Physikalisches Schulversuchspraktikum: Diode und Transistor

Physikalisches
Schulversuchspraktikum:
Diode und Transistor
4. Klasse
7. und 21. 11. 2002
Gerhild Gabath
9802524
Abgabetermin: 28. 11. 2002
INHALTSVERZEICHNIS
1) Unterrichteter Stoff
2) Vorwissen
3) Lernziele
4) Lerninhalt des Themas
5) Versuche
6) Quellenverzeichnis
7) Anhang: Arbeitsblätter
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1) Unterrichteter Stoff
Diode und Transistor kommen laut Lehrplan in der Unterstufe in der vierten Klasse (achte
Schulstufe) vor, in der Oberstufe werden sie in der siebenten Klasse (elfte Schulstufe)
unterrichtet.
Einstieg: Was ist ein Halbleiter?
Wiederholung: Metalle wie Kupfer, Aluminium und Eisen sind gute elektrische Leiter, da sie
viele frei bewegliche Elektronen enthalten. Bei höheren Temperaturen führen die Metallionen
stärkere Schwingungen durch und behindern die Elektronenbewegung. Daher nimmt der
Widerstand bei Temperaturerhöhung zu und die Leitfähigkeit ab.
Als Nichtleiter oder Isolatoren bezeichnet man Stoffe, die den elektrischen Strom nicht
leiten. Dies sind beispielsweise Porzellan, Glas oder Hartgummi.
Neben Leitern und Isolatoren gibt es Stoffe, die bei tiefen Temperaturen Nichtleiter sind, aber
bei Temperaturerhöhung leitend werden. Sie leiten elektrischen Strom bei Zimmertemperatur
schlechter als Metalle. Man bezeichnet derartige Stoffe als Halbleiter, da ihr elektrisches
Leitungsverhalten zwischen dem der Metalle und dem der Nichtleiter liegt. Der wichtigste
Halbleiter ist Silicium, weiters wird auch Germanium zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen verwendet.
Zur Herstellung von Halbleiterelementen wird reines Silicium mit einer kleinen Anzahl von
Fremdatomen versehen (= dotiert). Dadurch entstehen „zwei Arten“ von Silicium:
 n – leitendes Silicium mit negativen Ladungsträgern (Elektronenleitung)
 p – leitendes Silicium, das sich verhält, als hätte es positive Ladungsträger
(„Löcherleitung“)
Grenzen zwei oder drei Halbleiterschichten aneinander, so kommt es zu Ladungsbewegungen
zwischen den Schichten. Ladungsbewegungen können auch durch elektrische Spannung
hervorgerufen werden. Hierauf beruhen die Funktionen von wichtigen Halbleiterbausteinen
wie Diode und Transistor.
Technische Anwendungen von Halbleitern:
Diode im Gleichstromkreis
Eine Halbleiterdiode besteht aus einer p – Schicht und einer n – Schicht, die in engen
Kontakt gebracht werden. Die Kontaktfläche wird als pn – Übergang bezeichnet.
Legt man nun elektrische Spannung an, so hängt es von der Polung der Spannungsquelle ab,
ob Strom fließt oder nicht. Wenn der Pluspol am p – Leiter und der Minuspol am n – Leiter
liegt, gelangen die Ladungsträger beider Schichten zum entgegengesetzten Pol. Der
Widerstand am Übergang ist gering, Strom fließt. Dies bezeichnet man als
Durchlassrichtung. Liegt hingegen der Pluspol an der n – Schicht und der Minuspol an der p
– Schicht, so werden die Ladungsträger aus dem pn – Übergang gezogen, was den Widerstand
erhöht, es kann kein Strom fließen. In diesem Fall spricht man von der Sperrrichtung der
Diode. Veranschaulicht kann diese Tatsache dadurch werden, daß man in einen
Gleichstromkreis mit einer Diode ein Glühlämpchen in Serie schaltet. Das Lämpchen
leuchtet, wenn die Diode in Durchlassrichtung im Stromkreis liegt, bei Sperrrichtung leuchtet
es nicht.
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Zusammenfassend läßt sich sagen, daß eine Diode Strom nur in einer Richtung durchläßt, sie
ist sozusagen ein elektrisches Ventil.
Diode im Wechselstromkreis
Nachdem die Wirkung einer Diode im Gleichstromkreis bekannt ist, stellt sich die Frage, was
sie in einem Wechselstromkreis bewirkt. Dies läßt sich anhand einer Parallelschaltung eines
Stromkreises mit Glühlämpchen und eines Stromkreises mit Diode und Glühlämpchen zeigen.
Die Diode läßt nur eine Richtung des Wechselstroms durch, sie wirkt als Gleichrichter und
macht aus Wechselstrom einen pulsierenden Gleichstrom, von dem nur jede zweite
Halbperiode durchgelassen wird. Diese Gleichrichterwirkung kann man auch an einem
Oszilloskop betrachten.
Es können auch vier Dioden zu einem Brückengleichrichter zusammengeschaltet werden
(Graetz’sche Brûckenschaltung). Eine Halbperiode wird jeweils von zwei Dioden
durchgelassen, von den anderen beiden gesperrt. In der nächsten Halbperiode ist es
umgekehrt.
Leuchtdioden
Leuchtdioden (LED: Light Emitting Diode) sind spezielle Halbleiterdioden, die bei
Stromdurchgang selbst leuchten. Sie werden als Kontroll – und Anzeigelampen verwendet, so
zum Beispiel an der Stereoanlage. Der Vorteil der LED liegt in ihrem geringen
Stromverbrauch. Eine Leuchtdiode sendet Licht aus, wenn sie in Durchlaßrichtung geschaltet
ist, man kann sie also als Polprûfer verwenden.
Transistor
Um die Funktionsweise des Transistors zu erläutern, besteht die Möglichkeit auf das bereits
im Rahmen des Magnetismus durchgenommene Relais zu verweisen. Folglich ist bereits
bekannt, daß beim Relais ein Elektromagnet im Steuerstromkreis einen Anker anzieht,
wodurch ein Arbeitsstromkreis geöffnet wird. Das Relais hat allerdings den Nachteil, daß an
seinen Kontaktstellen mit der Zeit Abnützungen auftreten, beim Transistor hingegen findet
der Schaltvorgang kontaktlos statt.
Die Bezeichnung „Transistor“ setzt sich aus den beiden Worten transfer resistor zusammen,
die „Übertragung eines bestimmten Widerstandes“ bedeuten. Der Transistor wurden 1948 von
J. Bardeen und W. Brattain erfunden und erstmals gebaut. Die sehr geringe Größe von
Transistoren hat zu neuen Anwendungsgebieten und einer massiven Weiterentwicklung im
Bereich der Datenverarbeitung gefûhrt.
Schaltbilder eines Transistors
Abbildung 1
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Abbildung 2
Dieses elektrotechnische Bauelement besteht aus drei Halbleiterschichten, weshalb man
zwischen pnp – und npn – Transistor unterscheiden kann. Die mittlere, sehr dûnne Schicht
(einige hundertstel Millimeter) bezeichnet man als Basis, die äußeren Schichten werden
Emitter bzw. Kollektor genannt. Jede dieser drei Schichten hat einen Anschluß, die
Kollektor – Emitterstrecke leitet nicht, sie hat einen großen Widerstand. Die Emitter –
Kollektor – Strecke leitet nur, wenn ein Basisstrom fließt.
Abbildung 3
Transistor als Schalter
Dies ist der Grund dafür, daß man Transistoren als Schalter verwendet. Durch einen kleinen
Basisstrom läßt sich ein wesentlich größerer Kollektorstrom schalten, was man mittels
Amperemeter in beiden Stromkreisen nachmessen kann. Es ist zu beachten, daß die Basis am
positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossen sein muß, wenn es sich um einen npn –
Transistor handelt, beim pnp – Transistor am negativen Pol.
Demnach kann ein Transistor zwei Schaltzustände annehmen:
 Sperrzustand, vergleichbar einem offenen mechanischen Schalter
 Durchlaßzustand, vergleichbar einem geschlossenen mechanischen Schalter.
Transistor als Verstärker
Anhand eines Versuchs läßt sich nun untersuchen, wie sich der Kollektorstrom ändert, wenn
man den Basisstrom verändert. Es wird ersichtlich, daß kleine Änderungen des Basisstroms
eine große Stromänderung im Kollektorstrom verursachen, wobei man von
Verstärkerwirkung spricht. Anwendung findet der Transistor als Verstärker in Radio – und
Fernsehempfängern oder in Mikrofonen.
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Abbildung 4
2) Vorwissen
Den Schülern sind einfache Schaltungen, d.h. Parallel – und Serienschaltung, bereits bekannt.
Weiters muß Kenntnis ûber das Prinzip der Stromleitung vorhanden sein, d.h. daß freie
Ladungsträger in einem Stoff vorhanden sein mûssen, damit dieser leitfähig ist. Die Begriffe
Atome und Elektronen sind bekannt, also ist Grundwissen ûber den Atombau vorhanden. Dies
wird auch benötigt, um den Zusammenhang zwischen Polung des Stroms und Durchlass –
bzw. Sperrrichtung einer Diode/ eines Transistors zu verstehen.
Es ist von Vorteil, die Funktionsweise eines Relais in Erinnerung zu rufen, falls diese nicht
mehr gegenwärtig ist, da hier eine Parallelität zum Transistor in der Funktion als Schalter
gegeben ist. Auch der Begriff Wechselstrom ist bereits vorgekommen, die Schûler wissen,
daß sich die Richtung des Stroms dabei ändert und daß dies graphisch als Welle in einem
Diagramm darstellbar ist.
Fûr Zeitschaltungen und Ähnliches wird auch Wissen ûber den Kondensator von Vorteil sein,
was normalerweise auch der Fall sein sollte, da der Kondensator bereits zuvor in der vierten
Klasse durchgenommen wird.
Spezielle mathematische Vorkenntnisse sind zu diesem Kapitel nicht nötig.
3) Lernziele
Es sollen grundlegende Kenntnisse über die Funktionsweise der wichtigsten Bauelemente in
der Elektrotechnik vermittelt werden.
Die Schüler sollen erfahren, aus welchen Materialen Halbleiter bestehen, inwiefern sie sich
von Leitern bzw. Isolatoren unterscheiden und wie man ihre Leitfähigkeit steigert
(Temperatur, Dotierung). Weiters soll unterschieden werden können, was einen p – Leiter
bzw. einen n – Leiter charakterisiert. Daraus soll dann geschlossen werden, wie sich eine
Diode im Gleichstromkreis verhält und was sie bewirkt. Die Schaltsymbole fûr die diversen
Halbleiterbauelemente sollen im Zuge dessen auch geläufig werden. Die Begriffe
Durchlassrichtung und Sperrrichtung werden eingefûhrt. Um die Funktion der Diode als
Gleichrichter zu vertiefen, besteht die Möglichkeit die Diode im Wechselstromkreis
durchzunehmen.
Ebenso sollen die Schûler neben der Funktionsweise auch Anwendungsgebiete und Vorteile
von Leuchtdiode und Transistor kennenlernen, welche in der Elektrotechnik von großer
Bedeutung sind.
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4) Lerninhalt des Themas
Es soll vermittelt werden, daß Dioden aus einem p – Leiter und einem n – Leiter bestehen und
es von der Stromrichtung abhängt, ob die Diode leitet oder sperrt. Diese „Ventilwirkung“ der
Diode ermöglicht auch die Gleichrichtung von Wechselstrom, mittels der Brûckenschaltung
können sogar alle Perioden genutzt werden.
Leuchtdioden kommen im Alltag recht häufig vor, ihr Funktionsprinzip sollte deshalb
verstanden werden. Auch die zahlreichen Anwendungsgebiete und der geringe
Stromverbrauch zeichnen die LED aus.
Transistoren haben zwei sehr wichtige Anwendungen:
1) Schalter: Es gibt zwei Stromkreise, den Basisstromkreis und den Kollektorstromkreis.
Da der Transistor aus drei Halbleiterschichten besteht, kann auch er entweder den
Strom sperren oder durchlassen, das ist gleichbedeutend mit einem offenen bzw.
geschlossenen Schalter.
2) Verstärker: Ändert sich die Spannung im Basisstrom, so ändert sich auch der
Kollektorstrom, und zwar sind die Änderungen des Kollektorstroms erheblich größer,
weshalb man hier von Verstärkung spricht.
Besonderes Augenmerk ist hierbei auf die unzähligen Anwendungen und Vorteile von
Halbleiterbauelementen zu richten, da sie sich in jedem elektrotechnischen Gerät (Fernseher,
Computer, Radio, ...) befinden und somit fûr das tägliche Leben einen hohen Stellenwert
einnehmen.
5) Versuche

Sperr – und Durchlaßrichtung einer Halbleiterdiode
In einem Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle (5 V) befindet sich ein Glûhlämpchen
(6 V) und eine Si - Diode. Im konkreten Fall wurde der NTL – Baukasten verwendet, wobei
man eine Steckplatte, einige Leiterbausteine, einen Baustein mit Diode und einen Baustein
mit Fassung fûr das Lämpchen benötigt.
Zuerst wird beobachtet, was passiert, wenn Strom fließt, danach vertauscht man die
Anschlûsse der Diode und beobachtet wiederum das Lämpchen.
Abbildung 5
Wie in der Abbildung ersichtlich, läßt die Diode den Strom nur in eine Richtung durch,
weshalb das Lämpchen nur einmal leuchtet. In der anderen Richtung sperrt die Diode (der
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Minuspol liegt am p – Leiter, der Pluspol am n – Leiter, deshalb werden die Ladungsträger
der jeweiligen Schicht zum Rand hin „gezogen“).
Der Versuch ist sehr schnell aufgebaut, dies dauert ca. 1 bis 2 Minuten, das Ergebnis ist dafûr
recht effektiv. Ist der theoretische Aufbau einer Diode bereits bekannt, so können die Schûler
selbst Überlegungen anstellen, warum das Lämpchen einmal leuchtet und im anderen Fall
nicht. Der Versuch selbst beansprucht ebenso sehr wenig Zeit, dafûr kann eben mehr Zeit zur
Interpretation verwendet werden.
 Einweggleichrichtung
Hierfür benötigt man zwei Glühlämpchen (je 6 V), eine Si – Diode und eine
Wechselstromspannungsquelle. Wiederum wurde hier der NTL – Baukasten verwendet, also
einige Leiterbausteine und zwei Glûhlämpchenhalterungen.
Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß folgendem Schaltbild:
Abbildung 6
Die beiden Glühlämpchen werden parallel geschaltet, wobei sich im zweiten Stromkreis die
Diode befindet.
Bei diesem Versuch soll die Helligkeit der beiden Lämpchen verglichen werden. Es zeigt
sich, daß das erste Lämpchen stärker leuchtet als jenes, in dessen Stromkreis sich die Diode
befindet. Der Wechselstrom wechselt 50 Mal in einer Sekunde die Richtung, die Diode leitet
den Strom nur in einer Richtung, in der anderen sperrt sie. Dadurch wird die Leistung des
zweiten Lämpchens halbiert, es leuchtet schwächer. Die Diode wirkt hier als Gleichrichter.
Abbildung 7
Der Aufbau des Versuch ist wiederum recht einfach und rasch erledigt, auch die
Durchführung benötigt nicht viel Zeit, das Stecken der NTL – Bausteine erfolgt sehr schnell.
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Insgesamt sind hier in etwa vier bis 5 Minuten zu veranschlagen. Es könnte ratsam sein, zuvor
die Glühlämpchen zu überprüfen, um auszuschließen, daß sie kaputt sind.

Zweiweggleichrichtung: Brückenschaltung nach Graetz
Es werden nun vier Si – Dioden gebraucht, die mittels Leiterbausteinen nach dem unten
angefûhrten Schaltbild um ein Lämpchen angeordnet werden. Man benötigt eine
Wechselstromspannungsquelle.
Abbildung 8
Beim Betrachten des Lämpchens zeigt sich, daß es dauernd leuchtet und auch nicht schwächer
als sonst. Dies liegt daran, daß eine halbe Periode lang Diode D1 und Diode D2 den Strom
durchlassen, während Diode D3 und Diode D4 sperren. In der nächsten Halbperiode ist es
dann genau umgekehrt. Der Strom, der das Lämpchen erreicht, ist ein pulsierender
Gleichstrom, von dem jede Halbperiode durchgelassen wird.
Abbildung 9
9
Abbildung 10
Beim Aufbau ist darauf zu achten, daß die Richtung der Dioden mit dem Schaltbild
übereinstimmt, da ansonsten gar kein Strom durchgehen kann. Wie zuvor schon erwähnt, ist
es auch in diesem Fall empfehlenswert, das Glühlämpchen zu überprüfen. Der Aufbau dieser
Schaltung mit dem NTL – Baukasten ist sehr anschaulich und ûbersichtlich, der
Zusammenhang mit dem Schaltbild ist fûr Schûler gut nachvollziehbar.
Der Aufbau des Versuchs dauert ungefähr fûnf Minuten, die Durchfûhrungsdauer liegt in
etwa bei einer Minute, da nur die Stromquelle einzuschalten ist und als Versuchsergebnis das
gleichmäßig leuchtende Lämpchen rasch beobachtbar ist.

Leuchtdiode
Man benötigt eine Steckplatte, Leitungen, eine Lampenfassung, eine Glühlampe, eine LED
(rot), Verbindungsleitungen und eine Gleichstromquelle. Das Lämpchen und die LED werden
in Serie geschaltet.
Abbildung 11
Versuch 1: Die LED ist in Durchlassrichtung eingesteckt, Glühlämpchen und LED leuchten.
Versuch 2: Die LED wird in Sperrrichtung eingesteckt. Weder Lämpchen, noch LED senden
Licht aus.
Die LED leuchtet also nur, wenn sie in Durchlassrichtung geschaltet wird und von Strom
durchflossen wird, sie kann also als Polprüfer verwendet werden.
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Abbildung 12
Abbildung 13
Wichtig ist, daß man LEDs nur mit Vorwiderstand benutzt, da die Stromstärke im
Dauerbetrieb 20 mA nicht überschreiten darf! Ansonsten ist es notwendig, eine neue LED in
den Baustein zu löten. Abgesehen davon ist der Versuch leicht aufzubauen und
durchzuführen, was sich auch in der benötigten Zeit niederschlägt. Für beide Versuche
inklusive Versuchsaufbau braucht man ca. 5 – 6 Minuten.

Zenerdiode
Für diesen Versuch braucht man eine Schaltplatte, Leitungen, eine Lampenfassung, eine
Zenerdiode, ein Glühlämpchen, ein Voltmeter und eine Gleichstromquelle. Der Aufbau
erfolgt gemäß der folgenden Abbildung:
Abbildung 14
11
Glühlämpchen und Zenerdiode sind in Serie geschaltet, das Voltmeter mißt die
Sperrspannung an der Zenerdiode.
Die Gleichspannung wird langsam von 0 bis 10 V erhöht, man beobachtet Voltmeter und
Glühlämpchen. Man findet heraus, daß die Spannung an der Zenerdiode nur bis ca. 4,7 V
steigt und dann – trotz Erhöhung der angelegten Spannung – ziemlich konstant bei diesem
Wert bleibt. Das Glûhlämpchen leuchtet, trotz Sperrichtung.
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden genau wie Si – Dioden, in Sperrrichtung
jedoch nicht.
Bei einer gewissen Spannung (Durchbruchspannung) bricht Strom durch. Bei Erhöhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich konstant.
Auch hier kann es passieren, daß die Zenerdiode kaputt ist, die Schaltung sollte vorher
getestet werden. Dafûr ist der Aufbau schnell erledigt, die Elemente sind schnell
zusammengesteckt. Die Dauer des Versuchs selbst liegt in etwa bei 2 – 3 Minuten.

pnp – Transistor: Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom:
Wieder werden eine Schaltplatte, Leitungen, ein 10 k Widerstand, eine Lampenfassung, ein
Lämpchen, ein pnp – Transistor und eine Gleichstromquelle benötigt.
Ein Stromkreis (8 V, Pluspol am Kollektor) fûhrt ûber ein Glûhlämpchen und Kollektor zum
Emitter des Transistors. Der im Schaltbild schraffierte Baustein wird zunächst nicht
eingesteckt.
Abbildung 15
Man sieht, daß das Glühlämpchen ohne Basis – Emitter – Strom nicht leuchtet. Die
Doppeldiode sperrt erwartungsgemäß. Dann wird das Verbindungsstûck eingesteckt. Dadurch
wird ein Minuspol ûber den 10 k Widerstand an die Basis gelegt. Das Lämpchen leuchtet
auf. Der Basis – Emitter – Strom bewirkt, daß der Transistor leitend wird und ein Kollektor –
Emitter – Strom zustande kommt.
Es zeigt sich, daß ein Basisstrom einen Kollektorstrom ermöglicht.
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
npn – Transistor: Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom
Gleichsam läßt sich dieser Versuch natûrlich auch fûr den npn – Transistor durchfûhren, der
Aufbau erfolgt analog wie oben, mit dem Unterschied, daß diesmal der Minuspol am Emitter
liegt und der Pluspol am Kollektor.
Ablauf, Durchfûhrung, Erkenntnisse und Versuchszeiten sind wie beim pnp – Transistor
(siehe Punkt zuvor).

Transistor als Verstärker
Als Materialien braucht man eine Schaltplatte, Leitungen, eine Lampenfassung, ein
Glühlämpchen, einen npn – Transistor (Basis links), einen Widerstand mit 10 k und einen
mit 47 k zwei Meßgeräte und eine Gleichstromspannungsquelle mit 10 V.
Die Schaltung wird aufgebaut, wie es auf dem unten angeführten Schaltbild dargestellt ist.
Der Basisstrom wird mit einem Amperemeter mit Meßbereich 30 mA , der Kollektorstrom
mit einem Amperemeter mit Meßbereich 100 mA gemessen.
Abbildung 16
Zuerst werden Basisstrom und Kollektorstrom bei einem Basiswiderstand von 10 k
gemessen, danach mit dem Basiswiderstand von 47 k. Die Meßergebnisse werden
beispielsweise in eine Tabelle eingetragen und daraus die Stromänderung berechnet.
Kollektorstrom 10 k Kollektorstrom 47 k
29 mA
28 mA
Basisstrom 10 k
1 mA
Basisstrom 47 k
0,2 mA
Die Kollektorstromänderung beträgt 1 mA, während die Basisstromänderung bei 0,8 mA
liegt. Somit ergibt sich ein Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom von 1,25, was
bedeutet, daß der Transistor um einen Faktor 1,25 verstärkt. Diese Meßergebnis ist allerdings
sehr ungenau, da die beiden Meßgeräte inexakt waren.
Folglich ist es empfehlenswert, die Meßgeräte und auch das Glühlämpchen vor der
eigentlichen Versuchsdurchführung zu überprüfen und probeweise Messungen
durchzuführen. Dieser Versuch läßt sich auch gut als Schülerversuch durchführen (siehe
Anhang).
13
Aufgrund der etwas aufwendigeren Vorbereitung liegt die geschätzte Dauer hierfür bei etwa 5
bis 6 Minuten, der Versuch selbst dauert dann etwas kürzer, je nachdem, wie viele Messungen
gemacht werden (verschiedene Widerstände).

Transistor als Verstärker und Schalter
Es werden ein npn – Transistor, eine Leuchtdiode, ein Widerstand mit 100  und einer mit
22 k, weiters ein Schalter und eine Gleichspannungsquelle verwendet. Die Anordnung
erfolgt entsprechend dem angeführten Schaltbild mit dem Unterschied, daß die hier genannten
Widerstände verwendet wurden.
Abbildung 17
Der 22 k Widerstand läßt nur einen sehr kleinen Strom in der Basis fließen, trotzdem wird
dadurch der wesentlich größere Stromfluß durch die Leuchtdiode und den Kollektor bewirkt.
Beim Unterbrechen des Basisstroms wird auch der größere Kollektorstrom unterbrochen.
Dieser Versuch demonstriert, daß der Transistor gleichzeitig als Schalter und als Verstärker
funktioniert.
Ein Vorteil dieses Versuchs ist es, daß gleichzeitig beide speziellen Eigenschaften des
Transistors veranschaulicht werden können, wobei der Aufbau einfach ist und die Schaltung
für die Schüler gut nachvollziehbar ist. Der Versuch ist schnell aufgebaut und für die
Beobachtung benötigt man auch nicht viel Zeit. Die Erklärung der Schaltung kann allerdings
wohl etwas länger dauern, insgesamt ist also mit 5 bis 6 Minuten zu rechnen.

Zeitschalter
Man verwendet eine Schaltplatte, Leitungen, einen Schalter, eine Lampenfassung und ein
Glühlämpchen, einen npn – Transistor, einen Kondensator mit 100 F und einen mit 1000 F,
einen Widerstand mit 1 k und einen mit 10 k und natürlich eine Spannungsquelle mit 10 V
Gleichstrom. Zusätzlich braucht man eine Stoppuhr.
Die Anordnung erfolgt wie im Schaltbild:
Abbildung 18
14
Der Schalter ist anfangs nicht geschlossen, man verwendet zuerst den Widerstand mit 1 k
und den Kondensator mit 1000 F.
Wird dann der Schalter geschlossen, so leuchtet das Lämpchen. Nach einigen Sekunden wird
der Schalter wieder geöffnet und mit der Zeitmessung begonnen. Es wird bestimmt, wieviel
Zeit vergeht, bis das Lämpchen wieder erlischt. Anschließend tauscht man den Widerstand
aus und wiederholt den Versuch. Danach ersetzt man den Kondensator durch den anderen und
mißt für beide Widerstände die Zeit bis zum Erlöschen des Glühlämpchens.
Meßwerte:
Kapazität [F]
Zeit [s]
Widerstand [k]
1000
1000
100
100
1
10
1
10
47
87
4
10
Der Zeitschalter ermöglicht bei Schließen und wieder Öffnen des Schalters, daß das
Glühlämpchen für eine bestimmte Zeitdauer leuchtet. Dieses kann nur leuchten, wenn ein
Basisstrom fließt.
Die richtige Polung des Kondensators ist zu beachten, außerdem müssen die Schüler über den
Kondensator Bescheid wissen, es sollte ihnen zumindest seine Bedeutung als „Stromspeicher“
bewußt sein. Mit Hilfe dieses Versuchs läßt sich eine reale Anwendung demonstrieren.
Die Bausteine sind ziemlich schnell aufgesteckt, die Messungen mit den verschiedenen
Kombinationen von Widerständen und Kondensatoren benötigen allerdings einiges an Zeit,
dabei muß man in etwa mit 10 Minuten fûr den gesamten Versuch inklusive Notieren der
diversen Meßwerte rechnen.
Abbildung 19
15
Abbildung 20

Basisschaltung
1) Spannungsverstärkung
Die Anordnung der Bauelemente erfolgt entsprechend der Abbildung, dazu benötigt man eine
Schaltplatte, Leitungen, einen Widerstand mit 500  und ein Potentiometer mit 470 , eine
Spannungsquelle mit 1,2 V und eine mit 10 V (jeweils Gleichstrom), einen npn – Transistor
und zwei Spannungsmeßgeräte.
Basisschaltung heißt, daß die Basis der gemeinsame Anschluß fûr beide Spannungsquellen ist.
Die Kollektor – Basis – Spannung UCB wird mit einem Meßbereich von 10 V gemessen, die
Basis – Emitter – Spannung UBE mit einem Meßbereich von 1V. Mittels Potentiometer kann
man die Kollektor – Basis – Spannung regeln. Der Quotient aus der Änderung der Kollektor –
Basis – Spannung und der Änderung der Basis – Emitter – Spannung ergibt die
Spannungsverstärkung.
Es wird beispielsweise die Basis – Emitter – Spannung, die zur Kollektor – Basis – Spannung
3 V und 1 V gehört, gemessen.
Meßwerte:
Kollektor – Basis Spannung
Basis – Emitter –
Spannung
3V
1V
0,55 V
0,65 V
Änderung: 2 V
Änderung: 0,1 V
Daraus ergibt sich eine Spannungsverstärkung von 20.
16
Abbildung 21
Abbildung 22
2) Stromverstärkung
Der Aufbau ist ganz analog zur Spannungsverstärkung, abgesehen davon, daß man nun zwei
Amperemeter zur Messung der Stromstärke benutzt.
Der Emitterstrom wird von einem Amperemeter mit Meßbereich 30 mA gemessen, der
Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter wiederum mit einem Meßbereich von 30 mA.
Der Emitterstrom wird mit dem Potentiometer geregelt und der zugehörige Kollektorstrom
wird gemessen. Der Quotient aus Kollektorstromänderung und Emitterstromänderung ergibt
den Stromverstärkungsfaktor.
Der Emitterstrom wird zuerst auf 2 mA, dann auf 10 mA eingestellt und die entsprechenden
Werte des Kollektorstroms werden vermerkt.
Meßwerte:
Emitterstrom
Kollektorstrom
2 mA
8 mA
10 mA
12 mA
Änderung: 8 mA
Änderung: 4 mA
Es ergibt sich ein Stromverstärkungsfaktor von 0,5.
Die Unterscheidung zwischen Basisschaltung und Kollektorschaltung ist für die Unterstufe
noch nicht geeignet, weshalb hier auch nur erstere angeführt wird. Es ist nicht notwendig, den
Schülern die unterschiedlichen Anschlußmöglichkeiten und deren diverse Auswirkungen
klarzumachen, da dies über den Stoff der Unterstufe hinausgeht. Die beiden Versuche zur
Basisschaltung dienen dazu, zu zeigen, daß sowohl Spannung als auch Stromstärke durch
17
Transistoren verstärkt werden können. Die Messungen geben auch Auskunft über mögliche
Verstärkungsfaktoren.
Beim Aufbau ist auf die Polung des Transistors zu achten, außerdem sollten die Meßgeräte
intakt sein. Für den Versuchsaufbau werden ca. drei oder vier Minuten gebraucht, pro
Versuch muß man inklusive der Aufzeichnung der Meßergebnisse mit etwa sechs bis sieben
Minuten rechnen.
18
6) Quellenverzeichnis

M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik

Lewisch: Physik in Alltag und Technik 3

Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit Physik 4

Albrecht e.a.: Von der Physik 4

Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4
Abbildungsverzeichnis:












Abbildungen 1 – 2: Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit
Physik 4, S 29 f.
Abbildungen 3 – 4: Paill, Schmut, Wahlmûller: Physik 4, S 28
Abbildungen 5 – 6: Paill, Schmut, Wahlmûller: Physik 4, S 27
Abbildung 7: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik
Abbildung 8: Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, S 27
Abbildungen 9 – 10: Schulversuchspraktikum
Abbildung 11: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik
Abbildungen 12 – 13: Schulversuchspraktikum
Abbildungen 14 – 16: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik
Abbildung 17: Albrecht e.a.: Von der Physik 4
Abbildung 18: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik
Abbildungen 19 – 22: Schulversuchspraktikum
19
7) Anhang: Arbeitsblätter
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21
Arbeitsblatt – Transistor als Verstärker (Schülerversuch)
Baue eine Schaltung gemäß der folgenden Abbildung auf:
Der Basisstrom wird mit dem Amperemeter mit Meßbereich 30 mA gemessen, der
Kollektorstrom mit dem anderen Amperemeter mit Meßbereich 100 mA.
Versuch: Miß den Kollektorstrom und den Basisstrom mit dem Widerstand mit 10 k. Trage
die Meßergebnisse in die Tabelle ein!
Spannungsquelle [V]
6
8
10
Basisstrom [mA]
Kollektorstrom [mA]
Tausche nun den Widerstand aus und setze jenen mit 47 k ein.Wiederhole den Versuch und
notiere wiederum die Meßergebnisse in der nächsten Tabelle!
Spannungsquelle [V]
6
8
10
Basisstrom [mA]
Kollektorstrom [mA]
Wie ändern sich die Basisströme und wie die Kollektorströme?
Spannungsquelle
[V]
6
8
10
Basisstromänderung Kollektorstromänderung Stromverstärkungsfaktor
[mA]
[mA]
Den Stromverstärkungsfaktor erhält man durch Division von Kollektorstromänderung durch
Basisstromänderung.
Erkenntnis: Kleine Änderungen des Basisstroms bewirken viel größere Änderungen des
Kollektrostroms. Der Transistor ist ein Verstärker!
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