Versuch 2 – aktive Bauelemente (1)

PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009
VERSUCH 2
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Versuch 2 – aktive Bauelemente (1)
1. Das statische Verhalten des Bipolartransistors
Das Aufnehmen vollständiger Kennlinien wäre viel zu zeitaufwendig. Wir beschränken uns deshalb auf
eine gleichsam stichprobenhafte Betrachtung verschiedener Arbeitspunkte (Abb. 1.1). Anschließend
werden anwendungspraktisch wichtige Grundschaltungen im statischen Betrieb untersucht (Abb. 1.2 bis
1.6).
Abb. 1.1 Grundsatzuntersuchungen am Bipolartransistor (Grundschaltung zur Kennlinienaufnahme)
Versuchsdurchführung:
1.
2.
3.
Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen!
Kollektorspannung UCE anfänglich auf 5 V.
Basisspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!
Zu untersuchen:
a)
Was passiert bei UBE = 200 mV?
b)
Wann fängt ein nennenswerter Basisstrom IB zu fließen an (z. B. 10 µA)?
c)
Welcher Kollektorstrom fließt bei einem Basisstrom von 10 µA?
d)
Welcher Kollektorstrom fließt bei einem Basisstrom von 30 µA? Wie hoch ist dabei UBE?
e)
Was geschieht, wenn man die Basisspannung UBE weiter erhöht? Bei Kollektorstrom IC > 30 mA
Versuch abbrechen (Basispannung auf Null).
f)
Basisspannung auf linken Anschlag zurück. Kollektorspannung UCE auf 10 V. Versuchsschritte a)
bis d) wiederholen. Versuch abbrechen (alles aus), wenn Transistor beginnt, merklich warm zu
werden.
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Abb. 1.2 Der Bipolartransistor in Emitterschaltung
Versuchsdurchführung:
1.
2.
3.
Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen!
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!
Zu untersuchen:
a)
Ab wann (Basisspannung UBE, Basisstrom IB) bewegt sich die Ausgangsspannung UA?
b)
Wann sinkt die Ausgangsspannung auf 0,5 V?
c)
Wann sinkt die Ausgangsspannung auf 0,1 V?
d)
Was geschieht, wenn man die Steuerspannung weiter erhöht? Bei Basisspannung UBE > 0,8 V
Versuch abbrechen (Steuerspannung auf Null).
e)
Steuerspannung auf linken Anschlag zurück. Kollektorspannung UCE auf 20 V. Versuchsschritte a)
bis d) wiederholen. Versuch abbrechen (alles aus), wenn Transistor beginnt, merklich warm zu
werden.
Abb. 1.3 Der Bipolartransistor in Kollektorschaltung
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Versuchsdurchführung:
1.
2.
3.
Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen!
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!
Zu untersuchen:
a)
Ab wann (Steuerspannung US, Basisstrom IB) bewegt sich die Ausgangsspannung?
b)
Wie hoch ist die Ausgangsspannung UA, wenn Steuerspannung US = Betriebsspannung UB? Um den
in Rede stehenden Grenzfall genau darzustellen, Steuerspannungszuführung ans Labornetzgerät 2
(Betriebsspannung) anschließen. Welcher Basisstrom fließt in diesem Betriebsfall?
c)
Welche Steuerspannung ist erforderlich, damit die Ausgangsspannung der Betriebsspannung
entspricht? (Steuerspannung wieder vom Labornetzgerät 1.)
Abb. 1.4 Spannungsstabilisierung
Versuchsdurchführung:
1.
2.
3.
Zunächst Widerstand 2k2 bestücken.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Steuerspannung so, daß sich eine Ausgangsspannung von 5 V ergibt.
Zu untersuchen:
a)
b)
Betriebsspannung verändern (zwischen5 und 15 V). Wie ändert sich die Ausgangsspannung?
Betriebsspannung wieder auf 10 V. Widerstand verändern (Widerstandsdekade oder steckbare
Widerstände). Durchprobieren: 1k, 500R, 100R. Wie ändert sich die Ausgangsspannung? Dann (bei
jedem Widerstandswert) Betriessapnnung gemäß Punkt a) ändern.
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Abb. 1.5 Konstantstromquelle mit npn-Transistor. Last an Betriebsspannung
Abb. 1.6 Konstantstromquelle (Prinzip)
UA = US – UBE(on)
IL =
UA US − UBE(on)
=
RA
RA
Die Last, durch die ein konstanter Strom fließen soll, wird zunächst durch eine Widerstandsdekade oder
steckbare Widerstände nachgebildet und anschließend durch eine LED dargestellt.
Versuchsdurchführung:
1.
2.
3.
3.
Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen!
Lastwiderstand RL) zunächst auf 0 Ω (Überbrücken oder Widerstandsdekade auf Null).
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!
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Zu untersuchen:
a)
Wie hängt der Laststrom von der Steuerspannung US ab? Hinweis: Der Laststrom wird indirekt
gemessen, und zwar anhand der über dem Arbeitswiderstand RA abfallenden Spannung UA.
b)
Welche Steuerspannung US ist nötig, um einen Laststrom von 10 mA fließen zu lassen?
c)
Lastwiderstand RL erhöhen (mit 100R beginnen). Bis zu welchem Wert ist eine hinreichende
Konstanz des Laststroms gewährleistet? Welche Kollektorspannung UC ergibt sich dabei?
d)
Lastwiderstand RL durch LED ersetzen. Verschiedene Typen (IR, farbig, weiß) ausprobieren.
2. Der Bipolartransistor als Schalter
Wir untersuchen zunächst die Schaltzeiten (Einschaltverzögerung, Ausschaltverzögerung) der
anwendungspraktisch wichtigsten Grundschaltungen (Abb. 2.1 und 2.2). Anschließend wird eine
Transistorschaltstufe dimensioniert (Abb. 2.3).
Abb. 2.7 Kollektorschaltung im Schaltbetrieb
Versuchsdurchführung:
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich + 5 V, Low-Pegel
= 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Wie sehen die Signalverläufe aus? Erklärung?
b)
Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen.
c)
Betriebsspannung hochdrehen (bis 20 V). Was ändert sich (Ausgangsspannung, Schaltzeiten)?
d)
Betriebsspannung auf 10 V zurück. Impulsamplitude ebenfalls auf 10 V (gleich bzw. knapp unter
Betriebsspannung. Was ändert sich (Ausgangsspannung, Schaltzeiten)?
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e)
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Was geschieht (Ausgangsspannung, Schaltzeiten), wenn die Impulsamplitude über die
Betriebsspannung hinaus erhöht wird (auf ca. 12 V)? Erklärung?
Abb. 2.8 Emitterschaltung im Schaltbetrieb
Versuchsdurchführung:
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich 0,5 V, Low-Pegel
= 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Wie sehen die Signalverläufe aus? Erklärung?
b)
Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen.
c)
Impulsamplitude auf 0,6 V. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen.
d)
Impulsamplitude auf 1,0 V. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen.
e)
Überlegen: Wie hängen Ein- und Ausschaltzeiten von der Impulsamplitude ab?Was geschieht
(Ausgangsspannung, Schaltzeiten).
f)
Arbeitswiderstand im Kollektorkreis gegen 510R auswechseln. Wie sehen die Signalverläufe jetzt
aus? Erklärung?
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Abb. 2.9 Transistorschaltstufe in Emitterschaltung
Versuchsdurchführung:
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V. Zunächst keine negative Hilfsspannung.
Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich 5 V, Low-Pegel =
0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Betrieb ohne Speedup-Kondensator mit 5 V Impulsamplitude. Einschalt- und Ausschaltverzögerung
messen.
b)
Impulsamplitude auf 8 V erhöhen. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen.
c)
Speedup-Kondensator einsetzen. Was ändert sich?
d)
Zurück auf 5 V Impulsamplitude. Einschalt- und Ausschaltverzögerung bei eingesetztem SpeedupKondensator messen.
e)
Speedup-Kondensator raus. Impulsamplitude verringern. Bis zu welcher Amplitude funktioniert es
noch? Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen.
f)
Speedup-Kondensator wieder rein. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. Impulsamplitude
weiter verringern. Bis zu welcher Amplitude funktioniert es jetzt noch?
g)
Negative Hilfsspannung anlegen. Zunächst 0 V (linker Anschlag). Betriebsspannung UB auf 10 V,
Impulsamplitude 2,5 V. Negative Hilfsspannung vorsichtig erhöhen. Welche der beiden
Verzögerungszeiten sollte hierdurch beeinflußt werden? Von welchem Betrag der Hilfsspannung an
it eine merkliche Änderung zu beobachten? Bei Hilfsspannung = -3 V Versuch abbrechen
(Hilfsspannung auf Null).
h)
Negative Hilfsspannung zunächst wieder auf Null. Impulsamplitude 8 V. Mit diesen Anfangswerten
Schritt g) wiederholen.
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3. Impulsschaltungen mit Transistoren
Es werden sechs typische Impulschaltungen (Tabelle 3.1) untersucht: eine Begrenzer- bzw.
Impulsformerstufe (Abb. 3.1), der Schmitt-Trigger (Abb. 3.2), der Miller-Integrator (Abb. 3.3) sowie
astabile, monostabile und bistabile Multivibratoren (Abb. 3.4 bis 3.6).
Schaltung
Begrenzer/Impulsformer
Schmitt-Trigger
Miller-Integrator
Funktion
Schaltung
Funktion
Erzeugung exakter
Rechteckimpulse aus
beliebigen eingansseitigen
Signalverläufen
astabiler
Multivibrator
Erzeugung von
Rechteckschwingungen
monostabiler
Multivibrator
(Univibrator,
Monoflop)
Erzeugung von Einzelimpulsen
bestimmter Dauer
Erzeugung fon
Sägezahnimpulsen,
Flankenverschleifung
bistabiler
Multivibrator
(Flipflop)
Signalspeicherung (RS-Flipflop),
Frequenzteilung (T- Flipflop)
Tabelle 3.1 Typische Impulsschaltungen
Abb. 3.10 Begrenzerstufe (Impulsformer) mit Bipolartransistor
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Abb. 3.11 Schmitt-Trigger
Versuchsdurchführung (beide Schaltungen):
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Signalgenerator = Funktionsgenerator, Sinus- und Dreiecksignale mit symmetrischer Polarität (kein
Offset), Amplitude anfänglich 0 V (linker Anschlag). Frequenz um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Kontrolle der Funktionsweise. Signalamplitude langsam erhöhen. Von welchem Betrag an
erscheinen Impulse am Ausgang?
b)
Bis zu welcher Signalfrequenz ist die jeweilige Schaltung betriebsfähig?
Abb. 3.12 Miller-Integrator
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Versuchsdurchführung:
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale (asymmetrisch), Amplitude 5 V, LowPegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz anfänglich um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Kontrolle der Funktionsweise. Wie sieht das Ausgangssignal aus? Signalfrequenz erhöhen und
verschiedene Tastverhältnisse durchprobieren.
b)
Mit weiteren Kondensatoren probieren (z. B. 47 nF).
Abb. 3.13 Astabiler Multivibrator. Die Schaltung soll Rechteckimpulse abgeben
Zu untersuchen:
a)
Kontrolle der Funktionsweise. Wie sieht das Ausgangssignal aus? Signalfrequenz?
b)
Mit weiteren Kondensatoren und Widerständen probieren (z. B. Elkos 100 µF).
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Abb. 3.14 Monostabiler Multivibrator
Versuchsdurchführung:
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale (asymmetrisch), Amplitude 5 V, LowPegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz anfänglich um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Kontrolle der Funktionsweise. Wie sieht das Ausgangssignal aus? Signalfrequenz erhöhen und
verschiedene Tastverhältnisse durchprobieren. Wann (bezogen auf die Breite der Eingangsimpulse)
funktioniert die Schaltung nicht mehr?
b)
Mit weiteren Kondensatoren probieren (z. B. 47 nF).
Abb. 3.15 Bistabiler Multivibrator
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Versuchsdurchführung:
1.
2.
Betriebsspannung UB auf 10 V.
Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale (asymmetrisch), Amplitude 5 V, LowPegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz anfänglich um 5 kHz.
Zu untersuchen:
a)
Speedup-Kondensatoren zunächst weglassen. Koppelkondensatoren nicht zusammengeschaltet.
Kontrolle der Funktion als RS-Flipflop. Schaltung muß bleibend umschalten, wenn dem jeweils
gesperrten Transistor ein Impuls zugeführt wird.
b)
Koppelkondensatoren zusammenschalten. Kontrolle der Funktion als Frequenzteiler (T-Flipflop).
Funktioniert es so? (Wenn nicht: woran könnte es liegen?)
c)
Speeedup-Kondensatoren einbauen. Funktioniert es jetzt? Ausprobieren, in welchen Bereichen der
Impulsfrequenzen und Impulsbreiten die Schaltung korrekt arbeitet.