P4.1.6.4 - LD Didactic

LD
Handblätter
Physik
Elektronik
Bauelemente, Grundschaltungen
Transistorschaltungen
P4.1.6.4
Transistor als
Funktionsgenerator
Versuchsziele
g Einen astabilen Multivibrator aufbauen und kennen lernen
g Schaltzeiten durch Verändern der Widerstände und Kondensatoren einstellen
g Rechteckschwingung mit einem Oszilloskop beobachten und Schaltzeiten und Tastverhältnis bestimmen
Grundlagen
Geräte
Funktionsgeneratoren sind Geräte zur Erzeugung elektrischer
Schwingungen unterschiedlichen zeitlichen Verlaufs (Funktionen), insbesondere einer Rechteckschwingung. Die elektronische Grundschaltung ist dabei eine astabile Kippstufe (Multivibrator). Diese besteht im wesentlichen aus zwei Transistoren, die wechselseitig gesperrt bzw. durchgeschaltet werden,
so dass an der jeweiligen Kollektor-Emitter-Strecke eine
Spannung abfällt bzw. keine Spannung abfällt. In der Schaltung ergeben sich so zwei Zustände, die eine Zeit lang stabil
bleiben, bis die Schaltung wieder in den anderen Zustand
springt. Die zeitliche Dauer der Zustände wird durch die verwendeten Widerstände und Kondensatoren bestimmt. So
kann eine symmetrische Rechteckschwingung oder auch
eine asymmetrische Rechteckschwingung mit unterschiedlichen Schaltzeiten erzeugt werden.
1 Rastersteckplatte, DIN A 4 ................................ 576 74
1 Satz 10 Brückenstecker..................................... 501 48
1 Transistor BC 140, NPN, Eu.............................. 578 76
1 Transistor BC 140, NPN, Eo.............................. 578 762
2 STE Widerstand 1,5 kΩ ..................................... 577 46
2 STE Widerstand 15 kΩ ...................................... 577 58
Die Zustände werden in den Experimenten über Lampen
angezeigt. Durch Variation der Widerstände und Kondensatoren wird deren Einfluss auf die Schaltzeiten bzw. der Schwingungsfrequenz beobachtet. Die Schaltzeiten (Einschaltdauern) werden mit Hilfe eines Oszilloskopes bestimmt.
Die Schaltzeiten hängen von den Zeitkonstanten τ der entsprechenden RC-Glieder ab:
τ = R ⋅C
Aufbau
+15 V
L1
R1
R2
L2
(2)
Als relative Einschaltdauer oder Tastverhältnis der Rechteckschwingung am jeweiligen Transistor wird die Größe
TED
(3)
TS
KEM/JN 0407
2 STE Si-Diode 1 N 4007 ..................................... 578 51
2 STE Schraubfassung E 10 ................................ 579 06
2 Glühlampe E10; 15 V, 2 W ................................ 505 19
1 DC-Netzgerät 0 ... ± 15 V .................................. 521 45
1 Zweikanal-Oszilloskop....................................... 575 211
2 Messkabel BNC/4-mm....................................... 575 24
3 Experimentierkabel, 50 cm ................................ 501 28
(1)
Für die Einschaltdauer TED ergibt sich für eine Versorgungsspannung, die groß gegenüber der Durchlassspannung der
Basis-Emitter-Strecke ist, zu
TED = ln2 ⋅ R ⋅ C
1 STE Kondensator 0,22 µF ................................. 578 13
1 STE Kondensator 0,47 µF ................................. 578 33
1 STE Kondensator 220µF ................................... 578 41
1 STE Kondensator 470 µF .................................. 578 40
bezeichnet, wobei sich die Schwingungsdauer TS aus der
Summe der beiden Einschaltdauern ergibt.
C1
T1
C2
T2
0V
Abb. 1: Astabiler Multivibrator
Die beiden Dioden haben eine Schutzfunktion für die
Transistoren, da die an der Basis-Emitter-Strecke
anliegende Spannung größer als die Sperrspannung
sein kann.
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Durchführung
Beobachtungen und Auswertung
a) Aufbau eines astabilen Multivibrators
a) Aufbau eines astabilen Multivibrators
– Aufbau gemäß Abbildung. (Die Emitter der Transistoren
werden mit Hilfe eines Kabels verbunden.)
a1
R1
kΩ
C1
µF
R2
kΩ
C2
µF
15
470
15
220
a1
Die Lampe blinken wechselseitig. Die Einschaltdauer
der Lampe L1 ist größer als die der Lampe L2.
– Netzgerät einschalten und die Betriebsspannung auf 15 V
stellen.
– Lampen L1 und L2 beobachten.
b) Verändern der Widerstände
b) Verändern der Widerstände
– Widerstände gemäß Tabelle austauschen und jeweils
Lampen L1 und L2 beobachten.
R1
kΩ
C1
µF
R2
kΩ
C2
µF
b1
1,5
470
15
220
b2
15
470
1,5
220
b3
1,5
470
1,5
220
b1
Die Lampe L1 blinkt nur kurz auf, d.h. der Widerstand R1
bestimmt die Einschaltdauer, bzw. Schaltzeit des
Transistors T1.
b2
Die Lampe L2 blinkt nur kurz auf, d.h. der Widerstand R2
bestimmt die Einschaltdauer, bzw. Schaltzeit des
Transistors T2.
– Schwingungsdauern jeweils mit der Schwingungsdauer
vergleichen, bei der die Widerstände 15 kΩ eingesetzt waren (a1).
b3
Die Lampe blinken wechselseitig. Bei Verwendung der
kleineren Widerstände ist die Schwingungsdauer
kleiner, d.h. die Blinkfrequenz größer.
c) Verändern der Kondensatoren
c) Verändern der Kondensatoren
– Kondensatoren gemäß Tabelle austauschen und jeweils
Lampen L1 und L2 beobachten.
R1
kΩ
C1
µF
R2
kΩ
C2
µF
c1
15
0,47
15
220
c2
15
470
15
0,22
d) Untersuchung des Spannungsverlaufes
d1
c1
Die Lampe L1 blinkt nur sehr kurz (und schwach) auf,
d.h. der Kondensator C1 bestimmt die Einschaltdauer,
bzw. Schaltzeit des Transistors T1.
c2
Die Lampe L2 blinkt nur sehr kurz (und schwach) auf,
d.h. der Kondensator C2 bestimmt die Einschaltdauer,
bzw. Schaltzeit des Transistors T2.
d) Untersuchung des Spannungsverlaufes
R1
kΩ
C1
µF
R2
kΩ
C2
µF
1,5
0,47
1,5
0,22
d1
Die beiden Lampen leuchten. Die Schwingung kann mit
dem Auge nicht mehr beobachtet werden.
– Lampen L1 und L2 beobachten.
– Mit dem Oszilloskop die Spannungen UCE an den Transistoren T1 und T 2 messen, die Einschaltdauern bestimmen .
– Einschaltdauern gemäß (2) und das Tastverhältnis gemäß
(3) berechnen .
– Mit dem Oszilloskop die Spannungen (UBE und UCE) an
einem Transistoren (z.B. T1) messen.
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UCE an den Transistoren T 1 (oben) und T 2 (unten)
UCE (oben) und UBE (unten) am Transistor T1
(T 1) Y I :
5 V/div
DC
(T 2) Y II :
5 V/div
DC
Zeitablenkung: 0,1 ms /div
(UCE ) Y I :
5 V/div
DC
2 V/div
DC
(UBE ) Y II :
Zeitablenkung: 0,1 ms/div
Einschaltdauern
gemessen
berechnet mit (2)
TED,1
TED,2
ms
ms
ln2 ⋅ R1 ⋅ C1
ms
ln2 ⋅ R2 ⋅ C2
ms
0,46
0,24
0,49
0,23
– Sobald UBE größer als die Durchlass-Spannung der BasisEmitter-Strecke wird ( UBE ≈ 0,8 V ) wird der Transistor leitend, d.h. die Spannung UCE fällt auf 0 V.
– Damit ist die Schwingungsdauer
TS = 0,46 ms + 0,24 ms = 0,70 ms
– Für das Tastverhältnis gilt gemäß (3)
T 1:
T 2:
TED,1
TS
TED,2
TS
=
0,46 ms
≈ 0,66
0,70 ms
=
0,24 ms
≈ 0,34
0,70 ms
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