Grundlagenpraktikum 2.Teil Versuch : Transistorschaltungen

Grundlagenpraktikum 2.Teil
Versuch :
Transistorschaltungen
Fassung vom 14.07.2005
A:
Vorbereitung
Siehe hierzu auch die Laborordnung. (s. Anhang)
Informieren Sie sich ausführlich über
o Wirkungsweise des Bipolar- Transistors
(z.B. Skript. “Elektronik 1“ oder entsprechende Literatur).
o Kollektorschaltung: Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand, Übertragungsverhalten.
(Wie können diese Größen gemessen werden?).
o Emitterschaltung: Arbeitspunkt- Einstellung, Spannungsverstärkung mit / ohne
Gegenkopplung, Kleinsignal- Verhalten.
o Transistor- Daten des BC 107B (s. Anhang).
o Verwenden Sie einige Sorgfalt auf die Formulierung von erläuterndem Text.
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B:
Versuch:
Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Transistorschaltungen
Benötigte und verfügbare Geräte:
1 2- Kanal- Oszilloskop (+ Drucker), 2 Tastköpfe
1 Frequenzgenerator ( Sinus, Dreieck, Rechteck )
1 2- fach Netzteil
2 Multimeter
1 Steckbrett, div. Kabel, Bauteile (Transistor BC 107B, Widerstände)
Prüfen Sie zunächst die bereitgestellte Ausrüstung auf Vollständigkeit
(evtl. an Betreuer wenden)
1.
Die Kollektorschaltung (Emitterfolger)
1.1
Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 1 auf:
+Ucc = 15V
BC 107
270Ω
RB
U e (t)
RE
3,3K
U a (t)
UEE
Abb. 1
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1.2
Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Legen Sie eine sinusförmige Spannung
Ue (t) = Ûe sin 2πf t an den Eingang der
Schaltung. (Vorher Generator wie folgt einstellen: Ûe = 5V, f ≈1kHz, DC- Offset = 0)
1.3
Stellen Sie Eingangssignal Ue (t) und Ausgangssignal Ua (t) am Bildschirm dar
(Beide Null- Volt- Pegel auf gleiche Höhe stellen!)
Bildschirm- Plot
1.3.1
Erklären Sie den Verlauf des Ausgangssignals.
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1.4
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Erhöhen Sie die Amplitude der Eingangsspannung Ue (t) auf Ûe = 13V
Bildschirm- Plot
1.4.1
Erklären Sie das Zustandekommen der negativen “ Beulen “.
1.4.2
Welcher negative Strom fließt maximal durch RE ?
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1.5
Legen Sie den Massepunkt (s.Abb.1 : Pfeil UEE →) an -15V.
Erklären Sie die Verbesserung.
1.6
Eingangs- /Ausgangswiderstand des Emitterfolgers (Kollektor- Schaltung)
1.61
Bauen Sie die Meßschaltung nach Abb. 2 auf:
UCC +15V
1
2
BC 107
15KΩ
3
RB
10μF
-
+
U e (t)
RE
re
RL
3,3K
1K
ra
UEE
- 15V
Abb. 2
Generatoreinstellungen:
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Ûe = 0,5V, f = 1kHz, DC- Offset = 0
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1.6.2
Bestimmen Sie die statische Stromverstärkung B des Transistors (DC- Messung)
1.6.3
Messen Sie die dynamische Stromverstärkung ß des Transistors.
1.6.4
Bestimmen Sie den Eingangswiderstand re der Schaltung (s. Abb. 2). Der Lastwiderstand RL
ist dabei nicht anzuschließen.
Hinweis: Messung der Spannungsverläufe an den Punkten c und d
Bildschirm- Plot
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Forts. 1.6.4:
1.6.5
Ist das Ergebnis sinnvoll?
Was wäre theoretisch für re zu erwarten, wenn für ß der Wert aus 1.6.3 genommen wird.
1.6.6
Messen Sie den Ausgangswiderstand ra der Schaltung (s. Abb. 2).
Hinweis: Führen Sie Messungen mit und ohne Last RL durch (Meßpunkt e )
1.6.6.1 Weshalb koppelt man kapazitiv aus?
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1.6.6.2 Erläutern Sie die Meßmethode und berechnen Sie anhand der gemessenen Daten den
Ausgangswiderstand ra der Schaltung.
1.6.6.3 Wie lautet der theoretische Ausdruck für ra ? Berechnen Sie hieraus ra unter Verwendug
des unter 1.6.3 gemessenen ß- Wertes.
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2.
Stromquelle mit Transistor
2.1
Bauen Sie folgende Schaltung (Abb. 3) auf:
IC
A
10kΩ
+ 15V
Last R L
1
A
BC 107
390Ω
RB
IB
2
5V
RE
1K
Abb. 3
Die Schaltung soll als Stromquelle arbeiten, also in den Lastwiderstand RL (10kΩ- Poti) in
einem weiten Widerstandsbereich einen möglichst konstanten Strom prägen.
2.1.1
Die Spannungen an den Meßpunkten c und d sollen mit dem Oszilloskop
(DC- Einstellung, auf beiden Kanälen gleiche Verstärkung, Null- Volt- Pegel auf gleiche
Höhe, 10:1 Tastköpfe) gemessen werden.
Wählen Sie zur Messung der Ströme IC und IB jeweils geeignete Meßbereiche.
2.1.2
Nehmen Sie die Schaltung in Betrieb.
Variieren Sie den Wert der Last im möglichen Stellbereich und beobachten Sie Ströme und
Spannungen.
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2.1.3
Beschreiben und erklären Sie Ihre Beobachtungen.
2.1.4
Füllen Sie die vorbereitete Tabelle mit Meßwerten aus. Teilen Sie dabei den verfügbaren
Meßbereich in geeigneter Weise ein.
Tabelle:
1
IC / mA
2
IB / μA
3
B/gerechnet
4
U/c
5
U/d
6
IE=IC + IB
7
IE = U 2
RE
Hinweis:
Messungen bitte zügig durchführen!
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2.1.5
Ermitteln Sie aus den Messwerten nach 2.1.4 den Lastwiderstandsbereich, in dem die
Stromquelle gut funktioniert.
Wie groß ist in diesem Bereich der Innenwiderstand riQ der Stromquelle?
3.
Kleinsignal- Verstärker in Emitterschaltung
3.1
Bauen Sie die folgende Schaltung (Abb.4) auf:
+15V
R2
RC
82K
6,8K
3
0,68μF
U a (t)
BC 107
1
2
UG (t)
R1
10K
RE
10μF
1K
CE
Abb.4
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3.2
Messen Sie die Gleichspannungen an den Meßpunkten d und e, (ohne Generatorsignal
UG (t) ). Welcher Kollektor- Ruhestrom IC fließt? Entspricht die Spannung an MP d der
des unbelasteten Teilers aus R2 und R1? (Erläuterung!)
3.3
Stellen Sie den Generator (Dreieck- Signal) bei f ≈ 10kHz amplitudenmäßig so ein, daß das
Ausgangssignal Ua (t) gerade noch nicht in die Übersteuerung gerät.
Hinweis:
Die Amplitude des Generators muß sehr klein sein (-40dB oder mehr
Dämpfung!)
Oszillografieren Sie die Signale Ue (t) (MP c ) und Ua (t) (MP e ).
Bildschirm- Plot:
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3.3.1
Erklären Sie das Zustandekommen der Nichtlinearität in der Ausgangsspannung Ua (t)
3.4
Ziehen Sie den Kondensator CE (10μF) heraus; erhöhen Sie die Generator- Amplitude, bis
ein Ausgangssignal Ua (t) von einigen Volt Uass entsteht.
Uass
Was beobachten Sie? Wie groß ist die Verstärkung vu =
?
Uess
Entspricht dies Ihren Erwartungen? (Begründung)
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3.5
Setzen Sie den Kondensator CE wieder ein.
Reduzieren Sie die Generatorspannung UG (t) auf den minimal erreichbaren (aber noch gut
meßbaren) Wert.
Uass
Wie groß ist jetzt die Spannungsverstärkung vu =
?
Uess
3.5.1
Berechnen Sie aus Meßdaten die Steilheit gm des Transistors im Arbeitspunkt und ermitteln
Uass
Sie mit Hilfe dieses Wertes die Spannungsverstärkung vu =
?
Uess
Stimmt das Ergebnis mit dem unter 3.5 gemessenen Wert für vu überein?
(Diskutieren Sie evtl. Unterschiede!)
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Anhang / BC 107B
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Laborordnung für A317 und A319
1. Den Anweisungen des Praktikums/Übungsleiters und dessen Beauftragten ist Folge zu leisten.
Der Studierende soll sich an dem ihm zugewiesenen Arbeitsplatz aufhalten.
2. Unbefugter Aufenthalt im Labor ist verboten.
Es müssen immer mindestens zwei Personen im Labor arbeiten der Aufenthalt einer Einzelperson im Labor ist verboten!
Für Unfälle bei unbefugtem Aufenthalt wird keine Haftung übernommen.
3. Verlassen die letzten beiden Personen das Labor, so ist dafür Sorge zu tragen, dass die
Laborspannung abgeschaltet wird und der Raum abgeschlossen wird.
4. Die Durchführung elektrischer Versuche birgt besondere Gefahren. So kann das Berühren
spannungsführender Teile, die unter höherer Spannung als 50V Wechsel- bzw. 120V
Gleichspannung stehen, unter ungünstigen Verhältnissen bereits tödlich sein. Es ist streng
verboten, fremde Aufbauten und Messanordnungen zu berühren, irgendwelche Veränderungen
vorzunehmen oder Messgeräte und Leitungen daraus zu entfernen, sowie Geräte von anderen
(evtl. z. Zt. nicht benutzten) Plätzen zu entnehmen.
Auf das Gefahrenpotential wird nochmals ausdrücklich hingewiesen. Versuchsbedingte
Umbauten dürfen nur im spannungslosen Zustand erfolgen. Für Aufbauten mit Spannungen über
40V sind ausnahmslos Sicherheitslaborleitungen zu verwenden. Alte Laborleitungen dürfen in
diesen Aufbauten nicht mehr verwendet werden, auch nicht für Schaltungsteile, die mit kleinerer
Spannung betrieben werden.
5. Mit den Laboreinrichtungen und Geräten ist sorgfältig umzugehen. Verursachte oder
festgestellte Schäden an Geräten, Einrichtungen oder an Personen sind sofort dem
Aufsichtsführenden zu melden. Für vorsätzlich oder fahrlässig verursachte Schäden haftet der
Benutzer persönlich!
6. Um einen Praktikumsversuch sicher, mit der nötigen Sachkompetenz und im vorgegebenen
Zeitrahmen durchführen zu können und Gefährdungen von Teilnehmern und Laboreinrichtungen
zu vermeiden, wird von jedem Teilnehmer zum jeweiligen Versuchsthema eine sorgfältige
Vorbereitung erwartet.
Die Vorkenntnisse der Teilnehmer können durch studienleitende Maßnahmen (z.B.
Eingangskolloquium, Fragen während des Versuches) überprüft werden.
7. Verstößt ein Laborbenutzer gegen diese Richtlinien, so kann er vom Laborleiter bis zur Dauer
eines Semesters von der weiteren Nutzung des Labors ausgeschlossen werden.
HINWEIS auf notwendiges Verhalten im GEFAHRENFALL:
Bei Unfällen mit elektrischem Strom ist der STROMKREIS SOFORT zu UNTERBRECHEN.
(Not-Aus-Schalter).
Im Übrigen gelten die Bestimmungen für das Verhalten bei Bränden und anderen Gefahren
gemäß der Hausordnung.
Nürnberg, den 01.7.2005
Prof. Dr. Sebald
Transistorschaltungen
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