Demonstrationsexperiment WS 2009_Purucker 1

Demonstrationsexperiment WS 2009/10
Thema: Der Transistor als Schalter
Katrin Stumpf, Sarah Zinke, Sebastian Purucker
18.01.2010
1. Vorarbeiten
1.1 Materialliste
Es sollten folgende Geräte/Bauteile bereitgelegt werden
1 npn Transistor (z.B. 2N3055)
1 Widerstand 8kΩ
1 Widerstand 100Ω
1 Schalter
1 Glühlame
6 Kabel mit Bananenstecker
1 Netzgerät 5V, DC stabilisiert
1.2 Mögliche Bedienfehler
Es ist darauf zu achten, dass zwischen Basis und Anode ein Widerstand geschaltet ist, da der
Transistor sonst durchbrennen kann.
1.3 Erzielbare Genauigkeit
Da der Versuch nur qualitativ betrachtet wird, ist die Genauigkeit nicht relevant. Es besteht
allerdings die Möglichkeit den Basis-Emitter-Strom und den Kollektor-Emitter-Strom zu
messen, wodurch man den Versuch auch quantitativ betrachten kann. Allerdings ist auch hier
die Genauigkeit nicht relevant, da es nur darum geht, wann ein Kollektor-Emitter-Strom fließt.
1.4 Gerätealternativen
Falls dem Lehrer in der Schule kein Netzgerät mit stabilisierter Gleichspannung zur
Verfügung steht, kann man dieses auch durch Batterien bzw. Akkus ersetzen. Die Glühlampe
kann außerdem durch ein Strommessgerät ersetzt werden.
2. Motivation
Um die Schüler für diesen Versuch zu motivieren, kann man zu beginn der Schulstunde
folgenden Versuch präsentieren:
Diese Schaltung wird auf einem Steckbrett so aufgebaut, dass sich der LDR neben dem
Glühlämpchen befindet. Dieses Brett wird dann mit Hilfe einer Halterung senkrecht montiert.
Der Lehrer behauptet dann in der Stunde, dass er ein Glühlämpchen mit Hilfe eines
Feuerzeugs / Streichholzes „anzünden“ kann. Da die meisten Schüler dies nicht glauben, muss
der Lehrer dies beweisen, indem er ein brennendes Streichholz neben das Glühbirnchen (über
der LDR) hält, wodurch der Widerstand im LDR kleiner wird. Hierdurch wird wiederum das
Potential an der Basis des npn-Transistors größer, wodurch ein Basis-Emitter-Strom und
somit auch ein Kollektor-Emitter-Strom fließt. Als folge hieraus leuchtet das Glühlämpchen.
Man kann bei diesem Versuch sozusagen das Lämpchen „anzünden“. (siehe Quelle 1)
3. Versuchsbeschreibung
3.1 Schaltplan
3.2 Versuchsdurchführung
Die obige Schaltung wird auf einem senkrecht stehenden Steckbrett aufgebaut. Hierzu wird
der Pluspol des Netzgerätes mit einem freien Punkt an der oberen Seite des Steckbrettes
verbunden. Der negative Pol hingegen wird hingegen auf der Unterseite des Brettes
angebracht. An diesen Punkten werden dann anschließend die Potentiale für den Versuch
abgegriffen.
Wird der Schalter dieses Versuchsaufbaus geschlossen, ist das Potential der Basis des
Transistors größer als das des Emitters, wodurch es zum Stromfluss zwischen diesen beiden
Anschlüssen des Transistors kommt. Hierdurch wird auch der Kollektor-Emitter-Stromkreis
geschlossen, weshalb das Lämpchen leuchtet. Der Transistor ist demnach auf „ein“ geschaltet,
wenn an seiner Basis ein höheres Potential als am Emitter anliegt.
4. Lernvoraussetzungen
1. Die Schüler sollen wissen, dass ein Widerstand den Strom begrenzt und dass daran
Spannung abfällt.
2. Die Schüler sollen wissen, dass Strom nur fließen kann, wenn der Stromkreis
geschlossen ist.
3. Schüler sollen die Funktionsweise einer Diode mit Hilfe von p-n-Übergängen erklären
können.
4. Die Schüler sollen das Wassermodell des elektrischen Stromes kennen.
5. Lernziele
5.1 Grobziel
Die Schüler sollen wissen, wie ein Transistor als Schalter im elektrischen Stromkreis
einsetzen kann und wie man seine Funktionsweise mit Hilfe des Wassermodells und p-nÜbergängen erklären kann..
5.2 Feinziele
1. Die Schüler sollen erkennen, dass der npn-Transistor in obiger Schaltung einen
Schalter darstellt.
2. Die Schüler sollen das Schaltsymbol eines npn-Transistors kennen.
3. Die Schüler sollen die Begriffe „Kollektor“, „Basis“ und „Emitter“ kennen und diese
den Anschlüssen eines Transistors zuordnen können und das Ersatzschaltbild eines
npn-Transistors kennen.
4. Schüler sollen die Funktionsweise eines npn-Transistors mit Hilfe von p-nÜbergängen erklären können.
5. Die Schüler sollen Kenntnis vom Wassermodell des Transistors haben.
6. Die Schüler sollen wissen, dass die Basis eines npn-Transistors positiv gegenüber dem
Emitter sein muss, damit ein Kollektor-Emitter Strom fließen kann.
6. Übergeordneten Unterrichtsthema
Bezug zur Unterrichtseinheit: Gymnasium G8, 9. Klasse: 9.4 Profilbereich am NTG
„Halbleiter und Mikroelektronik: einfaches Modell eines Halbleiters […] Transistor als
Schalter“
(Quelle 4)
7. Experimentelle Alternativen
Als Alternative zu dem oben genannten Experiment könnte man auch folgende Schaltung
verwenden:
Es werden dann U1 und U2 getrennt voneinander variiert und beobachtet, bei welchen
Einstellungen das Lämpchen leuchtet.
Hierbei liegt der Vorteil darin, dass man U1 = UBE sehr einfach variieren und sogar größer als
U2 = UCE machen kann. Allerdings benötigt man für diesen Versuch zwei stabilisierte
Gleichspannungsquellen.
8. Mögliche bzw. notwendige Modifikation des Demonstrationsexperiments bei Einsatz
als Gruppenexperiment
Es wäre ratsam im Steckgehäuse des Transistors an die Basis einen Widerstand anzulöten,
damit der Transistor nicht durchbrennt, wenn der Widerstand vor der Basis von den Schülern
weggelassen wird. Möchte man diese Bauteile nicht extra umlöten, ist es wichtig, dass die
Schüler wissen, dass sie auf keinen Fall vergessen dürfen vor die Basis des Transistors einen
Widerstand einzubauen.
Verfahren fehlt
9. Unterrichtsverfahren
9.1 Sozialformen
Gruppenarbeit mit Demonstrationsexperiment
9.2 Lehrformen
Anfangs fragend-entwickelnd, später entdeckend
9.3 Lernformen
In der Gruppe erarbeitend, antwortend-erarbeitend
10. Sicherung der Lernziele
Die Schüler sollen das Schaltbild des Demonstrationsexperiments in ihr Heft übernehmen.
Außerdem sollen die Schüler am Transistor die Buchstaben C,B und E für Kollektor, Basis
und Emitter ergänzen.
Hefteintrag:
Für diesen Versuch verwenden wir einen (npn-)Transistor, welcher drei Anschlüsse hat.
Diese nennt man Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E).
Beobachtung:
Bei geöffnetem Schalter leuchtet das Lämpchen nicht. => Es fließt kein Strom durch das
Lämpchen und somit auch nicht vom Kollektor zum Emitter.
Wird der Schalter geschlossen, beginnt das Lämpchen zu leuchten. => Es fließt nun Strom
durch das Lämpchen. Der Kollektor-Basis-Stromkreis wurde demnach geschlossen.
Ersatzschaltbild eines npn-Transistors:
(Quelle 3)
Arbeitsauftrag:
Die Schüler sollen sich anhand des Ersatzschaltbilds des npn-Transistors in Gruppen
überlegen, wie die Funktionsweise des Transistors (p-n-Übergänge) zu erklären ist. Außerdem
sollen die Schüler mit Hilfe eines Experimentierkastens feststellen, welche Bedingungen
gelten müssen, damit ein Kollektor-Emitter-Strom fließen kann. Anschließend werden die
Ergebnisse besprochen und folgendermaßen festgehalten:
Modellvorstellung:
Durch Schließen des Basis-Emitter-Stromkreises wird die Basis-Emitter-Diode leitend.
Hierdurch „wandern“ Elektronen aus dem Emitter in die Basis. Da die Basis jedoch sehr
klein ist, können viele dieser Elektronen (ca. 99%) sogar die Kollektor-Basis-Sperrschicht
erreichen. Von hier aus werden sie dann aufgrund der am Kollektor angeschossenen positiven
Spannung „abgesaugt“.
Ist die Basis (B) positiv gegenüber dem Emitter (E), so kann vom Kollektor zum Emitter
Strom fließen.
Erklärung mit Hilfe des Wassermodells des elektrischen Stroms:
(Quelle 2)
Durch schließen des Basis-Emitter-Kreises fließt Wasser durch die Basis und bewegt eine
klappe, die wiederum mit einem Schließmechanismus verbunden ist, wodurch der Durchgang
beim Kollektor sich ebenfalls öffnet. Hierdurch kann auch Wasser vom Kollektor zum Emitter
fließen.
11. Lernzielkontrolle
Für die Lernzielkontrolle könnte man einen Schüler das Schaltsymbol eines Transistors an die
Tafel zeichnen lassen. Anschließend soll ein anderer Schüler die Namen der Anschlüsse
nennen. Nun trägt man an Kollektor, Basis und Emitter verschiedene Potentiale an und lässt
einen weiteren Schüler entscheiden, ob zwischen Kollektor und Emitter Strom fließen kann.
Bsp.:
12. Misskonzepte
- Die Schüler könnten denken, dass die Basis negativ gegenüber dem Kollektor sein muss.
Quellen
1. http://www.friedrich-verlag.de/pdf_preview/d513040_3133.pdf (aufgerufen
28.12.2009, 16.32)
2. http://www.brucewilles.de/grundlagen.html (aufgerufen 28.12.2009, 17.12)
3. http://de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor (aufgerufen 29.12.2009, 11.05)
4. http://www.isb-gym8lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26438 (aufgerufen
02.01.2010)