Übung Nr. A3
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Fakultät für Physik 21. November 2016 Prof. Dr. M. Weber, Dr. K. Rabbertz B. An, B. Oldenburg, T. Schuh, B. Siebenborn Übung Nr. A3 Inhaltsverzeichnis 3.1 Kenngröÿen von Transistoren und Eintransistorschaltungen (*, 2+n P) . . . . . . . . . . . 1 3.2 RC-Oszillator (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.3 Multivibratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.4 Emitterfolger und Darlington-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.1 Kenngröÿen von Transistoren und Eintransistorschaltungen (*, 2+n P) Wie in der Vorlesungsvorbesprechung angekündigt muÿ dieser Versuch als Voraussetzung für den Erhalt des Scheins durchgeführt und bis Weihnachten eine schriftliche Ausarbeitung dazu angefertigt werden. Das Protokoll muÿ die im ersten Teilversuch ermittelten Transistorkenngröÿen umfassen. Im zweiten Teil wählen Sie bitte entweder die Basisschaltung oder den strom- oder spannungsgegengekoppelten Verstärker. Legen Sie den gewünschten Arbeitspunkt fest und bereiten Sie selbst eine sinnvolle Dimensionierung dazu vor. Die Auswertung soll einen Vergleich zwischen den Meÿergebnissen zu Ihrer Schaltung und einer Simulation dazu enthalten. Interpretieren Sie Ihre Resultate und erklären Sie die benutzten Formeln. Für jeweils zwei zusätzlich zur Pichtschaltung aufgebaute Eintransistorschaltungen erhalten Sie einen weiteren Punkt. Teil 1: Transistorkennlinien und -kenngröÿen Die Schaltung nach Abb. 1 stellt einen einfachen Schreiber für Ausgangskennlinien eines npn-Transistors dar. Die positiven Halbwellen einer Wechselspannungsquelle (Funktionsgenerator mit f = 50 Hz und 1:214 V Netz- Trafo) dienen als periodisch steigende und fallende Kollektor-Emitter-Spannung. Der mit dem trafo betriebene 100 Hz-Schalter schaltet während dieser Halbwellen zwischen zwei verschiedenen Basiss- trömen hin und her. Mit Hilfe des angebrachten Potentiometers kann der Strom durch die Relaisspule und damit der Schaltzeitpunkt passend eingestellt werden. Damit lassen sich zwei Ausgangskennlinien am Oszilloskop darstellen. Die Basisströme können aus der Gleichspannung und den der Basis vorgeschalteten Widerständen berechnet werden. Messen Sie diese auÿerdem mittels Spannungsabgri am 100 kΩ Widerstand und ver- gleichen Sie sie mit Ihrer Berechnung. Hinweis: Achten Sie bitte darauf, nicht gleichzeitig die Erdpotentiale der Oszilloskope für die ux bzw. uy Messung angeschlossen zu haben. Der Kollektorstrom entspricht ungefähr dem Emitterstrom, der sich aus dem Spannungsabfall am 100 Ω-Emitter-Widerstand ergibt und kann aus der oszilloskopischen Darstellung abgelesen werden. Lassen Sie sich ein Ausgangskennlinienpaar anzeigen und bestimmen Sie daraus: 1 IC IB für beide verwendeten Basisströme. • Die Stromverstärkung • Den dynamischen Kollektor-Emitter-Widerstand • Den dynamischen Basis-Emitterwiderstand mit der Näherung nach Gl. 1 - 3 berechnet . β= Für einen Emissionskoezienten von N = 1 rC aus der inversen Steigung im Arbeitsbereich 1 Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 100k 2 100k T ux S 12V 12V 50Hz uy 100Ω Abbildung 1: Ausgangskennlinienschreiber für einen npn-Transistor IB = IS · e rB = UT = 1 dUBE dIB UBE UT = −1 1 IS UT ·e U UT (1) ≈ UT IB (2) kT ≈ 25mV e Teil 2: Kenngröÿen von Eintransistorschaltungen (3) Einige der Schaltungen nach Abb. 2 bis 6 werden aufgebaut und ihre Funktion untersucht. Als Kleinsignalquelle wird der Funktionsgenerator z.B. im Sinusbetrieb mit stromanteil muÿ für alle Schaltungen durch einen groÿen Kondensator (z.B. 1 kHz benutzt. Der Gleich10 µF) entkoppelt werden (siehe Gl. 5). Überprüfen Sie folgende Kenngröÿen und vergleichen sie mit den nach den Näherungsformeln in Tabelle 1 berechnete Werten: • Die maximale Ausgangsspannung Ua,SS : Überprüfen Sie durch langsame Erhöhung der Eingang- samplitude am Frequenzgenerator, ab welcher Ausgangsspannung das Signal abgeacht (verzerrt) wird. Bei sehr gut dimensionierter Schaltung sollte die Amplitude knapp die halbe Versorgungsspannung betragen. • Vu : Durch gleichzeitiges Messen von Eingangs- und Ausgangsimpulshöhe Ua bestimmt. Dabei sollte man mindestens eine Gröÿenordnung von der maximalen Ue Amplitude entfernt bleiben. Die Spannungsverstärkung wird • Vu = Die Ausgangsimpedanz Za : Wird an den Ausgang ein Lastwiderstand RL angeschlossen, sinkt das Ausgangssignal nach Gl. 4 ab. Zur Vermeidung von Arbeitspunktverschiebungen muÿ der Lastwiderstand über einen Kondensator angeschlossen werden, dessen Wert anhand von Gl. 6 abgeschätzt wird. Der Wert von RL ist so zu wählen, daÿ sich deutlich meÿbare Eekte ergeben. U = Ce = Ca = RL U0 Z a + RL T mit ≈ 0.01 Ze T mit ≈ 0.01 (Za + RL ) (4) (5) (6) Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik Name Prinzipschaltbild 3 Vu Vi Ze Za 1 β βRE rB β RC RE 1 RE RC C − RβR B +rB β RB + rB RC C −R RE β βRE RC 2 −R R1 R2 RC R1 U ue ua Kollektorgrundschaltung RE U RC RE Basisgrundschaltung ue ua U RC ua RB Emittergrundschaltung ue U RC Stromgegengekoppelter ua ue Verstärker RE U RC Spannungsgegengekoppelter Verstärker R2 R1 ue ua R2 β 1+ rB R1 ||R2 Tabelle 1: Übersicht über die Kenngröÿen von Eintransistorschaltungen: Spannungs- und Stromverstärkung Vu , Vi , Eingangs- und Ausgangsimpedanz Ze , Za Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 4 12V 18k i Ue ia B r B ue Ua + βi r B ua RE C Ug 22k 1k − Abbildung 2: Kollektorgrundschaltung (Emitterfolger): a) Spannungsäquivalent und b) Dimensionierungsbeispiel βi B +12V U ie r R C E RC R Ua Ue E Ua Ue RC RE ia ue i r ua RC B B R1 −12V Abbildung 3: Basisgrundschaltung: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für das Kleinsignalverhalten und c) Dimensionierungsskizze 12V 10k U B Ue i Ua ia B βi R Ue Ua 10k RC R 470 ue B r B 10k B r C RC 1k 100n ua Abbildung 4: Emittergrundschaltung: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für das Kleinsignalverhalten und c) Dimensionierungsbeispiel Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 5 12V U R1 RC Ua βi Ua B Ue Ue i r B ia C R RC R2 E RE r B ue ua RC R E Abbildung 5: Stromgegengekoppelter Verstärker: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für das Kleinsignalverhalten und c) Dimensionierungsskizze 12V RC R2 U Ua R1 RC ie 2 R Ua 2 R1 ue R1 R3 + Ue Ue ia R r βi iB B r B ua R C C − R ’ C Abbildung 6: Spannungsgegengekoppelter Verstärker: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für das Kleinsignalverhalten und c) Dimensionierungsskizze Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 6 Hinweis zur Dimensionierung der Transistorgrundschaltungen Generell geht man bei der Wahl von Widerständen und Kondensatoren einer Schaltung Schritt für Schritt vor: • Zunächst wählt man einen sinnvollen Arbeitspunkt für den Transistor, also einen beliebigen Punkt (UCE , IC ) im Ausgangskennliniendiagramm, an dem sich der Transistor ohne Eingangssignal be- nden soll. Die Spannung UCE sollte etwa bei der halben Versorgungsspannung liegen, so hat der Transistor Luft zum arbeiten. Er kann sowohl auf positive als auch auf negative Eingangsimpulse reagieren. Der Strom IC sollte nicht zu klein sein, damit das Ausgangssignal nicht schon bei ge- ringer Belastung zusammenbricht, ist aber auch nach oben durch die maximale Verlustleistung des Transistors • P = UCE · IC < 0.8 W Durch die Wahl von IC und UCE begrenzt. sind je nach Schaltung bereits Widerständen die verbleibende Spannung • U − UCE beim Strom Durch die Wahl des gewünschten Verstärkungsfaktors Vu RE oder RC festgelegt, IC abfallen muÿ. da an den wird jetzt ein weiterer Widerstand durch die entsprechende Gleichung in Tabelle 1 festgelegt. • Die Basis-Emitterspannung muÿ bei UBE ≈ 0.6 V liegen, damit der Transistor im Arbeitsbereich ist. Dadurch ist der Spannungsteiler festgelegt, der teilweise die Basisspannung einstellt. • Für die Kondensatoren kann nur eine Abschätzung nach unten gemacht werden: Ihre Impedanz 1 jωC muÿ bei der gewählten Frequenz immer deutlich kleiner sein als alle benachbarten Widerstände um zu verhindern, daÿ es zu Signalabschwächungen kommt. XC = Diese Stichpunktliste soll keine genaue Anleitung zur Dimensionierung einer der fünf Schaltungen sein, sondern Ihnen eine Idee geben, wie man bei der Dimensionierung vorzugehen hat. Ist der berechnete Widerstandswert nicht vorhanden, sollte einfach ein benachbarter Wert verwendet werden. Abweichungen von 20% sind dabei kein Problem. Überprüfen Sie am besten bevor Sie ein Signal an Ihre Schaltung anschlieÿen mit einem Multimeter, ob sich der von Ihnen gewählte Arbeitspunkt eingestellt hat. Hinweis zur Simulation des 2N2219 In Multisim fehlt der Transistor 2N2219. Er kann folgender- maÿen (Dialog wie etwa bei Multisim 7 deutsch) eigenhändig hinzugefügt werden: • Extras→Component Wizard - Bauelementenname: 2N2219 - Nur Simulation auswählen →Weiter • - Anzahl der Anschluÿstifte: 3 →Weiter • - Aus Datenbank kopieren - Gruppe: Transistors - Bauelement: BJT_NPN_VIRTUAL →OK →Weiter • - Aus Datei laden - 2N2219.cir Datei wählen →Önen →Weiter • Logische Anschluÿstifte →2 C → 1 E → 3 →Weiter B → Modellknotenpunkte Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 7 u1 UV R4 C R R R2 C’ C R1 u2 u a ~sin(ω0t) R3 C1 Abbildung 7: RC-Oszillatorschaltung • - Gruppe Transistors → Familie hinzufügen - Familienname eingeben: 2N2219 → OK →Beenden Jetzt steht der Transistor in der Benutzer-Datenbank (nicht Hauptbibliothek!) zur Verfügung. Falls Sie LTspice benutzen, tun Sie bitte folgendes: • F2→npn einfügen • Rechtsklick auf das Symbol Qx und wählen von Pick New Transistor • Wahl von 2N2219A und Klick auf OK 3.2 RC-Oszillator (S) UV = 12 V und der folR = 1 kΩ, R1 = 4.7 kΩ, R2 = 15 kΩ, R3 = 470 Ω, R4 = 1 kΩC1 = 10 µF. Der rechte Kondensator C' muÿ kleiner sein (1 nF), damit Der Phasenschieberoszillator gemäÿ Abb. 7 ist mit einer Versorgungsspannung genden Dimensionierung aufzubauen: C = 3.3 nF und rB ||R1 ||R2 etwa die gleiche Potentiometer, er mit Teil 1: Zeitkonstante bildet wie RC. Bringen Sie die Schaltung zur Selbsterregung indem Sie den Abgri am Kollektorwiderstand so einstellen , daÿ bei einer bestimmten Erregerfrequenz die Schleifenverstärkung 1 erreicht wird. Welchen Wert hat die Erregerfrequenz fe ? Teil 2: Verändern Sie die Frequenz bei der angegebenen Schaltung durch Wahl anderer Kapazitäten. Teil 3: Verfolgen sie die schrittweise Phasenverschiebung und Abschwächung des Signals an den Wi- derständen der Kette. 3.3 Multivibratoren Der Multivibrator nach Abb. 8 wird mit 330 nF in Betrieb genommen. UV = 12 V, R1 = 470 Ω, R2 = R3 = 10 kΩ und C1 = C2 = Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 8 UV R1 R2 R3 R1 C1 Ua C2 T1 T2 Abbildung 8: Multivibratorschaltung Teil 1: Vergleichen sie die Impulsdauern Teil 2: Durch Verändern von τ R2 , R3 , C1 mit Gl. 7. und C2 kann die Frequenz des Multivibrators erhöht wer- den. Bei welcher Frequenz ist die Verzerrung des Ausgangssignals so groÿ, daÿ die volle Amplitude des Rechtecksignals nicht mehr erreicht wird? τ1 ≈ R2 C1 ln 2; Teil 3: und beobachteten Spannungen am und Teil 4: (7) UV = 12 V, R1 = 10 kΩ, R2 = 15 kΩ, C = 330 nF aufzubauen. Die Beziehungen 8 bis 12 werden anhand der Ausgang, ua , und an Emitter bzw. Basis der beiden Transistoren, uE1 , Der nichtsättigende Multivibrator gemäÿ Abb. 9 ist mit R3 = 1.5 kΩ, R4 = 1 kΩ uE2 τ2 ≈ R3 C2 ln 2 uB2 , überprüft. Durch Verkleinern von C wird die Frequenz erhöht. Bei welcher Frequenz wird hier die Ver- zerrung der Ausgangsimpulse so groÿ, daÿ die volle Amplitude des Rechtecksignals nicht mehr erreicht wird? I uB2 ua duE1 dt duE2 dt 3.4 UV 3UV UV + = R1 2R2 R1 || 23 R2 R4 R4 = UV = I 2 2 R1 || 32 R2 = = IR3 UV = − R1 C 3UV = − 2R2 C (8) (9) (10) (11) (12) Emitterfolger und Darlington-Schaltungen Die Eingangsimpedanz Ze von Impedanzwandlern ist im Versuchsaufbau meist durch einen eingangs- seitigen Spannungsteiler stark erniedrigt. Die Eingangsimpedanz der Prinzipschaltung läÿt sich messen, Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 9 UV R4 R3 ua T2 R4 T1 C R1 R2 −UV Abbildung 9: Multivibrator (nichtsättigend) indem man den Wandler direkt an einen Kondensator C anschlieÿt, der auf eine Gleichspannung aufgeladen wird und sich über Ze Die Abklingzeitkonstante entlädt. Am Ausgang des Impedanzwandlers wird der Signalabfall beobachtet. τ = CZe ergibt einen Mittelwert für bereich. Zur Messung der Ausgangsimpedanz Za Ze über den durchlaufenen Arbeitspunkt- wird der Eingang des Impedanzwandlers niederohmig 6 V). RE = 3.3 kΩ und Ri = 0 Ω) für auf konstantem Potential gehalten (z.B. direkt an die Spannungsversorgung mit Zu ermitteln sind Ze und Za nach der vorgeschlagenen Methode (mit Teil 1: Emitterfolger (siehe Tabelle 1), Teil 2: Darlington- und Teil 3: Komplementär-Darlington-Schaltung (Abb. 10). Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 10 RE UV T1 Z=50Ω ue T2 ue ua T1 Z=50Ω T2 ua RE −UV Abbildung 10: a) Darlington-Schaltung, b) Komplementär-Darlington-Schaltung
