Versuch 14: Transistor

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Versuch 14: Transistor Transistoren werden sowohl als Schalter (in der Digitaltechnik) als auch als Verstärker betrieben. Hier sollen die Grundlagen des Transistors als Verstärkerelement erlernt werden, sowie die Verstärkungsverhältnisse einer Emitterschaltung berechnet und mit den Messungen verglichen werden. Vorkenntnisse Halbleiter – Dotierung – Halbleiterdiode im Bändermodell – p-n-Übergang mit und ohne elektrisches Feld – Diffusion und Drift der Ladungsträger – Fermienergie und Fermiverteilung – Minoritäts und Majoritätladungssträger – Bipolarer Transistor – Feldeffekttransistor – Grundschaltungen – Kennlinienfeld – Anwendungen Über die Schaltungstechnik kann man sich zum Beispiel informieren in: Tietze/Schenk „Halbleiterschaltungstechnik“ (Lehrbuchsammlung) und Rohe „Elektronik für Physiker“. Physikalische Grundlagen pnp- und npn-Transistoren Es gibt pnp- und npn-Transistoren. Sie unterscheiden sich prinzipiell durch die Polaritäten der anzulegenden Spannungen. Gesteuert wird der Transistor jedoch immer durch den Basisstrom. Von den drei Anschlüssen des Transistors - Basis, Emitter und Kollektor - ist immer ein Pol Abb. 1: Schaltbild und auftretende Spannungen und Ströme für npn und pnp Transistoren. dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsam. Der Transistor kann also als Vierpol aufgefaßt werden. Man erhält so drei Grundschaltungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die in Abb. 2 1 Versuch 14: Transistor 2 skizziert und einander in Tabelle 1 gegenübergestellt sind (bei Verstärkern am wichtigsten: Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand, Verstärkungsfaktor, Grenzfrequenzen). Abb. 2: Mögliche Beschaltungen eines Transistors. Diese Eigenschaften lassen sich aus den für die jeweilige Grundschaltung gültigen Kennlinienfeldern berechnen. Die Kennlinienfelder enthalten die gegenseitigen Abhängigkeiten von UCE , UBE , IC und IB . Aus den Kennlinienfeldern können die Vierpolparameter für einen bestimmten Arbeitspunkt bestimmt werden. Mit diesem Satz von Parametern kann das Verhalten des Vierpols berechnet werden. Faßt man den Eingangsstrom I1 und die Ausgangsspannung U2 als Vergleich der Grundschaltungen Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Stromverstärkung Spannungsverstärkung Leistungsverstärkung Grenzfrequenz Phasendrehung Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung mittel hoch hoch hoch sehr hoch niedrig 180o klein sehr hoch <1 hoch hoch hoch 0o hoch klein hoch <1 hoch niedrig 0o Tabelle 1: Vergleich der verschiedenen Grundschaltungen. unabhängige Variable auf, so gilt: U1 = U1 (I1 , U2 ) (1) I2 = I2 (I1 , U2 ) (2) Diese Abhängigkeit muss nicht linear sein! Den Strömen und Spannungen seien kleine Änderungen überlagert (z.B. I1 = I10 + i1 ; kleine Buchstaben werden hier immer für Wechselstromgrößen verwendet) in deren Bereich dann in erster Näherung eine lineare Abhängigkeit bestehe. Bildet man zu Gl. (1) und (2) das vollständige Differential, so ergeben sich die Gleichungen: ( ) ( ) ∂U1 ∂U1 dU1 = dI1 + dU2 (3) ∂I1 U2 ∂U2 I1 Versuch 14: Transistor 3 Abb. 3: Kennlinienfeld für einen Transistor in der Emitterschaltung. Der Arbeitspunkt des Transistors im Kennlinienfeld ist normalerweise so gewählt bzw. eingestellt, dass eine kleine Änderung von UBE bzw. IB eine dazu proportionale Änderung von UCE bzw. IC bewirkt. Der Transistor arbeitet dann als linearer Strom- und Spannungsverstärker. ( dI2 = ∂I2 ∂I1 ) ( dI1 + U2 ∂I2 ∂U2 ) dU2 (4) I1 Setzt man nun in erster Näherung dU1 = u1 etc. und führt die h-Symbole ein, so erhält man: u1 = h11 i1 + h12 u2 (5) i2 = h21 i1 + h22 u2 (6) Versuchsaufgaben Hinweis: Die in diesem Versuch verwendeten Voltcraft VC260 Multimeter werden durch einen integrierten 20 F Kondensator versorgt, die Solarzelle dient nur zur Pufferung des Kondensators, erzeugt aber nicht genug Energie für einen kontinuierlichen Betrieb. Falls der Kondensator entladen ist sind die Multimeter einige Minuten mit dem zum Versuch gehörenden Netzteil bei 9-12 V an den entsprechenden Buchsen im Lademodus zu laden. In einer Parallelschaltung können alle Multimeter gleichzeitig geladen werden. Falls die Messwerte nach einem Wechsel von Messmodus oder -bereich stark schwanken kann es notwwendig sein die Multimeter aus- und wieder einzuschalten oder 2 mal den Hold-Button (Mitte des Drehknopfes) zu betätigen. 1. Untersuchung der Diodeneigenschaften von Transistorstrecken Gegenstand dieses Versuchsteils ist der grundsätzliche Aufbau des bipolaren Transistors und sein Vergleich mit einer Diode. Dabei wird der Unterschied zwischen einem NPN und einem PNP-Transistor untersucht. Versuch 14: Transistor 4 Als erstes wird der Versuchsaufbau zur Messung der Basis-Emitter-Strecke gemäß Abbildung 4 mit dem NPN Transistor BD 137 aufgebaut. Der Widerstand 100 Ω muss als Schutzwiderstand zur Strombegrenzung für alle Messstrecken immer eingesetzt bleiben! Basis-Emitter-Strecke Das Netzteil ist so anzuschließen, dass der Pluspol an der Basis und der Minuspol am Emitter des Transistors anliegt (vgl. Abb. 4). Dabei sind jeweils Messgrößen, Messbereiche und Polaritäten an den Messgeräten zu beachten. Beobachten und beschreiben Sie den Spannungsabfall UBE und die Stromstärke IB . Die Spannung U ist bei 0 V beginnend vorsichtig zu erhöhen bis entweder die Stromstärke 5 mA oder die Spannung 2 V erreicht. Bestimmen Sie jeweils die Spannung U und die Stromstärke I und tragen Sie dies in eine Tabelle ein. Anschließend ist die Polung umzukehren und der Versuch zu wiederholen. Abb. 4: Basis-Emitter-Strecke Basis-Kollektor-Strecke Das Netzteil ist jetzt so anzuschließen, dass der Pluspol an der Basis und der Minuspol am Kollektor des Transistors anliegt ((vgl. Abb. 5)). Beobachten und beschreiben Sie UBC und IB . Die Spannung U ist ebenso bei 0 V beginnend vorsichtig zu erhöhen bis entweder die Stromstärke 5 mA oder die Spannung 2 V erreicht. Bestimmen Sie jeweils die Spannung U und die Stromstärke I, wiederholen Sie den Versuch mit umgekehrter Polung und notieren Sie die Ergebnisse in eine Tabelle. Abb. 5: Basis-Kollektor-Strecke Kollektor-Emitter-Strecke Wie in Abb. 6 dargestellt ist nun der Schutzwiderstand 100 Ω vor den Kollektor zu schalten und das Netzteil so anzuschließen, dass der Pluspol am Kollektor und der Minuspol am Emitter des Transistors anliegt. Untersuchen Sie analog die Spannung UCE und Stromstärke IC , wiederholen Sie den Versuch mit umgekehrter Polung und notieren Sie die Ergebnisse in eine Tabelle. Abb. 6: Kollektor-Emitter-Strecke Die drei vorangegangenen Versuchsteile sind mit dem PNP-Transistor BD 138 zu wiederholen! Welche Ersatzschaltbilder lassen sich für einen NPN- und einen PNP-Transistor aus den Beobachtungen ableiten? Fertigen Sie hierzu eine Zeichnung an. 2. Aufzeichnung der Kennlinien eines Transistors Im diesem Versuchsteil werden die Eigenschaften eines NPN-Transistors (BD 137) anhand seiner Kennlinien untersucht. Aufgenommen werden dazu: • Die Eingangskennlinie also der Basisstrom IB in Abhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung Versuch 14: Transistor 5 UBE • Die Steuerkennlinie also der Kollektorstrom IC in Abhängigkeit vom Basistrom IB bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung UCE • Die Ausgangskennlinie also der Kollektorstrom IC in Abhängigkeit von der KollektorEmitter-Spannung UCE bei konstantem Basisstrom IB Bauen Sie hierzu den Versuch gemäß der entsprechenden Abbildungen auf. Beachten Sie die Messgrößen, Messbereiche und Polaritäten an den Messgeräten! Insbesondere kann der Kollektorstrom groß werden, für Messungen von IC ist daher der 20 A Eingang des Multimeters zu verwenden. Der Widerstand 1 kΩ muss immer als Schutzwiderstand eingesetzt bleiben! Die Versorgungsspannung der Schaltung am Netzgerät ist jeweils auf 5 V stellen. (a) Eingangskennlinie: Messgrößen: IB und UBE Das Potentiometer 1 kΩ ist so einzustellen, dass die Basis-Emitter-Spannung UBE = 0 V beträgt. Den Potentiometer-Stellknopf vorsichtig drehen, so dass die Spannung UBE steigt. Der Spannungsabfall UBE und die Stromstärke IB ist zu beobachten und anschließend zu beschreiben. Variieren Sie die Spannung UBE dabei im Bereich von 0 bis ca. 0.8 V und messen Sie die zugehörige Stromstärke IB . Für die Eingangskennlinie sind 14 Wertepaare (UBE , IB ) aufzunehmen und in eine Tabelle einzutragen. Dabei ist auf eine sinnvolle Wahl der Schrittweite zwischen den Messpunkten zu achten. Die Werte sollen anschließend grafisch dargestellt werden und sind zu diskutieren. Abb. 7: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Eingangskennlinie (b) Steuerkennlinie: Messgrößen: IC und IB , Parameter UCE Als erstes ist zusätzlich ein Messgerät für die Kollektorstromstärke IC anzuschließen. Achtung, der Kollektorstrom kann 400mA übersteigen, daher ist der 20A-Eingang und der entsprechende Messbereich des Multimeters zu verwenden! Die Spannung UCE (statt bisher die Spannung UBE )ist zu messen und in der Tabelle einzutragen. Das Potentiometer 1 kΩ so einstellen, dass der Versuch 14: Transistor 6 Basisstrom IB minimal ist. Den Potentiometer-Stellknopf vorsichtig drehen, so dass die Stromstärke IB steigt. Stromstärken IB und IC sind zu beobachten. Variieren Sie die Stromstärke IB dabei zwischen 0 und 3.5 mA und notieren Sie die zugehörige Stromstärke IC . Für die Steuerkennlinie sind 14 Wertepaare (IB , IC ) aufzunehmen und in eine Tabelle einzutragen. Dabei ist ebenfalls auf eine sinnvolle Wahl der Schrittweite zwischen den Messpunkten zu achten. Die Werte sollen anschließend grafisch dargestellt werden und sind zu diskutieren. Welcher Stomverstärkungsfaktor ergibt sich aus den Messungen für den Transistor BD 137? Abb. 8: Aufbau zur Aufnahme der Steuerkennlinie (c) Ausgangskennlinie: Messgrößen: IC und UCE , Parameter IB Das Potentiometer 1 kΩ ist durch den Widerstand 47 kΩ zu ersetzen. Zusätzlich ist vor den Kollektor das Potentiometer 220 Ω einzusetzen. Die Stromstärke IB ist zu messen und in die Tabelle einzutragen. Das Potentiometer 220 Ω ist so einzustellen, dass die Kollektor-Emitter-Spannung UCE minimal wird. Den Potentiometer-Stellknopf vorsichtig drehen, so dass die Spannung UCE steigt. Die Spannung UCE und die Stromstärke IC beobachten. Die Spannung UCE dabei im Bereich von 0 bis ca. 5 V variieren und die zugehörige Stromstärke IC messen. Für die Ausgangskennlinie sind 14 Wertepaare (UCE , IC ) aufzunehmen und in eine Tabelle einzutragen. Auch hier ist wieder auf eine sinnvolle Wahl der Schrittweite zwischen den Messpunkten zu achten. Die Werte sollen anschließend grafisch dargestellt werden und sind zu diskutieren. 3. Der Transistor als Verstärker In den meisten Transistorverstärkern wird die Emitterschaltung verwendet. Dabei wird das Eingangssignal an die Basis angelegt und das Ausgangssignal am Kollektor abgegriffen. Im Versuch wird die Spannungsverstärkung bestimmt: BU = ∆UA ∆UE (7) C Sie entspricht dem Verhältnis von Kollektor- zu Emitterwiderstand R RE , wenn RCE << BI ∗ RE mit BI : Stromverstärkung. Im Versuch wird der Arbeitspunkt mit einem sinusförmigen Eingangssignal eingestellt, das den Verstärker übersteuert. Mit dem Spannungsteiler wird die an die Basis angelegte Gleichspannung so eingestellt, dass das Ausgangssignal symmetrisch abgeschnitten wird. Bei optimaler Versuch 14: Transistor 7 Abb. 9: Aufbau zur Aufnahme der Ausgangskennlinie Einstellung des Arbeitspunktes, d.h. unverzerrten verstärken Eingangssignal, entspricht die Ausgangsspannung der halben Betriebsspannung. Anschließend wird bei den Ein- und Ausgangsspannungen jeweils die Gesamtamplitude USS gemessen. Daraus wird die Verstärkung berechnet und mit dem Verhältnis von Emitter- zu Kollektorwiderstand verglichen. Bauen Sie die Schaltung gemäß Abb. 10 auf, die Eingangsspannung UE ist mit Kanal Y1 und Ausgangsspannung UA mit Kanal Y2 des Oszilloskops zu messen. Für die Messung ist eine gemeinsame Masse herzustellen. Dazu sind die Erdungs- bzw. Masseanschlüsse der OszilloskopMessleitungen und des Funktionsgenerators mit dem Minuspol des Netzgerätes zu verbinden. Abb. 10: Schaltung eines einstufigen Verstärkers (mit einstellbarer Verstärkung (grau hinterlegt)) Versuch 14: Transistor 8 (a) Einstellen des Arbeitspunktes Am Funktionsgenerator ist ein Sinussignal mit einer Frequenz von ca. 1 kHz und mit einer Spannungsamplitude von ca. 1 V einzustellen. Das Netzteil soll eine Betriebsspannung von 9 V liefern. Der 47 kΩ-Stellwiderstand ist so einzustellen, dass das Ausgangssignal symmetrisch begrenzt wird. Dazu ggfs. die Amplitude des Eingangssignals etwas verändern, so dass die Begrenzung deutlich sichtbar wird. Bei symmetrischer Begrenzung des Ausgangssignals ist der Arbeitspunkt richtig eingestellt. Bestimmen Sie die Basisspannung UBE und die Kollektorspannung UCE . (b) Bestimmung der Spannungsverstärkung Nun ist die Spannung des Funktionsgenerators solange zu verkleinern, bis das Ausgangssignal unverzerrt ist, d.h. nicht mehr begrenzt wird (USS ≈ 0, 2V ). Beobachten und bestimmen Sie die Eingangs- (UE,SS ) und Ausgangsspannung (UA,SS ). Die Spannungsverstärkung ist zu berechnen. (c) Der Transistor als Verstärker mit einstellbarer Verstärkung Die Schaltung ist jetzt entsprechend Abb. 10 grau hinterlegter Teil zu erweitern. Die Eingangsspannung sollte möglichst weit reduziert werden (UE,SS ∼ 0, 1 V ). Der Widerstand des 10-kΩStellwiderstands ist soweit zu verkleinern, dass das Ausgangssignal gerade noch nicht verzerrt wird. Die Eingangs-(UE,SS ) und Ausgangspannung (UA,SS ) sind zu messen und die Verstärkung zu berechnen. Welche minimale und maximale Verstärkung lässt sich durch Einstellung des 10kΩ-Stellwiderstands erzielen?