2. Darstellung von Parameterkennlinien

2. Darstellung von Parameterkennlinien
2.0. Dies immer zuerst!
Richten Sie nach dem Start zuerst den Workspace C:\Daten\ESI_ME2 ein. Dies wird dann
der Bereich sein, in dem alle Dateien zu diesem Versuch stehen werden. Diesen Workspace
sollten Sie am Ende der Veranstaltung auf einer Diskette archivieren.
Es gibt für diesen Versuch nur 3 Ausdrucke A4 je Versuch und Teilnehmer.
2.1. Lernziel und Aufgabenstellung
Mit diesem Versuch soll die Simulationsart DC-Sweep geübt werden. Die Teilnehmer sollen
diese Simulationsart für die Schaltungsanalyse verwenden können. In dieser Übung sollen
die nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinien des Transistors Q2N3904 dargestellt
werden. Zunächst wird das Ausgangskennlinienfeld I c = f ( I B ,U CE ) zusammen mit dem
Lastwiderstand dargestellt. Der Lastwiderstandsgerade soll dann im Kennlinienfeld als
Arbeitsgerade dargestellt werden. Der optimale Arbeitspunkt soll bestimmt werden ebenso
der Ausgangswiderstand RA = ΔU CE ΔI C des Transistors aus der I c = f ( I B ,U CE ) Kennlinie beim Arbeitspunkt. In der Aufgabe 2.7 sollen dann die gelernten
Zusammenhänge selbständig für eine Spannungsansteuerung des Transistors an der Basis
angewendet werden I B = f (U BE ), I C = f (U BE ) . Hier soll beim Arbeitspunkt der
Eingangswiderstand aus der U BE Kennlinie sowie die Steilheit aus I c = f (U BE ) ermittelt
RBE =
ΔU BE
ΔI B
U CE =const
S=
ΔI C
ΔU BE
U CE =const
werden .
2.2. Allgemeine Bemerkungen zur Benutzung von DC Sweep
IDC
+
R1
0A
I1
0
1k
Die Simulation von Parameterkennlinien benutzt die
Simulation im Gleichspannungsbereich (DC-Sweep).
Damit
kann
man
eine
Gleichstromoder
Gleichspannungsquelle in den Strom- bzw. Spannungswerten variieren und ermitteln, wie die Schaltung
sich für die verschiedenen Eingangswerte verhält. Das
Problem soll zunächst an der einfachen nebenstehenden
Schaltung erprobt werden:
Dabei soll in der Ausgabe der Strom aus der Quelle
heraus in den Widerstand hinein dargestellt werden.
Beachten Sie dabei die Polung der Stromquelle. An der
oberen Klemme des Widerstandes soll dabei eine positive
Spannung entstehen! Die Stromquelle I1 soll von 0 bis
100 μA in Schritten von 1 μA variiert werden. Stellen Sie
Fassung vom 16. Oktober 2007
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dies unter Analysis Æ Setup entsprechend dem Bild ein. Das Ergebnis der Simulation zeigt
die Ströme durch den Widerstand und die Stromquelle in Abhängigkeit von dem Strom aus
der Quelle (X-Variable). Dabei wird der gleiche Strom durch die Quelle I(I1) und durch den
Widerstand I(R1) jeweils umgekehrt gerichtet dargestellt. Das ist insofern korrekt, als die
Summe der Ströme in dem Knoten, den die Verbindung von Quelle und Widerstand
darstellt, Null sein muss. (Quellenersatzschaltung, Verbraucherersatzschaltung) Simulieren
Sie nun dieselbe Schaltung mit den Strompfeilen jeweils am unteren Ende der beiden
Bauelemente. Nun kehren sich die Verhältnisse um. Der Strom aus einer Stromquelle ist
immer in Richtung des Æ Zeichens negativ und damit in das Bauelement positiv und
erzeugt an der Bauelementklemme eine positive Spannung. Nun zeichnen Sie die
Schaltung mit einer Spannungsquelle und machen wieder beide Versuche. Beachten Sie die
neue Variable für DC Sweep. Hier kehren sich die Verhältnisse gegenüber der Stromquelle
um. Die Polarität an der Quelle entspricht der Stromrichtung aus der Quelle.
Von dieser Simulation werden keine Ausdrucke gemacht .
2.3. Was sind Parameterkennlinien?
Es gibt Bauelemente, deren Kennlinien von 2 Eingangsgrößen z.B. (UCE, IB) abhängig sind.
Zur Darstellung der Kennlinien wird eine Eingangsgröße (IB) konstant gewählt und die
andere (UCE) über einen Bereich schrittweise variiert. Danach erhöht man den Betrag des
ersten Eingangswertes von (IB) um ΔI B und beginnt von neuem die zweite Eingangsgröße
(UCE) zu variieren. Es entsteht eine Kennlinienschar. Die Eingangsgröße (hier IB,) die
schrittweise jeweils für einen Durchlauf der Spannung UCE verändert wird, heißt Parameter.
Bekanntestes Beispiel eines Bauteils, das eine Parameterkennlinie hat, ist der Transistor.
Dort heißen die Parameterkennlinien "Ausgangskennlinienfeld". Im folgenden wollen wir
das Ausgangskennlinienfeld des Transistors Q2N3904 darstellen und eine Arbeitspunktbestimmung für einen noch zu bestimmenden Widerstand durchführen. Vergleiche dazu auch
die Vorlesung Elektronik.
2.4. Erstellen der Schaltung zur Kennlinienaufnahme
Die variierbaren Anschlussgrößen eines Transistors sind der Basisstrom IB und die
Kollektor-Emitter-Spannung UCE. In dem
Kennlinienfeld
wird
für
verschiedene
Basisströme der Kollektorstrom über der Kollektor-Emitter-Spannung
aufgetragen.
Sie
10V
Q1
VIN
müssen also IB und UCE variieren. Daraus folgt
die
notwendige Schaltung:
Q2N3904
+
-
-
IB
Für diese Analyseart ist die Simulation DCSweep notwendig (setup DC Sweep). Hier wird
die Einstellung der zu variierenden Größen
0
vorgenommen. Im ersten Fenster wird die
Betriebspannung UCE variiert, das ist eine Spannungsquelle (Voltage Source) mit dem
Namen VIN, die von 0 (Volt) bis 10 (Volt) in Schritten von z. B. 0.05 (Volt) linear variiert
wird. Weiterhin soll natürlich auch der Basisstrom (IB) als Parameter variiert werden. Dazu
wird Nested Sweep geöffnet. Dort wird die Stromquelle (Current Source) mit dem Namen
IB vom Startwert 10u(Ampere) bis zum Endwert 100u(Ampere) in Inkrementen von
10u(Ampere) linear variiert. Es wird der Haken in Enable Nested Sweep gemacht, damit
der Simulator diese Anweisungen der zweiten Schleife auch durchführt. Die Simulation
+
© Dr. Schneeberger Version 16.10.2007
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erfolgt nun so, dass der Simulator den Basisstrom in Schritten von 10 μAmpere beginnend
bei 10 μAmpere bis zur Größe von 100 μAmpere erhöht und bei jedem Basisstrom die
Betriebsspannung VIN von 0 bis 10 Volt in Schritten von 0.05 Volt verändert. Nach der
Simulation erhält man 10 Datenreihen für die Basisströme 10, 20, 30 bis 100 μAmpere. Die
Darstellung in Probe für I c öffnet sich dann auch mit der X-Variablen VIN mit dem Ihnen
bekannten Ausgangs-Kennlinienfeld Ic=f(IB,UCE) eines Transistors. Soll nun dieser
Transistor als Spannungsverstärker arbeiten, dann muss man in den Kollektorkreis einen
Arbeitswiderstand legen, an dem die unterschiedlichen Kollektorströme unterschiedliche
Spannungsabfälle erzeugen. Dieser Widerstand muss so groß sein, dass im Betrieb ein
Arbeitspunkt entsteht, der in der Mitte der am Kollektor möglichen Spannungen liegt. Dazu
muss man als Ingenieur Vorgaben machen über den gewünschten Strom im Arbeitspunkt
und die verwendete Betriebsspannung sonst sind beliebig viele Arbeitswiderstände möglich.
Bestimmung des maximalen Widerstandes bei dem gerechneten Kennlinienfeld: Die
normale Widerstandgerade hat die Form: I (U ) = U / R . In einem Kennlinienfeld teilen sich
der Widerstand und der Transistor die Betriebsspannung U B . Im Arbeitspunkt fällt in der
Regel die Hälfte der Betriebsspannung am Widerstand und die andere Hälfte am Transistor
ab. Das lässt sich am besten dadurch darstellen, dass man die Gerade mit der
Gleichung I (U CE , R) = I 0 − U CE / R darstellt. Dabei soll diese Gerade die Abszisse bei der
Betriebsspannung U B = 10 V schneiden. Daraus folgt I (U B , R) = 0 = I 0 − U B / R oder
I 0 = U B / R bzw. R = U B / I 0 . Dieses I o soll nun mindesten so groß sein, dass die Gerade
durch das geschriebene Kennlinienfeld geht und in dessen Mitte bei U=5 Volt die mittlere
Kennlinie ungefähr schneidet. Ein größerer Widerstand schneidet u. U. nur die unterste
Kennlinie, ein zu kleiner Widerstand geht
nicht durch die Mitte des KennQ1
linienfeldes. Wir wählen I 0 = 20 mA .
Uin
R1
+
VUCE
Q2N3904
+
xk
10V
IDC
-
0
I1
0
Erstellen Sie nun die nebenstehende
Schaltung auf dem Bildschirm.
Simulieren Sie damit wieder das
Kennlinienfeld des Transistors und auch
die Widerstandsgerade für R1, die Sie zur
Auswertung
im
nächsten
Kapitel
benötigen.
2.5. Auswertung der Simulation
Das Ausgangskennlinienfeld enthält jetzt die Kennlinie des Stromes durch den Widerstand.
I (U ) = U / R1 . Bei der Variation der Spannung V(UCE). Ändern Sie zunächst die Darstellung der Widerstandsgeraden so, dass die Arbeitsgerade im Kennlinienfeld so erscheint,
dass Sie einen Arbeitspunkt erhalten! Beachten Sie dabei, dass der Strom minus I(R1) im
Kennlinienfeld dargestellt ist. Siehe auch 2.2. Verschieben Sie nun die Widerstandsgerade
so, dass Sie die Abszisse bei UB =10 Volt schneidet. Ändern Sie nun ggf. den Bereich der
Y-Achse mit Plot Æ Y-Axis Settings Æ Data Range Æ User Defined Æ Startwert 0.
Drucken Sie dieses Kennlinienfeld mit Widerstand (1). Die so dargestellte
Widerstandsgerade schneidet bedauerlicherweise keine der geschriebenen Kennlinien bei 5
Volt. D. h. der wirkliche Arbeitspunkt in der Mitte des Kennlinienfeldes muss nun noch
ermittelt werden. Ermitteln Sie den erforderlichen Basisstrom IB für den gewünschten
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Arbeitspunkt IC = 10 mA, indem Sie die Stromverstärkung β in der Nähe des
Arbeitspunktes ermitteln und dann den notwendigen Basisstrom aus dem Kollektorstrom
und der Stromverstärkung berechnen. Notieren Sie die Ergebnisse in Kapitel 2.8.!
β = I C / I B . Ermitteln Sie den Basisstrom nicht durch Probieren!
2.6. Kontrolle der Berechnung
Ändern Sie die Schaltung entsprechend der
folgenden Zeichnung: Hier simulieren Sie nicht
mit DC-Sweep. Sie lassen nur den Biaspoint bei
UB =10 V berechnen und in der Schaltung die
Ströme und Spannungen darstellen.
V
R2
Q4
+
VUCE
10V
-
IB
Q2N3904
-
+
Von der Schaltung mit den entsprechenden
Strömen und Spannungen machen Sie einen
Ausschnittausdruck (2).
2.7. Aufgabe
Schreiben Sie die Kennlinien I B = f (U BE ) , I C = F (U BE ) bei konstanter KollektorEmitterspannung von 5 V (Arbeitspunktspannung) für den relevanten Arbeitspunktsbereich
von U BE in zwei Diagrammfeldern übereinander (add Plot)! Ermitteln Sie dazu zunächst
U BE (min) und U BE (max) sowie die geeignete Schrittweite aus der Simulation 2.4 bzw. 2.5!
Für den Arbeitspunkt (2.6) ermitteln Sie noch einmal Stromverstärkung β = I C / I B , den
Eingangswiderstand RBE = ΔU BE ΔI B und die Steilheit S = ΔI C ΔU BE .
Das Bild mit diesen Berechnungen bzw. Cursordatenwerten drucken Sie aus (3).
2.8. Ergebnisse
Notieren Sie hier alle Ergebnisse aus 2.3 . bis 2.7.:
Arbeitspunkt
SollwerteÆ
UCE /V= 5
IC= 10mA
I B=
Istwerte Æ
UCE /V=
IC=
UBE=
RC =
Weitere Messwerte
RA=
S=
β=
RBE =
RCgew
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