistor auf. In einer alten Zeitschrift Funkamateur las ich dann etwas dazu. Das berühmte USA-Patent Nr. 2 524 035 erhielten 1948 John Bardeen (geb. 1908), Walter H. Brattain (geb. 1902) und William Shockley (geb. 1910), die in den Bell- Laboratorien die Halbleitereigenschaften des Germaniums untersuchten. Der erste Transistortyp, den sie entwickelten, war ein sogenannter Spitzentransistor. Auf einem n-leitenden Germaniumblock waren im Abstand von 20 Mikrometern zwei Spitzen aus Phosphorbronze aufgesetzt, eine bildete den Emitter-, die andere den Kollektoranschluss. In der Umgebung der Spitzen waren durch Formieren p-leitende Zonen entstanden. Damit war der Transistor mit der Zonenfolge p-n-p geschaffen, er kann als der Vorfahre aller nachfolgenden Entwicklungen angesehen werden. Zu Recht erhielten deshalb 1956 die Erfinder des Transistors den Nobel-Preis für Physik. Nach Obering. K.-H. SCHUBERT - Y21XE Chefredakteur FUNKAMATEUR 2012 ist der Transistor 65 Jahre alt geworden. Aber was ist das für ein Ding, das mit nur drei Anschlüssen die ganze Welt der Elektronik so vorangebracht hat, wie wir es heute erleben? Zuerst habe ich ein Verfahren zur Ermittlung der Anschlüsse entwickelt. Danach habe ich die Kennlinien von Transistoren aufgenommen, um zu verstehen, wieso der Transistor diese große Bedeutung erlangt hat und wie er funktioniert. Abbildung1 alte Transistoren Zum Aufbau der Transistoren: 3
Der Transistor hat drei Anschlüsse. Die Basis, den Emitter und den Kollektor. Die Basis besteht aus p(positiv)-leitendem Halbleitermaterial, Emitter und Kollektor aus n(negativ)-leitendem Halbleitermaterial (npn-transistor) oder die Leitfähigkeit ist umgekehrt(pnp-transistor). Also 2 Dioden, die verbunden sind. Allerdings ist die Basis nur wenige µm dick(haaresbreite), damit der Transistoreffekt der Überflutung freier Ladungsträger an den Grenzschichten funktioniert. Das ist also der Aufbau und hier sieht man noch ein Beispiel. Anschlussbestimmung Wie aber finde ich die Anschlüsse heraus, wenn ich keine Daten des Transistors habe? Weil der Transistor ja aus 2 Dioden besteht, kann der Strom nur in eine Richtung fließen. Leicht ist es, wenn man die Daten im Internet findet, aber was soll ich tun, wenn keine Beschriftung zu erkennen ist? Ich habe mir immer eine eindeutige 4
Zeichnung für die einzelnen Anschlüsse angefertigt und die drei Anschlüsse auch gleich nummeriert. Ich habe mir eine Tabelle angelegt und dann an jeweils zwei Anschlüsse eine Gleichspannung (ca.3v) angelegt. Außerdem habe ich einfach einen Spannungsmesser als Strommesser missbraucht, denn Spannungsmesser haben einen großen Innenwiderstand. Man könnte natürlich auch einen Widerstand in Reihe schalten und dann einen Stromstärkemesser einsetzen. Dadurch kann dann der Transistor bei dieser Prüfung nicht beschädigt werden. Anschl.1 Anschl.2 Anschl.3 Stromst. I + - >0 + - >0 - + =0 + - =0 - + =0 - + =0 Wenn an 1 + anliegt, und zweimal ein Strom fließt, muss Anschluss 1 die Basis sein und gleichzeitig handelt es sich um einen npn-transistor. Bei einem pnp-transistor ist die Basis dort, wo an einem Anschluss zweimal - anliegt. Anschl.1 Anschl.2 Anschl.3 Stromst. I - + >0 - + >0 Wenn bei mehr als zwei Zuständen ein Strom fließt, ist der Transistor meist defekt oder es handelt sich um ein anderes Bauelement. Jetzt kann es nur sein, dass man die Stromstärken genau messen muss, um wenigstens festzustellen, ob es sich um einen geringen Sperrstrom handelt. So findet man zumindest die Basis heraus. Aber wie findet man Kollektor und Emitter heraus, denn sonst könnte ja etwas schiefgehen, wenn man beide Anschlüsse vertauscht. Im Weiteren beziehe ich mich auf den npn-transistor, ganz speziell den Transistor BUX10P (pnp-transistor 5
analog), bei welchem ich eine höhere Spannung (ca. 15V) über einen Widerstand von 15k an den Kollektor bzw. Emitter anlege. Die Messung habe ich mit der nachfolgenden Schaltung durchgeführt. Ich habe die Spannung zwischen Emitter und Basis gemessen. Bei einem Emitter (+) kann schon ein kleiner Strom zur Basis (-) fließen. Für den BUX10P trifft das allerdings nicht zu. Bei 15V fließt noch kein Strom. Beim Kollektor soll die Sperrspannung wesentlich höher sein. Vielleicht ist auch die Stromverstärkung unterschiedlich. das will ich auch noch herausfinden. Schaltung zur Kennlinienaufnahme Nachdem ich die drei Anschlüsse des Transistors gefunden habe, brauche ich eine Schaltung, um das vollständige Kennlinienfeld des Transistors aufzunehmen. Meine Schaltung für npn-transistoren ist so aufgebaut, dass Spannung und Stromstärke zwischen Basis und Emitter als Eingang und zwischen Kollektor und Emitter als Ausgang gemessen wird. Ich suchte mir eine geeignete Schaltung. Spannungsfehlerschaltung Stromfehlerschaltung Ich habe mich beim Kollektor und bei der Basis für die Spannungsfehlerschaltung entschieden, denn ein charakteristisches Merkmal bei Transistoren ist die Stromverstärkung =I C /I B, also sollten die Stromstärken so genau wie möglich sein. Wenn die Spannungen jedoch sehr wichtig sind, muss man Spannungsmesser mit 6
sehr hohen Innenwiderständen verwenden. Dann kann man die Stromfehlerschaltung verwenden. Um meine Messungen auszuführen, habe ich mir einen Adapter gebaut, um nicht bei jeder Messung gleich Drähte an die Anschlüsse besonders bei kleinen Transistoren (1,27mm Anschlussabstand) anzulöten. So kann ich die kleinen Transistoren in den Adapter stecken und so die Anschlüsse mit meiner Messschaltung verbinden. Dann habe ich mir eine Schaltung gebaut, mit der ich die Spannung am Eingang (Basis-Emitter) und die Spannung am Ausgang (Kollektor-Emitter) mit Potenziometern einstellen konnte. Der Widerstand von 5,6k schützt die Basis vor zu hohen Strömen. 7
Diese Schaltung habe ich nun wegen der Potenziometer in ein Gehäuse gebaut und die Messgeräte und die Versorgungsspannung werden über Messkabel angeschlossen. Damit das Anschließen schneller geht, habe ich die Anschlusspläne für npn- und pnp- Transistoren gleich auf das Gehäuse geklebt. Die Messungen Ich habe mir zuerst den Leistungstransistor BUX10P ausgesucht in der Hoffnung, dass nichts kaputt geht. Der interessanteste Zusammenhang ist sicher die Abhängigkeit des Kollektorstromes vom Basisstrom I c =f(i b ). Ich habe die Basisstromstärke eingestellt und die Kollektorstromstärkeangelesen. Allerdings musste Ich die Kollektorspannung immer wieder nachregeln, um das Ergebnis auszuwerten. Meine Messwerte für diesen Transistor: 1V 2V 3V 4V Uc 0 0 0 0 0 0,1 4,1 4,3 4,2 4,5 0,2 7,4 8 8 8 0,3 11 11 11 11 0,4 14 14 14 15 0,5 18 18 18 20 0,6 21,3 22 22 22 I b in ma Dabei habe ich das nachfolgende Diagramm erhalten. 8
Man sieht deutlich, dass als Graf etwa Geraden entstehen, die alle den gleichen Anstieg haben und das bei vier verschiedenen Spannungen U C. Ich habe für jede Messung I C /I B berechnet und den Mittelwert berechnet(siehe Tabelle) 1V 2V 3V 4V U C 0,1 41,0 43,0 42,0 45,0 42,8 0,2 37,0 40,0 40,0 40,0 39,3 0,3 36,7 36,7 36,7 36,7 36,7 0,4 35,0 35,0 35,0 37,5 35,6 0,5 36,0 36,0 36,0 40,0 37,0 0,6 35,5 36,7 36,7 36,7 36,4 Ib in ma 36,9 37,9 37,7 39,3 Mittelwert 37,9 Der untersuchte Transistor hat eine Stromverstärkung von 38 (ein Wert, der für solche starken Leistungstransistoren gut ist) Dann habe ich die Messwerte anders angeordnet, um die Abhängigkeit zwischen I C und U CE zu untersuchen: 0,1 ma 0,2 ma 0,3 ma 0,4 ma 0,5 ma 0,6 ma Ib 0 0 0 0 0 0 0 1 4,1 7,4 11 14 18 21,3 2 4,3 8 11 14 18 22 3 4,2 8 11 14 18 22 4 4,5 8 11 15 20 22 Uc in V Im Diagramm habe ich die Messwerte für I B =0mA weggelassen, da ich im Bereich zwischen 0V und 1V für U CE keine Messwerte habe. Das werde ich aber noch genauer untersuchen. 9
In diesem Diagramm sieht man ganz deutlich, dass der Kollektorstrom nicht oder kaum von der Kollektor-Emitter-Spannung abhängt. Im Anhang sieht man das vollständige Kennlinienfeld für diesen Transistor. Zusammenfassung Ich habe mich mit dem Transistor als elektronisches Bauelement auseinandergesetzt und herausgefunden, welcher Zusammenhang zwischen den einzelnen elektrischen Größen des Transistors besteht. Ich muss noch herausfinden, was bei ganz kleinen Kollektor-Emitter-Spannungen passiert. Ich untersuche weitere Transistoren, um herauszufinden, wie groß Stromverstärkungen sein können. Dazu habe ich einen 1W Transistor ausgewählt und gleich den Bereich von 0V bis 1V für U CE genauer ausgemessen. Tabelle und Diagramm sind ebenfalls im Anhang. Deutlich sieht man die Auswirkungen der Messbereichsumschaltung auf den Diagrammverlauf. Ich will meine Messschaltung auch anwenden, um herauszufinden, wie sich Transistoren verhalten, wenn man Kollektor und Emitter vertauscht. Nachdem ich jetzt weiß, wie der Transistor funktioniert, will ich im nächsten Jahr Schaltungen mit einem Transistor aufbauen und diese ausprobieren. 10
Anhang Vollständiges Kennlinienfeld des BUX10P 11
Kennlinienaufnahme eines 1W- Transistors U CE in V 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 I B in ma 0,1 1,2 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 0,2 3,5 4,4 4,8 5,1 5,3 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 0,3 4,8 6,6 7,3 7,8 8,0 8,3 8,4 8,5 8,6 8,8 0,4 5,3 11,0 17,5 25,0 27,5 30,0 45,0 52,0 58,0 63,0 0,5 6,0 12,0 19,0 25,0 33,0 38,0 46,0 52,0 60,0 65,5 0,6 6,0 12,0 19,0 25,0 33,0 39,0 46,0 52,0 60,0 67,0 0,7 6,0 12,0 19,0 26,0 34,0 40,0 46,0 52,0 60,0 67,0 0,8 6,0 12,0 19,0 26,0 34,0 40,0 46,0 52,0 60,0 67,0 0,9 6,0 12,0 19,0 26,0 34,0 40,0 46,0 52,0 60,0 67,0 1 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 46,0 53,0 60,0 67,0 2 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 46,5 54,0 60,0 67,0 3 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 46,5 54,5 60,0 68,0 4 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 46,5 55,0 60,0 70,0 5 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 46,5 55,5 60,5 72,0 6 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 47,0 56,0 61,0 73,0 7 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 47,0 57,0 61,5 73,5 8 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 47,0 58,0 62,0 74,0 9 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 47,0 58,5 63,0 74,5 10 6,0 12,0 19,0 27,0 34,0 40,0 47,0 59,0 64,0 75,0 12
Aufbau meiner Messapparatur Es wird eine Spannung von ca. 10V angelegt und es ist ein schneller Aufbau möglich. 13