schüex mecklenburg-vorpommern

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
SCHÜEX MECKLENBURG-VORPOMMERN
Der Transistor Anschlussermittlung und
Kennlinienaufnahme
Daniel Güldner
Schule:
Baltic-Schule
Rostock-Toitenwinkel
Jugend forscht 2013
von Daniel Güldner
Baltic-Schule Rostock-Toitenwinkel
unterstützt vom RFZ Rostock Reutershagen
1
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Zum Aufbau der Transistoren
Anschlussbestimmung
Schaltung zur Kennlinienaufnahme
Die Messungen
Zusammenfassung
Anhang
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Einleitung
Bei uns an der Baltic-Schule gibt es im GTS-Angebot ein Projekt „Jugend forscht“,
das ich ausprobieren wollte. Ich traf dort auf eine Schülerin, die sich mit
Sonnenbewegungen beschäftigte und mit der Nutzung der Sonnenenergie. Wir
haben bei diesen GTS-Stunden viel über technische Probleme und
naturwissenschaftliche Phänomene diskutiert und auch Experimente durchgeführt.
Dass unser GTS-Leiter sich selbst mit Elektronik beschäftigte, gefiel mir sehr, denn
zu dieser Problematik hatte ich sehr viele Fragen. Ich u. a. durfte defekte
Computernetzteile zerlegen und habe dann die ausgelöteten Bauteile einsortiert.
Dabei habe ich auch viel über diese Bauteile gelernt. Immer wieder tauchte der
Begriff „Transistor“ auf. In einer alten Zeitschrift „Funkamateur“ las ich dann etwas
dazu.
„Das berühmte USA-Patent Nr. 2 524 035 erhielten 1948 John Bardeen (geb. 1908),
Walter H. Brattain (geb. 1902) und William Shockley (geb. 1910), die in den BellLaboratorien die Halbleitereigenschaften des Germaniums untersuchten. Der erste
Transistortyp, den sie entwickelten, war ein sogenannter Spitzentransistor. Auf einem
n-leitenden Germaniumblock waren im Abstand von 20 Mikrometern zwei Spitzen
aus Phosphorbronze aufgesetzt, eine bildete den Emitter-, die andere den
Kollektoranschluss. In der Umgebung der Spitzen waren durch Formieren p-leitende
Zonen entstanden. Damit war der Transistor mit der Zonenfolge p-n-p geschaffen, er
kann als der Vorfahre aller nachfolgenden Entwicklungen angesehen werden. Zu
Recht erhielten deshalb 1956 die Erfinder des Transistors den Nobel-Preis für
Physik.“
Nach Obering. K.-H. SCHUBERT - Y21XE Chefredakteur FUNKAMATEUR
2012 ist der Transistor 65 Jahre alt geworden. Aber was ist das für ein Ding, das mit
nur drei Anschlüssen die ganze Welt der Elektronik so vorangebracht hat, wie wir es
heute erleben? Zuerst habe ich ein Verfahren zur Ermittlung der Anschlüsse
entwickelt. Danach habe ich die Kennlinien von Transistoren aufgenommen, um zu
verstehen, wieso der Transistor diese große Bedeutung erlangt hat und wie er
funktioniert.
Abbildung1 alte Transistoren
Zum Aufbau der Transistoren:
3
Der Transistor hat drei Anschlüsse. Die Basis, den Emitter und den Kollektor. Die
Basis besteht aus p(positiv)-leitendem Halbleitermaterial, Emitter und Kollektor aus
n(negativ)-leitendem Halbleitermaterial (npn-Transistor) oder die Leitfähigkeit ist
umgekehrt(pnp-Transistor). Also 2 Dioden, die verbunden sind.
Allerdings ist die Basis nur wenige µm dick(Haaresbreite), damit der Transistoreffekt
der Überflutung freier Ladungsträger an den Grenzschichten funktioniert.
Das ist also der Aufbau und hier sieht man noch ein Beispiel.
Anschlussbestimmung
Wie aber finde ich die Anschlüsse heraus, wenn ich keine Daten des Transistors
habe?
Weil der Transistor ja aus 2 Dioden besteht, kann der Strom nur in eine Richtung
fließen. Leicht ist es, wenn man die Daten im Internet findet, aber was soll ich tun,
wenn keine Beschriftung zu erkennen ist? Ich habe mir immer eine eindeutige
4
Zeichnung für die einzelnen Anschlüsse angefertigt und die drei Anschlüsse auch
gleich nummeriert.
Ich habe mir eine Tabelle angelegt und dann an jeweils zwei Anschlüsse eine
Gleichspannung (ca.3V) angelegt. Außerdem habe ich einfach einen
Spannungsmesser als Strommesser missbraucht, denn Spannungsmesser haben
einen großen Innenwiderstand. Man könnte natürlich auch einen Widerstand in
Reihe schalten und dann einen Stromstärkemesser einsetzen. Dadurch kann dann
der Transistor bei dieser Prüfung nicht beschädigt werden.
Anschl.1 Anschl.2 Anschl.3 Stromst. I
+
>0
+
>0
+
=0
+
=0
+
=0
+
=0
Wenn an 1 + anliegt, und zweimal ein Strom fließt, muss Anschluss 1 die Basis sein
und gleichzeitig handelt es sich um einen npn-Transistor. Bei einem pnp-Transistor
ist die Basis dort, wo an einem Anschluss zweimal - anliegt.
Anschl.1
-
Anschl.2
+
Anschl.3
+
Stromst. I
>0
>0
Wenn bei mehr als zwei Zuständen ein Strom fließt, ist der Transistor meist defekt
oder es handelt sich um ein anderes Bauelement. Jetzt kann es nur sein, dass man
die Stromstärken genau messen muss, um wenigstens festzustellen, ob es sich um
einen geringen Sperrstrom handelt. So findet man zumindest die Basis heraus.
Aber wie findet man Kollektor und Emitter heraus, denn sonst könnte ja etwas
schiefgehen, wenn man beide Anschlüsse vertauscht. Im Weiteren beziehe ich mich
auf den npn-Transistor, ganz speziell den Transistor BUX10P (pnp-Transistor
5
analog), bei welchem ich eine höhere Spannung (ca. 15V) über einen Widerstand
von 15k an den Kollektor bzw. Emitter anlege. Die Messung habe ich mit der
nachfolgenden Schaltung durchgeführt.
Ich habe die Spannung zwischen Emitter und Basis gemessen. Bei einem Emitter (+)
kann schon ein kleiner Strom zur Basis (-) fließen. Für den BUX10P trifft das
allerdings nicht zu. Bei 15V fließt noch kein Strom. Beim Kollektor soll die
Sperrspannung wesentlich höher sein. Vielleicht ist auch die Stromverstärkung
unterschiedlich. das will ich auch noch herausfinden.
Schaltung zur Kennlinienaufnahme
Nachdem ich die drei Anschlüsse des Transistors gefunden habe, brauche ich eine
Schaltung, um das vollständige Kennlinienfeld des Transistors aufzunehmen. Meine
Schaltung für npn-Transistoren ist so aufgebaut, dass Spannung und Stromstärke
zwischen Basis und Emitter als Eingang und zwischen Kollektor und Emitter als
Ausgang gemessen wird. Ich suchte mir eine geeignete Schaltung.
Spannungsfehlerschaltung
Stromfehlerschaltung
Ich habe mich beim Kollektor und bei der Basis für die Spannungsfehlerschaltung
entschieden, denn ein charakteristisches Merkmal bei Transistoren ist die
Stromverstärkung  =IC/IB, also sollten die Stromstärken so genau wie möglich sein.
Wenn die Spannungen jedoch sehr wichtig sind, muss man Spannungsmesser mit
6
sehr hohen Innenwiderständen verwenden. Dann kann man die Stromfehlerschaltung verwenden.
Um meine Messungen auszuführen, habe ich mir einen Adapter gebaut, um nicht bei
jeder Messung gleich Drähte an die Anschlüsse besonders bei kleinen Transistoren
(1,27mm Anschlussabstand) anzulöten. So kann ich die kleinen Transistoren in den
Adapter stecken und so die Anschlüsse mit meiner Messschaltung verbinden.
Dann habe ich mir eine Schaltung gebaut, mit der ich die Spannung am Eingang
(Basis-Emitter) und die Spannung am Ausgang (Kollektor-Emitter) mit
Potenziometern einstellen konnte. Der Widerstand von 5,6k schützt die Basis vor
zu hohen Strömen.
7
Diese Schaltung habe ich nun wegen der Potenziometer in ein Gehäuse gebaut und
die Messgeräte und die Versorgungsspannung werden über Messkabel
angeschlossen. Damit das Anschließen schneller geht, habe ich die Anschlusspläne
für npn- und pnp- Transistoren gleich auf das Gehäuse geklebt.
Die Messungen
Ich habe mir zuerst den Leistungstransistor BUX10P ausgesucht in der Hoffnung,
dass nichts kaputt geht.
Der interessanteste Zusammenhang ist sicher die Abhängigkeit des
Kollektorstromes vom Basisstrom Ic=f(Ib). Ich habe die Basisstromstärke eingestellt
und die Kollektorstromstärkeangelesen. Allerdings musste Ich die Kollektorspannung
immer wieder nachregeln, um das Ergebnis auszuwerten.
Meine Messwerte für diesen Transistor:
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Ib in
mA
1V
0
4,1
7,4
11
14
18
21,3
2V
0
4,3
8
11
14
18
22
3V
0
4,2
8
11
14
18
22
4V
0
4,5
8
11
15
20
22
Uc
Dabei habe ich das nachfolgende Diagramm erhalten.
8
Man sieht deutlich, dass als Graf etwa Geraden entstehen, die alle den gleichen
Anstieg haben und das bei vier verschiedenen Spannungen UC. Ich habe für jede
Messung IC/IB berechnet und den Mittelwert berechnet(Siehe Tabelle)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Ib in mA
Mittelwert
1V
41,0
37,0
36,7
35,0
36,0
35,5
36,9
37,9
2V
43,0
40,0
36,7
35,0
36,0
36,7
37,9
3V
42,0
40,0
36,7
35,0
36,0
36,7
37,7
4V
45,0
40,0
36,7
37,5
40,0
36,7
39,3
UC
42,8
39,3
36,7
35,6
37,0
36,4
Der untersuchte Transistor hat eine Stromverstärkung von 38 (ein Wert, der für
solche starken Leistungstransistoren gut ist)
Dann habe ich die Messwerte anders angeordnet, um die Abhängigkeit zwischen IC
und UCE zu untersuchen:
0
1
2
3
4
Uc in V
0,1 mA 0,2 mA 0,3 mA 0,4 mA 0,5 mA 0,6 mA
0
0
0
0
0
0
4,1
7,4
11
14
18
21,3
4,3
8
11
14
18
22
4,2
8
11
14
18
22
4,5
8
11
15
20
22
Ib
Im Diagramm habe ich die Messwerte für IB=0mA weggelassen, da ich im Bereich
zwischen 0V und 1V für UCE keine Messwerte habe. Das werde ich aber noch
genauer untersuchen.
9
In diesem Diagramm sieht man ganz deutlich, dass der Kollektorstrom nicht oder
kaum von der Kollektor-Emitter-Spannung abhängt.
Im Anhang sieht man das vollständige Kennlinienfeld für diesen Transistor.
Zusammenfassung
Ich habe mich mit dem Transistor als elektronisches Bauelement auseinandergesetzt
und herausgefunden, welcher Zusammenhang zwischen den einzelnen elektrischen
Größen des Transistors besteht. Ich muss noch herausfinden, was bei ganz kleinen
Kollektor-Emitter-Spannungen passiert. Ich untersuche weitere Transistoren, um
herauszufinden, wie groß Stromverstärkungen sein können. Dazu habe ich einen 1W
–Transistor ausgewählt und gleich den Bereich von 0V bis 1V für UCE genauer
ausgemessen. Tabelle und Diagramm sind ebenfalls im Anhang. Deutlich sieht man
die Auswirkungen der Messbereichsumschaltung auf den Diagrammverlauf.
Ich will meine Messschaltung auch anwenden, um herauszufinden, wie sich
Transistoren verhalten, wenn man Kollektor und Emitter vertauscht. Nachdem ich
jetzt weiß, wie der Transistor funktioniert, will ich im nächsten Jahr Schaltungen mit
einem Transistor aufbauen und diese ausprobieren.
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Anhang
Vollständiges Kennlinienfeld des BUX10P
11
Kennlinienaufnahme
eines 1WTransistors
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,1
1,2
3,5
4,8
5,3
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
0,2
2,0
4,4
6,6
11,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
12,0
0,3
2,2
4,8
7,3
17,5
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
19,0
0,4
2,4
5,1
7,8
25,0
25,0
25,0
26,0
26,0
26,0
27,0
27,0
27,0
27,0
27,0
27,0
27,0
27,0
27,0
27,0
0,5
2,6
5,3
8,0
27,5
33,0
33,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
34,0
0,6
2,8
5,4
8,3
30,0
38,0
39,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
40,0
0,7
2,8
5,4
8,4
45,0
46,0
46,0
46,0
46,0
46,0
46,0
46,5
46,5
46,5
46,5
47,0
47,0
47,0
47,0
47,0
0,8
2,8
5,4
8,5
52,0
52,0
52,0
52,0
52,0
52,0
53,0
54,0
54,5
55,0
55,5
56,0
57,0
58,0
58,5
59,0
0,9
2,8
5,4
8,6
58,0
60,0
60,0
60,0
60,0
60,0
60,0
60,0
60,0
60,0
60,5
61,0
61,5
62,0
63,0
64,0
1 IB in mA
2,8
5,4
8,8
63,0
65,5
67,0
67,0
67,0
67,0
67,0
67,0
68,0
70,0
72,0
73,0
73,5
74,0
74,5
75,0
UCE in V
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Aufbau meiner Messapparatur
Es wird eine Spannung von ca. 10V angelegt und es ist ein schneller Aufbau
möglich.
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