Grundschaltungen der Elektronik

Grundschaltungen
der Elektronik
Arbeitsbuch
Mit CD-ROM
D1
R1
UAC1
230 V
50 Hz
UDC
C1
R2
UAC2
D2
230 V / 24 V
UDC
t
Festo Didactic
567289 de
Bestell-Nr.:
Stand:
Autor:
Redaktion:
Grafik:
Layout:
567289
09/2011
Karl-Heinz Drüke
Frank Ebel
Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
09/2011, Frank Ebel, Beatrice Huber
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2011
Internet: www.festo-didactic.com
E-Mail: [email protected]
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten,
soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte
vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen
durchzuführen.
Hinweis
Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch
Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine
geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem
besseren Verständnis der Formulierungen.
Inhalt
Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV
Vorwort
______________________________________________________________________________ V
Einleitung _____________________________________________________________________________ VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII
Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) ______________________________ IX
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik __________________________X
Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XIII
Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik ___________________ XVIII
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder __________________________________________________________ XX
Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XXI
Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XXI
Inhalte der CD-ROM _____________________________________________________________________ XXII
Aufgaben und Lösungen
Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________3
Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21
Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39
Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57
Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73
Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91
Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111
Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129
Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147
Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163
Aufgaben und Arbeitsblätter
Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________3
Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21
Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39
Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57
Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73
Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91
Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111
Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129
Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147
Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
III
Bestimmungsgemäße Verwendung
Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen:
• für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb
• in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand
Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten
sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib
und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.
Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich
Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die
Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die
in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.
Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des
Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes
außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden
vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.
IV
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Vorwort
Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen
Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des
Lernsystems:
• Technologieorientierte Trainingspakete
• Mechatronik und Fabrikautomation
• Prozessautomation und Regelungstechnik
• Mobile Robotik
• Hybride Lernfabriken
Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem
Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.
Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,
Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare
Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.
Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen
Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen
und elektrischen Antrieben möglich.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
V
Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:
• Hardware
• Medien
• Seminare
Hardware
Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und
Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte
der begleitenden Medien angepasst.
Medien
Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die
praxisorientierte Teachware umfasst:
• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)
• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)
• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)
• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)
• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)
Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:
• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)
• Simulationssoftware
• Visualisierungssoftware
• Software zur Messdatenerfassung
• Projektierungs- und Konstruktionssoftware
• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen
Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht
konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.
Seminare
Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und
Weiterbildung ab.
Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?
Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]
Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.
VI
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Einleitung
Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma
Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und
Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) behandelt die
folgenden Themen:
• Grundlagen Gleichstromtechnik
• Grundlagen Wechselstromtechnik
• Grundlagen Halbleiter
• Grundschaltungen der Elektronik
Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik schließt die Reihe der Arbeitsbücher für die Grundlagen
der Elektrotechnik/Elektronik. Vor allem auf die analytische Betrachtung des Zusammenspiels der bereits
aus den ersten drei Grundlagenbüchern bekannten Bauteile wird hier Wert gelegt.
Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet
mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop
und Sicherheits-Laborleitungen.
Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema
Grundschaltungen der Elektronik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser
Aufgaben enthalten die Lehrbücher
• Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und
• Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.
Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Dioden, Transistoren, Messgeräte usw.) zur
Verfügung.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise
Allgemein
• Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen
arbeiten.
• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle
Hinweise zur Sicherheit!
• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt
werden und sind umgehend zu beseitigen.
Elektrik
• Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!
– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts
unterbrochen werden.
– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.
• In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische
Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten.
• In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal
verantwortlich zu überwachen.
• Vorsicht!
Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen
getrennt wurde.
• Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen
Nennstromstärke.
• Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum
gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät
zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.
• Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen,
maximal 25 V DC.
• Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!
• Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab!
• Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.
• Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den
Leitungen.
VIII
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011)
Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand
dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundschaltungen der Elektronik. Einzelne Komponenten
aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.
Wichtige Komponenten des TP 1011
• Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer®
• Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen
• Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
• Komplette Laboreinrichtungen
Medien
Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die
Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Halbleitertechnik. Die
Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen
Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe
wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert.
Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur
Verfügung gestellt.
Medien
Fachbücher
Fachkunde Elektroberufe
Elektrotechnik
Tabellenbuch
Elektrotechnik/Elektronik
Arbeitsbücher
Grundlagen Gleichstromtechnik
Grundlagen Wechselstromtechnik
Grundlagen Halbleiter
Grundschaltungen der Elektronik
Digitale Lernprogramme
WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik
WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise
WBT Elektronik 1 – Grundlagen der Halbleitertechnik
WBT Elektronik 2 – Integrierte Schaltkreise
WBT Elektrische Schutzmaßnahmen
Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011
Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2,
Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme
beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl
fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.
Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren
Katalogen und im Internet.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
IX
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundschaltungen der
Elektronik
X
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 1: Kennwerte von Transistoren
Sie können Transistoren auf Funktion überprüfen.
Sie können die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln.
Sie kennen typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren.
Sie können Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren.
Sie können die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln.
Sie kennen die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung.
Sie kennen die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers.
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 2: Transistorgrundschaltungen
Sie kennen den Unterschied zwischen einem Emitterfolger und einer Emitterschaltung.
Sie erkennen die drei Transistorgrundschaltungen.
Sie können die Spannungsverstärkung von Transistorschaltungen messen.
Sie kennen die typische Spannungsverstärkung der Transistorgrundschaltungen.
Sie wissen, welche Transistorgrundschaltung eine Phasendrehung von180° bewirkt.
Sie wissen, welche Transistorgrundschaltungen nichtinvertierend arbeiten.
Sie können die typischen Eingangs- und Ausgangswiderstände der Grundschaltungen angeben.
Sie können die Eingangs- und Ausgangswiderstände von Verstärkerschaltungen messen.
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 3: Mehrstufige Verstärker
Sie wissen, was eine Darlingtonschaltung ist.
Sie kennen eine komplementäre Darlingtonschaltung.
Sie können Ströme im Nanoamperebereich messen.
Sie wissen, was eine Gegenkopplung ist.
Sie können mit zwei Widerständen den Verstärkungsfaktor programmieren.
Sie wissen, wie man Messsignale im Millivoltbereich erzeugt.
Sie können den Frequenzgang eines Verstärkers aufnehmen.
Sie können die Grenzfrequenzen von Verstärkern ermitteln.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 4: Leistungsverstärker
Sie kennen die Arbeitspunkteinstellung in Schaltungen mit positiver und negativer Betriebsspannung.
Sie können eine Gegenkopplung erkennen.
Sie erkennen, welche Bausteile den Verstärkungsfaktor VU einer Schaltung bestimmen.
Sie erkennen, ob ein Verstärker ein Leistungsverstärker oder ein Spannungsverstärker ist.
Sie erkennen eine Gegentakt-Endstufe.
Sie wissen, was Übernahmeverzerrungen sind.
Sie wissen, wie sich eine Gegenkopplung auf Signalverzerrungen auswirkt.
Sie können den B-Betrieb und den AB-Betrieb einer Endstufe unterscheiden.
Sie können ohne Amperemeter den Ruhestrom einer Endstufe messen.
Sie können die Ausgangsleistung eines Verstärkers ermitteln.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 5: Differenz- und Gleichspannungsverstärker
Sie erkennen die typische Struktur der Differenzverstärkergrundschaltung.
Sie können Ströme in Schaltungen indirekt ermitteln.
Sie kennen die typischen Eigenschaften eines Differenzverstärkers.
Sie können die zwei Kennlinien Uout = f (Uin) des Differenzverstärkers aufnehmen und zeichnen.
Sie kennen den Unterschied zwischen Differenz- und Gleichtaktverstärkung.
Sie wissen, wie eine hohe Gleichtaktunterdrückung erzielt wird und wo man diese Eigenschaft benötigt.
Sie erkennen eine Konstantstromquelle/-senke und können den Konstantstrom berechnen.
Sie wissen, was ein Komparator ist.
Sie können einen Dämmerungsschalter bauen und seine Funktion erklären.
Sie wissen, was eine Mitkopplung ist und was sie bewirkt.
Sie kennen den Aufbau und die typischen Eigenschaften eines Gleichspannungsverstärkers.
Sie wissen Bescheid über Offset und Offset-Abgleich.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 6: Impuls- und Sägezahngeneratoren
Sie erkennen die Grundschaltung des klassischen Astabilen Multivibrators (AMV).
Sie kennen die typischen Eigenschaften eines astabilen Multivibrators.
Sie kennen die Eigenschaften einer Triggerschaltung.
Sie können die Schaltschwellen und die Hysterese einer Triggerschaltung messen und errechnen.
Sie können einen Rechteckgenerator aus einer Triggerschaltung und einem RC-Glied umbauen.
Sie können die Impulsdaten verschiedener Rechteckgeneratoren messen und errechnen.
Sie wissen, was Pulsdauermodulation (PDM, PWM) ist und wo man sie anwendet.
Sie kennen die Eigenschaften einer monostabilen Kippschaltung.
Sie können die Kapazität von Kondensatoren messen.
Sie können die zeitbestimmenden Glieder verschiedener Impulsschaltungen dimensionieren.
Sie wissen, wie ein UNIJUNCTION-Transistor (UJT) arbeitet und wie man ihn testet.
Sie können krumme Sägezahnspannungen in linear ansteigende verwandeln.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
XI
XII
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 7: Sinusgeneratoren
Sie kennen die typischen Eigenschaften eines LC-Schwingkreises.
Sie können die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises messtechnisch und rechnerisch ermitteln.
Sie erkennen einen Schwingkreis in Dreipunktschaltung.
Sie können den Kopplungsfaktor eines Frequenz bestimmenden Schaltungsteiles ermitteln.
Sie können LC-Oszillatoren bauen und in Betrieb nehmen.
Sie können mit Hilfe eines Oszillators die Induktivität unbekannter Spulen bestimmen.
Sie kennen das Prinzip von induktiven Näherungssensoren.
Sie können einen Metalldetektor aufbauen und in Betrieb nehmen.
Sie kennen die Grundschaltung und die Eigenschaften eines Wiengliedes.
Sie kennen den Aufbau eines RC-Sinusgenerators mit Wienglied.
Ihnen ist das Problem der Verstärkungseinstellung in RC-Generatoren vertraut.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 8: Netzteilschaltungen
Sie wissen, welche Aufgabe das Netzteil in elektronischen Geräten hat.
Sie kennen die drei wichtigsten Gleichrichterschaltungen in Netzgeräten.
Sie kennen den Hintergrund der Begriffe Einpuls- und Zweipulsgleichrichter.
Sie wissen, wo in einer Schaltung man den „Ladekondensator“ findet.
Sie können den Innen- oder Ausgangswiderstand von Spannungsquellen bestimmen.
Sie können den Begriff „Referenzspannung“ zuordnen.
Sie wissen, wie ein elektronischer Spannungsregler arbeitet.
Sie können die Ausgangsspannung von Spannungsregelschaltungen berechnen.
Sie kennen die Aufgabe und Funktion einer Strombegrenzung in Netzgeräten.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 9: Gleichspannungswandler
Sie wissen, wie sich der Strom in einer Spule beim Einschalten einer Gleichspannung verhält.
Sie wissen, wie die Spannung an einer Spule beim Ausschalten des Stromes reagiert.
Sie können den Stromverlauf in einer Spule indirekt messen und auf dem Oszilloskop darstellen.
Sie können einen PNP-Transistor an positiver Betriebsspannung als elektronischen Schalter betreiben.
Sie können positive Gleichspannung in negative umformen.
Sie können aus einer kleinen Gleichspannung eine größere machen.
Sie können aus einem Transistor und einem Transformator einen Sperrschwinger aufbauen.
Sie wissen, was eine Ladungspumpe ist.
Sie wissen, wie man die Ausgangsspannung von Spannungswandlern stabilisieren kann.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aufgabe 10: Thyristoren und TRIACs
Sie wissen, wodurch sich das Verhalten eines Thyristors von dem eines Transistors unterscheidet.
Sie können den Begriff SCR oder Steuerbarer Gleichrichter zuordnen.
Sie wissen, unter welcher Bedingung ein Thyristor „zündet“.
Sie wissen, wann ein leitender Thyristor wieder sperrt.
Sie können die Funktion eines Thyristors mit einfachen Mitteln überprüfen.
Sie kennen den Unterschied zwischen einem Thyristor und einem TRIAC.
Sie wissen, wie man Thyristoren potenzialfrei oder isoliert ansteuern kann.
Sie wissen, wie man mit Thyristoren Gleich- und Wechselstrom schalten kann.
Sie kennen die Funktion eines Halbleiterrelais.
Sie sind mit der Funktion einer Phasenanschnittsteuerung vertraut.
Gerätesatz
Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik vermittelt Kenntnisse über den Aufbau, die Funktion und
das Verhalten von Verstärkerschaltungen, Netzteilschaltungen, Kippstufen und Schaltungen der
Leistungselektronik.
Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) enthält alle Komponenten, die für die
Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger
Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter, ein Speicher-Oszilloskop und SicherheitsLaborleitungen benötigt.
Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 571780
Komponente
Bestell-Nr.
Menge
Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
567321
1
Universal-Steckfeld EduTrainer®
567322
1
Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik
567306
1
Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz
571809
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
XIII
Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 567306
Komponente
XIV
Menge
Widerstand, 10 Ω/2 W
1
Widerstand, 22 Ω/2 W
2
Widerstand, 33 Ω/2 W
1
Widerstand, 100 Ω/2 W
2
Widerstand, 220 Ω/2 W
1
Widerstand, 330 Ω/2 W
1
Widerstand, 470 Ω/2 W
2
Widerstand, 680 Ω/2 W
1
Widerstand, 1 kΩ/2 W
3
Widerstand, 2,2 kΩ/2 W
2
Widerstand, 4,7 kΩ/2 W
2
Widerstand, 10 kΩ/2 W
3
Widerstand, 22 kΩ/2 W
3
Widerstand, 47 kΩ/2 W
2
Widerstand, 100 kΩ/2 W
2
Widerstand, 1 MΩ/2 W
1
Potenziometer, 1 kΩ/0,5 W
1
Potenziometer, 10 kΩ/0,5 W
1
Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W
1
Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W
1
Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W
1
Kondensator, 100 pF/100 V
1
Kondensator, 10 nF/100 V
2
Kondensator, 47 nF/100 V
1
Kondensator, 0,1 μF/100 V
2
Kondensator, 0,22 μF/100 V
1
Kondensator, 0,47 μF/100 V
2
Kondensator, 1,0 μF/100 V
2
Kondensator, 10 μF/250 V, gepolt
2
Kondensator, 100 μF/63 V, gepolt
1
Kondensator, 470 μF/50 V, gepolt
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Komponente
Menge
Spule, 100 mH/50 mA
1
Diode, AA118
1
Diode, 1N4007
6
Z-Diode, ZPD 3,3
1
Z-Diode, ZPD 10
1
DIAC, 33 V/1 mA
1
NPN-Transistor, BC140, 40 V/1 A
2
NPN-Transistor, BC547, 50 V/100 mA
1
PNP-Transistor, BC160, 40 V/1 A
1
P-Kanal-JFET-Transistor, 2N3820, 20 V/10 mA
1
N-Kanal-JFET-Transistor, 2N3819, 25 V/50 mA
1
UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647, 35 V/50 mA
1
P-Kanal-MOSFET-Transistor, BS250, 60 V/180 mA
1
Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
TRIAC, TIC206, 400 V/4 A
1
Transformatorspule, N = 200
1
Transformatorspule, N = 600
2
Transformatoreisenkern mit Halter
1
Leuchtmelder, 12 V/62 mA
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, blau
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, rot oder grün
1
Wechsler
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
XV
Grafische Symbole des Gerätesatzes
Komponente
Grafisches Symbol
Komponente
Grafisches Symbol
Widerstand
Z-Diode
Potenziometer
DIAC
Widerstand,
temperaturabhängig (NTC)
NPN-Transistor
Widerstand, lichtabhängig
(LDR)
PNP-Transistor
Widerstand,
P-Kanal-JFET-Transistor
spannungsabhängig (VDR)
U
Kondensator
XVI
N-Kanal-JFET-Transistor
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Komponente
Grafisches Symbol
Komponente
Kondensator, gepolt
UNIJUNCTION-Transistor
Spule
P-Kanal-MOSFET-Transistor
Diode
Thyristor
TRIAC
LED blau
Transformatorspule
LED rot oder grün
Leuchtmelder
Wechsler
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Grafisches Symbol
XVII
Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundschaltungen der
Elektronik
Aufgabe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
2
1
4
4
2
4
Komponente
Diode, 1N4007
Elektrolytkondensator, 10 μF
1
2
2
Elektrolytkondensator, 100 μF
Elektrolytkondensator, 220 μF
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Elektrolytkondensator, 470 μF
1
JFET-Transistor, 2N3819
1
JFET-Transistor, 2N3820
1
Kondensator, 1 nF
1
Kondensator, 10 nF
1
2
Kondensator, 47 nF
2
1
Kondensator, 0,1 μF
1
Kondensator, 0,22 μF
1
1
2
2
1
1
1
Kondensator, 0,47 μF
1
Kondensator, 1 μF
1
Leuchtdiode, 20 mA, blau
1
1
1
1
1
1
Leuchtdiode, 20 mA, rot oder grün
1
1
1
1
1
1
Spule, 100 mH/50 mA
1
1
1
1
1
1
1
Thyristor, TIC106
1
TRIAC, TIC206
1
Transformatorspule, N = 200
Transformatorspule, N = 600
1
Transformatoreisenkern mit Halter
XVIII
1
1
Leuchtmelder, 12 V/62 mA
Potenziometer, 10 kΩ
1
Transistor, BC140
1
Transistor, BC160
1
Transistor, BC547
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647
1
1
Wechsler
1
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Komponente
Widerstand, 10 Ω
1
1
Widerstand, 33 Ω
1
Widerstand, 100 Ω
1
1
2
1
1
1
1
1
1
Widerstand, 220 Ω
1
Widerstand, 330 Ω
1
Widerstand, 470 Ω
1
1
Widerstand, 680 Ω
1
Widerstand, 1 kΩ
2
Widerstand, 2,2 kΩ
2
5
1
1
Widerstand, 4,7 kΩ
1
1
3
2
2
1
2
5
2
3
2
1
1
1
4
2
4
3
2
1
2
22
2
Widerstand, 22 kΩ
2
1
1
2
2
2
Widerstand, 10 kΩ
2
1
2
1
6
3
4
4
2
3
Widerstand, 47 kΩ
1
1
1
1
1
3
2
2
2
3
Widerstand, 100 kΩ
1
1
4
2
1
1
2
1
1
1
Widerstand, 1 MΩ
1
Widerstand, lichtabhängig (LDR)
1
Z-Diode, ZPD10
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
1
567289
XIX
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder
Lernziele
Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs sind der Aufbau und die Analyse ausgewählter
Grundschaltungen. Zu den Schaltungen gehören unter anderem Netzteilschaltungen,
Verstärkerschaltungen, Kippstufen und Schaltungen der Leistungselektronik. Durch die direkte
Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet.
Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabe zugeordnet.
Richtzeit
Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.
Pro Aufgabe können ca. 1 bis 1,5 Stunden angesetzt werden.
Komponenten des Gerätesatzes
Arbeitsbuch und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 10 Aufgaben benötigen Sie nur
Komponenten eines Gerätesatzes TP 1011.
Normen
Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:
EN 60617-2 bis EN 60617-8
Graphische Symbole für Schaltpläne
EN 81346-2
Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;
Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung
DIN VDE 0100-100
Errichten von Niederspannungsanlagen – Allgemeine Grundsätze,
(IEC 60364-1)
Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe
DIN VDE 0100-410
Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen –
(IEC 60346-4-41)
Schutz gegen elektrischen Schlag
Kennzeichnungen im Arbeitsbuch
Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt.
Ausnahme: Angaben und Auswertungen zu Strom sind immer rot dargestellt, Angaben und Auswertungen
zur Spannung sind immer blau dargestellt.
Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern
Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.
Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.
XX
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Lösungen
Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer
Messungen können von diesen Daten abweichen.
Lernfelder
Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema „Grundschaltungen der Elektronik“
dem Lernfeld 1 der Berufsschule zugeordnet.
Struktur der Aufgaben
Alle 10 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:
• Titel
• Lernziele
• Problemstellung
• Schaltung oder Lageplan
• Arbeitsauftrag
• Arbeitshilfen
• Arbeitsblätter
Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung.
Bezeichnung der Komponenten
Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN 81346-2.
In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines
Schaltkreises werden durchnummeriert.
Widerstände:
Kondensatoren:
Signalgeräte:
R, R1, R2, ...
C, C1, C2, …
P, P1, P2, ...
Hinweis
Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe
zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich,
werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
XXI
Inhalte der CD-ROM
Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM
Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung.
Die CD-ROM enthält folgende Ordner:
• Bedienungsanleitungen
• Bilder
• Präsentationen
• Produktinformationen
Bedienungsanleitungen
Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese
Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.
Bilder
Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit
können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den
Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden.
Präsentationen
Kurzpräsentationen der Schaltungen des Trainingspakets sind in diesem Verzeichnis gespeichert. Diese
Präsentationen können z. B. bei der Erstellung von Projektpräsentationen verwendet werden.
Produktinformationen
Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und
Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen
Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten.
XXII
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Inhalt
Aufgaben und Lösungen
Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________3
Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21
Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39
Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57
Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73
Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91
Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111
Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129
Aufgabe 9: Kennenlernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147
Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
1
2
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1
Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Lernziele
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
• können Sie Transistoren auf Funktion überprüfen.
• können Sie die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln.
• kennen Sie typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren.
• können Sie Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren.
• können Sie die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln.
• kennen Sie die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung.
• kennen Sie die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers.
Problembeschreibung
Sie arbeiten in einem Unternehmen, das klassische HiFi-Verstärker herstellt und repariert. Im Rahmen Ihrer
Einarbeitung sollen Sie sich mit dem Verhalten von Transistoren und ihren typischen Kennwerten vertraut
machen.
Dazu bauen Sie eine Testschaltung auf, mit der man die Stromverstärkung von Transistoren ermitteln kann.
Mit der leicht abgewandelten Schaltung untersuchen Sie anschließend, wie ein Transistor zum
Spannungsverstärker wird.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
3
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
•
•
•
•
•
4
Arbeitsaufträge
Bauen Sie eine Testschaltung mit dem NPN-Transistor BC140 auf und ermitteln Sie seine
Stromverstärkung B bei den Kollektorstromwerten IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA.
Ermitteln Sie zum Vergleich die Stromverstärkung B des Transistors BC547.
Bauen Sie die Testschaltung so um, dass sie zum Testen von PNP-Transistoren geeignet ist und
ermitteln Sie die Stromverstärkung B des Transistors BC160.
Bauen Sie eine Versuchsschaltung auf, in der Transistoren (zerstörungsfrei) mit Gleichspannung
angesteuert werden. Machen Sie sich mit dem Grundprinzip der Spannungsverstärkung vertraut.
Ermitteln Sie mit der Versuchsschaltung die Spannungsverstärkung VU bei Einsatz der Transistoren
BC140 und BC547.
Erweitern Sie die Versuchsschaltung so, dass ein Transistor BC140 zusätzlich mit Wechselspannung
angesteuert werden kann. Machen Sie sich mit dem Prinzip der Wechselspannungsverstärkung vertraut.
Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und Verzerrungen des
Ausgangssignals.
Finden Sie heraus, ob die Versuchsschaltung eine Emittergrundschaltung, eine Basisgrundschaltung
oder eine Kollektorgrundschaltung ist.
Arbeitshilfen
Fachbücher, Tabellenbücher
Auszüge aus Herstellerkatalogen
Datenblätter
Internet
WBT Elektronik 1 und Elektronik 2
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Information
Grundwissen zu Dioden und Transistoren
Transistoren und Dioden bestehen aus Halbleiterwerkstoff, meist Silizium. Halbleiter können durch
den Einbau von Fremdatomen so beeinflusst werden, dass der Stromtransport in ihnen entweder
durch negative Ladungsträger (Elektronen) oder durch positive Ladungsträger (sog. „Löcher“ oder
„Defektelektronen“) erfolgt. Auf diese Weise veränderte Halbleiter nennt man entsprechend
N-Material und P-Material.
Beim Zusammenfügen von P- und N-Material entsteht ein PN-Übergang. Er lässt den elektrischen
Strom nur in einer Richtung durch und wirkt so als elektrisches Ventil oder Diode. Mit dem
elektrischen Grundgesetz „Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen
stoßen sich ab“ kann man sich die Funktion der Diode leicht erklären.
– – – – – –
P
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
N
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+++ +++
+++ +++
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
P
N
– – – – – –
Halbleiterdiode – Schaltzeichen und Aufbau
•
Sperrrichtung
•
Verbindet man die N-Zone des PN-Übergangs mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und die
P-Zone mit dem Minuspol, so werden die Ladungsträger im Halbleiter nach außen gezogen.
Dadurch entsteht am PN-Übergang eine breite ladungsträgerfreie Zone, die wie eine
Isolierschicht wirkt und so einen Stromfluss verhindert. Der PN-Übergang (die Diode) sperrt.
Durchlassrichtung
•
Polt man nun die äußere Spannungsquelle um (Plus an P-Zone, Minus an N-Zone), so werden
die Ladungsträger in den beiden Bereichen auf einander zu getrieben und können (nach
Überschreiten einer bestimmten „Schwellspannung“) den PN-Übergang überwinden. Es fließt
ein Strom. Die Diode leitet.
Den mit der N-Zone verbunden Anschluss einer Diode nennt man Kathode, der zur P-Zone
•
führende heißt Anode.
Der Pfeil im Schaltzeichen der Diode gibt die Durchlassrichtung für die technische
Stromrichtung an.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
5
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Transistoren (genauer „bipolare Transistoren“) bestehen aus drei Halbleiterschichten, entweder in
der Reihenfolge N-P-N-Material oder P-N-P-Material. Die mittlere Schicht ist die „Basis“, die beiden
äußeren haben die Bezeichnung Emitter und Kollektor (englisch: Collector). Daher werden die
Anschlüsse eines Transistors meist kurz mit E, B, C gekennzeichnet.
– –
+ +
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
N
P
N
C
=
B
–
E
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
P
N
C
=
B
E
P
NPN- und PNP-Transistor – Aufbau und Schaltzeichen
Die Betriebsspannung eines Transistors muss stets so gepolt sein, dass die Ladungsträger der
Emitterzone zum Kollektor gezogen werden. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, ergibt
sich daraus:
• NPN-Transistoren arbeiten mit positiver Kollektor-Emitter-Spannung UCE
• PNP-Transistoren arbeiten mit negativer Kollektor-Emitter-Spannung UCE
Ohne Basisspannung ist jedoch kein Ladungsträgerfluss vom Emitter zum Kollektor möglich. Die
Basisschicht verhindert, dass die Anziehungskraft des Kollektors bis in die Emitterzone reicht. Erst
wenn mit Hilfe einer Basisspannung Ladungsträger aus der Emitterzone in die (dünne) Basisschicht
gehoben werden, geraten sie in den Anziehungsbereich des Kollektors und fließen zum größten Teil
nach dort weiter. Um die Ladungsträger vom Emitter zur Basis zu ziehen, muss die Basis-EmitterSpannung UBE die gleiche Polarität haben wie die Kollektor-Emitter-Spannung UCE. Daraus ergibt
sich:
• NPN-Transistoren werden bei positiver Basis-Emitter-Spannung UBE leitend
• PNP-Transistoren werden bei negativer Basis-Emitter-Spannung UBE leitend
Und damit ist schon die Grundfunktion des Verstärkerbauelements Transistor geklärt: Über eine
relativ geringe Basis-Emitter-Spannung UBE lässt sich steuern, wie viel Ladungsträgerstrom vom
Emitter zum Kollektor des Transistors fließt. Man kann zur Steuerung des Kollektorstromes aber
auch einen Basisstrom IB vorgeben. Zu jedem Basisstrom stellt sich automatisch eine bestimmte
Basis-Emitter-Spannung UBE ein und zu dieser wieder ein bestimmter Kollektorstrom IC. Der
Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB ist jedoch wesentlich linearer als der
zwischen IC und UBE. Das Verhältnis IC / IB nennt man Stromverstärkung B des Transistors. Es kann
von Transistor zu Transistor variieren und liegt meist zwischen 50 und 500.
6
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Das Ersatzschaltbild eines Transistors stellt seine Wirkungsweise noch einfacher dar: Die BasisEmitter-Strecke des Transistors wirkt wie eine Diode in Durchlassrichtung. Der durch sie fließende
Basisstrom IB verursacht zwischen Emitter und Kollektor einen B-mal größeren Strom IC. Das
Stromquellen-Symbol deutet an, dass der Kollektorstrom weitgehend unabhängig ist von der Größe
der Kollektorspannung.
IB
IC
B
C
IC = IB ∙ B
E
NPN-Transistor – Ersatzschaltbild
Im Transistorsymbol wird der Emitter mit einem Pfeil gekennzeichnet. Unabhängig von den inneren
Vorgängen im Transistor entspricht die Pfeilrichtung im Symbol jedoch der technischen
Stromrichtung. Für die Symbole von Halbleiterbauelementen gilt allgemein: Der Pfeil zeigt entweder
auf eine P-Zone oder er kommt aus einer N-Zone. (Eselsbrücke: P = „pieksender“ Pfeil, N =
„hinausgehender“ Pfeil).
Was tut ein Verstärker?
Das Mikrofon eines Telefons verwandelt Schallwellen, wie sie durch Sprache oder Musik erzeugt
werden, in Wechselspannungen im Millivolt-Bereich. Dieses Signal ist jedoch zu schwach, um einen
Hörer oder Lautsprecher direkt zu betreiben. Denn diese benötigen einige Volt für eine gut hörbare
Wiedergabe. Daher muss man einen Verstärker zwischen Mikrofon und Hörer oder Lautsprecher
schalten. Zur Erzeugung des Ausgangssignals benötigt jeder Verstärker eine
Betriebs(gleich)spannung.
U+
Uin(AC) = 15 mVSS
Uout(AC) = 1.2 VSS
Vu = Uout/Uin
Verstärker – Schaltzeichen
Auf den folgenden Seiten lernen Sie die Arbeitsweise von Transistorverstärkern kennen.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
7
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
1. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC140
Information
Der Transistor als Stromverstärker
Mit der folgenden Schaltung können Sie die Funktion von NPN-Transistoren überprüfen. Mit dem
variablen Spannungsteiler (Potenziometer) R lässt sich der Basisstrom IB des Transistors einstellen.
Jeder Basisstrom bewirkt (in einem intakten Transistor) einen wesentlich größeren
Kollektorstrom IC. Dividiert man den Messwert von IC durch den Messwert von IB, so erhält man den
Stromverstärkungsfaktor B des Transistors unter Test.
B=
IC
IB
Die beiden Widerstände R1 und R2 sind sogenannte Schutzwiderstände. Sie begrenzen den Basisund den Kollektorstrom auf Werte, die den Transistor nicht beschädigen können, falls das
Potenziometer R unvorsichtig bedient wird.
mA
R2
IB
R
μA
R1
IC
+
U = 12 V
K1
Testschaltung zur Messung der Stromverstärkung B
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ (je nach Aufgabe)
R2
Widerstand
1 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547, BC160 (je nach Aufgabe)
Bauteilliste
8
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
a) Bauen Sie nun die Testschaltung mit einem Transistor BC140 auf und stellen Sie IC = 1 mA ein. Lesen Sie
den Basisstrom IB ab und notieren Sie seinen Wert. Errechnen Sie aus den Messdaten die
Stromverstärkung B des untersuchten Transistors. Wiederholen Sie die Messung für IC = 5 mA und
10 mA. Tragen Sie die Werte unter BC140 (1) in die Tabelle ein.
Transistor
BC140 (1)
BC140 (2)
BC547
BC160
IC [mA]
1
5
10
1
5
10
1
5
10
1
5
10
IB [μA]
7,7
38,5
76,9
8,0
39,8
79,5
3,2
16,1
32,4
4,2
20,8
40,3
B = IC / IB
130
130
130
125
126
126
313
311
308
238
240
248
Messwertetabelle
b) Im Bauteilesatz des EduTrainers ist noch ein zweiter Transistor BC140 vorhanden. Testen Sie diesen auf
gleiche Weise und ermitteln Sie auch seine Stromverstärkung B bei IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA. Tragen
Sie die Werte unter BC140 (2) in die Tabelle ein.
(Es ist völlig normal, wenn die Stromverstärkungsfaktoren von Transistor zu Transistor unterschiedlich
sind, auch bei solchen vom gleichen Typ!)
2. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC547
a) Wiederholen Sie die gleiche Prozedur mit dem Transistor BC547 und tragen seine Werte in die Tabelle
ein.
3. Stromverstärkung des PNP-Transistors BC160
a) Der Transistor BC160 ist ein PNP-Typ. Damit er richtig arbeiten kann, muss die bisherige Messschaltung
leicht verändert werden. Was ist zu tun?
Man muss nur die Betriebsspannung umpolen. Falls die Messgeräte Zeigerinstrumente sind, müssen
auch deren Anschlüsse vertauscht werden. Digitalmessgeräte wechseln automatisch das Vorzeichen
ihrer Anzeige.
b) Ermitteln Sie mit der geänderten Testschaltung die noch fehlenden Daten des Transistors BC160 und
übertragen Sie auch diese in die Tabelle.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
9
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
c)
Lassen Sie den Transistor in der Schaltung und erforschen Sie experimentell.
1.
Welcher größtmögliche Basisstrom lässt sich mit dem Potenziometer einstellen?
IBmax = ca. 240 μA
2.
Versuchen Sie, diesen Wert aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.
Der maximale Spannungsfall an R1 beträgt U – UBE = 12 V – 0,7 V = 11,3 V / 47 kΩ = 240 μA
3.
Welcher größtmögliche Kollektorstrom lässt sich in der Schaltung einstellen?
ICmax = ca. 12 mA
4. Versuchen Sie, ICmax aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.
Der maximale Spannungsfall an R2 beträgt U – UEmin ≈ 12 V – 0 V = 12 V. Dann fließt durch R2
und den in Reihe liegenden Transistor ein Strom ICmax = 12 V / 1 kΩ = 12 mA.
5.
Der Kollektorstrom IC lässt sich nur bis zu einem bestimmten Grenzwert ICmax durch den
Basisstrom IB steuern. Wie nennt man den Zustand, wenn der Transistor nicht mehr auf weitere
Erhöhung des Steuersignals reagiert?
Man sagt, der Transistor ist übersteuert oder in Sättigung.
(Er arbeitet jetzt wie ein Schalter im EIN-Zustand. IC wird durch U und R2 bestimmt.)
6.
Was ist zu tun, wenn die Testschaltung für Kollektorströme bis etwa 25 mA erweitert werden soll?
Man muss R2 kleiner machen. R2 = U / ICmax = 12 V / 25 mA = 480 Ω → gewählt 470 Ω
10
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
4. Der Transistor als Spannungsverstärker
Information
Mit Hilfe einer Betriebs(gleich)spannung (hier mit U bezeichnet) können Transistoren auch als
Spannungsverstärker arbeiten. Doch dazu muss man sie mit weiteren Bauelementen kombinieren,
die Stromänderungen in Spannungsänderungen umformen. Im einfachsten Fall fügt man einen
„Arbeitswiderstand RA“ in die Kollektorleitung ein. Transistor und Widerstand bilden so eine
Reihenschaltung, die vom Kollektorstrom IC durchflossen wird. Der Spannungsfall am
Arbeitswiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz aus URA = RA ⋅ IC und der Spannungsfall
UCE ergibt sich aus den Gesetzen der Reihenschaltung UCE = UC = U – URA. Auf diese Weise steuert
die Eingangsspannung Uin zuerst den Basisstrom IB und damit den Kollektorstrom IC und, dank des
Arbeitswiderstandes RA, nun auch die Kollektorspannung UC. Diese dient jetzt als
Ausgangsspannung Uout. Bei der Spannungsverstärkung VU einer Schaltung betrachtet man nicht
die Gleichspannungen an Eingang und Ausgang, sondern das Verhältnis von „Spannungsänderung
am Ausgang“ zu „Verursachende Spannungsänderung am Eingang“. In der Formelschreibweise
wird eine „Änderung“ oder Differenz durch den griechischen Buchstaben Δ (delta) dargestellt.
Daher schreibt man
Spannungsverstärkung VU =
U out1 − U out2 ΔU out
=
ΔU in
U in1 − U in2
5. Spannungsverstärkung der NPN-Transistoren BC140 und BC547
a) Bauen Sie die bisherige Testschaltung um in einen Spannungsverstärker.
R3
R2
R1
R
+
K1
V
V
U = 12 V
Uout
Uin
Der Transistor als Spannungsverstärker
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
11
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
47 kΩ
R2
Widerstand
1 kΩ
R3
Widerstand
22 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547
Bauteilliste
b) Ermitteln Sie mit der neuen Schaltung zu den gegebenen Eingangsspannungswerten der
Uin/Uout-Tabelle die dazugehörige Ausgangsspannung beziehungsweise umgekehrt die
Eingangsspannungen zu den Uout-Werten.
Uin/Uout-Tabelle BC140
Uin [V]
0
0,59
0,84
0,97
1,10
1,84
1,38
1,57
2,0
Uout [V]
12
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,1
c)
Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden
Uin-Werten die Differenz ΔUin. Wie groß ist die Spannungsverstärkung VU der obigen Schaltung?
Vu = (10 V – 2 V) / (0,84 V – 1,38 V) = 8 V / -0,54 V = -14,8 ≈ 15
(Andere Werte sind möglich!)
Hinweis für den Unterricht
Falls der Verstärkungsfaktor VU ein negatives Vorzeichen hat, ist dies kein Fehler. Es deutet nur an,
dass die Verstärkerschaltung „invertierend“, das heißt „umkehrend“, ist. Macht man Uin mehr
positiv, so wird Uout weniger positiv oder „negativer“. Und umgekehrt.
d) Tauschen Sie den Transistor BC140 gegen einen BC547 aus und wiederholen Sie die Messungen.
Uin/Uout-Tabelle BC547
12
Uin [V]
0
0,621
0,738
0,828
0,908
0,99
1,08
1,57
2,0
Uout [V]
12
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,15
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
e) Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden
Uin-Werten die Differenz ΔUin. Wie groß ist die Spannungsverstärkung VU der obigen Schaltung?
Vu = (10 V – 2 V) / (0,738 V – 1,08 V) = 8 V / -0,342V = 23,4 ≈ 23
(Andere Werte sind möglich!)
f)
Beurteilen Sie die Verstärkungseigenschaften der beiden Typen BC140 und BC547.
Die Schaltung mit dem Transistor BC547 liefert eine größere Spannungsverstärkung, vermutlich weil
dieser Transistor eine höhere Stromverstärkung B hat als der Transistor BC140.
g) Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung für den BC140 in einem
Diagramm Uout = f (Uin) dar. Zeichnen Sie dünn die Hilfslinien ein, mit denen man die zu Uout= 10 V und
Uout = 2 V gehörenden Uin-Werte aus der Kennlinie ermitteln kann. Tragen Sie dazu passend auch die
Bezeichnungen ΔUout und ΔUin in das Diagramm ein.
14
Uout
V
12
10
?Uout
8
6
4
2
?Uin
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
V
3.0
Uin
Diagramm Uout = f (Uin)
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
13
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Information
In der vorliegenden Schaltung zur Spannungsverstärkung schützt der Widerstand R1 den Transistor
vor zuviel Basisstrom. Leider reduziert er auch die Spannungsverstärkung VU. Man kann die
theoretisch mögliche Verstärkung aber auch in der geschützten Schaltung ermitteln, indem man
anstelle der vom Potenziometer gelieferten Spannung Uin die Basis-Emitter-Spannung UBE direkt am
Transistor misst.
Allerdings besteht beim direkten Anschließen eines Messgerätes mit langen Messleitungen an die
Basis eines modernen Transistors die Gefahr, dass die Schaltung im 100 MHz-Bereich zu schwingen
beginnt, also zum UKW-Sender wird. (Man kann diesen unerwünschten Effekt auch ohne
Oszilloskop erkennen, wenn sich Messwerte bei Berührung der isolierten Messleitungen verändern
oder auf Annähern der Hand reagieren!) Abhilfe schafft ein „Entkopplungswiderstand“ von z. B.
1 bis 10 kΩ zwischen der Basis und der Messleitung (möglichst nah an der Basis!). Vor einen
hochohmigen Voltmeter (Ri ≥ 1 MΩ) verfälscht er den Messwert praktisch nicht
h) Bauen Sie die bisherige Schaltung entsprechend um.
R3
R
R2
R1
+
K1
V
U = 12 V
Uout
RDEC
V
UBE
Messen von UBE über Entkopplungswiderstand (Schwingschutz)
14
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
47 kΩ
R2
Widerstand
1 kΩ
R3
Widerstand
22 kΩ
RDEC
Widerstand (Entkopplungswiderstand)
1 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
K1
Transistor
BC547
Bauteilliste
i)
Ermitteln Sie mit der Schaltung die fehlenden Werte für die UBE/Uout-Tabelle.
UBE/Uout-Tabelle BC547
UBE [mV]
0
595
675
691
702
712
722
747
751
Uout [V]
12
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,15
j)
Errechnen Sie die Spannungsverstärkung VU aus ΔUout und ΔUBE.
Verwenden Sie die Messwerte von Uout = 4 V und 8 V.
Vu = (8 V – 4 V) / (0,691 V – 0,712 V) = 4 V / -0,021 V = 190,5 ≈ 190 !
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
15
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
6. Der Transistor als Wechselspannungsverstärker
Information
Die Änderungen der Eingangsspannung, die bisher per Hand am Potenziometer R vorgenommen
wurden, kann man auch durch Einkoppeln einer Wechselspannung erreichen. Damit der durch R1
fließende Gleichstrom nicht unerwünscht über die Wechselspannungsquelle abfließt, fügt man
einen sogenannten „Koppelkondensator“ C1 in die Signalleitung ein. Er hat für Gleichstrom einen
unendlich hohen Widerstand XC, erscheint aber für Wechselstrom durchlässig. Das Potenziometer R
dient nun zur „Arbeitspunkteinstellung“ des Verstärkers.
Da kleine Wechselspannungen allein nicht in der Lage sind, einen Transistor leitend zu machen,
stellt man ihn mit einem Gleichstrom so ein, dass seine Kollektorspannung UC im Ruhezustand etwa
in der Mitte zwischen ihren möglichen Extremwerten UEmax und UEmin liegt. Addiert man nun einen
(kleinen) Wechselstrom zum Basisgleichstrom, so wird dieser im Takt des Wechselsignals größer
und kleiner (Es entsteht ein „Mischstrom“.) Entsprechend pendeln auch der Kollektorstrom IC und
die Kollektorspannung UC im Takt des Eingangssignals um ihre Ruhewerte.
Mit einem weiteren Koppelkondensator C2 filtert man nun aus der schwankenden
Kollektor(misch)spannung den Wechselspannungsanteil wieder heraus und verwendet ihn als
Ausgangssignal Uout. Auf diese Weise entsteht in der Verstärkerschaltung aus einem kleinen
Wechselspannungssignal am Eingang ein wesentlich größeres (verstärktes)
Wechselspannungssignal (mit gleicher Frequenz und Form) am Ausgang. Und das, obwohl der
Transistor hier nur mit positiver Betriebsspannung U arbeitet!
Misst man die Spitze-Spitze-Werte des Eingangs- und Ausgangssignals mit dem Oszilloskop, so
kann man aus diesen Werten direkt die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung
errechnen.
Wechselspannungsverstärkungsfaktor VU(AC) =
16
U out(ss) U out(eff)
=
U in(ss) U in(eff)
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Y1
C1
R3
R2
C2
Y2
Uin(AC) = 0.1 – 0.3 V
(Sinus)
f = 0.2 Hz
G
R
R1
+
K1
V
U = 12 V
UCE(DC)
Uout(AC)
Der Transistor als Wechselspannungsverstärker
Y1: zum Oszilloskop, Kanal A
Y2: zum Oszilloskop, Kanal B
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
100 kΩ
R2
Widerstand
1 kΩ
R3
Widerstand
10 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
C1
Kondensator
220 μF
C2
Elektrolytkondensator
10 μF
K1
Transistor
BC140
Bauteilliste
Hinweise
Damit Sie die Vorgänge in der Schaltung in Ruhe betrachten können:
– Stellen Sie den Sinusgenerator des EduTrainers auf eine sehr niedrige Frequenz ein, zum
Beispiel 0,2 Hz.
– Als Uin genügen etwa 0,1 bis 0,3 V (Am 0-2 V-Ausgang des DDS-Waveformgenerators
–
–
–
abnehmen!).
Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass beide Kanäle zwei durchgehende gerade ruhige Linien
schreiben, die sich im Takt des Eingangssignals auf und ab bewegen.
Trennen Sie den Sinusgenerator von C1 und stellen Sie mit dem Potenziometer R den
„Arbeitspunkt“ der Schaltung auf UCE = +6 V ein (halbe Betriebsspannung).
Schließen Sie den Generator wieder an und stellen Sie die Amplitude von Uin so ein,
dass die Spannung UCE des Transistors ungefähr zwischen +4 V und +8 V pendelt.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
17
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
a) Experimentieren Sie mit der Schaltung und beantworten Sie dann die folgenden Fragen. Kreuzen Sie die
korrekten Antworten an.
… Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gleichtakt.
; Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gegentakt.
; Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt mehr Kollektorstrom IC als während der negativen
Halbwelle von Uin(AC).
… Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt weniger Kollektorstrom IC als während der negativen
Halbwelle von Uin(AC).
… Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, steigt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.
; Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, sinkt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.
; Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil die Kollektorspannung sich von dort
gleich weit nach oben oder unten bewegen kann.
… Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil dann die Verstärkung der Schaltung
am größten ist.
; Koppelkondensatoren sollen Wechselsignale durchlassen, Gleichspannungen aber nicht beeinflussen.
… Koppelkondensatoren verhindern ein unerwünschtes hochfrequentes Schwingen der Schaltung.
; Der Arbeitspunkt ist die gleichstrommäßige Grundeinstellung einer Schaltung.
… Arbeitspunkt heißt der Lötpunkt in einem Schaltplan, der den Kollektor mit dem Ausgang verbindet
18
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
7. Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und verzerrten Ausgangssignalen
Information
Üblicherweise testet man die Schaltung mit Signalen, die auf dem Oszilloskop ein stehendes Bild
ergeben. Erhöhen Sie dazu die Frequenz des Eingangssignals auf 500 Hz und stellen Sie die
Zeitablenkung des Oszilloskops so ein, dass ein bis zwei vollständige Perioden von Uin(AC) und
Uout(AC) auf dem Bildschirm zu sehen sind.
a) Stellen Sie das Eingangssignal und den Arbeitspunkt so ein, dass am Ausgang ein sauberes Sinussignal
mit 6 Volt-Spitze-Spitze (6 Vss) entsteht. Messen Sie dann den Spitze-Spitze-Wert von Uin(AC) und
ermitteln Sie die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung.
Für Uout = 6 Vss benötigt der Verstärker eine Eingangsspannung Uin = 250 mVss.
Daraus ergibt sich Vu = 6 Vss / 0,25 Vss = 24
b) Wie viel Grad beträgt die Phasenverschiebung zwischen Uin(AC) und Uout(AC)?
Uout ist um eine Halbwelle = 180° gegenüber Uin verschoben. Während der positiven Halbwelle von Uin
entsteht die negative Halbwelle von Uout und umgekehrt.
c)
Was passiert mit der Form des Ausgangssignals, wenn man mit dem Potenziometer R die
Arbeitspunkteinstellung langsam nach oben oder unten verändert?
Die positiven oder negativen Spitzen der Ausgangswechselspannung werden „abgeschnitten“.
Die Sinusform wird verzerrt.
d) Finden Sie durch Verändern von Uin(AC) und der Arbeitspunkteinstellung heraus:
Wie viel Volt-Spitze-Spitze maximal am Ausgang liefern, ohne dass die Sinusform verzerrt wird?
Bis zu einer Ausgangsspannung von ca. 10 Vss bleiben die Verzerrungen relativ gering.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
19
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Information
Bei einem HiFi-Verstärker (HiFi = High Fidelity = Hohe Wiedergabetreue) muss die Form des
Ausgangssignals exakt der Form des Eingangssignals entsprechen. Eine Signalumkehrung
(Invertierung) wird jedoch nicht berücksichtigt. Falls sich bei Ihrem Oszilloskop ein Kanal invertieren
und die Y-Ablenkung stufenlos verändern lässt, können Sie versuchen, die Signale Uout(AC) und Uin(AC)
auf dem Bildschirm in Deckung zu bringen. Je besser das gelingt, umso besser ist die Qualität des
Verstärkers.
e) Testen Sie das Übertragungsverhalten auch mit Dreieck- und Rechteckspannung. Urteilen und
begründen Sie dann: Ist der vorliegende Verstärker HiFi-tauglich, zumindest bedingt?
Bei Ausgangsspannungen von wenigen Volt Spitze-Spitze stimmen die Signalformen gut überein, d. h.
es treten keine sichtbaren Verzerrungen auf. Mit zunehmender Amplitude werden die Abweichungen
größer. Dieser Verstärker ist daher nur bedingt HiFi-geeignet.
8. Grundschaltungen von Transistoren
Information
Bei Transistoren kennt man drei Grundschaltungen. Sie sind nach dem Transistoranschluss
benannt, der als gemeinsamer Bezugspunkt für das Eingangs- und Ausgangssignal dient. Im
einfachsten Fall ist dies der mit „Masse“ verbundene Anschluss des Transistors. Doch häufig
besteht von dort keine direkte Verbindung zur Schaltungsmasse! Dann hilft dieser Weg zur
Namensbestimmung: Finden Sie heraus, auf welchen Transistoranschluss das Eingangssignal
geführt wird und von welchem man das Ausgangssignal abnimmt. Der übrig bleibende dritte
Anschluss des Transistors gibt der Grundschaltung ihren Namen.
a) Welche Transistorgrundschaltung kam auf den vorangegangenen Seiten zur Anwendung? Kreuzen Sie
die richtige Antwort an.
; In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in
Emittergrundschaltung oder kurz Emitterschaltung.
… In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in
Basisgrundschaltung oder kurz Basisschaltung.
… In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in
Kollektorgrundschaltung oder kurz Kollektorschaltung.
20
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Inhalt
Aufgaben und Arbeitsblätter
Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________3
Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21
Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39
Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57
Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73
Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91
Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111
Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129
Aufgabe 9: Kennenlernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147
Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
1
2
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Aufgabe 1
Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Lernziele
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
• können Sie Transistoren auf Funktion überprüfen.
• können Sie die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln.
• kennen Sie typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren.
• können Sie Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren.
• können Sie die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln.
• kennen Sie die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung.
• kennen Sie die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers.
Problembeschreibung
Sie arbeiten in einem Unternehmen, das klassische HiFi-Verstärker herstellt und repariert. Im Rahmen Ihrer
Einarbeitung sollen Sie sich mit dem Verhalten von Transistoren und ihren typischen Kennwerten vertraut
machen.
Dazu bauen Sie eine Testschaltung auf, mit der man die Stromverstärkung von Transistoren ermitteln kann.
Mit der leicht abgewandelten Schaltung untersuchen Sie anschließend, wie ein Transistor zum
Spannungsverstärker wird.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
3
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
•
•
•
•
•
4
Arbeitsaufträge
Bauen Sie eine Testschaltung mit dem NPN-Transistor BC140 auf und ermitteln Sie seine
Stromverstärkung B bei den Kollektorstromwerten IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA.
Ermitteln Sie zum Vergleich die Stromverstärkung B des Transistors BC547.
Bauen Sie die Testschaltung so um, dass sie zum Testen von PNP-Transistoren geeignet ist und
ermitteln Sie die Stromverstärkung B des Transistors BC160.
Bauen Sie eine Versuchsschaltung auf, in der Transistoren (zerstörungsfrei) mit Gleichspannung
angesteuert werden. Machen Sie sich mit dem Grundprinzip der Spannungsverstärkung vertraut.
Ermitteln Sie mit der Versuchsschaltung die Spannungsverstärkung VU bei Einsatz der Transistoren
BC140 und BC547.
Erweitern Sie die Versuchsschaltung so, dass ein Transistor BC140 zusätzlich mit Wechselspannung
angesteuert werden kann. Machen Sie sich mit dem Prinzip der Wechselspannungsverstärkung vertraut.
Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und Verzerrungen des
Ausgangssignals.
Finden Sie heraus, ob die Versuchsschaltung eine Emittergrundschaltung, eine Basisgrundschaltung
oder eine Kollektorgrundschaltung ist.
Arbeitshilfen
Fachbücher, Tabellenbücher
Auszüge aus Herstellerkatalogen
Datenblätter
Internet
WBT Elektronik 1 und Elektronik 2
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Information
Grundwissen zu Dioden und Transistoren
Transistoren und Dioden bestehen aus Halbleiterwerkstoff, meist Silizium. Halbleiter können durch
den Einbau von Fremdatomen so beeinflusst werden, dass der Stromtransport in ihnen entweder
durch negative Ladungsträger (Elektronen) oder durch positive Ladungsträger (sog. „Löcher“ oder
„Defektelektronen“) erfolgt. Auf diese Weise veränderte Halbleiter nennt man entsprechend
N-Material und P-Material.
Beim Zusammenfügen von P- und N-Material entsteht ein PN-Übergang. Er lässt den elektrischen
Strom nur in einer Richtung durch und wirkt so als elektrisches Ventil oder Diode. Mit dem
elektrischen Grundgesetz „Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen
stoßen sich ab“ kann man sich die Funktion der Diode leicht erklären.
– – – – – –
P
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + + +
N
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+++ +++
+++ +++
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
–
–
–
–
+
+
+
+
–
+
–
–
–
P
N
– – – – – –
Halbleiterdiode – Schaltzeichen und Aufbau
•
Sperrrichtung
•
Verbindet man die N-Zone des PN-Übergangs mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und die
P-Zone mit dem Minuspol, so werden die Ladungsträger im Halbleiter nach außen gezogen.
Dadurch entsteht am PN-Übergang eine breite ladungsträgerfreie Zone, die wie eine
Isolierschicht wirkt und so einen Stromfluss verhindert. Der PN-Übergang (die Diode) sperrt.
Durchlassrichtung
•
Polt man nun die äußere Spannungsquelle um (Plus an P-Zone, Minus an N-Zone), so werden
die Ladungsträger in den beiden Bereichen auf einander zu getrieben und können (nach
Überschreiten einer bestimmten „Schwellspannung“) den PN-Übergang überwinden. Es fließt
ein Strom. Die Diode leitet.
Den mit der N-Zone verbunden Anschluss einer Diode nennt man Kathode, der zur P-Zone
•
führende heißt Anode.
Der Pfeil im Schaltzeichen der Diode gibt die Durchlassrichtung für die technische
Stromrichtung an.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
5
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Transistoren (genauer „bipolare Transistoren“) bestehen aus drei Halbleiterschichten, entweder in
der Reihenfolge N-P-N-Material oder P-N-P-Material. Die mittlere Schicht ist die „Basis“, die beiden
äußeren haben die Bezeichnung Emitter und Kollektor (englisch: Collector). Daher werden die
Anschlüsse eines Transistors meist kurz mit E, B, C gekennzeichnet.
– –
+ +
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
N
P
N
C
=
B
–
E
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
P
N
C
=
B
E
P
NPN- und PNP-Transistor – Aufbau und Schaltzeichen
Die Betriebsspannung eines Transistors muss stets so gepolt sein, dass die Ladungsträger der
Emitterzone zum Kollektor gezogen werden. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, ergibt
sich daraus:
• NPN-Transistoren arbeiten mit positiver Kollektor-Emitter-Spannung UCE
• PNP-Transistoren arbeiten mit negativer Kollektor-Emitter-Spannung UCE
Ohne Basisspannung ist jedoch kein Ladungsträgerfluss vom Emitter zum Kollektor möglich. Die
Basisschicht verhindert, dass die Anziehungskraft des Kollektors bis in die Emitterzone reicht. Erst
wenn mit Hilfe einer Basisspannung Ladungsträger aus der Emitterzone in die (dünne) Basisschicht
gehoben werden, geraten sie in den Anziehungsbereich des Kollektors und fließen zum größten Teil
nach dort weiter. Um die Ladungsträger vom Emitter zur Basis zu ziehen, muss die Basis-EmitterSpannung UBE die gleiche Polarität haben wie die Kollektor-Emitter-Spannung UCE. Daraus ergibt
sich:
• NPN-Transistoren werden bei positiver Basis-Emitter-Spannung UBE leitend
• PNP-Transistoren werden bei negativer Basis-Emitter-Spannung UBE leitend
Und damit ist schon die Grundfunktion des Verstärkerbauelements Transistor geklärt: Über eine
relativ geringe Basis-Emitter-Spannung UBE lässt sich steuern, wie viel Ladungsträgerstrom vom
Emitter zum Kollektor des Transistors fließt. Man kann zur Steuerung des Kollektorstromes aber
auch einen Basisstrom IB vorgeben. Zu jedem Basisstrom stellt sich automatisch eine bestimmte
Basis-Emitter-Spannung UBE ein und zu dieser wieder ein bestimmter Kollektorstrom IC. Der
Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB ist jedoch wesentlich linearer als der
zwischen IC und UBE. Das Verhältnis IC / IB nennt man Stromverstärkung B des Transistors. Es kann
von Transistor zu Transistor variieren und liegt meist zwischen 50 und 500.
6
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Das Ersatzschaltbild eines Transistors stellt seine Wirkungsweise noch einfacher dar: Die BasisEmitter-Strecke des Transistors wirkt wie eine Diode in Durchlassrichtung. Der durch sie fließende
Basisstrom IB verursacht zwischen Emitter und Kollektor einen B-mal größeren Strom IC. Das
Stromquellen-Symbol deutet an, dass der Kollektorstrom weitgehend unabhängig ist von der Größe
der Kollektorspannung.
IB
IC
B
C
IC = IB ∙ B
E
NPN-Transistor – Ersatzschaltbild
Im Transistorsymbol wird der Emitter mit einem Pfeil gekennzeichnet. Unabhängig von den inneren
Vorgängen im Transistor entspricht die Pfeilrichtung im Symbol jedoch der technischen
Stromrichtung. Für die Symbole von Halbleiterbauelementen gilt allgemein: Der Pfeil zeigt entweder
auf eine P-Zone oder er kommt aus einer N-Zone. (Eselsbrücke: P = „pieksender“ Pfeil, N =
„hinausgehender“ Pfeil).
Was tut ein Verstärker?
Das Mikrofon eines Telefons verwandelt Schallwellen, wie sie durch Sprache oder Musik erzeugt
werden, in Wechselspannungen im Millivolt-Bereich. Dieses Signal ist jedoch zu schwach, um einen
Hörer oder Lautsprecher direkt zu betreiben. Denn diese benötigen einige Volt für eine gut hörbare
Wiedergabe. Daher muss man einen Verstärker zwischen Mikrofon und Hörer oder Lautsprecher
schalten. Zur Erzeugung des Ausgangssignals benötigt jeder Verstärker eine
Betriebs(gleich)spannung.
U+
Uin(AC) = 15 mVSS
Uout(AC) = 1.2 VSS
Vu = Uout/Uin
Verstärker – Schaltzeichen
Auf den folgenden Seiten lernen Sie die Arbeitsweise von Transistorverstärkern kennen.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
7
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
1. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC140
Information
Der Transistor als Stromverstärker
Mit der folgenden Schaltung können Sie die Funktion von NPN-Transistoren überprüfen. Mit dem
variablen Spannungsteiler (Potenziometer) R lässt sich der Basisstrom IB des Transistors einstellen.
Jeder Basisstrom bewirkt (in einem intakten Transistor) einen wesentlich größeren
Kollektorstrom IC. Dividiert man den Messwert von IC durch den Messwert von IB, so erhält man den
Stromverstärkungsfaktor B des Transistors unter Test.
B=
IC
IB
Die beiden Widerstände R1 und R2 sind sogenannte Schutzwiderstände. Sie begrenzen den Basisund den Kollektorstrom auf Werte, die den Transistor nicht beschädigen können, falls das
Potenziometer R unvorsichtig bedient wird.
mA
R2
IB
R
μA
R1
IC
+
U = 12 V
K1
Testschaltung zur Messung der Stromverstärkung B
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ (je nach Aufgabe)
R2
Widerstand
1 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547, BC160 (je nach Aufgabe)
Bauteilliste
8
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
a) Bauen Sie nun die Testschaltung mit einem Transistor BC140 auf und stellen Sie IC = 1 mA ein. Lesen Sie
den Basisstrom IB ab und notieren Sie seinen Wert. Errechnen Sie aus den Messdaten die
Stromverstärkung B des untersuchten Transistors. Wiederholen Sie die Messung für IC = 5 mA und
10 mA. Tragen Sie die Werte unter BC140 (1) in die Tabelle ein.
Transistor
IC [mA]
BC140 (1)
1
5
BC140 (2)
10
1
5
BC547
10
1
5
BC160
10
1
5
10
IB [μA]
B = IC / IB
Messwertetabelle
b) Im Bauteilesatz des EduTrainers ist noch ein zweiter Transistor BC140 vorhanden. Testen Sie diesen auf
gleiche Weise und ermitteln Sie auch seine Stromverstärkung B bei IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA. Tragen
Sie die Werte unter BC140 (2) in die Tabelle ein.
(Es ist völlig normal, wenn die Stromverstärkungsfaktoren von Transistor zu Transistor unterschiedlich
sind, auch bei solchen vom gleichen Typ!)
2. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC547
a) Wiederholen Sie die gleiche Prozedur mit dem Transistor BC547 und tragen seine Werte in die Tabelle
ein.
3. Stromverstärkung des PNP-Transistors BC160
a) Der Transistor BC160 ist ein PNP-Typ. Damit er richtig arbeiten kann, muss die bisherige Messschaltung
leicht verändert werden. Was ist zu tun?
b) Ermitteln Sie mit der geänderten Testschaltung die noch fehlenden Daten des Transistors BC160 und
übertragen Sie auch diese in die Tabelle.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
9
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
c)
Lassen Sie den Transistor in der Schaltung und erforschen Sie experimentell.
1.
Welcher größtmögliche Basisstrom lässt sich mit dem Potenziometer einstellen?
2.
Versuchen Sie, diesen Wert aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.
3.
Welcher größtmögliche Kollektorstrom lässt sich in der Schaltung einstellen?
4. Versuchen Sie, ICmax aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.
10
5.
Der Kollektorstrom IC lässt sich nur bis zu einem bestimmten Grenzwert ICmax durch den
Basisstrom IB steuern. Wie nennt man den Zustand, wenn der Transistor nicht mehr auf weitere
Erhöhung des Steuersignals reagiert?
6.
Was ist zu tun, wenn die Testschaltung für Kollektorströme bis etwa 25 mA erweitert werden soll?
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
4. Der Transistor als Spannungsverstärker
Information
Mit Hilfe einer Betriebs(gleich)spannung (hier mit U bezeichnet) können Transistoren auch als
Spannungsverstärker arbeiten. Doch dazu muss man sie mit weiteren Bauelementen kombinieren,
die Stromänderungen in Spannungsänderungen umformen. Im einfachsten Fall fügt man einen
„Arbeitswiderstand RA“ in die Kollektorleitung ein. Transistor und Widerstand bilden so eine
Reihenschaltung, die vom Kollektorstrom IC durchflossen wird. Der Spannungsfall am
Arbeitswiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz aus URA = RA ⋅ IC und der Spannungsfall
UCE ergibt sich aus den Gesetzen der Reihenschaltung UCE = UC = U – URA. Auf diese Weise steuert
die Eingangsspannung Uin zuerst den Basisstrom IB und damit den Kollektorstrom IC und, dank des
Arbeitswiderstandes RA, nun auch die Kollektorspannung UC. Diese dient jetzt als
Ausgangsspannung Uout. Bei der Spannungsverstärkung VU einer Schaltung betrachtet man nicht
die Gleichspannungen an Eingang und Ausgang, sondern das Verhältnis von „Spannungsänderung
am Ausgang“ zu „Verursachende Spannungsänderung am Eingang“. In der Formelschreibweise
wird eine „Änderung“ oder Differenz durch den griechischen Buchstaben Δ (delta) dargestellt.
Daher schreibt man
Spannungsverstärkung VU =
U out1 − U out2 ΔU out
=
ΔU in
U in1 − U in2
5. Spannungsverstärkung der NPN-Transistoren BC140 und BC547
a) Bauen Sie die bisherige Testschaltung um in einen Spannungsverstärker.
R3
R2
R1
R
+
K1
V
V
U = 12 V
Uout
Uin
Der Transistor als Spannungsverstärker
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
11
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
47 kΩ
R2
Widerstand
1 kΩ
R3
Widerstand
22 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
K1
Transistor
BC140, BC547
Bauteilliste
b) Ermitteln Sie mit der neuen Schaltung zu den gegebenen Eingangsspannungswerten der
Uin/Uout-Tabelle die dazugehörige Ausgangsspannung beziehungsweise umgekehrt die
Eingangsspannungen zu den Uout-Werten.
Uin/Uout-Tabelle BC140
Uin [V]
0
Uout [V]
c)
2,0
11,8
10
8
6
4
2
0,2
Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden
Uin-Werten die Differenz ΔUin. Wie groß ist die Spannungsverstärkung VU der obigen Schaltung?
d) Tauschen Sie den Transistor BC140 gegen einen BC547 aus und wiederholen Sie die Messungen.
Uin/Uout-Tabelle BC547
Uin [V]
Uout [V]
12
0
2,0
11,8
10
8
6
Name: __________________________________ Datum: ____________
4
2
0,2
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
e) Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden
Uin-Werten die Differenz ΔUin. Wie groß ist die Spannungsverstärkung VU der obigen Schaltung?
f)
Beurteilen Sie die Verstärkungseigenschaften der beiden Typen BC140 und BC547.
g) Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung für den BC140 in einem
Diagramm Uout = f (Uin) dar. Zeichnen Sie dünn die Hilfslinien ein, mit denen man die zu Uout= 10 V und
Uout = 2 V gehörenden Uin-Werte aus der Kennlinie ermitteln kann. Tragen Sie dazu passend auch die
Bezeichnungen ΔUout und ΔUin in das Diagramm ein.
14
Uout
V
12
10
8
6
4
2
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
V
3.0
Uin
Diagramm Uout = f (Uin)
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
13
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Information
In der vorliegenden Schaltung zur Spannungsverstärkung schützt der Widerstand R1 den Transistor
vor zuviel Basisstrom. Leider reduziert er auch die Spannungsverstärkung VU. Man kann die
theoretisch mögliche Verstärkung aber auch in der geschützten Schaltung ermitteln, indem man
anstelle der vom Potenziometer gelieferten Spannung Uin die Basis-Emitter-Spannung UBE direkt am
Transistor misst.
Allerdings besteht beim direkten Anschließen eines Messgerätes mit langen Messleitungen an die
Basis eines modernen Transistors die Gefahr, dass die Schaltung im 100 MHz-Bereich zu schwingen
beginnt, also zum UKW-Sender wird. (Man kann diesen unerwünschten Effekt auch ohne
Oszilloskop erkennen, wenn sich Messwerte bei Berührung der isolierten Messleitungen verändern
oder auf Annähern der Hand reagieren!) Abhilfe schafft ein „Entkopplungswiderstand“ von z. B.
1 bis 10 kΩ zwischen der Basis und der Messleitung (möglichst nah an der Basis!). Vor einen
hochohmigen Voltmeter (Ri ≥ 1 MΩ) verfälscht er den Messwert praktisch nicht
h) Bauen Sie die bisherige Schaltung entsprechend um.
R3
R
R2
R1
+
K1
V
U = 12 V
Uout
RDEC
V
UBE
Messen von UBE über Entkopplungswiderstand (Schwingschutz)
14
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
47 kΩ
R2
Widerstand
1 kΩ
R3
Widerstand
22 kΩ
RDEC
Widerstand (Entkopplungswiderstand)
1 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
K1
Transistor
BC547
Bauteilliste
i)
Ermitteln Sie mit der Schaltung die fehlenden Werte für die UBE/Uout-Tabelle.
UBE/Uout-Tabelle BC547
UBE [mV]
Uout [V]
j)
0
11,8
10
8
6
4
2
0,2
0,15
Errechnen Sie die Spannungsverstärkung VU aus ΔUout und ΔUBE.
Verwenden Sie die Messwerte von Uout = 4 V und 8 V.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
15
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
6. Der Transistor als Wechselspannungsverstärker
Information
Die Änderungen der Eingangsspannung, die bisher per Hand am Potenziometer R vorgenommen
wurden, kann man auch durch Einkoppeln einer Wechselspannung erreichen. Damit der durch R1
fließende Gleichstrom nicht unerwünscht über die Wechselspannungsquelle abfließt, fügt man
einen sogenannten „Koppelkondensator“ C1 in die Signalleitung ein. Er hat für Gleichstrom einen
unendlich hohen Widerstand XC, erscheint aber für Wechselstrom durchlässig. Das Potenziometer R
dient nun zur „Arbeitspunkteinstellung“ des Verstärkers.
Da kleine Wechselspannungen allein nicht in der Lage sind, einen Transistor leitend zu machen,
stellt man ihn mit einem Gleichstrom so ein, dass seine Kollektorspannung UC im Ruhezustand etwa
in der Mitte zwischen ihren möglichen Extremwerten UEmax und UEmin liegt. Addiert man nun einen
(kleinen) Wechselstrom zum Basisgleichstrom, so wird dieser im Takt des Wechselsignals größer
und kleiner (Es entsteht ein „Mischstrom“.) Entsprechend pendeln auch der Kollektorstrom IC und
die Kollektorspannung UC im Takt des Eingangssignals um ihre Ruhewerte.
Mit einem weiteren Koppelkondensator C2 filtert man nun aus der schwankenden
Kollektor(misch)spannung den Wechselspannungsanteil wieder heraus und verwendet ihn als
Ausgangssignal Uout. Auf diese Weise entsteht in der Verstärkerschaltung aus einem kleinen
Wechselspannungssignal am Eingang ein wesentlich größeres (verstärktes)
Wechselspannungssignal (mit gleicher Frequenz und Form) am Ausgang. Und das, obwohl der
Transistor hier nur mit positiver Betriebsspannung U arbeitet!
Misst man die Spitze-Spitze-Werte des Eingangs- und Ausgangssignals mit dem Oszilloskop, so
kann man aus diesen Werten direkt die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung
errechnen.
Wechselspannungsverstärkungsfaktor VU(AC) =
16
U out(ss) U out(eff)
=
U in(ss) U in(eff)
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Y1
C1
R3
R2
C2
Y2
Uin(AC) = 0.1 – 0.3 V
(Sinus)
f = 0.2 Hz
G
R
R1
+
K1
V
U = 12 V
UCE(DC)
Uout(AC)
Der Transistor als Wechselspannungsverstärker
Y1: zum Oszilloskop, Kanal A
Y2: zum Oszilloskop, Kanal B
Kennzeichnung
Benennung
Parameter
R1
Widerstand
100 kΩ
R2
Widerstand
1 kΩ
R3
Widerstand
10 kΩ
R
Potenziometer
10 kΩ
C1
Kondensator
220 μF
C2
Elektrolytkondensator
10 μF
K1
Transistor
BC140
Bauteilliste
Hinweise
Damit Sie die Vorgänge in der Schaltung in Ruhe betrachten können:
– Stellen Sie den Sinusgenerator des EduTrainers auf eine sehr niedrige Frequenz ein, zum
Beispiel 0,2 Hz.
– Als Uin genügen etwa 0,1 bis 0,3 V (Am 0-2 V-Ausgang des DDS-Waveformgenerators
–
–
–
abnehmen!).
Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass beide Kanäle zwei durchgehende gerade ruhige Linien
schreiben, die sich im Takt des Eingangssignals auf und ab bewegen.
Trennen Sie den Sinusgenerator von C1 und stellen Sie mit dem Potenziometer R den
„Arbeitspunkt“ der Schaltung auf UCE = +6 V ein (halbe Betriebsspannung).
Schließen Sie den Generator wieder an und stellen Sie die Amplitude von Uin so ein,
dass die Spannung UCE des Transistors ungefähr zwischen +4 V und +8 V pendelt.
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
17
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
a) Experimentieren Sie mit der Schaltung und beantworten Sie dann die folgenden Fragen. Kreuzen Sie die
korrekten Antworten an.
… Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gleichtakt.
… Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gegentakt.
… Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt mehr Kollektorstrom IC als während der negativen
Halbwelle von Uin(AC).
… Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt weniger Kollektorstrom IC als während der negativen
Halbwelle von Uin(AC).
… Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, steigt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.
… Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, sinkt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.
… Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil die Kollektorspannung sich von dort
gleich weit nach oben oder unten bewegen kann.
… Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil dann die Verstärkung der Schaltung
am größten ist.
… Koppelkondensatoren sollen Wechselsignale durchlassen, Gleichspannungen aber nicht beeinflussen.
… Koppelkondensatoren verhindern ein unerwünschtes hochfrequentes Schwingen der Schaltung.
… Der Arbeitspunkt ist die gleichstrommäßige Grundeinstellung einer Schaltung.
… Arbeitspunkt heißt der Lötpunkt in einem Schaltplan, der den Kollektor mit dem Ausgang verbindet
18
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
7. Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und verzerrten Ausgangssignalen
Information
Üblicherweise testet man die Schaltung mit Signalen, die auf dem Oszilloskop ein stehendes Bild
ergeben. Erhöhen Sie dazu die Frequenz des Eingangssignals auf 500 Hz und stellen Sie die
Zeitablenkung des Oszilloskops so ein, dass ein bis zwei vollständige Perioden von Uin(AC) und
Uout(AC) auf dem Bildschirm zu sehen sind.
a) Stellen Sie das Eingangssignal und den Arbeitspunkt so ein, dass am Ausgang ein sauberes Sinussignal
mit 6 Volt-Spitze-Spitze (6 Vss) entsteht. Messen Sie dann den Spitze-Spitze-Wert von Uin(AC) und
ermitteln Sie die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung.
b) Wie viel Grad beträgt die Phasenverschiebung zwischen Uin(AC) und Uout(AC)?
c)
Was passiert mit der Form des Ausgangssignals, wenn man mit dem Potenziometer R die
Arbeitspunkteinstellung langsam nach oben oder unten verändert?
d) Finden Sie durch Verändern von Uin(AC) und der Arbeitspunkteinstellung heraus:
Wie viel Volt-Spitze-Spitze maximal am Ausgang liefern, ohne dass die Sinusform verzerrt wird?
© Festo Didactic GmbH & Co. KG
567289
Name: __________________________________ Datum: ____________
19
Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren
Information
Bei einem HiFi-Verstärker (HiFi = High Fidelity = Hohe Wiedergabetreue) muss die Form des
Ausgangssignals exakt der Form des Eingangssignals entsprechen. Eine Signalumkehrung
(Invertierung) wird jedoch nicht berücksichtigt. Falls sich bei Ihrem Oszilloskop ein Kanal invertieren
und die Y-Ablenkung stufenlos verändern lässt, können Sie versuchen, die Signale Uout(AC) und Uin(AC)
auf dem Bildschirm in Deckung zu bringen. Je besser das gelingt, umso besser ist die Qualität des
Verstärkers.
e) Testen Sie das Übertragungsverhalten auch mit Dreieck- und Rechteckspannung. Urteilen und
begründen Sie dann: Ist der vorliegende Verstärker HiFi-tauglich, zumindest bedingt?
8. Grundschaltungen von Transistoren
Information
Bei Transistoren kennt man drei Grundschaltungen. Sie sind nach dem Transistoranschluss
benannt, der als gemeinsamer Bezugspunkt für das Eingangs- und Ausgangssignal dient. Im
einfachsten Fall ist dies der mit „Masse“ verbundene Anschluss des Transistors. Doch häufig
besteht von dort keine direkte Verbindung zur Schaltungsmasse! Dann hilft dieser Weg zur
Namensbestimmung: Finden Sie heraus, auf welchen Transistoranschluss das Eingangssignal
geführt wird und von welchem man das Ausgangssignal abnimmt. Der übrig bleibende dritte
Anschluss des Transistors gibt der Grundschaltung ihren Namen.
a) Welche Transistorgrundschaltung kam auf den vorangegangenen Seiten zur Anwendung? Kreuzen Sie
die richtige Antwort an.
… In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in
Emittergrundschaltung oder kurz Emitterschaltung.
… In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in
Basisgrundschaltung oder kurz Basisschaltung.
… In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in
Kollektorgrundschaltung oder kurz Kollektorschaltung.
20
Name: __________________________________ Datum: ____________
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289