Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Physik-Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ I. Versuch 1: „Die Halbleiterdiode“ 1.1 Theorie zu Versuch 1 Je nach Stromrichtung variiert der Widerstand einer Halbleiterdiode. Bei „richtiger“ Polung ist der Widerstand fast Null, bei „falscher“ Polung (Sperrpolung) ist der Widerstand hingegen gegen unendlich, d.h. es fließt fast kein Strom mehr. 2.1 Durchführung zu Versuch 1 a) Versuchsaufbau Zuerst steckten wir die drei Bauteile (Schalter, Diode und Lämpchen) auf die Steckplatte und verbanden die Anordnung dann gemäß Zeichnung mittels Strippen mit der 4,5 V Flachbatterie. b) Versuchsablauf Durch Schließen des Schalters schalteten wir unseren Stromkreis an. Wir konnten, wie erwartet, feststellen, dass die Lampe brannte. Nun zogen wir die Diode heraus und steckten Sie mit umgekehrter Polung wieder hinein. Diesmal brannte das Lämpchen nicht. Für den zweiten Teilversuch tauschten wir das Lämpchen einfach mit einem 22 - Widerstand und einem Vielfachinstrument, das wir auf 600 mA Gleichstrom stellten. Nun schalteten wir den Stromkreis ein und notierten den Ausschlag des Messgerätes. Auch hier zogen wir schließlich die Diode heraus und steckten Sie mit umgekehrter Polung wieder hinein und notierten auch hier die Stromstärke. Für den dritten Teilversuch bauten wir nun noch ein Potentiometer (Spannungsteiler) und ein Vielfachinstrument, welches wir auf Gleichspannung stellten, gemäß Zeichnung ein. Nun regulierten wir mit dem Drehknopf des Spannungsteilers die an der Diode anliegenden Spannung und trugen so die fehlenden Werte (der Stromstärke) in die Messtabelle ein. Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Der vierte Teilversuch wurde von unserem Lehrer am Pult zentral (für alle Gruppen) aufgebaut. Das Oszilloskop zeigte folgende Ausgabe (skizziert): Nach dem Umdrehen der Diode war folgendes auf dem Oszilloskop zu sehen: An den Stellen, an denen vorher Berge waren, sind nun keine mehr. Stattdessen sind die Berge nun im negativen Bereich und dort, wo sie vorher nicht waren (alles ist eine halbe Periode verschoben und nach unten gespiegelt). Als wir das Oszilloskop an den 4V Gleichstromanschluss des Netzgerätes anschlossen, war folgendes zu sehen: Es ist nun eine Sinuskurve erkennbar, wobei der negative Bereich in den positiven gespiegelt wurde. c) Messungen Teilversuch 2: I = 135 mA Bei umgekehrter Polung der Diode: I = 0 mA Teilversuch 3: UD J V mA d) Besonderheiten 0 0 0,2 0,012 0,4 0,017 0,5 0,351 0,6 2,25 0,65 7,9 0,7 12 0,75 50 0,79 140 Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Bei Teilversuch drei war es uns nicht möglich die Stromstärke von 1 A zu erreichen (letzter Messwert). Das Höchste, was wir hinbekamen waren 140 mA, wobei wir es dann auch beließen. 3.1 Auswertung zu Versuch 1 a) Ausrechnung und Teilergebnisse Teilversuch 1: Hier stellten wir ganz allgemein fest, dass die Diode bei „richtiger“ Polung (sog. Durchlasspolung) Strom durchlässt und bei „falscher“ Polung (sog. Sperrpolung) kein Strom (oder so wenig Strom, dass es nicht ausreichte, das Lämpchen zum Leuchten zu bringen) durchlässt. Teilversuch 2: Bei diesem Teilversuch galt es, die Erkenntnis des ersten Teilversuches quantitativ zu präzisieren. Bei beiden Schaltungen (einmal Diode in Durchlasspolung und einmal in Sperrpolung) maßen wir die Stromstärke, somit können wir nun jeweils den Widerstand der Diode berechnen: R=U/I gegeben: I, RW = 22 und U = 4,5 V Erster Stromkreis (Durchlasspolung): R = 4,5 V / 0,135 A = 33,3 RW + RD = 33,3 RD = 11,3 Zweiter Stromkreis: R = 4,5 V / 0 A = nicht lösbar bzw. unendlich RD = unendlich Es hat sich also bestätigt, dass der Widerstand der Diode in der ersten Anordnung relativ klein war, während er bei der zweiten Anordnung so groß war, dass (zumindest für uns) kein messbarer Strom mehr fließen konnte. Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Teilversuch 3: Stromstärke in mA Verhältnis von Diodenspannung und Diodenstrom 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 0,2 0,4 0,5 0,6 0,65 0,7 0,75 0,79 Spannung an der Diode in V Es wird deutlich, dass die Diode bei sehr kleiner Spannung keinen Strom durchlässt. Erst ab 0,5 bzw. 0,6 V ist ein deutlicher Anstieg des Diodenstroms dieser Diode zu erkennen. Wenn dieser Grenzwert aber erst einmal überschritten ist, wächst die Stromstärke nahezu exponentiell an, d.h. der Widerstand der Diode nimmt drastisch ab. Diese sog. Kennlinie ist charakteristisch für jede Halbleiterdiode. Teilversuch 4: Die Wechselstromquelle liefert einen nahezu echten Sinusstrom, d.h. die Spannung nimmt immer periodisch bis auf einen bestimmten Wert zu, fällt dann wieder auf Null, nimmt weiter bis auf einen bestimmten negativen Wert ab (gleicher Betrag wie die positive Amplitude) und steigt schließlich wieder auf Null. Da die Diode den Strom allerdings nur in eine Richtung durchlässt, werden entweder die negativen oder die positiven Amplituden (je nach Polung) „abgeschnitten“. Dies kann man auf den ersten beiden Schaubilder gut erkennen. Hierbei handelt es sich dann natürlich schon um einen –wenn auch sehr abgehackten– Gleichstrom. Das macht sich in einem leichten Flimmern des Lämpchen bemerkbar. Das bei der dritten Anordnung benutzte Netzgerät wandelt die Netzspannung (was ja eine Wechselspannung ist) aber effizienter in eine Gleichspannung um. Der Strom ist zwar etwas „schluckauf“-mäßig (siehe drittes Schaubild), aber die Zeitabschnitte, während denen kein Strom fließt sind nun sehr viel geringer als bei den ersten beiden Versuchen. Dies wird durch die sog. Brückenschaltung erreicht. Hierbei handelt es sich um eine raffinierte Anordnung von vier Dioden, wobei immer stets durch zwei Dioden der Strom fließen kann. b) Gesamtergebnis Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Insgesamt haben wir erkannt, dass bei Sperrpolung so gut wie kein Strom durch die Diode fließen kann (Widerstand der Diode ist gegen unendlich) und, dass bei Durchlasspolung bei zunehmender Spannung der Strom ab einer bestimmten Spannung fast exponentiell ansteigt (Teilversuch 1-3). Außerdem haben wir gelernt, wie man eine Diode (bzw. mehrere Dioden) als Gleichrichter einsetzen kann (Teilversuch 4). c) Fehler Da uns zu den Versuchen keine Soll-Werte bekannt sind (z.B. Kennlinie der benutzten Diode), ist es nicht möglich einen Fehler quantitativ zu bestimmen. Zu Teilversuch zwei lässt sich nur anmerken, dass der Widerstand der Diode mit den errechneten 11,3 Ohm wohl etwas zu hoch ausgefallen ist. Eigentlich hätte dieser vernachlässigbar sein sollen. Vermutlich hängt dieser Fehler mit der vermutlich nicht mehr ganz neuen Blockbatterie zusammen. d) Diskussion Das Nichterreichen der 1 A – Marke bei Teilversuch drei ist vermutlich auch auf die nicht volle Leistungsfähigkeit der Blockbatterie zurückzuführen. I. Versuch 2: „Der Transistor“ 1.2 Theorie zu Versuch 2 Ein Transistor ist ähnlich wie eine Diode aufgebaut. Er hat allerdings drei Anschlüsse (Emitter, Basis und Kollektor). Man kann einen Transistor entweder als Schalter benutzen (sobald zwischen Basis und Emitter eine best. Spannung überschritten wird, wird der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter fast Null, d.h. der Stromkreis an Emitter und Basis ist eingeschaltet) oder als Verstärker benutzen (eine kleine Schwankung des Basisstroms bewirkt eine große Schwankung des Kollektorstroms.). 2.2 Durchführung zu Versuch 2 a) Versuchsaufbau Zuerst steckten wir den Poti, den Widerstand, den Transistor und die beiden Vielfachinstrumente (einmal als Amperemeter und einmal als Spannungsmesser benutzt, beide auf Gleichspannung) gemäß Schaltskizze auf das Steckbrett. Nun drehten wir den Poti auf „0“ und schlossen dann beide Stromquellen an. Da wir nur einen Batteriehalter hatten, mussten wir die zweite behelfsmäßig mit Krokodilsklemmen und Strippen anschließen. Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Für Teilversuch zwei bauten wir einfach den Spannungsmesser aus und bauten anstatt des Widerstands einen zweiten Strommesser ein (auf Gleichspannung gestellt). Für Teilversuch drei bauten wir jeweils die Schaltungen gemäß den abgebildeten Schaltskizzen auf. Schließlich kalibrierten wir die Schaltungen 1-3 jeweils durch Drehen am Regelwiderstand. b) Versuchsablauf Teilversuch 1: Wir erhöhten durch drehen am Poti immer die Spannung UBE und notierten die dazugehörigen Werte des Strommessers. Teilversuch 2: Durch Drehen am Poti ließen wir die Stromstärke JB (durch den zweiten Strommesser) steigen und notierten die gefragten Werte der vom ersten Strommesser angezeigten Stromstärke JC. Teilversuch 3: a) Beim Erhitzen des Heißleiters fing das Glühlämpchen an zu leuchten. Zuerst nur schwach, dann (nach weiterer Erwärmung) immer heller. b) Sobald man den Fotowiderstand zudeckte, leuchtete das Lämpchen auf. c) Am Lautsprecher konnte man das vom Partner ins Mikrofon Gesprochene sehr gut verstehen (wenn auch die Qualität nicht berauschend war). d) Beim Abwechselnden (jeweils kurzen) Überbrücken der beiden Lücken R und S wechselten die beiden Lämpchen jeweils ihren Zustand. Wenn also vorher L1 leuchtete, leuchtete nach dem Überbrücken von R das andere Lämpchen (wenn man die Brücke wieder herauszog, blieb der Zustand!). Durch kurzes Überbücken der anderen Lücke konnte man das ganze wieder rückgängig machen. c) Messungen Teilversuch 1: Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst UBE JC V mA Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ 0 0 0,2 0 0,4 0,008 0,6 9,8 0,7 370 0,75 350 Teilversuch 2: JB JC mA mA 0 0 2 179 4 340 5 480 8 605 10 650 12 700 12,9 710 Bei Telversuch 3 wurde keine Messung verlangt. d) Besonderheiten Beim Umstellen des Messbereiches (bei Teilversuch zwei) war festzustellen, dass sich die Anzeige ändert. D.h. wenn es z.B. vor dem Umstellen 5 mA anzeigte, waren es nach dem Umstellen fast 7 mA, obwohl nichts an der Spannungsversorgung verändert wurde. Zudem hatten wir bei Teilversuch eins und zwei ziemlich mit den Blockbatterien zu kämpfen. Manchmal konnte man sogar zusehen, wie die Spannung und damit auch die Stromstärke während des Versuchs langsam abfiel (ohne unser Zutun), was sich v.a. beim letzten Wert von Teilversuch eins zeigt (höhere Spannung, aber niedrigere Stromstärke...). 3.2 Auswertung zu Versuch 2 a) Ausrechnung und Teilergebnisse Teilversuch 1: Kollektorstrom in mA Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und Basis-Emitter-Spannung 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,75 Basis-Emitter-Spannung in V Wie unter 2. d) beschrieben ist der letzte Wert etwas fragwürdig. Eigentlich sollte er so groß sein wie der Wert davor (oder sogar etwas höher). Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Insgesamt kann man also erkennen, dass der Transistor ab einer bestimmten Basis-Emitter-Spannung (hier 0,7 V) den Strom im Kollektrostromkreis „freigibt“. D.h. der Transistor ist hier als eine Art Relais, ein elektrischer Schalter, zu verstehen. Teilversuch 2: Kollektorstrom in mA Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und Basisstrom 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 12,9 Basisstrom in mA Diesmal steigt der Kollektorstrom bei steigendem Basisstrom ziemlich gleichmäßig an. Betrachtet man es etwas großzügig, kann man sogar von einer Proportionalität sprechen (zumindest bis JB = 8 mA). Wir betrachten nun einmal die Schwankung zwischen 8 und 10 mA Basisstrom genauer: JB = 2 mA JC = 45 mA JC / JB = 22,5 Da JC ~ JB (in dem untersuchten Bereich), ist 22,5 hier mathematisch der Steigungsfaktor. Physikalisch ist es sozusagen der Multiplikator. D.h. wenn JB um 1 mA schwankt, macht sich das im Kollektorstromkreis 22,5 Mal so stark bemerkbar. In diesem Bereich kann man den Transistor also als Verstärker benutzen. Teilversuch 3: a) Beim Erhitzen des Heißleiters wird sein Widerstand immer kleiner, was bewirkt, dass die Teilspannung am Regelwiderstand stieg, wodurch auch gleichzeitig der Basis-Emitter-Strom steigen konnte (ist parallel zum Regelwiderstand). Ab einer bestimmten Stromstärke macht der Transistor „auf“, d.h. er gibt den Strom im Kollektorstromkreis frei, wodurch dann schließlich das Lämpchen leuchtet. Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ b) Hier ist es genau andersrum: Der Widerstand des Fotowiderstands nimmt im Auslösefall (also wenn es dunkler wird) nicht etwa ab, sondern zu. Im Auslösefall soll der Basis-Emitter-Strom (bzw. Spannung) erhöht werden, damit der Transistor aufmacht. Also baut man den Fotowiderstand (anstatt des Regelwiderstands) parallel zum Basis-Emitter-Stromkreis ein. c) Bei diesem Tonverstärker ist es ähnlich wie beim Feuermelder. Wenn der Widerstand eines bestimmten Elements niedriger wird, soll etwas ausgelöst werden (d.h. der Transistor soll aufmachen). In diesem Fall ist es zudem noch so, dass der Transistor nicht nur als Schalter sondern eben auch als Verstärker benutzt wird. D.h. es wird der bestimmte Bereich der Kennlinie ausgenutzt, indem der Transistor nicht nur ein- und ausschaltet, sondern eben auch Schwankungen als solche „weitergibt“, und zwar verstärkt „weitergibt“ (siehe Teilversuch zwei). d) Bei diesem „Zustandsspeicher“ wird durch kurzes Schließen einer Lücke die Spannung des Basis-Emitter-Stromkreises des jeweiligen Transistors auf Null gesetzt, wodurch der Transistor zumacht und somit das Lämpchen zum Erlöschen bringt. Gleichzeitig macht der andere Transistor auf, wodurch die andere Lampe aufleuchtet. Der Zustand ist stabil, d.h. auch nach dem Herausziehen der Brücke, leuchtet das jeweilige Lämpchen weiter, da der Transistor sich sozusagen selbst aufhält, wenn er erst einmal auf ist. b) Gesamtergebnis Insgesamt haben wir erkannt, dass man einen Transistor gemäß seiner charakteristischen Kennlinie als Schalter (Teilversuch 2) aber auch als Verstärker (allerdings nur in einem bestimmten Spannungs- bzw. Stromstärkenbereich) benutzen kann (Teilversuch 2). Außerdem haben wir in Teilversuch drei verschiedene Anwendungsbeispiele für Transistoren kennen gelernt. c) Fehler Da uns zu den Versuchen keine Soll-Werte bekannt sind (z.B. Kennlinie des benutzten Transistors), ist es nicht möglich einen Fehler quantitativ zu bestimmen. Zu Teilversuch eins lässt sich nur anmerken, dass der letzte Wert etwas zu niedrig ist. Wie schon erwähnt, hätte dieser mindestens so groß wie der Wert davor sein müssen. Dieser Fehler hängt wohl mit der vermutlich nicht mehr ganz neuen Blockbatterie zusammen. d) Diskussion Das unter 2.1 d) angesprochene merkwürdige Verhalten des Messgeräts bei der Messbereichsumstellung hängt mit dem Innenwiderstand des Messgeräts zusammen. Wenn der Messbereich geändert wird, ändert sich auch der Innenwiderstand und damit die anliegende Teilspannung am Messgerät. Physik-Praktikum 2001/2002 Klasse 10 c I / Gruppe E Julian Schorpp / Franz Gravenhorst Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02 „Halbleiterdiode und Transistor“ Das Nichterreichen der 1 A – Marke bei Teilversuch eins und zwei ist vermutlich auch wieder auf die nicht volle Leistungsfähigkeit der Blockbatterie zurückzuführen. 4. Bemerkungen a) Praxisbezug Wie beim Versuch eins beschrieben, kann man eine Halbleiterdiode sehr gut zum einfachen Gleichrichten von Wechselspannung benutzen. Wie der Teilversuch 4 zeigte, wird dies in den einfacheren Netzgeräten auch einfach so gehandhabt (mit einer sog. Brückenschaltung). Der Transistor ist heute aus dem täglichen hochtechnisierten Leben praktisch nicht mehr wegzudenken. Die im Versuch 2.3 aufgebaute Schaltung könnte man beispielsweise als Warnschaltung für elektrische Geräte benutzen. Wenn man das Glühlämpchen durch einen akustischen Signalgeber (z.B. PiezoSummer) ersetzt, kann sie einen über eine Überhitzung eines wichtigen Bauteils informieren. Die Lichtschranke könnte man zur Einbruchsmeldung oder zur Aktivierung der Eingangsklingel in Kaufhäusern benutzen. Die Anwendung des Mikrofonverstärkers liegt auf der Hand, wenn sie heute gewöhnlich auch um einiges komplizierter aufgebaut ist. Die letzte –auf den ersten Blick unscheinbare– Schaltung ist eine Grundschaltung, die für alle digitalen Geräte (z.B. PC) benötigt wird. In einem Heim-PC sind heute Millionen dieser Speichereinheiten (natürlich extrem miniaturisiert) vorhanden. b) Sonstiges Wenn ich mir die immer kleiner werdenden Bauteile der PCs oder sonstigen digitalen Geräte (Handys, MD-Player) anschaue, kann ich mir kaum vorstellen, dass in diesen Geräten nicht selten tausende dieser Transistoren vorhanden sind.