Praktikumsanleitung A2

Versuch: A2 Transistorschaltungen
Ziel dieses Versuches:

Verstehen, wie Bipolartransistoren in Schaltern und Verstärkern eingesetzt werden

Aufbau eines Brückengleichrichters

Aufbau einer Spannungskonstanthaltung mit Transistor
Inhalte:
Transistor, Transistorschalter, Funktionsgenerator, Pulsweitenmodulation (PWM), TTL-Generator
Vorkenntnisse:
das einfache Transistormodell, der Transistor als Schalter und als Verstärker
Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr. 39 48565 Steinfurt
Tel: 02551/962 -124 / -166 Fax: 02551/962-201 e-mail: [email protected]
A/D-Technik Praktikum
A2 Transistorschaltungen
1 Einleitung
1.1 Einfacher Transistorschalter
Oft werden in Schaltungen größere Leistungen mit Hilfe kleiner Leistungen geschaltet. Dadurch kann
z.B. ein Computer mit einem kleinen Schalter an der Gehäusevorderseite eingeschaltet werden, ohne
dass die 230V-Leitungen bis dahin verlegt werden müssten. In der Elektronik kommt mitunter noch
hinzu, dass die Spannung oder maximale Leistung verschiedener Signale so genormt sind, dass sie
für den Betrieb großer Lasten gar nicht geeignet sind.
Eine kleine Glühlampe, wie sie im Praktikum vorhanden ist, wird zum Beispiel mit 12 Volt betrieben
und erreicht dabei eine Leistung von 3 Watt. TTL-Signale, die Sie im Praktikum am
Funktionsgenerator erhalten und die sonst auch von TTL-ICs geliefert werden, bewegen sich hingegen
zwischen 0 und 5 Volt. Würden Sie die Lampe direkt an den TTL-Baustein anschließen, könnten Sie
die Lampe also niemals mit voller Leistung betreiben. Außerdem hat der TTL-Ausgang des ICs einen
Innenwiderstand von etwa 100 , womit er auch nicht die notwendige Stromstärke liefern könnte.
Zur Ansteuerung der Lampe müssen Sie deswegen dafür sorgen, dass Sie mit einem kleinen
elektrischen Signal eine größere Last schalten können. Das kann mit einem Transistorschalter erreicht
werden, der mit den oben genannten Angaben bereits dimensionert werden könnte.
Abbildung 1: einfacher Transistorsschalter in zwei Varianten
Eine Spannung über den Basiswiderstand R, z.B. die 5 Volt des TTL-High-Pegels, führt abhängig von
dessen Widerstandswert zu einem Stromfluss zwischen Basis und Emitter des Transistors. Das
wiederum ermöglicht einen größeren Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Das Verhältnis
zwischen ICE und IBE ist die Stromverstärkung B, die im Datenblatt des Transistors zu finden ist.
1.2 Leistungssteuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM)
Den Funktionsgenerator kennen Sie bereits aus dem letzten Praktikumsversuch. Dabei wurde die
Pulsweitenmodulation jedoch noch nicht benutzt. Während bei den drei anderen Signalformen Sinus,
Dreieck und Rechteck die Signalform fest vorgegeben ist, kann bei der vierten Signalform das
Tastverhältnis eingestellt werden, das die zeitliche Länge des High-Pegels im Verhältnis zur
Periodenlänge angibt. Ein Tastverhältnis von 1 entspräche also einer Gleichspannung, eines von 0,5
dem bekannten Rechtecksignal. Trotz konstanter Amplitude ändert sich damit der arithmerische
Mittelwert der Spannung, weswegen ein normales Voltmeter bei Tastverhältnissen kleiner 1
entsprechend kleinere Spannungswerte anzeigt (eine korrekte Vermessung des Signals ist nur mit
einem Oszilloskop möglich). Korrekt angewendet kann mit der PWM also eingestellt werden, wie lange
während einer Periodendauer Strom fließen bzw. Leistung umgesetzt werden kann.
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A2 Transistorschaltungen
1.3 Netzteil mit Brückengleichrichter und Spannungskonstanthaltung
Wechselspannung muss für den Betrieb von vielen elektrischen Geräten zunächst in Gleichspannung
umgewandelt werden. Diese sollte zudem auch noch möglichst konstant sein, da Schwankungen zu
Fehlern und unerwartetem Verhalten führen können. Zwei einfache Schaltungen erlauben, dieses Ziel
zu erreichen: Ein Brückengleichrichter kombiniert mit einem Spannungskonstanthalter.
Abbildung 2: Ein Brückengleichrichter mit Siebkondensator
Der Brückengleichrichter sollte prinzipiell bekannt sein und wird in diesem Praktikum aus vier Dioden
des Typs 1N4007 aufgebaut und mit einem Siebkondensator mit C1 = 470 µF zur Glättung der
Ausgangsspannung betrieben. Die Ausgangsspannung wird dann von der folgenden Schaltung
konstant gehalten.
Diese wird als Spannungskonstanthalter bezeichnet. Der Spannungskonstanthalter wird beispielsweise
in Netzgeräten eingesetzt, um bei Schwankungen der Netzspannung und bei Schwankungen des
Gerätestromes eine konstante Versorgungsspannung zu liefern. Die Funktionsweise haben wir in der
Vorlesung behandelt. Uin wird vom Ausgang der Gleichrichterschaltung geliefert und ist um den Faktor
Wurzel 2 größer als die Wechselspannung am Eingang. Der Spannungsfolger ist ein Emitterfolger. Die
Basis liegt auf einem Potential UB, das durch die beiden Zenerdioden vorgegeben ist. An der BasisEmitter-Strecke fallen typisch 0,7 V ab, falls der Transistor leitet. Damit ist das Emitterpotential UE
bestimmt. Aus dem maximal erwarteten Ausgangsstrom und der Stromverstärkung erhält man den
Basisstrom. Daraus kann man berechnen, wie R1 zu dimensionieren ist.
Abbildung 3: Spannungskonstanthalter mit Transistor
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A2 Transistorschaltungen
2 Vorarbeiten
!
Arbeiten Sie die Anleitung durch.
!
Beschreiben Sie mit eigenen Worten, wie ein Transistor prinzipiell arbeitet (die genauen inneren,
physikalischen Vorgänge interessieren weniger). Zeichnen Sie das Schaltzeichen des bipolaren
Transistors mit Beschriftung der Anschlüsse.
!
Überlegen Sie sich, wie die Schaltungen für die ersten beiden Aufgaben im folgenden Kapitel
aussehen und zeichnen Sie die Schaltpläne. Die folgende Tabelle und das Datenblatt im
Anhang können als Orientierungshilfe bei der Dimensionierung dienen.
Wichtige Entwurfsparameter:
Daraus ergeben sich:
Betriebsspannung
Basisstrom
(Verbraucherstromkreis)
Eingangsspannung
Spannungsabfall am
(Steuerstromkreis)
Basiswiderstand
Leistung am Verbraucher
Größe des Basiswiderstandes
Max. Verlustleistung am
Strom durch Verbraucher
Basiswiderstand
!
Wozu dient ein Brückengleichrichter? Zeichnen Sie qualitativ den Spannungsverlauf davor und
dahinter und mit dem Siebkondensator.
!
In der letzten Aufgabe soll ein Netzteil für Ihr Smartphone aufgebaut werden. Wir nehmen an Ihr
Handy benötigt 5V und 500mA. Wie groß muss R1 und Rz aus Abb. 3 sen, wenn der
Spannungskontanthalter nach dem Brückengleichrichter aus der Abb. 2 angeschlossen ist?
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3 Aufgaben
Stellen Sie sich folgendes Szenario vor:
Sie arbeiten in einem Unternehmen der Automobilindustrie. Dort gestalten und prüfen Sie als Ingenieur
Schaltungen für die Fahrzeuge. Auch hier ist ihr Chef ein Freund kurzer Formulierungen.
!
In den Fahrzeugen soll die Glühlampe der Innenbeleuchtung (12 V, 3 W) beim Öffnen der Türe
durch einen Schließerkontakt im Scharnier automatisch eingeschaltet werden. Dazu wurde ein
Transistorschalter mit dem BC140 und 10 kΩ Basiswiderstand erdacht, der die Glühlampe über
ein 5 V-Steuersignal schaltet. Nun gibt es aber das Problem, dass die Glühlampe viel zu
schwach leuchtet, obwohl die Versorgungsspannung stabile 12 V beträgt. Auch die 5 V
Steuerspannung ist einwandfrei.
Ihre Aufgabe ist es, die Schaltung nachzubauen und so anzupassen, dass die Lampe mit voller
Helligkeit leuchtet. Zum Ermitteln der tatsächlichen Leistung stehen ihnen zwei Multimeter zur
Verfügung. Schreiben Sie einen kurzen Report zu der Problemlösung, in dem Sie ihre
Änderungen begründen. Nennen Sie möglichst genau die Bauteile, die Sie in der überarbeiteten
Schaltung benutzen wollen.
!
Ein häufig geäußerter Kundenwunsch ist, dass die Beleuchtung nach dem Schließen der Türe
nicht sofort ausgehen, sondern wenigstens noch ein paar Sekunden an bleiben soll.
Erweitern Sie die bestehende Schaltung so, dass dieser Wunsch erfüllt wird. Protokollieren Sie
ihre Änderungen und nennen Sie wieder möglichst genau die Werte der verwendeten Bauteile.
!
Während einiger Arbeiten in der Elektronikwerkstatt beschwert sich Ihr Smartphone über den
niedrigen Akkuladestand. Da Sie noch einen wichtigen Anruf erwarten, sollte es zügig geladen
werden. Ein Ladegerät hat aber niemand zur Hand, und beim einzig auffindbaren MicroUSB-zuUSB-Kabel wurde der USB-Stecker abgeschnitten.
Bauen Sie daher aus vorhandenen Bauteilen ein provisorisches Ladegerät, das stabile 5V und
maximal 500 mA am Ausgang liefert. Erzeugen Sie also mit dem Brückengleichrichter eine
geglättete Gleichspannung für einen Spannungskonstanthalter. Testen und prüfen Sie die
Schaltung am Ausgang auf Tauglichkeit, um sicherzugehen, dass ihr Smartphone nicht
beschädigt, sondern tatsächlich geladen wird, und protokollieren Sie Ihre Messungen.
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4 Anhang
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