Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

Verbundstudiengang
Wirtschaftsingenieurwesen
(Bachelor)
Praktikum Grundlagen der
Elektrotechnik und Elektronik
Versuch 6
Untersuchungen an einem
bipolaren Transistor
Teilnehmer:
Name
Vorname
Matr.-Nr.
Datum der Versuchsdurchführung: __________________
1
Untersuchungen an einem
bipolaren Transistor
Grundlagen
1.
Aufbau eines bipolaren Transistors
Ein bipolarer Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das aus drei unterschiedlich dotierten
Schichten in der Reihenfolge PNP oder NPN besteht. Meistens verwendet man die
Reihenfolge NPN nach Bild 1a.
E
a)
E
C
N
P
B
C
N
b)
B
Bild 1: a) Schichtenfolge eines NPN-Transistors,
b) zugehöriges Schaltzeichen des Transistors
Die linke Schicht (N+) ist relativ stark N-dotiert. In der Mitte befindet sich eine weniger stark
P-dotierte Schicht (P). Sie wird sehr dünn ausgeführt. Rechts schließt sich eine schwach
N-dotierte Schicht (N-) an. Die mit den Schichten verbundenen elektrischen Anschlüsse
heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Bild 1b zeigt das für diesen Transistor
verwendete Schaltzeichnen.
2.
Anwendung und Arbeitsweise eines bipolaren Transistors
Bei der Anwendung eines Transistors muss dieser stets mit Spannungen versorgt werden.
Eine dabei häufig eingesetzte Schaltung (Grundschaltung) zeigt Bild 2a. Sie wird als
Emitterschaltung bezeichnet. In der Anordnung wird durch die links vorhandene
Spannungsquelle ein Basisstrom IB eingespeist. Dieser hat zur Folge, dass rechts ein
Kollektorstrom IC auftritt, der um ein Vielfaches (zum Beispiel um den Faktor 100) größer ist
als IB. Der Strom IC ist nahezu unabhängig von der Höhe der Spannung UCE (vergl. Bild 2a).
Ändert man IB, so zeigt sich, dass IC und IB etwa einander proportional sind. Das beschriebene
Verhalten des Transistors bedeutet, dass dieser zur Verstärkung eines Stromes verwendet
werden kann. In Bild 2a stellt IB den zu verstärkenden Strom dar, und IC ist der verstärkte
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Strom. Die Verstärkung eines Stromes ist beispielsweise in einer Lautsprecheranlage
notwendig. Hier werden im Mikrofon akustische Signale in elektrische Spannungen
umgeformt. Ein Mikrofon kann jedoch keinen so hohen Strom liefern, dass hierdurch in
einem Lautsprecher hörbare akustische Signale entstehen. Daher muss der Strom verstärkt
werden.
RC
IC
IB
IC
IB
UCE
a)
UB
b)
Bild 2: a) Anwendung eines Transistors als Stromverstärker,
b) Anwendung eines Transistors als Schalter
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für einen Transistor ergibt sich aus Bild 2b. Hier dient
der Transistor als Schalter, mit dem der Strom IC ein- und ausgeschaltet werden kann. Der
Transistor ist dann ausgeschaltet, wenn ihm kein Basisstrom IB zugeführt wird. Er stellt in
diesem Fall somit einen ausgeschalteten Schalter dar, und IC ist gleich Null. Speist man
jedoch einen Basisstrom IB (mit einem bestimmten Mindestwert) ein, so verhält sich der
Transistor wie ein eingeschalteter Schalter, und es gilt in Bild 2b (nahezu) IC = UB/RC.
3.
Transistor-Kennlinien
Die Eigenschaften eines Transistors lassen sich durch die Darstellung von Strom-SpannungsKennlinien angeben. Zur Aufnahme solcher Kennlinien dient die Schaltung nach Bild 3a.
IC
PV = konst.
IB
UCE = konst.
IC
IB
IB
UCE
UCE = konst.
UBE
a)
UCE
b)
UBE
Bild 3: a) Emitterschaltung, b) zugehöriges Mehrfach-Kennlinienfeld
3
Bild 3b zeigt eine häufig verwendete Kennliniendarstellung. Dort sind im ersten Quadranten
des Koordinatensystems die Kennlinien IC = f(UCE) mit IB als Parameter eingetragen. Man
spricht bei diesen Kennlinien auch vom Ausgangs-Kennlinienfeld. Der zweite Quadrant
enthält die Kennlinie IC = f(IB) bei konstanter Spannung UCE. Diese Kennlinie heißt
Stromverstärkungskennlinie. Im dritten Quadranten ist die Kennlinie IB= f(UBE) bei
konstanter Spannung UCE angegeben. Diese Kennlinie nennt man Eingangskennlinie. Die
gesamte in Bild 3b angegebene Darstellung bezeichnet man auch als MehrfachKennlinienfeld.
Damit sich der Transistor nicht unzulässig stark erwärmt, darf die im Transistor in Wärme
umgesetzte Leistung (Verlustleistung) PV = UCE·IC (Bild 3a) einen bestimmten Wert nicht
überschreiten. Im Ausgangs-Kennlinienfeld kann man dazu, so wie in Bild 3b im ersten
Quadranten dargestellt, eine Grenzkurve PV = UCE·IC = konst. eintragen, wobei PV die
zulässige Verlustleistung darstellt. Diese Grenzkurve wird als Verlustleistungshyperbel
bezeichnet. Sie darf beim Betrieb eines Transistors nicht überschritten werden.
4.
Die Transistorschaltung als Wechselspannungsverstärker
Soll eine Transistorschaltung statt eines Stromes eine Spannung verstärken, so muss zunächst
nach Bild 4a in die Transistorschaltung ein Kollektorwiderstand RC eingefügt werden. Er hat
zur Folge, dass sich die Betriebsspannung UB auf den Widerstand RC und die KollektorEmitter-Strecke des Transistors aufteilt. Es stellt sich die Frage, wie diese Aufteilung erfolgt.
IC
IC
UB
RC
RC
IB
UCE
UB
ICA
Widerstandsgerade
I B4
A
IB3
I B2
I B1
a)
b)
UCEA UB
UCE
Bild 4: a) Emitterschaltung mit Kollektorwiderstand RC,
b) zugehöriges Ausgangs-Kennlinienfeld mit Widerstandsgerade
Zur Beantwortung dieser Frage gehen wir von der sich aus Bild 4a ergebenden Gleichung
IC =
U B − U CE U B U CE
=
−
RC
RC
RC
aus. Sehen wir hierin die Größen UCE und IC als Variable an, so liegt eine Funktion von der
Form IC = f(UCE) vor, die zudem eine Gradengleichung darstellt. In Bild 4b ist diese Gerade
eingetragen. Sie wird als Widerstandsgerade bezeichnet. Wird jetzt in der Schaltung nach
Bild 4a beispielsweise ein Basisstrom IB = IB2 (vergl. Bild 4b) eingespeist, so stellt sich in
Bild 4b der Arbeitspunkt A ein. Das bedeutet, dass am Transistor die Spannung UCE = UCEA
liegt, und dass der Kollektorstrom IC = ICA beträgt.
Wird die in Bild 4a dargestellte Schaltung so erweitert, dass die Schaltung nach Bild 5a
entsteht, erhält man eine Anordnung zur Verstärkung von Wechselspannungen. In Bild 5a ist
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ue die zu verstärkende Wechselspannung, während ua die verstärkte Wechselspannung ist. Für
die zu verstärkende Wechselspannung (Eingangsspannung) ue wird nachfolgend ein
sinusförmiger Verlauf gewählt. Aus Bild 5b ist ersichtlich, wie der Verstärkung der Spannung
ue in der Schaltung vor sich geht, und wie der Verlauf der verstärkten Spannung
(Ausgangsspannung) ua ermittelt werden kann. Teilt man die Spannung uass durch die
Spannung uess, so erhält man die Wechselspannungsverstärkung (uss = „Spannung SpitzeSpitze“). Die Wechselspannungsverstärkung beträgt somit
vU =
u ass
.
u ess
RC
IB
UCE
UB
ua
UBE
ue
IC
a)
IC
UB
RC
IB
A
A
IB
2π ωt
A
u ess
0
2π ωt
ue
b)
UCE
ua
0
UB
U BE
u ass
Bild 5: a) Schaltung zur Verstärkung einer Wechselspannung
b) Darstellung des Verstärkungsvorganges im Mehrfach-Kennlinienfeld (A = Arbeitspunkt)
5
Versuchsdurchführung
IC
A
IB
V
A
RC
IB
UCE
UB
V
V
UBE
a)
UCEA
b)
Bild 6: a) Schaltung zur Aufnahme des Mehrfach-Kennlinienfeldes
b) Schaltung zur Ermittlung der Kollektor-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt
1.
Ermittlung der Verlustleistungshyperbel
Tragen Sie in das beiliegende Koordinatenkreuz die Verlustleistungshyperbel für eine
zulässige Transistor-Verlustleistung von PV = 100 mW ein (vergl. Bild 3b). Bestimmen
Sie dazu zunächst Wertepaare unter Verwendung der nachstehenden Tabelle.
UCE in V
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
I C = PV U CE in mA
Tragen Sie die Werte in den ersten Quadranten des Koordinatenkreuzes ein und
verbinden Sie die Punkte. Beschriften Sie die Kennlinie mit PV = 100 mW.
2.
Aufnahme der Ausgangskennlinien
Es sind mit Hilfe der Schaltung nach Bild 6a die Ausgangskennlinien IC = f(UCE) für die
Basisströme IB = (30, 40, 50, 60, 70) µA im Bereich UCE = (0 . . . 7) V aufzunehmen.
Tragen Sie die Werte direkt in das beiliegende Koordinatenkreuz ein und beschriften Sie
die Kennlinien mit den betreffenden Basisströmen. Benutzen Sie zur Messung des
Kollektorstromes beim Amperemeter einheitlich einen Messbereich von 20 mA.
3.
Eintragen der Widerstandsgeraden und Festlegung des Arbeitspunktes
Tragen Sie in das Ausgangs-Kennlinienfeld die Widerstandsgerade für RC = 350 Ω und
UB = 7,0 V ein (vergl. Bild 4b). Kennzeichnen Sie nach Bild 4b den Arbeitspunkt A
unter der Voraussetzung, dass ein Basisstrom von IB = 40 µA eingespeist wird.
4.
Ermittlung der Kollektor-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt
Ermitteln Sie sowohl messtechnisch (in der Schaltung nach Bild 6b mit RC = 350 Ω,
UB = 7,0 V und IB = 40 µA) wie auch aus dem Ausgangs-Kennlinienfeld (entsprechend
Bild 4b bei den gleichen Werten) die im Arbeitspunkt vorhandene Kollektor-EmitterSpannung UCEA. Tragen Sie die Ergebnisse in die nachstehende Tabelle ein.
messtechnisch
UCEA
aus dem Kennlinienfeld
6
5.
Ermittlung der Stromverstärkungskennlinie
Entnehmen Sie aus dem Ausgangs-Kennlinienfeld bei einer Kollektor-Emitter-Spannung
von UCE = UCEA (siehe Aufgabe 4) Wertepaare von IB und IC zur Darstellung der
Stromverstärkungskennlinie. Tragen Sie die Werte direkt in den zweiten Quadranten des
beiliegenden Koordinatenkreuzes ein, und verbinden Sie die Punkte. Beschriften Sie die
Kennlinie mit dem entsprechenden UCEA-Wert.
6.
Ermittlung der Eingangskennlinie
Es ist mit Hilfe der Schaltung nach Bild 6a die Eingangskennlinie IB = f(UBE) bei
UCE = UCEA im Bereich IB = (10 . . . 70) µA aufzunehmen und in den dritten Quadranten
des beiliegenden Koordinatenkreuzes einzutragen.
7.
Messtechnische Bestimmung der Wechselspannungsverstärkung
RC
IB
UB
V
V
Ua
Ue
Bild 7: Schaltung zur Ermittlung der Wechselspannungsverstärkung
Ermitteln Sie mit Hilfe der Schaltung nach Bild 7 die Wechselspannungsverstärkung.
Stellen Sie dazu bei einer Betriebsspannung von UB = 7,0 V einen Basisstrom von
IB = 40 µA ein. Verwenden Sie eine sinusförmige Eingangsspannung mit der Frequenz
f = 1 kHz und einem Effektivwert von Ue = 10 mV. Messen Sie die Ausgangsspannung
Ua und ermitteln Sie die Wechselspannungsverstärkung, indem Sie das Ergebnis für Ua
nachstehend eintragen und die Wechselspannungsverstärkung wie folgt berechnen:
vU =
8.
Ua
=
Ue
10 mV
=
Bestimmung der Wechselspannungsverstärkung aus dem MehrfachKennlinienfeld
Konstruieren Sie entsprechend der Darstellung nach Bild 5b mit uess = 28,3 mV im
aufgenommenen Mehrfach-Kennlinienfeld den Verlauf der Ausgangsspannung ua.
Verwenden Sie für ωt den Maßstab 2π =ˆ 3 cm. Ermitteln Sie uass und bestimmen Sie die
Wechselspannungsverstärkung, indem Sie das Ergebnis für uass nachstehend eintragen
und die Wechselspannungsverstärkung wie folgt berechnen:
vU =
u ass
=
u ess
28,3 mV
=