NTL-Baukasten, TRANSISTOR
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P R O T O KO LL V ers uche m it dem N T L E lek tro nik B auk as ten D E R T R A NS IS T O R Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD Christian J. ZÖPFL Matrikelnummer 9855155 mit Günter EIBENSTEINER Schulversuchspraktikum 2000 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS 1. GRUNDSÄTZLICHES SEITE 3 1.1. ELEKTRISCHE HALBLEITER 1.2. DIE DIODE 1.3. DER TRANSISTOR 2. PÄDAGOGISCHE AUFBEREITUNG SEITE 7 2.1. LERNZIELE 3. DURCHGEFÜHRTE VERSUCHE Seite 8 3.1. Besteht ein Transistor aus zwei Dioden? (EL 3.1) 3.2. Wie verhält sich ein pnp–Transistor (EL 3.1.1) 3.3. Basisstrom ermöglich Kollektorstrom (EL 3.2 und EL 3.2.1) 3.4. Der Transistor als Verstärker (EL 3.3) 3.5. Basisschaltung zur Stromverstärkung (EL 3.3.1) 3.6. Basisschaltung zur Spannungsverstärkung (EL 3.3.2) 3.7. Steuerkennlinie eines npn–Transistors (EL 3.3.6) 3.8. Steuerkennlinie eines pnp–Transistors (EL 3.3.6) 4. ABSCHLIESSENDE BEMERKUNGEN erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 20 Seite 2 Schulversuchspraktikum 2000 1. Grundsätzliches 1. GRUNDSÄTZLICHES 1 1..1 1.. E Elle ek kttrriis sc ch he eH Ha allb blle eiitte err Zunächst soll kurz das Ausgangsmaterial zur Herstellung von Transistoren, nämlich Halbleiter, näher betrachtet werden. Als Halbleiter werden in der Technik Stoffe bezeichnet, deren spezifischer Widerstand ρ zwischen 10-5 und 103 Ωm liegt. Bekannte Halbleitermaterialen sind zum Beispiel Germanium oder Silizium, also Stoffe der 4. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Vor allem Siliziumhalbleiter haben heute eine ungeheure wirtschaftliche Bedeutung, zum Beispiel in der Chipindustrie. Für konkrete Anwendungen müssen die Halbleiter allerdings in hochreiner Form vorliegen, da bereits kleinste Mengen von Fremdatomen das Kristallgitter des Halbleiters gravierend verändern und daher auch dessen (elektrische) Eigenschaften. Genau diesen Effekt macht man sich in der Halbleiterindustrie allerdings zu Nutzen, in den man Halbleiterkristalle gezielt mit anderen Stoffen „verunreinigt“, man spricht von einer Dotierung. Wird ein Halbleiter mit Elementen aus der 3. Hauptgruppe, etwa Bor, dotiert, entsteht ein sogenannter p–Leiter oder Akzeptor, der sich dadurch auszeichnet, dass in den B–Si–Bindungen Elektronenlöcher enthalten sind. Wird statt Bor ein Element aus der 5. Hauptgruppe, zum Beispiel Arsen, verwendet, erhält man einen n–Leiter oder Donator, der sich durch leicht ablösbare Elektronen in den As–Si–Bindungen auszeichnet. Die zweidimensionale Konfiguration im Kristall soll mit Hilfe der folgenden Skizzen veranschaulicht werden. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 3 Schulversuchspraktikum 2000 1. Grundsätzliches 1 1..2 2.. D Diie eD Diio od de e Die Diode stellt die einfachste technische Anwendung von Halbleitermaterialen dar. Ihr Aufbau kann schematisch als Verbindung von einem n–Leiter mit einem p–Leiter beschrieben werden. Man unterscheidet bei einer Diode zwischen Durchlass– und Sperrrichtung. Genauere Informationen können dem Parallelprotokoll zur Diode entnommen werden. 1 orr stto siis ns an Trra err T De 3.. D 1..3 Ein Transistor besteht im wesentlichen aus 3 Schichten von unterschiedlich dotierten Halbleitern. In der Technik unterscheidet man zwischen npn und pnp Transistoren, je nach Dotierung. Beim npn Transistor liegt zwischen zwei n–dotierten Schichten eine sehr dünne (etwa 10-6 m) Schicht eines p–dotierten Halbleiters. Die n–dotierten Bereiche werden als Kollektor (K) und Emitter (E) bezeichnet, die p–dotierte Schicht als Basis (B). erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 4 Schulversuchspraktikum 2000 1. Grundsätzliches An Kollektor und Emitter kann nun eine Spannung angelegt werden. Zunächst kann kein Strom fließen. Wird nun an die Basis ebenfalls ein negatives Potential angelegt (beim npn Transistor) „schaltet“ der Transistor durch, Strom kann zwischen Kollektor und Emitter fließen. Bedeutung des T ransistors: In der moderne Elektronik ist der Transistor das wohl wichtigste Bauteil, ja wäre die Elektronik ohne Transistoren gar nicht denkbar. Vom modernen E–Herd bis zum CD–Player findet der Transistor Anwendung. † Der Transistor als Schalter Eine der wohl wichtigsten Anwendungsbereiche ist der Einsatz als Schalter. Denn wie ja oben bereits beschreiben, kann zwischen Kollektor und Emitter nur dann Strom fließen, wenn an der Basis ebenfalls ein Potential anliegt. Diese Eigenschaft ermöglich nun ein Schalten. Da am Schaltvorgang keine mechanischen Bauteile beteiligt sind weist ein Transistor, sofern er innerhalb der Spezifikationen betreiben wird, keine Abnützung auf, was ihn sehr zuverlässig macht. Zusätzlich benötigt er nur den Bruchteil eines klassischen Relais. Da bereits ein sehr geringer Basisstrom, der auch als Steuerstrom bezeichnet wird, für den Schaltvorgang ausreicht, können mit Hilfe eines Transistors auch größere Ströme sicher und „berührungslos“ geschalten werden. Anders als bei mechanischen Bauteilen ist beim Transistor die durchgesteuerte Stromstärke innerhalb eines bestimmten Bereichs vom Steuerstrom abhängig. Die Abhängigkeit, die auch bei der Diode auftritt, wird im Kennlinienfeld dargestellt. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 5 Schulversuchspraktikum 2000 1. Grundsätzliches † Der Transistor als Verstärker Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich des Transistors sind sogenannte Verstärkerschaltungen. In Transistor besitzt die Fähigkeit, Strom– oder Spannungssignale, die an der Basis anliegen, zu verstärken und am Emitter wieder auszugeben. Bei dieser Anwendung ist es aber besonders wichtig, einen Transistor mit geeignetem Kennlinienfeld zu verwenden. Das Kennlinienfeld gibt an, wie sich Basis– und Kollektorstrom zueinander verhalten. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 6 Schulversuchspraktikum 2000 2. Pädagogische Aufbereitung 2. PÄDAGOGISCHE AUFBEREITUNG 2 2..1 1.. L Le errn nzziie elle e Unterstufe: Die Schüler sollten den Aufbau und die grundsätzliche Funktionsweise von Transistoren verstehen und ihren praktischen Nutzen begreifen. Zusätzlich sollten sie über die technischen Einsatzgebiete von Transistoren als Schalter und Verstärker informiert werden. Ein genauer Aufbau der Transistoren bzw. die tieferen, atomaren Grundlagen müssen aber nicht behandelt werden, eine Unterscheidung zwischen n–Leitern und p–Leitern erscheint als ausreichend. Begriffe wie Basisstromkreis, Basisstrom, Kollektorstromkreis, Kollektorstrom, Sperrzustand und Durchschaltzustand sollten gemeinsam mit den Schülern erarbeitet und besprochen werden. Es scheint als überaus sinnvoll die Begriffe anhand von Demonstrationsversuchen näher zu erläutern und den Schülern die Begriff so einprägsamer zu veranschaulichen. Bei den Anwendungsgebieten des Transistors erscheint vor allem eine Gegenüberstellung von Relais und Transistor als Schalter sehr interessant. Anhand dieses Beispiels kann den Schüler zum Beispiel die steig fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik verdeutlicht werden. Als nächsten Schritt können auch die IC (integrated circuits) aus der Chiptechnologie erwähnt werden. Da sich die Schüler in dieser Alterstufe bereits mit Computer beschäftigen, kann so ein Praxisbezug geschaffen werden, der den Unterricht für die technikinteressierten „Kids“ rasch interessant werden lässt. Oberstufe: Es sollten die aus der Unterstufe bekannten Sachverhalte wiederholt und vertieft werden. In weiterer Folge sollte der Aufbau des Transistors aus Halbleitermaterialen genau besprochen werden und die Art der Leitung in dotieren Halbleitern über Elektronen– und Löcherleitung. Die Einsatzgebiete von Transistoren sollten wiederholt und vertieft werden, es scheint an dieser Stelle ratsam zu sein, den Schülern durch Schülerversuche ein besseres Verständnis zukommen zu lassen. Auch der Begriff des Kennlinienfeldes scheint in dieser Alterstufe als durchaus vertretbar, vom Schultyp abhängig kann näher darauf eingegangen werden. Mit besonders interessierten Schülern können mit Hilfe von Transistoren auch logische Schaltungen aufgebaut werden. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 7 3. DURCHGEFÜHRTE VERSUCHE 3 3..1 1.. B Be es stte eh htt e eiin nT Trra an ns siis stto orr a au us s zzw we eii D Diio od de en n? ?? ? ((V Ve errssu uc ch hE EL L3 3..1 1)) Zunächst soll der Aufbau eines Transistors untersucht werden. Mit Hilfe einer einfachen Schaltung sollen Sperr– und Durchschaltzustand gefunden werden und ein praktisches Verständnis für den richtigen Einbau von Transistoren in Schaltkreise vermitteltet werden. Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Versuchsdurchführung: Ist die Schaltung einmal richtig aufgebaut, ist die Durchführung der Versuche sehr einfach und rasch. Es ist allerdings ratsam Kollektor, Basis und Emitter auch auf der Stecktafel gut erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 8 Schulversuchspraktikum 2000 3.1. Besteht ein Transistor aus zwei Dioden? sichtbar zu kennzeichnen um jeder Verwirrung vorzubeugen. Auch sollte stets die Funktionsweise einer Diode im Hinterkopf behalten werden. Versuchsergebnis: Kollektor Basis Emitter Lämpchen plus minus –––– dunkel minus plus –––– leuchtet –––– plus minus leuchtet schwach –––– minus plus dunkel plus –––– minus dunkel minus –––– plus dunkel Der Transistor verhält sich also wie zwei hintereinander geschaltete Dioden, wie folgende Schaltskizze für einen npn–Transistor zeigt. Bemerkungen: Es ist ratsam vor der Durchführung des Versuches die Lämpchen auf ihre Funktionsfähigkeit und deren Kenndaten (Betriebsspannung und Leistung)zu überprüfen. Die oben angeführten Versuchsergebnisse gelten natürlich nur für einen npn–Transistor! erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 9 Schulversuchspraktikum 2000 3.2. Wie verhält sich ein pnp–Transistor? 3 3..2 2.. W Wiie ev ve errh hä älltt s siic ch he eiin np pn np p––T Trra an ns siis stto orr ((E EL L3 3..1 1..1 1..)) Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Der Versuchsaufbau kann von Versuch EL 3.1. analog übernommen werden, es muss lediglich der verwendete npn–Transistor gegen einen pnp–Transistor ausgetauscht werden. Zur Versuchsdurchführung gibt es keine wesentlichen Bemerkungen, es gelten die selben Hinweise wie bereits oben erwähnt. Versuchsergebnis: Kollektor Basis Emitter Lämpchen minus plus –––– dunkel plus minus –––– leuchtet –––– minus plus leuchtet schwach –––– plus minus dunkel plus –––– minus dunkel minus –––– plus dunkel Der Transistor verhält sich also wie zwei hintereinander geschaltete Dioden, wie folgende Schaltskizze für einen pnp–Transistor zeigt. Bemerkungen: Wie die letzten beiden Versuche gezeigt haben, verhalten sich Transistoren wie zwei Dioden. Ob das der ganze Kern der Wahrheit ist, soll der folgende Versuch zeigen. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 10 Schulversuchspraktikum 2000 3.3. Basisstrom ermöglich Kollektorstrom 3 3..3 3.. B Ba as siis ss sttrro om me errm mö ög glliic ch hK Ko olllle ek ktto orrs sttrro om m ((E EL L3 3..2 2.. u un nd dE EL L3 3..2 2..1 1..)) In den beiden vorigen Versuchen wurde der Schichtaufbau von Transistoren verifiziert. Es stellt sich nun die Frage, ob ein Transistor tatsächlich durch zwei Dioden ersetzt werden kann. Im folgenden Versuch soll die sowohl am npn als auch pnp–Transistor überprüft werden. Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Der oben skizzierte Versuchsaufbau kann sowohl für einen npn als auch einen pnp–Transistor verwendet werden, es muss lediglich der Transistor ausgetauscht werden. Versuchsdurchführung und Ergebnis sind vollkommen identisch. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 11 Schulversuchspraktikum 2000 3.3. Basisstrom ermöglich Kollektorstrom Versuchsdurchführung: Die eigentliche Versuchsdurchführung gestaltet sich sowohl für npn als auch pnp–Transistor als sehr einfach und unproblematisch. Durch Umstecken des im Schaltplan schraffierten Steckbausteins, kann ein Basisstrom angelegt werden. Nach dem Doppeldiodenmodell dürfte es in keinem Fall zu einem Kollektorstrom kommen, da sich ja eine der Dioden immer in Sperrrichtung befindet. Versuchsergebnis: Bei Anlegen eines Basisstroms kann auch ein Kollektorstrom fließen, das einfache Doppeldiodenmodell versagt also. Bei Anlegen eines (richtig gepolten) Basisstrom entsprechender Größenordnung steuert der Transistor durch, seine Einsatzfähigkeit als Schalter ist mit diesem Versuch gezeigt. Gleichzeitig kann erkannt werden, dass ein kleiner Basisstrom ausreicht (man muss ja einen 10 kΩ Widerstand vorschalten) um den Transistor anzusteuern. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 12 Schulversuchspraktikum 2000 3.4. Der Transistor als Verstärker 3 3..4 4.. D De err T Trra an ns siis stto orr a alls sV Ve errs sttä ärrk ke err ((EELL 33..33..)) In den nächsten Versuchen soll das zweite Hauptanwendungsgebiet von Transistoren, die Signalverstärkung, näher betrachtet werden. Es wird sowohl eine Spannungsverstärkung wie auch eine Stromverstärkung durchgeführt. Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Versuchsdurchführung: Die Versuchsdurchführung gestaltet sich auch hier als sehr einfach, lediglich auf den korrekten Aufbau der Schaltung ist besonders zu achten. Wird der Versuch als Demonstrationsversuch durchgeführt, ist darauf zu achten, dass die Schüler gute Sicht auf die Messinstrumente haben. Der Messbereich des Basisstrom Amperemeters wäre mit 10 mA vollkommend ausreichend, vor allem für Demonstrationen ist dies besonders zu beachten. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 13 Schulversuchspraktikum 2000 3.4. Der Transistor als Verstärker Der Versuch besteht aus zwei Teilen, im ersten Teil werden die Messungen bei einem Vorwiderstand von 10 kΩ durchgeführt, im zweiten Teil mit einem Vorwiderstand von 47 kΩ. Versuchsergebnis Kollektorstrom bei 10 kΩ: 36 mA Basisstrom bei 10 kΩ: 0,6 mA Kollektorstrom bei 47 kΩ: 18 mA Basisstrom bei 47 kΩ: 0,15 mA Kollektorstromänderung: 18 mA Basisstromänderung: 0,45 mA Die Änderung des Basisstroms wird im Kollektorstrom mit dem Faktor 40 verstärkt wiedergegeben. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 14 Schulversuchspraktikum 2000 3.5. Basisschaltung zur Stromverstärkung 3 3..5 5.. B Ba as siis ss sc ch ha allttu un ng g zzu urr S Sttrro om mv ve errs sttä ärrk ku un ng g ((E EL L3 3..3 3..1 1..)) Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Versuchsdurchführung: Ist der Schaltplan einmal gesteckt, besteht die Hauptaufgabe in der Regelung der veränderbaren Widerstandes. Über den Widerstand wird der Emitterstrom zunächst auf 2 mA eingestellt und der Kollektorstrom gemessen. Anschließend wird der Emitterstrom auf 10 mA erhöht und der Kollektorstrom erneut gemessen. Es ist ratsam an Stelle des 1,2 V Akkus ein Netzgerät zu verwenden. Versuchsergebnis: Der Kollektorstrom steigt um 6,8 mA von 2 mA auf 8,7 mA. Der Stromverstärkungsfaktor ist 0,85 ( = 6,8 / 8) und somit kleiner als 1. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 15 Schulversuchspraktikum 2000 3.6. Basisschaltung zur Spannungsverstärkung 3 3..6 6.. B Ba as siis ss sc ch ha allttu un ng g zzu urr S Sp pa an nn nu un ng gs s–– v ve errs sttä ärrk ku un ng g ((EELL 33..33..22..)) Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Versuchsdurchführung: Grundsätzlich ist auch dieser Versuch in der Durchführung sehr einfach. Es wird die Kollektor–Basis–Spannung zunächst auf 8 V, dann auf 0 Volt eingestellt und die zugehörige Basis–Emitter–Spannung gemessen. Bei der Versuchsdurchführung stießen wir allerdings auf unerwartete Probleme. Trotz mehrmaliger Überprüfung der Schaltung konnten wir keinen Fehler finden. Nach kurzer Bestandsaufnahme, erwies sich die systematische Überprüfung aller kritischen Komponenten (Voltmeter, Transistor und Widerstände) als einzig zielführend. Die Überprüfung zeigte, dass der regelbare 470 kΩ Widerstand defekt war. Da kein Ersatz zur Verfügung stand, mussten wir den Versuch abbrechen. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 16 Schulversuchspraktikum 2000 3.7. Steuerkennlinie eines npn–Transistors 3 3..7 7.. S Stte eu ue errk ke en nn nlliin niie ee eiin ne es sn np pn n––T Trra as sn ns siis stto orrs s ((E EL L3 3..3 3..6 6..)) Bei diesem und dem folgenden Versuch wird die Steuerkennlinie eines Transistors bestimmt. In der praktischen Nutzung sind solche Kennlinien von großer Bedeutung, geben sie doch das Verhalten des Transistors bei unterschiedlichen Basisströmen bzw. dessen Verstärkung an. Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Versuchsdurchführung: Bei diesem Versuch wird der Basisstrom über den veränderbaren 10 kΩ zwischen 0,05 und 0,4 mA variiert und der Kollektorstrom gemessen. Es dürften keine größren Probleme auftreten. Statt des Amperemeters mit 30 mA Messbereich empfiehlt sich die Verwendung eines Geräte mit 1 mA Messbereich. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 17 Schulversuchspraktikum 2000 3.7. Steuerkennlinie eines npn–Transistors Versuchsergebnis: Basisstrom IB in mA Kollektorstrom IC in mA 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 5 10 15 20 25 30 40 Kollektorstrom I[C] Steuerkennlinie npn-Transistor 50 40 30 20 10 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Basisstrom I[B] Wie das Diagramm sehr schön zeigt, hängen Basisstrom und Kollektorstrom linear zusammen. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 18 Schulversuchspraktikum 2000 3.8. Steuerkennlinie eines pnp–Transistors 3 3..8 8.. S Stte eu ue errk ke en nn nlliin niie ee eiin ne es sp pn np p––T Trra as sn ns siis stto orrs s ((E EL L3 3..3 3..7 7..)) Versuchsaufbau: Die in der Skizze abgebildete Schaltung wird mit dem NTL–Bausteinen auf der Stecktafel gesteckt, als Spannungsquelle kann zum Beispiel ein Netzgerät verwendet werden. Versuchsdurchführung: Genau wie oben. Versuchsergebnis: Basisstrom IB in mA 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 7 14 20 28 35 41 56 Kollektorstrom IC in mA Kollektorstrom I[C] Steuerkennlinie pnp-Transistor 60 50 40 30 20 10 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Basisstrom I[B] erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 19 Schulversuchspraktikum 2000 4. Abschließende Bemerkungen 4. ABSCHLIESSENDE BEMERKUNGEN Die durchgeführten Versuche verstehen sich keinesfalls als vollständige Anleitung zum Thema „Transistor“. Hauptziel war es, einen Überblick über die Eigenschaften eines Transistors zu geben und die für alle Schultypen geeigneten Versuche genauer zu behandeln. Da der NTL–Elektronik Baukasten noch eine Vielzahl anderer, teils sehr interessanter Versuche bereit hält, lohnt es sich für jeden in einfacher Elektronik interessierten Lehrer, zumindest die Versuchsanleitungen einmal etwas genauer zu studieren. Mit interessierten Schülern können dann ja zum Beispiel in einer Wahlpflichtgruppe und in „physikalischen Übungen“ oder im „Labor–Gymnasium“ ausgewählte Versuche tatsächlich durchgeführt werden. Zu den Versuchen selbst sei erwähnt, dass, sofern sich die NTL–Bausteine in einwandfreiem Zustand befinden, sie in ihrer Durchführung sehr rasch und einfach sind. Einziges Problem ist zumeist der richtige Aufbau der Schaltung, was sich aber in der Vorbereitungszeit ohne weiters leicht überprüfen lässt. Sind die NTL–Bausteine allerdings defekt, beginnt eine oft langwierige Fehlersuche, die auch für interessierte Schüler schnell fade wird, vor allem, wenn es zu viele fehlerhafte Bausteine gibt. Sollen Schülerversuche durchgeführt werden, ist es daher unbedingt ratsam, zumindest die kritischen, störanfälligen Bauteile zu überprüfen, bevor sie an die Schüler ausgeteilt werden. erstellt am 05.01.01 08:53 Seite 20
