Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien

15. März 2016
Elektronik 1
Martin Weisenhorn
Laborübung, NPN-Transistor Kennlinien
Einführung
In diesem Praktikum soll das Ausgangskennlinienfeld des NPN-Transistors BC337 ausgemessen werden, um später einen Verstärker dimensionieren und bauen zu können. In allen hier
beschriebenen Aufgaben kommt derselbe Transistortyp zum Einsatz. Das Ausgangskennlinienfeld hat die im 1. Quadranten in Abb. 1 dargestellte Gestalt.
Uebertragungskennlinie
Ausgangskennlinienfeld
IC
mA
IB mA
@ UCE = 5 V
IB
UCE
µA
V
@ UCE = 5 V
Eingangskennlinie
UBE
V
Abbildung 1: Kennlinienfelder eines NPN-Transistors. Das Ausgangskennlinienfeld liegt im
1. Quadranten dieser Darstellung.
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1 Aufzeichnen des Ausgangskennlinienfeldes
Das Ziel dieser Aufgabe ist es, zwei Kennlinienäste des Ausgangskennlinenfeldes in Abb. 1
für die beiden Basisströme 100 µA und 1 mA zu messen. Die Messwerte sollen mit Hilfe eines
MATLAB-Skripts als Kennlinienfeld dargestellt werden.
Eine Messchaltung zur Aufzeichnung des Ausgangskennlinienfeldes findet sich in Abb. 2. Die
Spannungsquellen U1 und UCE können mit dem Labornetzgerät realisiert werden. Die Ströme
IB und IC können mit Hilfe der Handmultimeter gemessen werden.
IC
R1
IB
10 kΩ
UBE
UCE
U1
Abbildung 2: Messchaltung für die Bestimmung des Ausgangskennlinienfeldes.
a) Achten Sie darauf, dass die Verlustleistung PV = IC UCE ≤ 650 mW, siehe Datenblatt.
b) Es sollen Äste des Ausgangskennlinienfeldes für IB ∈ {100, 1000} µA gemessen werden.
Stellen Sie dazu jeweils den betreffenden Basisstrom durch Wahl von U1 ein. Für jeden
der Werte soll die Spannung UCE von 0 bis 15 V in von Ihnen gewählten Stufen verändern
werden und der sich einstellende Kollektorstrom IC gemessen werden.
Legen Sie für jeden Wert von IB einen Vektor für IC und einen für UCE in einem MATLABSkript an. Hinweis: Der Strom IB ändert sich geringfügig in Abhähngigkeit von UCE .
Ausserdem steigt IC mit wachsender Temperatur an.
c) Stellen Sie die beiden Äste des Kennlinienfeldes dar.
d) Wie gross ist die Stromverstärkung
hF E :=
IC
IB
für UCE = 5 V und für die verschiedenen Basisströme?
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e) Stimmen Ihre Ergebnisse mit den Angaben aus dem Datenblatt überein?
2 Der Transistor als Schalter
Eine Leistungs-LED benötigt für ihren Betrieb einen Strom in der Grössenordnung von einigen
hundert mA. Mit dem Transistor BC337 kann dieser Strom ohne weiteres geschaltet werden, eine entsprechende Schaltung ist in Abb. 3 dargestellt. Wichtig dabei ist, dass die Verlustleistung
PV = IC UCE ≤ 625 mW, bzw. dass die Spannung UCB ausreichend klein ist, siehe Datenblatt
im Abschnitt Absolute Maximum Ratings. Für das Einschalten des Transistors ist ein relativ
geringer Basisstrom IB erforderlich, sodass die LED sogar mit dem geringen verfügbaren Strom
aus einem GPIO-Pin eines Mikrokontrollers oder eines FPGAs gesteuert werden kann. Für die
R2
D
IC
R1
T
IB
U1
U2
Abbildung 3: NPN-Transistor als Schalter
Betriebsspannung gelte U2 = 8 V und für die Steuerspannung U1 aus dem Mikrokontroller gelte
U1 = 3.5 V für ein und U1 = 0 V für aus.
a) Dimensionieren Sie den Widerstand R2 so, dass bei eingeschaltetem Transistor, bzw. bei
UCE ≤ 0.2 V die LED mit einem Strom IF ≤ 400 mA betrieben wird. Betrachten Sie zu
diesem Zweck die Kennlinie der LED welche den Zusammenhang von UF und IF angibt.
b) Dimensionieren Sie den Widerstand R1 so, dass bei einer Steuerspannung U1 = 3.5 V
der Transistor so gut leitet, dass die LED voll leuchtet. Hinweis: Die Verstärkung des
Transistors bei IC = 400 mA können Sie aus dem Kennlinienfeld bestimmen.
c) Bauen sie die Schaltung auf und überprüfen Sie die Funktion! Erhöhen Sie die Betriebsspannung nur langsam und überprüfen Sie dabei laufend die Temperatur des Transistors.
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Er sollte nicht zu heiss werden, damit er nicht zerstört wird. Wichtig: Beim Umschalten
zwischen den Zuständen ein und aus wird der Transistor kurzzeitig jenseits der Verlustleistungshyperbel betrieben. Damit diese Situation nicht zur Zerstörung des Transistors
führt, muss schnell zwischen den beiden Zuständen aus und ein umgeschaltet werden.
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3 Kollektorschaltung
Die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle sinkt mit steigender Belastung, weil am Innenwiderstand der Spannungsquelle ein Teil der Quellspannung abfällt. In dieser Aufgabe soll ein
Transistor in Kollektorschaltung als ein Spannungsfolger verwendet werden, um die Quelle zu
entlasten.
Um den Effekt des Transistors besonders eindrücklich zu machen, soll vorerst eine Spannungsquelle mit Innenwiderstand Rq = 1050 Ω realisiert werden. Abb. 4 zeigt das entsprechende
Schaltbild. Verwenden Sie dazu den Funktionsgenerator und einen geeigneten Widerstandswert R. Die Spannung uq (t) soll einen Offset von ū = 4 V besitzen, einen Scheitelwert von
Spannungsquelle
Funktionsgenerator
Ri
R
uRi
uq
ua (t)
RL
Abbildung 4: Belastete Spannungsquelle.
û = 2 V und eine Frequenz von 1 kHz.
a) Der Lastwiderstand in Abb. 4 sei RL = 200 Ω. Berechnen sie den Spizte-Spitze-Wert des
Wechselanteils der Ausgangsspannung und vergleichen Sie diesen Wert mit dem tatsächlich
beobachteten Verlauf, beide Werte sollten nahezu identisch sein.
b) Schalten Sie nun den Transistor entsprechend Abb. 5 zwischen Quelle und Last. Beachten
Sie, dass eine Versorgungsspannung von 10 V nötig ist. Messen Sie erneut die Ausgangsspannung. Ihr Wechselspannungsanteil sollte nun etwa gleich dem Wechselspannungsanteil
der Spannung uq (t) sein. Der Gleichspannungsanteil am Ausgang sollte wegen der BasisEmitter Diode des Transistors etwa um 0.7 V tiefer sein als jener der Quelle.
c) Die Quelle bildet also gemeinsam mit dem Transistor eine neue Spannungsquelle. Diese
besitzt jedoch einen Innenwiderstand Ri der viel kleiner ist als der Innenwiderstand Rq .
Bestimmen Sie Ri messtechnisch. Achten Sie darauf, dass der Transistor dabei nur in
Arbeitspunkten betrieben wird, die er unbeschadet übersteht. Ein Blick in das Datenblatt
unter dem Abschnitt Absolute Maximum Ratings hilft.
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+10 V
Rq = 1050 Ω
ue (t)
uq (t)
ua (t)
RL
Abbildung 5: Kollektorschaltung (Emitterfolger)
d) Erkennen Sie eine Gesetzmässigkeit zwischen der Gleichstromverstärkung hF E des Transistors und seiner Fähigkeit den Innenwiderstand der Quelle zu reduzieren?
e) Warum ist der Gleichanteil der Ausgangsspannung ua (t) tiefer als jener der Quellspannung
uq (t), währendem die Wechselanteil etwa gleich gross sind?
f) Wie Stark wird die Quelle bestehend aus uq (t) und Rq durch den Transistor und den
Widerstand RL belastet, d.h wie gross ist der Strom IB den die Quelle liefern muss? Wie
hoch ist der Strom IE durch den Verbraucher?