Übungen zur Physik in der 10. Klasse: "Transistor

Übungen zur Physik in der 10. Klasse: "Transistor - Stromverstärkung"
Einführung in die Halbleiterphysik
Allgemeiner Hinweis: Achte zu deinem eigenen Schutz und dem der Geräte und Bauteile darauf, dass du die Anweisungen
verstanden und genau befolgt hast. Kontrolliere immer erst die Schaltung, bevor du die Stromquelle anschließt. Beachte, dass
Elektrolytkondensatoren und Dioden müssen polrichtig eingebaut werden.
Benötigte Materialen: 1 Transistor BC547, 2 Glühlämpchen(3,8V/0,07A), Potentiometer (10kΩ), 1 LDR, 2 Multimeter,
Widerstände: 47Ω (2 St), 220Ω, 470Ω, 1kΩ, 4,7kΩ, 10kΩ, 47kΩ, 100kΩ, Grundplatte, Verbindungsdrähte, Reißnägel.
Eine Gleichspannung von 9V wird über die Buchsen 1 und 2 der Schalttafel bereitgestellt (Buchse 1/Pluspol,
Buchse 2/Minuspol). Für den Anschluss werden 2 Anschlusskabel und 2 Krokodilklemmen benötigt. Alternativ kann eine 9VBatterie verwendet werden.
Vorbemerkung: Die zwischen Basis und Emitter eines Transistors anliegende Spannung ändert sich ab einer bestimmten
Schwellenspannung nur noch wenig. Allerdings haben dann bereits geringfügige Spannungserhöhungen große Änderung in der
Basisstromstärke zur Folge (vgl. Übungen zu „Transistor – Grundlagen“). Die Höhe der Basisstromstärke wiederum
beeinflusst die Stromstärke im Kollektorstromkreis.
Aufgabe 1:
Baue die abgebildete Schaltung auf (Vorlage „Basisstrom“).
3,8V/0,07A
47ÿ
a) Ersetze RB nacheinander durch Werte von 100kÿ, 47kÿ, 10kΩ, 4,7kÿ, 220ÿ und 47ÿ.
Wie ändert sich die Helligkeit des Lämpchens mit immer kleiner werdenden
Basiswiderständen RB? Wie ändert sich demnach die Stromstärke IC im Kollektorstromkreis in Abhängigkeit von der Stromstärke IB im Basisstromkreis?
b) Füge in Reihe zu RB ein weiteres Glühlämpchen (3,8V/0,07A) in den Basisstromkreis ein.
Vergleiche die Helligkeit beider Lämpchen, wenn RB nacheinander durch Werte von
47kÿ, 10kΩ, 4,7kÿ und 220ÿ ersetzt wird. Welchen Schluss lassen die
Beobachtungsergebnisse über die Stärke der Kollektorstroms verglichen mit dem
Basisstrom zu?
c) Bestimme unter Verwendung der Betriebsdaten des Glühlämpchens den Gesamtwiderstand RC im Kollektorstromkreis. Wie groß kann die Stromstärke im Kollektorstromkreis
unter der Annahme, dass der Transistor „voll durchschaltet“ (d. h. die Kollektor-EmitterStrecke keinen Widerstand mehr aufweist) höchstens werden?
RB
BC547
Aufgabe 2:
Baue die abgebildete Schaltung auf (Vorlage „Stromverstärkung).
Anstelle eines Vorwiderstands wird zum Einstellen der Basisstromstärke hier eine
Potentiometerschaltung verwendet.
RC
a) Untersuche für einen Kollektorwiderstand RC von 220ÿ den Zusammenhang
zwischen Basisstromstärke IB und Kollektorstromstärke IC. Miss dazu für
verschiedene Basisstromstärken IB die jeweilige Kollektorstromstärke IC und trage
die Werte in die Tabelle ein.
IB/µA
IC/
0
5
20
60
100
150
200
300
9V
IC
A
9V
IB
600
A
RP
10kÿ
BC547
b) Trage die Messwerte in der Stromsteuerkennlinie (IB-IC-Kennlinie) dieser Transistorschaltung an. Welche
Sättigungsstromstärke IC,S ergibt sich für diese Schaltung? Wovon wird die Sättigungsstromstärke IC,S bestimmt?
c) Bestimme für den Proportionalbereich der Stromsteuerkennlinie die Stromverstärkung β=IC/IB.
d) Wie muss IB gewählt werden, damit durch den Kollektorstromkreis ein Strom von etwa der Hälfte (einem Drittel) der
Sättigungsstromstärke fließt? Welche elektrische Leistung muss der Kollektorwiderstand RC für IC=IC,S bzw. IC=0,5 IC,S
aushalten?
e) Bestimme für einen Kollektorwiderstand RC von 470ÿ die Stromsteuerkennlinie und die Stromverstärkung β.
Übungen zur Physik in der 10. Klasse: "Transistor - Stromverstärkung"
Hausübung
Einführung in die Halbleiterphysik
470ÿ
3,8V/0,07A
47ÿ
Aufgabe 3:
Die Möglichkeit, durch eine Änderung der Basisstromstärke einen wesentlich höheren
Kollektorstrom zu steuern, wird bei einer Vielzahl von Überwachungs- und
Regelungsaufgaben ausgenutzt.
Bei der hier gezeigten Schaltung bestimmt z. B. ein lichtempfindlicher Widerstand (LDR)
LDR
im Basisstromkreis in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke die Basisstromstärke.
9V
Anmerkung: Ein weiteres typisches Beispiel sind Temperaturüberwachungen, bei denen
anstatt eines LDRs ein temperaturempfindlicher Wiederstand (NTC) die Basisstromstärke
bestimmt.
BC547
a) Baue die Schaltung auf (Vorlage „Lichtsensor“).
b) Beobachte, wie sich die Schaltung verhält, wenn der LDR abgedunkelt bzw. hell
beleuchtet wird. Wie ist dieses Verhalten zu erklären?
c) Baue die Schaltung so auf, dass der LDR vom Glühlämpchen im Kollektorkreis beleuchtet wird. Wird der Lichtweg
unterbrochen, erlischt das Lämpchen und bleibt dunkel, wenn das Umgebungslicht ausreichend ausgeblendet wird. Auf
diese Weise kann die Schaltung als einfache Lichtschranke bzw. Zugangskontrolle verwendet werden.