Grundlagen
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GRUNDLAGENLABOR 1(15) Fachbereich Systems Engineering Grundlagen - Labor Praktikumsübung Laborversuch GL-24 / Bipolar-Transistor, MOSFET, J-FET Kennlinien und Anwendungen Versuchsziele: • Kennenlernen von Eigenschaften und Verhalten der Bauelemente Transistor und FET, • Ermitteln von Kennlinien, Arbeitspunkteinstellung • Anwendungsbeispiele: --- Transistor und MOSFET als Schaltverstärker --- J-FET als steuerbarer Widerstand --- Konstantstromquelle mit J-FET Die mit (VA) gekennzeichneten Vorbereitungsaufgaben sind vor Praktikumsbeginn zu bearbeiten und im Protokoll zu dokumentieren. ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 2(15) 1. Bipolar –Transistor – Kennlinien und Anwendungen 1.1 (VA) Simulation des Ausgangskennlinienfeldes mit „Multisim“: Simulieren Sie mit Hilfe des Programms „MultiSim“ das Ausgangskennlinenfeld des Transistors 2N2222A für Stromsteuerung IC = f(UCE, IB=konst). Verwenden Sie dazu nachfolgende Messschaltung und Analyse-Einstellungen: IC (mA) PVmax IB UCE(V) a) Wählen Sie geeignete Werte für IB und stellen Sie 10 Kennlinien in den Bereichen IC = 0 – 1A und UCE = 0 – 40V dar . b) Zeichnen Sie (mit Hilfe der beiliegenden Datenblätter) in das Kennlinienfeld den zulässigen Arbeitbereich des Transistors 2N2222A ein. (Area of Save Operation ) 1.2 (VA) Arbeitpunkteinstellung: Gegeben ist nachfolgende einfache Arbeitpunkteinstellung (Transistor als Verstärker) mit Hilfe eines Basisvorwiderstand RB. ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 3(15) IC(A) RB + 11V RC IB(A) UCE(A) a) Dimensionieren Sie (mit Hilfe der beiliegenden Datenblätter) die Widerstände RC und RB für eine Verstärkerschaltung (d.h.: der Arbeitspunkt soll in der Mitte des Ausgangskennlinienfeldes liegen) wobei ICmax = 50mA , UBE(A) = 0,7V und UB = 11V betragen soll. Die Stromverstärkung beträgt B ≈ 200 Æ siehe beiliegende Datenblätter (B wird in den Datenblättern mit hFE (current gain) angegeben!) b) Zeichen Sie den Arbeitpunkt (incl. Widerstandsgerade) im Ausgangskennlinienfeld ein. (zoomen Sie dafür den Kennlinienbereich IC = 0 – 70 mA und UCE = 0 – 12 V) 1.3 Messung der Arbeitpunkteinstellung a) Überprüfen Sie vor dem Messbeginn mit Hilfe eines Multimeters die Funktionstüchtigkeit des verwendeten Transistors. b) Bauen Sie die Schaltung aus Aufgabe 1.2 mit den von Ihnen berechneten Bauteilwerten auf und überprüfen Sie die Arbeitpunkteinstellung. Messen Sie die „tatsächlichen“ Strom- und Spannungsverhältnisse und dokumentieren Sie in tabellarischer Form die Messwerte für IC(A), UCE(A), IB(A), UBE(A), und B(A) . Vergleichen Sie die Messwerte mit den Werten Ihrer Berechnung. c) Berechnen Sie die Verlustleistung PV(A) die im Transistor in Wärme umgesetzt wird. d) Untersuchen Sie das Verhalten des Arbeitspunktes bei Temperatureinfluss 1.4 Der Bipolar-Transistor als Schalter (Schaltverstärker): Der Transistor 2N2222A soll nun mit einer Eingangsspannung von UE = 5 V Ein- bzw. Ausgeschaltet werden. Im eingeschalteten Zustand soll der Transistor vollständig „aufzusteuern“ Æ damit ICmax = 50mA fließt. Berechnen Sie mit der aus Aufgabe 1.3 eruierten „tatsächlichen“ Stromverstärkung B(A) den dafür notwendigen Basisstrom IB(A) bzw. den notwendigen Basisvorwiderstand RB. UBE(A) = 0,7V ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 4(15) + 11V IC(A) RC UE RB 5V IB(A) UE UA t Bauen Sie die Schaltung mit den von Ihnen berechneten Bauteilwerten auf und a) messen Sie die Ausgangsspannung UA (bzw. die Restspannung UCE Rest (UCE sat)) bei UE = 0V und bei UE = 5V, die an der Kollektor-Emitterstrecke abfällt und berechnen Sie die Verlustleistung PV des Transistors im eingeschalteten Zustand. b) Betreiben Sie nun den Transistor im „Übersteuerungszustand“ mit einem Übersteuerungsfaktor von ü = 5 ( Æ 5–facher Basisstrom). Messen Sie erneut die Ausgangsspannung UA (Restspannung UCE Rest (UCE sat)) die in diesem Betriebsfall an der Kollektor-Emitterstrecke abfällt und berechnen Sie neuerlich die Verlustleistung PV . c) Stellen Sie beide Arbeitpunkte im Ausgangskennlinienfeld dar, vergleichen Sie die Verlustleistung beider Betriebsfälle und diskutieren Sie die Ergebnisse. d) Untersuchen Sie das dynamische Schaltverhalten des übersteuerten Transistors bei einer Schaltfrequenz von 200 kHz. Durch welche Maßnahmen kann die Ausschaltverzögerung reduziert werden? 2. MOSFET –Transistor – Kennlinien und Anwendungen 2.1 Messung der Steuerkennlinie ID= f(UGS, UDS=konst) eines selbstsperrenden n-Kanal MOSFET – Transistor vom Typ IRF610 Messschaltung: IRF 610 UGS UDS = 15V RG = 10kΩ ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 5(15) a) Wählen Sie geeignete Werte für UGS und ermitteln Sie die Steuerkennlinie des MOSFET-Transistors für eine konstante Drain-Source-Spannung von UDS = 15V. Stellen Sie die gemessenen Werte in einem Diagramm ID = f (UGS) dar und vergleichen Sie Ihre Kennlinie mit der Kennlinie im Datenblatt des Herstellers. Dokumentieren Sie etwaige Abweichungen. b) Bestimmen Sie den Wert der Thresholdspannung (Mindest-Gatespannung) UT c) Ermitteln Sie für die Kennlinienmitte die Steilheit S. S= ∆I D ∆U GS (UDS = konstant) S = [mA / V ] 2.2 MOSFET als Schalter: An Stelle des Bipolar-Transistors 2N2222A aus Aufgabe 1.4 soll nun der selbstsperrende n-Kanal MOSFET – Transistor vom Typ IRF610 als Schalter verwendet werden. RL = 220Ω +UB IRF 610 UE RG = 10kΩ UA a) Messen Sie die Ausgangsspannung UA (bzw. die Restspannung UDS Rest) bei UE = 0V und bei UE = 5V, die an der Drain-Sourcestrecke abfällt und berechnen Sie die Verlustleistung PV des Transistors im eingeschalteten Zustand. b) Untersuchen Sie das dynamische Schaltverhalten des MOSFET-Transistors bei einer Schaltfrequenz von 10 kHz und 100kHz. Durch welche Maßnahme kann das Ein- und Ausschaltverhalten bei höheren Frequenzen verbessert werden? c) Listen Sie die Vor- und Nachteile des Bipolar- bzw. MOSFET-Transistors als Schalter auf. ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 6(15) 3. J-FET –Transistor als steuerbarer Widerstand 3.1 (VA) Steuerkennlinie eines Sperrschicht-FET Simulieren Sie mit Hilfe des Programms „PSpice“ die Steuerkennline ID = f (-UGS, UDS=konst) des J-FET Transistors J2N3819 für eine konstante Drain-Source-Spannung von UDS = 15V. Bestimmen Sie den Wert der Abschnürspannung UP. 3.2 J- FET (BF245C) als steuerbarer Widerstand Der Kanalwiderstand RDS eines FET´s hängt stark von der Gate – Source - Spannung UGS ab und lässt sich je nach FET-Typ zwischen 101 – 109 Ω variieren. Wird ein Festwiderstand RV entsprechend nachfolgender Schaltung mit dem veränderbaren Kanalwiderstand eines J-FET´s von Typ BF 245C in Reihe geschaltet, so entsteht ein Spannungsteiler, dessen Ausgangsspannung sich über UGS leistungslos verändern lässt. +UB RV 10 kΩ UB = 20 V RV = 560 Ω BF 245C RDS -UGS Ua 8,2V a) In welchem Bereich kann die Ausgangsspannung Ua mit Hilfe von –UGS variiert werden? Stellen Sie Ihre Messwerte in einem Diagramm Ua = f (–UGS) dar. b) Berechnen Sie jeweils für die Messwerte von -UGS den dazugehörigen Drain-SourceWiderstand RDS und stellen Sie den Verlauf von RDS = f (-UGS) in einem Diagramm dar ( log. Skalierung von RDS ). 3.3 Konstantstromquelle mit FET (Optional) Mit FET -Transistoren lassen sich besonders einfach Konstantstromquellen realisieren. Ausgenutzt wird dabei der große Ausgangswiderstand rDS von FET´s bei Betrieb im Abschnürbereich. (Æ UDS hat nur einen kleinen Einfluss auf die Größe von ID ). Bei der nachfolgenden Schaltung wird UGS durch den Source -Widerstand RS erzeugt. ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 7(15) Dimensionierung: Die Gate – Source –Spannung UGS wird meist so gewählt, dass der Arbeitspunkt in der Mitte der Steuerkennlinie liegt. Aus dieser Kennlinie kann auch ermittelt werden, welche UGS für einen bestimmten Laststrom IL erforderlich ist. +UB = 10V ID IL = ID = −U GS RS −U GS = I D .RS RS IL RL Regelvorgang: Steigt z.B. der konstant zu haltende Laststrom IL geringfügig an, so steigt auch der Spannungsabfall an RS an. Dadurch wird die Gatespannung UGS negativer und bewirkt, dass der Drainstrom wieder auf den ursprünglichen Wert absinkt. Ein gegensätzlicher Regelvorgang läuft ab, wenn IL geringfügig kleiner wird. 5mA-Konstantstromquelle mit BF 245C: a) Ermitteln Sie (mit Hilfe der beiliegenden Datenblätter des BF245C) aus der Steuerkennlinie die notwendige Gate–Source-Spannung UGS für einen Laststrom IL von 5mA und berechnen Sie daraus den Widerstand RS. b) Untersuchen Sie das Verhalten der Konstantstromquelle, wenn der Lastwiderstand RL in einem Bereich von 0 – 2 KΩ variiert wird. Stellen Sie den Verlauf von IL = f (RL) in einem Diagramm dar und erklären Sie das Verhalten der Schaltung. (UB = 10V) ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 8(15) Datenblätter zu 2N2222, IRF 610 und BF 245: ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 9(15) ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 10(15) ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 11(15) ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 12(15) Datenblätter zu IRF 610: ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 13(15) ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 14(15) Datenblätter zu BF 245C: ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc GRUNDLAGENLABOR 15(15) ___________________________________________________________________________ 03.03.2008 GL-24_UNI.doc
