Analogelektronik 1. Einführung 2. Die Halbleiter
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Halbleiter 1 Analogelektronik 1. Einführung Die Elektronik ist die Technik elektrischer Stromkreise und Schaltungen in denen elektronische Bauelemente (z.b. Röhren, Halbleiterbauelemente, Widerstände, Kondensatoren, usw.) verwendet werden. In der Elektronik spielen die Halbleiterstoffe eine große Rolle. Bauelemente, die aus Halbleiterwerkstoffen bestehen, sind: • • a) Bauelemente die aus einfachen Halbleiterwerkstoffen bestehen: Dioden, Transistoren, Thyristoren, Triac, Diac Fotoelemente, Fotodioden • • • • b) Bauelemente die aus zusammengesetzten Halbleiterwerkstoffen bestehen: Spannungsabhängige Widerstände (VDR), Heißleiter (NTC), Kaltleiter (PTC) Fotowiderstände Hallgeneratoren Feldplatten 2. Die Halbleiter Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen wird hauptsächlich Silizium Si verwendet. Silizium ist ein chemisches Element, das in der IV. Gruppe des periodischen Systems steht. - - -- - -- - - + - - - - - 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 2 Ein Si-Halbleiter besitzt vier Valenzelektronen und bildet im festen Zustand ein Kristallgitter in dem jedes Si-Atom jeweils vier gleichweit entfernte Nachbaratome hat, an die es durch Elektronenpaarbrücken gebunden ist. Jedes Valenzelektron umkreist zugleich den eigenen Atomrumpf und einen benachbarten Atomrumpf. 4 Si Si - - 1 Si 3 - - - Si 2 Si Diese Art von Bindung, bei der die einzelnen Atome durch Elektronen miteinander gebunden sind, bezeichnet man als Valenzelektronen. Schematische Darstellung des Kristallaufbaus + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 3 2.1 Leiter, Nichtleiter und Halbleiter Das Verhalten der einzelnen Leiter kann durch das Modell des Physikers SHOCKLEY anschaulich erklärt werden. Die Valenzelektronen werden als parkende Autos im Untergeschoss einer Garage und die freien Elektronen als Autos im Obergeschoss einer Garage dargestellt. 2.1.1 Leiter Bei einem Leiter (Metall) hält die Gesamtheit der äußeren Elektronen die Atomrümpfe zusammen. Diese Elektronen lassen sich durch ein elektrisches Feld sehr leicht verschieben. Im Garagenmodell ist bei einem Leiter das Obergeschoss nur teilweise besetzt und es ist deshalb eine Bewegung der Autos im Obergeschoss möglich. Obergeschoss Untergeschoss 2.1.2 Nichtleiter Bei einem Nichtleiter sind keine freien Elektronen vorhanden. Bei Anschluss einer Spannung fließt kein Strom. Im Garagenmodell ist bei einem Nichtleiter im Obergeschoss kein Auto vorhanden und das UnterGeschoss ist vollbesetzt. Es kann sich also kein Auto bewegen. Obergeschoss Untergeschoss T > 0K Obergeschoss Untergeschoss T = 0K 2.1.3 Halbleiter Bei einer Temperatur T = 0K sind bei einem Halbleiter alle Valenzelektronen in den Paarbindungen des Halbleiterkristalls gebunden. Es stehen für den Transport von elektrischen Ladungen keine freien Ladungsträger zur Verfügung. Der Halbleiter verhält sich bei der Temperatur T = 0K also wie ein Nichtleiter. Bei einer Temperatur T > OK entstehen durch Wärmezufuhr freie Ladungsträger. Der Halbleiter verhält sich nun als Leiter. Im Garagenmodell ist bei einem Halbleiter und der Temperatur T = 0K, im Obergeschoss kein Auto vorhanden und das Untergeschoss ist vollbesetzt. Es kann sich also kein Auto bewegen. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 4 Bei einer Temperatur T > 0K werden Autos aus dem Untergeschoss in das Obergeschoss gehoben. Es können sich im Ober- und im Untergeschoss Autos bewegen. Obergeschoss T > 0K Untergeschoss Obergeschoss T = 0K Untergeschoss 2.2 Leitungsvorgänge im Halbleiter Durch Zuführung von thermischer Energie wird ein reiner Halbleiter (Si, Ge) leitfähig. Diese Art von Leitfähigkeit wird als Eigenleitung bezeichnet. Eine andere Möglichkeit die Leitfähigkeit zu vergrößern, erreicht man durch Verunreinigung des reinen Halbleiters mit Fremdatomen. Diese Leitfähigkeit nennt man Störstellenleitung. 2.2.1 Eigenleitung a) Siliziumkristall bei –273°C ( absoluter Nullpunkt) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 5 Alle Kristallbindungen werden zum Kristallaufbau benötigt. Sie sind damit örtlich gebunden. Für einen Elektrizitätstransport (elektrischer Strom) stehen also keine Ladungsträger zur Verfügung. Der Halbleiter verhält sich wie ein Isolator. Der Widerstand des Halbleiters ist unendlich groß. b) Siliziumkristall bei Erwärmung (Temperatur >> –273°C) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ist die Schwingung groß genug, so können Elektronen von ihren Atomrümpfen losgelöst und damit beweglich werden; man bezeichnet sie dann als freie Elektronen. Verlässt ein Elektron eine Paarbindung, so fehlt an dieser Stelle eine negative Ladung, es entsteht eine Elektronenlücke, auch Defektelektron oder Loch genannt. Da dieses Loch eine fehlende negative Ladung in einer Gitterbindung ist, kann es als ein selbstständiges positiv geladenes Teilchen angesehen werden. Mit zunehmender Temperatur entstehen jeweils paarweise Elektronen und Löcher, dieser Prozess wird als Paarerzeugung bezeichnet. Trifft ein freies Elektron bei seiner Bewegung auf ein Loch, so kann es in das Loch hineinfallen. Danach ist es wieder gebunden und kann nicht mehr zur Leitung des Stromes beitragen. Dieses Hineinfallen wird als Rekombination bezeichnet. Es entsteht ein thermisches Gleichgewicht zwischen Rekombination und Paarerzeugung. Bei Zimmertemperatur besitzen reine Halbleiter bedingt durch die Eigenleitung schon eine geringe Leitfähigkeit. Je höher die Temperatur desto größer die Leitfähigkeit. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 6 c) Reines Siliziumkristall an einer Spannungsquelle Wird bei einer Temperatur T > 0K eine elektrische Spannung an ein Si-Kristall angelegt, so wandern unter dem Einfluss des elektrischen Feldes die Elektronen zum Pluspol und die positiven Löcher zum Minuspol der Spannungsquelle. + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + Der elektrische Strom im Kristall besteht aus zwei Anteilen: • • Elektronenstrom von – nach + Löcherstrom von + nach - 2.2.2 Störstellenleitung Werden dem reinen vierwertigen Silizium geringe Mengen von 3 oder 5-wertigen Fremdatomen zugesetzt, so erhält man eine Störstellenleitung. Die Fremdatome werden dabei auf die regulären Gitterplätze des Siliziumkristalls eingebaut. Dieses Einbauen der Fremdatome bezeichnet man als Dotieren. Man unterscheidet: Dotieren mit 5-wertigen Atomen (z.b. P, As, Sb). Diese Atome bezeichnet man als Donatoren, die Leitung die sich daraus ergibt als N-Leitung. Dotieren mit 3-wertigen Atomen (z.b. Al, Ga, In). Diese Atome bezeichnet man als Akzeptoren, die Leitung die sich daraus ergibt als P-Leitung. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 7 2.2.3 N-Leitung Das eingebaute Fremdatom (z.b. 5-wertiges Phosphor-Atom) hat 5 Valenzelektronen. Zur Bindung an die benachbarten Si-Atome werden aber nur 4 von diesen 5 Valenzelektronen benötigt. Das fünfte Elektron ist nur schwach an den Phosphoratomrumpf gebunden. Das nicht benötigte Elektron kann mit geringem Energieaufwand abgetrennt werden. Dann befindet es sich im "freien Zustand" (freies Elektron) und kann zum Ladungstransport (Strom) herangezogen werden. + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + Freies Elektron + + Si + + + + P + + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + Beim N-Leiter besteht der Leitungsvorgang hauptsächlich aus einer Elektronenleitung (N-Leitung). Der Widerstand eines N-Leiters ist kleiner als der von reinem Silizium. Im Garagenmodell ist im Obergeschoss ein Auto vorhanden welches nicht aus dem Untergeschoss stammt. Im Obergeschoss ist eine Bewegung möglich während im Untergeschoss keine Bewegung möglich ist. Obergeschoss Untergeschoss 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 8 2.2.4 P-Leitung Das eingebaute Fremdatom (z.b. 3-wertiges Indiumatom) hat 3 Valenzelektronen. Es kann daher an 3 Si-Atome binden. Eine Bindung am Si-Atom bleibt offen. Diese offene Bindung stellt ein Loch dar. Dieses Loch kann mit geringem Energieaufwand von einem Elektron eines benachbarten Atoms besetzt werden. Dadurch entsteht eine Bewegung des Loches, die Löcherbewegung. Sie ist der Elektronenbewegung entgegengesetzt. Beim P-Leiter besteht der Leitungsvorgang hauptsächlich aus einer Löcherleitung. Der Widerstand eines P-Leiters ist kleiner als der von reinem Silizium. + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + Loch + + Si + + + In + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + + + Si + + Im Garagenmodell wird aus dem Untergeschoss ein Auto herausgenommen welches nicht in das Obergeschoss gebracht wird. Im Obergeschoss ist keine Bewegung möglich während im Untergeschoss eine Bewegung möglich ist. Obergeschoss Untergeschoss 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 9 Bemerkungen zur Störstellenleitung: − Auch bei einem N-leitenden oder bei einem P-leitenden Halbleiter ist gleichzeitig Eigenleitung vorhanden. Bei Raumtemperatur ist die Störstellenleitung größer als die Eigenleitung. − Bei hoher Temperatur ist die Eigenleitung größer als die Störstellenleitung. − Bei zu hoher Temperatur wird der Halbleiter zerstört. (S: 200 0C, Ge: 125 0C) 2.3 Der PN-Übergang Wenn im Innern eines Halbleiters ein P- und ein N-leitender Bereich aneinander stoßen, entsteht im Grenzgebiet zwischen P und N ein sogenannter PN-Übergang. 2.3.1 PN-Übergang ohne äußere Spannung Rekombinationen N Elektronen P Löcher Die Wärmebewegung (Diffusion) bedingt ein Wandern der freien Ladungsträger. Im Grenzgebiet finden Rekombinationen statt. N Ladungsträgerverarmte Zone P Durch die Rekombinationen erhält man eine ladungsträgerverarmte Zone. Diese Zone wird als Sperrschicht bezeichnet, weil keine Leitfähigkeit vorhanden ist. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiter 10 N P Raumladungen Es entstehen Raumladungen und es wird eine Spannung aufgebaut. Diese Spannung wird als Diffusionsspannung bezeichnet und beträgt bei Si 0,6V – 0,8V. 2.3.2 PN-Übergang mit äußerer Spannung Sperrrichtung N P + - + - Die Löcher werden vom Minuspol und die Elektronen werden vom Pluspol angezogen. Die ladungsträgerverarmte Zone wird vergrößert und es fließt kein Strom. Diese Zone wird als Sperrschicht bezeichnet. Durchlassrichtung N P + - - + Die Löcher werden vom Pluspol und die Elektronen werden vom Minuspol abgestoßen. Die Sperrschicht wird abgebaut und es kann ein Strom fließen. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 11 3. Die Halbleiterdiode Dioden gehören zu den wichtigsten Bauelementen der modernen Elektronik. Dioden werden meistens aus den Halbleiterwerkstoffen Silizium und Germanium hergestellt. Die Diode besteht aus einem Gehäuse (Glas, Keramik, Metall) welches mit zwei Kontakten versehen ist. Auf dem Gehäuse ist die jeweilige Bezeichnung der Diode angebracht. 3.1 Aufbau Die Halbleiterdiode besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Halbleiterkristallschichten, die N-Schicht und die P-Schicht. Als Halbleiterwerkstoffe eignen sich besonders Germanium und Silizium. P N Im Innern der Diode besteht ein räumlicher Bereich wo die N- und P-Schicht aneinandergrenzen. In dieser PN-Übergangszone beeinflussen sich beide Halbleitergebiete gegenseitig und bewirken dadurch ein charakteristisches elektronisches Verhalten. 3.2 Schaltzeichen Anode Katode Das Dreieck im Schaltzeichen symbolisiert den P-Kristall und der Strich den N-Kristall. Der PKristallanschluss wird als Anode und der N-Kristallanschluss wird als Katode bezeichnet. 3.3 Versuche siehe Versuchsbeschreibung im Anhang 3.4 Wirkungsweise Eine Diode ist ein Bauteil welches eine Ventilwirkung besitzt. Liegt der positive Pol einer Spannungsquelle an der Anode und der negative Pol an der Katode, so wird der PN-Übergang niederohmig. Es fließt ein Strom. Der PN-Übergang ist in Durchlassrichtung gepolt. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 12 Liegt der negative Pol einer Spannungsquelle an der Anode und der positive Pol an der Katode, so wird der PN-Übergang hochohmig. Es fließt kein Strom. Der PN-Übergang ist in Sperrrichtung gepolt. Merke: Die Halbleiterdiode lässt den Strom in einer Richtung durch und sperrt ihn in der anderen Richtung. Diese Eigenschaft wird auch durch den Namen Diode ausgedrückt. Die Diode ist ein Bauteil mit stromrichtungsabhängigem Widerstand. 3.5 Diodenkennlinie Die Kennlinie beschreibt die genaue Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung an einer Diode. Der Verlauf dieser Kennlinie ist im Sperr- und Durchlassbereich sehr unterschiedlich. Im Durchlassbereich tragen die Achsen die Bezeichnungen UF und IF. Der Index "F" kommt aus dem Englischen (Forward direction = Vorwärtsrichtung = Durchlassrichtung). Im Sperrbereich wird der Index "R" (Reverse direction = Rückwärtsrichtung = Sperrrichtung) verwendet. IF A Durchlassbereich Silizium-Diode URmax Germanium-Diode URmax UR V 0,4 0,7 UF V IR µA 3.5.1 Kennlinienauswertung a) In Durchlassrichtung beginnt die Diode den Strom erst von einer bestimmten Spannung an zu leiten. Diese Spannung wird als Schwell-, Schleusen- oder als Durchlassspannung bezeichnet. Schleusenspannung bei Si-Dioden: US = 0,6 – 0,8V Schleusenspannung bei Ge-Dioden: US = 0,3 - 0,4V Der Durchlassstrom darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, da sonst die Diode zerstört werden kann. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 13 b) Die Si-Diode hat eine steilere Kennlinie als die Ge-Diode. Bei der Si-Diode tritt nach Überschreiten der Durchlassspannung schlagartig ein großer Stromfluss ein. Bei der Ge-Diode erfolgt der Übergang vom kleinen zum großen Stromfluss allmählich. c) In Sperrrichtung fließt fast kein Strom. Ab einer bestimmten Sperrspannung kommt es zu Durchbrüchen, welche normalerweise die Diode zerstören. 3.5.2 Idealisierte Kennlinie und Ersatzschaltung Zur Vereinfachung wird die nichtlineare Kennlinie der Diode durch eine idealisierte Kennlinie nachgebildet. IF IF mA mA 30 30 20 20 10 10 ∆IF ∆UF 0,5 1 UF 0,5 V 1 UF V Der idealisierten Kennlinie kann man folgende Ersatzschaltung zuordnen. Die Ersatzschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einem Widerstand und dem Stromrichtungssymbol. Die Spannungsquelle besagt, dass nur nach dem Überwinden der Schleusenspannung Us ein Strom fließt. Das Stromrichtungssymbol zeigt, dass die Ersatzquelle ein stromrichtungsabhängiges Bauteil ist und nicht von sich aus einen Strom in einen äußeren Stromkreis einspeisen kann. Der differentielle Ersatzwiderstand ist folgendermaßen definiert: rF = ∆UF ∆IF 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 14 3.6 Grenzwerte Grenzwerte sind Werte, die der Anwender nicht überschreiten darf, ohne eine sofortige Zerstörung des Bauelementes zu riskieren. − Maximaler Durchlassstrom IFmax: maximaler Durchlassdauerstrom bei bestimmter Kristalltemperatur − Spitzensperrspannung URmax: höchste Spannung, die in Sperrrichtung an der Diode anliegen darf. Dieser Wert darf auch nicht kurzzeitig überschritten werden. − max. Verlustleistung Ptot: größte zulässige Gesamtverlustleistung (Verlustleistung PV = UF · IF) 3.7 Kennzeichnung von Halbleiterdioden Die Dioden werden bei Standardtypen (für Rundfunk-, Fernsehgeräte) mit zwei Buchstaben und einer dreistelligen Zahl bezeichnet. Bei professionellen Typen werden drei Buchstaben und zwei Ziffern verwendet. Erster Buchstabe(Werkstoff) A: Germanium B: Silizium C: Gallium-Arsenid D: Indium-Antimonid R: Werkstoffe für Fotoelektronische Bauelemente Beispiele: Zweiter Buchstabe(Anwendung) A: Diode B: Kapazitätsdiode C: NF-Transistor D: NF-Leistungstransistor E: Tunneldiode X: Vervielfacher-Diode Y: Leistungsdiode Z: Z-Diode Dritter Buchstabe X: Professionelle Typen Y: Z: AA109: Germanium-Diode BY100: Silizium-Leistungsdiode 3.8 Aufgaben 1. Welche von den Lampen leuchten bei den vier möglichen Schalterkombinationen, wenn die Schaltung an eine Wechselspannung von 230V angeschlossen wird? S1 H1 V1 V2 13Ge, Analogelektronik H2 V3 S2 V4 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 2. 15 Zeichnen Sie den Verlauf i = f(t), wenn folgende Spannung an der Schaltung liegt. R1 R2 R1 = R2 = 200 Ω rF = 50 Ω Us = 0,6V u u V 2 1 0 t -1 -2 i mA 10 5 0 t -5 -10 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 3. 16 An die Reihenschaltung einer Diode mit einem Widerstand wird eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Spannungsquelle hat eine Leerlaufspannung U0 = 1,6V und einen Kurzschlussstrom von IK = 55mA. Wie groß ist der Strom, der durch die Schaltung fließt? IF mA R = 33Ω 30 U 20 10 1 13Ge, Analogelektronik 2 UF V 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 17 3.9 Arbeitspunktbestimmung von Dioden a) Arbeitspunktbestimmung bei der Reihenschaltung von zwei Widerständen I UB = 100V (UB = Betriebsspannung) R1 U1 R2 U2 R1 = 20Ω, R2 = 80Ω UB Rechnerische Methode: I= UB Rg R g = R1 + R2 R g = 20Ω + 80Ω = 100Ω 100V 100Ω I = 1A I= U 1 = I ⋅ R1 U 1 = 1A ⋅ 20Ω = 20V U 2= I ⋅ R 2 U 2 = 1A ⋅ 80Ω = 80V Zeichnerische Methode: 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 18 I [A] I [A] 2 2 1 1 U1 [V] 0 20 40 60 80 U1 [V] 0 100 20 40 60 80 100 Man kann beide Funktionen auch in ein Diagramm eintragen. I [A] 2 1 U1 [V] 0 20 40 60 80 100 Der Schnittpunkt der beiden Geraden ist der einzige Punkt, der beide Gleichungen (1) und (2) erfüllt. Die Stromstärke I = I1 = I2 ist diejenige, welche sich bei der Reihenschaltung aus R1 und R2 einstellt. Man erhält so eine grafische Lösung der Reihenschaltung von zwei Widerständen. Dieses grafische Verfahren wird dann eingesetzt, wenn die Funktion I = f(U) eines Bauelementes mathematisch nicht genau zu beschreiben ist. Bei einer Diode ist dies zum Beispiel der Fall. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 19 b) Arbeitspunktbestimmung bei einer Reihenschaltung von Diode und Widerstand I R1 D U1 UF UB IF UB R1 D I A R1 UF UF U1 UB In die Kennlinie der Diode wird die Widerstandsgerade von R1 eingetragen. Der Schnittpunkt von Diodenkennlinie und Widerstandsgerade ergibt den Arbeitspunkt A der Schaltung. Man erhält den Strom I sowie die Teilspannungen U1 und UF. c) Beispiele Beispiel 1: Gegeben seien die Werte einer Diodenkennlinie IF = f(UF): UF in V 0 0,4 0,6 0,65 0,7 IF in mA 0 1 10 40 80 Die Diode liegt in Reihe mit einem Widerstand R = 30Ω an einer Spannung UB = 3V. Bestimme grafisch den Arbeitspunkt der Reihenschaltung und ermittle die Stromstärke sowie die Teilspannungen an Diode und Widerstand. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden Lösungshinweis: 20 1. Maßstäbe festlegen (MU = 0,2V/cm; MI =10mA/cm) 2. Diodenkennlinie zeichnen 3. Arbeitsgerade von R einzeichnen 4. Werte von Strom und Spannungen ablesen Beispiel 2: Welche Werte erhält man, wenn die Betriebsspannung auf 2,6V verringert wird (R ändert nicht)? Trage die neue Arbeitsgerade in das Diagramm aus Beispiel 1 ein. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 21 Beispiel 3: Welche Werte erhält man, wenn der Widerstand auf den Wert R = 60Ω verändert wird (bei der Betriebsspannung UB = 2,6V)? Trage die neue Arbeitsgerade wieder in das Diagramm ein. Beispiel 4: Gegeben: Diode wie im Beispiel 1, R = 200Ω, UB = 20V Gesucht: I, UF, UR Die Betriebsspannung ist so groß, dass sie nicht mehr in das Diagramm passt. Durch Zeichnen einer Hilfsgeraden erhält man den Arbeitspunkt der Schaltung. I mA 100 50 UF V 0 1 13Ge, Analogelektronik 2 3 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 22 Man kann eine Hilfsspannung wählen, z.B. UH = 2V. Hilfsstrom berechnen. IH = UH 2V = = 0,01A = 10mA R 200Ω Hilfsgerade mit UH als "Betriebsspannung" zeichnen. Arbeitsgerade liegt parallel zur Hilfsgeraden und geht durch den Punkt (0V; 100mA). Der Schnittpunkt von Arbeitsgerade und Diodenkennlinie ergibt den Arbeitspunkt. Aus dem Diagramm: 3.10 Anwendungen 3.10.1 Dioden als Schalter In der Digitaltechnik werden die Dioden häufig als Schalter verwendet. Mit Hilfe von Dioden kann man logische Verknüpfungen realisieren. a) ODER-Verknüpfung A A B ≥1 Q Q B Wenn der Eingang A oder der Eingang B den Zustand 1 (+5V) haben, so hat der Ausgang Q den Zustand 1. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 23 b) UND-Verknüpfung +5V & A Q A Q B B Am Ausgang Q ist der Zustand 1 nur dann vorhanden, wenn an Eingang A und an Eingang B eine 1 (+5V) anliegt. Hat einer der Eingänge den Zustand 0 (0V), so fällt die Ausgangspannung auf ungefähr 0,6V herab, der Ausgang hat den logischen Zustand 0. 3.11 Gleichrichterschaltungen Gleichrichterschaltungen dienen dazu, Wechselspannungen in Gleichspannungen umzuwandeln. Transformator UN U1 uN Verbraucher UL u1 t 13Ge, Analogelektronik Gleichrichter RL uL t t 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 24 3.11.1 Die Einweg-Gleichrichter-Schaltung (M1) D I RL U~ UL u~ ωt 180° 360° 540° 720° 900° 1080° 180° 360° 540° 720° 900° 1080° 180° 360° 540° 720° 900° 1080° i ωt uL ωt Die Gleichrichterschaltung lässt die positive Halbwelle der Wechselspannung durch und sperrt die negative Halbwelle der Wechselspannung. Die Ausgangsspannung UL ist noch keine Gleichspannung (sondern eine Mischspannung). Ihr Verlauf besteht aus lauter positiven Halbwellen. Eine solche Spannung wird pulsierende Gleichspannung genannt. Die Polarität der entstehenden Mischspannung ist von der Polung der Diode abhängig. EinpulsMittelpunktschaltungen werden nur für kleine Ausgangsleistungen gebaut. Vorteil: Einfache Schaltung, daher billiger Aufbau. Nachteil: Es wird nur eine Halbwelle ausgenutzt. Das Netz wird nur während einer Halbwelle belastet. Bei zu großer Leistungsentnahme über einen Transformator kann es zu einer Verformung der Netzspannung kommen (Netzrückwirkung). 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 25 3.11.2 Die Brücken-Zweiweg-Gleichrichterschaltung B2 Die B2-Schaltung wird auch noch als Graetzschaltung bezeichnet. I D1 D2 UL RL U1 D4 D3 u1 ωt 180° 360° 540° 720° 900° 1080° 180° 360° 540° 720° 900° 1080° 180° 360° 540° 720° 900° 1080° 180° 360° 540° 720° 900° 1080° 180° 360° 540° 720° 900° 1080° i1 ωt i2 ωt i = i1 + i2 ωt uL ωt 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Halbleiterdioden 26 Während der positiven Halbwelle von U1 sind die Dioden D1 und D3 in Durchlassrichtung geschaltet. Es fließt ein Strom I1. Während der negativen Halbwelle von U1 sind die Dioden D2 und D4 in Durchlassrichtung geschaltet. Es fließt ein Strom I2. Es sind immer zwei Dioden leitend. I1 und I2 durchfließen den Lastwiderstand in gleicher Richtung. Sie bilden zusammen den Strom I. Die Spannung UL hat den gleichen zeitlichen Verlauf wie der Strom I (bei ohmscher Belastung). Vorteil: Es werden beide Halbwellen ausgenützt. Bei Netzgeräten werden keine Einzeldioden verwendet, sondern komplette Brückengleichrichtermodule. Glättung der Ausgangsspannung mit Ladekondensator Die Gleichrichterschaltungen liefern am Ausgang pulsierende Gleichspannungen. Viele Anwendungen können aber nicht mit einer pulsierenden Ausgangsspannung betrieben werden (z.B. Elektromagnete, Musikverstärker). Deshalb muss die Ausgangsspannung geglättet werden. Schaltungen mit Gleichstromleistungen bis zu 2kW können mit Ladekondensatoren geglättet werden. I D1 D2 UL RL CL U1 D4 D3 uL ωt 180° 360° 540° 720° 900° 1080° Durch das Einfügen des Ladekondensators (Glättungskondensator) CL wird eine Glättung der pulsierenden Gleichspannung erreicht. Der Kondensator stellt einen Energiespeicher dar, der sich auf den Maximalwert der Ausgangsspannung auflädt. In der darauffolgenden Pause gibt der Kondensator einen Teil seiner Energie an den Lastwiderstand ab. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 27 4. Bipolartransistoren Transistoren sind aktive Halbleiterbauelemente, die für Verstärkung, für Schwingungserzeugung, für Regel- und Schaltzwecke sowie für digitale Verknüpfungen Verwendung finden. Transistoren als Bauelemente der Elektronik sind meist sehr klein und bilden die wichtigste Gruppe der elektronischen Bauelemente. 4.1 Aufbau des Transistors Transistoren, welche aus einer NPN- bzw. einer PNP-Schichtenfolge bestehen, werden als bipolare Transistoren bezeichnet. Der NPN-Transistor besteht aus zwei N-leitenden Zonen, zwischen denen sich eine P-leitende Zone befindet, während der PNP-Transistor aus zwei P-leitenden Zonen, zwischen denen sich eine Nleitende Zone befindet, besteht. Basis B Emitter E N N P Kollektor C NPN-Transistor Die drei Schichten und ihre zugehörigen Anschlüsse werden bei den bipolaren Transistoren als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Der Emitter (emittere (lat.) = aussenden) liefert die Ladungsträger. Der Kollektor (collector (lat.) = Sammler) sammelt die Ladungsträger wieder ein. Die Basis (basis (lat.) = Grundlage) ist die Steuerelektrode und war bei früheren Herstellungsverfahren die zuerst vorhandene Zone. Im Prinzip ist der Aufbau des Transistors ähnlich wie zwei gegensinnig geschaltete Dioden. NPN E C B Ein Transistor kann aber nicht aus zwei getrennten Dioden aufgebaut werden (da die Basis nur einige µm dick sein darf). 4.2 Schaltzeichen NPN-Transistor C B E 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 28 4.3 Spannungs- und Stromrichtungen Da der Transistor 3 Anschlüsse besitzt, sind auch je 3 Spannungen und 3 Ströme vorhanden: • Kollektor-Emitterspannung UCE • Kollektor-Basisspannung UCB • Basis-Emitterspannung UBE sowie • Kollektorstrom IC • Basisstrom IB • Emitterstrom IE Beim Transistor werden alle Spannungsangaben auf den Emitter bezogen. C IC UCE B IB IE UBE E NPN 4.4 Wirkungsweise Die Wirkungsweise wird anhand eines NPN-Transistors erklärt. Bei Betrachtung der Wirkungsweise eines PNP-Transistors sind die Polarität der Spannungen und die Stromrichtungen umzukehren. Im NPN-Transistor befinden sich zwei PN-Übergänge. Es entstehen also zwei Sperrschichten in welchen sich keine freien Ladungsträger befinden. Übliche Spannungswerte zum normalen Betrieb eines NPN-Transistors sind: Basis-Emitter–Spannung: UBE = + 0,7V Kollektor-Emitter-Spannung: UCE = + 7V Versuche zur Wirkungsweise eines Transistors siehe Versuchsbeschreibungen im Anhang 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 29 Folgerungen aus den Versuchen • Beim Transistor bewirkt ein in der Basis fließender Steuerstrom IB (Basisstrom), dass ein wesentlich größerer Strom IC (Kollektorstrom) über den Kollektor fließt. Je größer der Basisstrom, desto größer der Kollektorstrom. Beim Transistor kann mit einem kleinen Basisstrom ein erheblich größerer Kollektorstrom gesteuert werden. • Der Kollektorwiderstand RC hat keinen Einfluss auf den Kollektorstrom IC. Der Kollektorstrom IC ist nur von Basisstrom IB abhängig. Allerdings wird der maximale Kollektorstrom aber durch den Widerstand RC begrenzt. • Die Summe des Kollektorstromes IC und des Basisstromes IB ergibt den Emitterstrom IE. IE = IC + IB • Der Transistor hat eine verstärkende Eigenschaft. Beim Transistor führen kleine Basisstromänderungen zu großen Kollektorstromänderungen. • Werden die Kollektorstromänderungen durch einen Widerstand in Spannungsänderungen umgewandelt, so gilt folgendes: Beim Transistor führen kleine Basisspannungsänderungen zu großen Kollektorspannungsänderungen. • Um diese verstärkende Wirkung zu erreichen, muss der Basis-Emitter-Übergang in DurchlassRichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung gepolt werden. NPN-Transistor : Basis positiv gegenüber Emitter Kollektor positiv gegenüber Emitter PNP-Transistor : Basis negativ gegenüber Emitter Kollektor negativ gegenüber Emitter 4.5 Kennlinienfelder des Transistors Die Abhängigkeit der einzelnen Ströme und Spannungen voneinander werden in Form von Kennlinien dargestellt. Man benötigt für die Berechnung der Transistorschaltungen 3 Kennlinien. Mögliche Schaltung zur Aufnahme von Transistorkennlinien: 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 30 4.5.1 Eingangskennlinie Der Zusammenhang IB = f(UBE) bei UCE = konst. wird als Eingangskennlinie eines Transistors bezeichnet. Eingangskennlinie: IB = f(UBE) bei UCE = konst. Da ein Basisstrom erst fließt, wenn eine entsprechende Basis-Emitter-Spannung UBE vorhanden ist, muss der Zusammenhang zwischen IB und UBE bekannt sein. Das Eingangskennlinienfeld gibt diesen Zusammenhang an. Die Eingangskennlinie hat den Verlauf einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode. Für Siliziumtransistoren ergibt sich eine Schwellenspannung von ca. 0,65V. 4.5.2 Ausgangskennlinie Die Ausgangskennlinie gibt den Zusammenhang zwischen IC und UCE bei verschiedenen Basisströmen an. Ausgangskennlinie: IC = f(UCE) bei IB = konst. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 31 4.5.3 Steuerkennlinie Die Steuerkennlinie (Stromverstärkungskennlinie) gibt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB an. Stromverstärkungskennlinie: IC = f(IB) bei UCE = konst. Aus der Kennlinie kann man folgende Größen entnehmen: Gleichstromverstärkung B= IC IB Die Gleichstromverstärkung B gibt an, wie groß der Kollektorstrom bei einem bestimmten Basisstrom ist. Der differentielle Stromverstärkungsfaktor stellt die Steigung der IC-IB-Kennlinie in einem bestimmten Arbeitspunkt A dar. Differentieller Stromverstärkungsfaktor β= 13Ge, Analogelektronik ∆I C ∆I B 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 32 4.5.4 Vierquadranten-Kennlinienfeld Alle Kennlinien werden zum sogenannten Vierquadrantenkennlinienfeld zusammengefasst. 4.6 Der Transistor als Bauelement 4.6.1 Grenzwerte Folgende Grenzwerte dürfen beim Transistor nicht überschritten werden: • maximaler Kollektorstrom ICmax • maximaler Basisstrom IBmax • maximale Kollektor-Emitter-Spannung UCEmax • maximale Verlustleistung PVmax mit PV = U CE ⋅ I C + U BE ⋅ I B Die zulässige Größe von PVmax hängt von den Kühlbedingungen ab. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 33 4.6.2 Spannungen und Ströme Der Emitterstrom IE setzt sich zusammen aus Kollektorstrom IC und Basisstrom IB: I E = IC + I B Das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom wird als Gleichstromverstärkung B bezeichnet: B= IC IB Für die Spannungen gilt: U CE = U CB + U BE 4.7 Aufgaben 1. Wie müssen die Potentiale folgender Transistoren sein, damit sie im normalen Betrieb arbeiten können? ϕC = ? ϕB = ? ϕC = ? ϕB = 1V ϕC = ? ϕB = ? ϕC = ? ϕB = ? ϕE = 0V ϕE = ? ϕE = 2V ϕE = -1V ϕC = ? ϕC = ? ϕC = ? ϕC = ? ϕB = -0,5V ϕB = ? ϕE = 0V 13Ge, Analogelektronik ϕB = ? ϕE = ? ϕB = ? ϕE = 2V ϕE = -2V 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 2. 34 Welcher Kollektorstrom wird eingestellt, wenn die Basis-Emitter-Spannung gleich 1V beträgt? Wie groß ist dann die Gleichstromverstärkung? 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 35 4.8 Transistor als Verstärker Verstärker dienen dazu kleine zeitabhängige Spannungs- und Stromverläufe amplitudengetreu zu verstärken. +UB R1 RC C2 C1 ua RL ue R2 Den Verstärkungsvorgang verfolgt man am anschaulichsten im Ausgangskennlinienfeld mit dem Basisstrom IB als Parameter. Die Arbeitsgerade schneidet bei UCE = UB und ICmax = UB/RC die Koordinatenachsen. Bei einer Aussteuerung gleitet der Arbeitspunkt längs der Arbeitsgeraden, welche jeden IB-Wert mit einem IC-Wert verknüpft. Wählt man die Widerstände R1 und R2 so, dass im Ruhezustand ein bestimmter Basisstrom fließt, dann stellt sich der Arbeitspunkt A ein. Überlagert man nun dem BasisRuhestrom ein sinusförmiges Eingangssignal (Stromsteuerung), dann überlagert sich dem Kollektorstrom auch ein annähernd sinusförmiger Wechselstrom. Gleichzeitig wird die KollektorEmitter-Wechselspannung uCE erzeugt. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 36 4.8.1 Arbeitsgerade Der Transistor wird in einem bestimmten Arbeitspunkt betrieben. Der Arbeitspunkt wird von einer der drei Größen UBE, IB sowie IC bestimmt. Für die Festlegung des Arbeitspunktes kann man aber auch von der Spannung UCE und dem Strom IB ausgehen. +UB URc R1 RC UCE R2 Bei vorgegebener Betriebsspannung UB berechnet man den Kollektorwiderstand RC so, dass sich bei dem gewünschten Kollektorstrom IC die gewählte Kollektor-Emitter-Spannung UCE einstellt. Der Kollektorwiderstand RC wandelt die im Transistor auftretende Stromverstärkung β in eine Spannungsverstärkung VU um. Den Kollektorwiderstand RC berechnet man folgendermaßen: RC = U B − U CE IC Man kann die Arbeitsgerade des Kollektorwiderstandes in das Ausgangskennlinienfeld eintragen. Lotet man den Arbeitspunkt der Widerstandsgeraden auf die UCE -Achse herunter, so erhält man eine Aufteilung der Betriebsspannung UB in die Kollektor-Emitter-Spannung UCE und in die am Kollektorwiderstand anliegende Spannung URc, für einen bestimmten Kollektorstrom IC. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 37 4.8.2 Arbeitspunkteinstellung Der Transistor kann im Übersteuerungs-, im Sperr- und im aktiven Bereich arbeiten. Sein Arbeitspunkt wird durch die Wahl der Widerstandsgeraden und durch den Basisstrom IB festgelegt. Daher sind für die Einstellung des Transistors im gewählten Arbeitsbereich bestimmte Werte des Kollektorwiderstandes RC und des Basisstromes erforderlich. Im Folgenden wird die Einstellung des Transistors im aktiven Bereich, dort wo er als Verstärker eingesetzt wird, behandelt. Für die Einstellung des Arbeitspunkts gibt es verschiedene Kriterien. Bei Kleinsignalverstärkung, wo die Aussteuerung des Transistors gering ist, wird der Arbeitspunkt durch die Forderung nach kleinstem Rauschen festgelegt. Die verschiedenen Hersteller geben hierfür in ihren Datenblättern die günstigsten Werte für den Kollektorstrom IC und die Kollektor-Emitterspannung UCE an. Der Arbeitspunkt eines Transistors sollte möglichst in der Mitte der Widerstandsgeraden eingestellt werden. Bei Ansteuerung mit einem Signal vermeidet man, dass dieses infolge der unlinearen Kennlinien unsymmetrisch verstärkt wird. Arbeitspunkteinstellung mit Basisspannungsteiler Zur Arbeitspunkteinstellung dient der Spannungsteiler aus R1 und R2. +UB URc R1 RC UCE R2 Bei gegebenen Werten des Kollektorstromes IC und der Kollektor-Emitter-Spannung UCE im gewählten Arbeitspunkt ist der Kollektorwiderstand durch die Betriebsspannung UB festgelegt. RC = U B − U CE IC R1 = U B − U BE IB + Iq R2 = U BE Iq mit q= Iq IB In der Praxis wird das Querstromverhältnis q = 1....10 gewählt. Für kleinere Werte von q ist die Basisspannung nicht mehr stabil genug und für größere Werte von q wird der Stromverbrauch zu groß. Von Vorteil bei dieser Schaltung ist, dass bei kleinen Änderungen der Betriebsspannung oder beim Auswechseln des Transistors keine neue Einstellung von UBE erforderlich ist. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 38 Nachteilig wirkt sich aus, dass UBE auch konstant bleibt, wenn IB infolge einer Temperaturerhöhung größer wird. Der Arbeitspunkt verschiebt sich. Ein weiterer Nachteil ist die Belastung der Spannungsquelle durch Iq (Verluste in R1 und R2). Auch die Signalspannungsquelle wird durch R2 zusätzlich belastet. Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand Je hochohmiger man die Widerstände R1 und R2 in der obigen Schaltung wählt, desto kleiner wird der Einfluss des Querstromes Iq auf die Spannungsteilung und um so mehr geht der Basisstrom IB ein. Im Grenzfall kann zur Festlegung des Basispotentials statt des Spannungsteilers auch ein genügend großer Vorwiderstand verwendet werden. Der Widerstand R1 muss so groß gewählt werden, dass der über ihn fließende Basisstrom der Basiselektrode das notwendige Potential erteilt. +UB R1 URc RC UCE R1 = U B − U BE IB Diese einfache Schaltung hat den Vorteil, dass wegen dem hochohmigen Vorwiderstand nur geringe Verluste auftreten. Weiterhin bleibt die Einstellung des Arbeitspunktes nahezu temperaturunabhängig. Von Nachteil ist dagegen, dass bei jeder einzelnen Verstärkerstufe oder nach Auswechseln eines Transistors wegen der Exemplarstreuungen der Basisstrom neu abgeglichen werden muss. 4.8.3 Aufgaben Aufgabe 1 Ein Transistor mit nachfolgenden Ausgangskennlinien wird als Verstärker in Emitterschaltung betrieben. Die Basis-Emitter-Vorspannung wird aus einem Basisspannungsteiler gewonnen. Bekannt sind folgende Größen: UB = 24V; RC = 300Ω; IB = 100µA; q = 10; UBE = 0,65V a) Zeichne die prinzipielle Schaltung. b) Bestimme die Widerstandswerte R1 und R2 des Basisspannungsteilers. c) Zeichne die Arbeitsgerade des Lastwiderstandes in das Ausgangskennlinienfeld. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 39 d) Trage den Arbeitspunkt in die Kennlinie ein und ermittle für den Transistor in dieser Schaltung die Kollektor-Emitter-Spannung UCE, den Kollektorstrom IC sowie den Gleichstromverstärkungsfaktor B im Arbeitspunkt. Schaltung 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 40 Aufgabe 2 Auf beiliegendem Diagramm sind die Kennlinien eines NPN-Transistors im 1. und 3. Quadrant dargestellt. Der Einfachheit halber wird die Stromverstärkung als konstant und unabhängig von der Spannung UCE angenommen. Der Kollektorwiderstand wurde so gewählt, dass der Kollektorstrom den Wert von 35mA bei der Betriebsspannung von 16V nicht überschreitet. Der Arbeitspunkt wurde bei UCE = 8V festgelegt. a) Bestimme den Kollektorwiderstand, die Spannung am Kollektorwiderstand sowie die Gleichstromverstärkung. b) Berechne den Basisspannungsteiler, wenn der Querstromfaktor mit 8 angenommen wird. c) Ermittle die Änderung der Ausgangsspannung, wenn UBE um 50mV ansteigt. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 13Ge, Analogelektronik 41 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 42 Aufgabe 3 Ein Transistor BD 130 wird mit einem Arbeitswiderstand von 2Ω an eine Spannung von 10V angeschlossen. a) Ermittle den ausgangs- und den eingangsseitigen Arbeitspunkt (IB = 0,1A). b) Die Basisvorspannung wird durch einen Basisspannungsteiler erzeugt ( q = 3). Berechne die Widerstände R1 und R2. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 43 Aufgabe 4 Für eine Schaltung mit Basisvorwiderstand soll der Vorwiderstand R1 berechnet werden. Der Transistor BC 237 besitzt eine Gleichstromverstärkung von 340. Er wird mit UB = 15V betrieben. Die Basisvorspannung beträgt UBE = 0,625V und es fließt ein Kollektorstrom von IC = 20mA. Aufgabe 5 Für eine Schaltung mit Basisspannungsteiler (q = 5) sollen die Widerstände R1 und R2 berechnet werden. Der Transistor BC 237 besitzt eine Gleichstromverstärkung von 340. Er wird mit UB = 15V betrieben. Die Basisvorspannung beträgt UBE = 0,625V und es fließt ein Strom von IC = 20mA. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 44 4.8.4 Steuerung des Transistors Nach der Einstellung des Arbeitspunktes können mit dem Transistor kleine zeitlich veränderliche Ströme und Spannungen verstärkt werden. +UB RC R1 C2 C1 ua RL ue R2 Wird an den Eingang eine Signalspannung ue angelegt, so verhindert der Kondensator C1, dass ein Gleichstrom aus der Signalquelle in die Schaltung hineinfließt, bzw. von der Schaltung aus in die Signalquelle. uBE ue t t Die Eingangswechselspannung uBE wird der Basis-Emitter-Gleichspannung UBE überlagert. uBE uBE+UBE UBE + t = t t Die zwischen Basis und Emitter liegende Spannung ist eine Mischspannung die sich mit ∆UBE ändert. Die Steuerung des Transistors ist im nächsten Bild anschaulich dargestellt. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 45 Der Basisstrom IB und der Kollektorstrom IC ändern sich gleichsinnig mit der Eingangsspannung uBE. Die Kollektor-Emitterstrecke wird mit steigender Spannung (uBE + UBE) niederohmiger und die Spannung uCE wird kleiner, weil sie sich gegensinnig zu IC und ue ändert. Der Kollektorstrom Ic wird größer und damit auch der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand RC. An der KollektorEmitter-Strecke tritt eine Mischspannung auf. Mit dem Koppelkondensator C2 wird der Wechselspannungsanteil der Spannung von dem Gleichspannungsanteil getrennt. uCE+UCE ua t t Am Ausgang misst man die Ausgangswechselspannung ua. Diese hat zu ue eine Phasenverschiebung von 180°. Das Verhältnis von ∆UCE zu ∆UBE wird als Spannungsverstärkung Vu bezeichnet: Vu = 13Ge, Analogelektronik ∆U CE ∆U BE 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 46 Das Verhältnis von ∆IC zu ∆IB wird als Stromverstärkung Vi bezeichnet: Vi = ∆I C ∆I B Das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung wird als Leistungsverstärkung Vp bezeichnet: Vp = ∆U CE ⋅ ∆I C = Vu ⋅ Vi ∆U BE ⋅ ∆I B 4.8.5 Aufgaben Aufgabe 1 Bei einem Wechselstromverstärker wird der Arbeitspunkt eingangsseitig mit dem Basisstrom von 0,175mA eingestellt. a) Wie groß ist UBE im Arbeitspunkt? b) Bestimme den Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld wenn UB = 16V und RC = 400Ω betragen. c) Wie groß sind VI, VU und VP, wenn eine sinusförmige Eingangsspannung mit Ue = 25mV am Eingang anliegt? 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 13Ge, Analogelektronik 47 13Ge_Elektronik Bipolartransistoren 48 Aufgabe 2 Bestimme VI, VU und VP des folgenden Kleinsignaltransistors. Die Änderung der Eingangsspannung ist mit ∆UBE = 50mV. vorgegeben. Die Betriebsspannung soll 30V betragen und der Kollektorwiderstand wird mit 300Ω angegeben. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Anhang: Versuchsbeschreibungen Namen: . . . . . . . . . . . . . . . . . ................. 13 Ge Die Diode Datum: . . . . . . . . . . . . . . . . . Versuch 1 1. Einführung Dioden gehören zu den wichtigsten Bauelementen der modernen Elektronik. Dioden werden meistens aus den Halbleiterwerkstoffen Silizium und Germanium hergestellt. Die Diode besteht aus einem Gehäuse (Glas, Keramik, Metall) welche mit zwei Kontakten versehen ist. Auf dem Gehäuse ist die jeweilige Bezeichnung der Diode angebracht. Dieser Versuch besteht aus zwei Teilversuchen. Teilversuch 1 untersucht die Wirkungsweise der Diode bei Gleichspannung. Bei Versuch 2 sollen die Kennlinien von verschiedenen Dioden aufgenommen werden. 2. Versuche 2.1. Versuch 1 • Untersuche die Wirkungsweise der Diode in einem Gleichstromkreis. Dabei wird die Diode in den zwei möglichen Richtungen in einen Gleichstromkreis eingebaut. ∗ Zeichne die Messschaltung. Beachte, dass eine Diode nur mit einem Vorwiderstand Rv betrieben werden darf! Benutze hier eine Glühlampe als Vorwiderstand. ∗ Baue die Schaltung auf und führe den Versuch durch. ∗ Beschreibe die Wirkungsweise der Diode im Gleichstromkreis. 2.2. Versuch 2 • In diesem Versuch sollen die Kennlinien einer Germanium- und einer Silizium-Diode messtechnisch ermittelt werden. ∗ Benutze dabei folgende Diodentypen: Silizium-Diode, Germanium-Diode ∗ Zeichne die Messschaltung für die Durchlassrichtung und die Sperrrichtung. − Welche Messschaltung muss in Durchlass- und in Sperrrichtung ausgewählt werden? Begründe die Wahl der Messschaltung. − Beachte, dass die maximal zulässige Stromstärke in Durchlassrichtung nicht überschritten werden darf (siehe Datenbuch). Gebe die maximale Stromstärke in Durchlassrichtung für jede Diode an. − Beachte, dass die maximal zulässige Sperrspannung nicht überschritten werden darf. Gib die maximale Spannung in Sperrrichtung für jede Diode an. ∗ Baue die Schaltung auf. ∗ Miss die Stromstärke in Abhängigkeit der Spannung in Durchlass- und in Sperrrichtung ∗ Zeichne die Kennlinien I = f (U) für beide Dioden. • Beschreibe die Messergebnisse der beiden Diodentypen. • Beschreibe, wie sich die Kennlinien einer Germanium-Diode und einer Silizium-Diode unterscheiden. • Gib eine praktische Anwendung der Diode an. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Anhang: Versuchsbeschreibungen Namen: . . . . . . . . . . . . . . . . . ................. 13 Ge Gleichrichterschaltungen Versuch 2 Datum: . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Einführung UN U1 UL RL Elektronische Geräte und Schaltungen brauchen eine Gleichspannungsquelle als Stromversorgung. Da die Verwendung von Batterien bei höherem Energiebedarf unwirtschaftlich ist, erfolgt die Speisung der Schaltungen aus dem Wechselstromnetz. Dazu muss die Netzspannung heruntertransformiert und anschließend gleichgerichtet werden. Halbleiterdioden sind hierfür wegen ihrer kleinen Durchlassspannung, ihrer hohen Belastbarkeit und ihres großen Verhältnisses von Sperrwiderstand zu Durchlasswiderstand sehr gut geeignet. Für mittlere Spannungs- und Belastungswerte werden neben den Si-Dioden auch noch SelenGleichrichter verwendet, für große Spannungs- und Belastungswerte dagegen überwiegend SiGleichrichterdioden. In diesem Versuch werden folgende Gleichrichterschaltungen aufgebaut und untersucht: − Die Einweg-Gleichrichterschaltung M1 − Die Brücken-Zweiweg-Gleichrichterschaltung B2 2. Versuchsbeschreibung Folgende Arbeitsschritte sollen für beide Gleichrichterschaltungen ausgeführt werden: − Baue jeweils die fachgerechte Versuchsschaltung auf. Die Verläufe der Eingangs-, der Ausgangsspannung sowie die Diodenspannung sollen mit Hilfe des Oszilloskopen aufgezeichnet werden. − Zeichne die erhaltenen Oszillogramme und werte dieselben aus. − Erkläre jeweils den Unterschied zwischen dem Scheitelwert der Eingangs- und Ausgangsspannung. − Untersuche den Verlauf der Ausgangsspannung mit verschiedenen Ladekondensatoren. − Vergleiche beide Schaltungen miteinander (Vor- und Nachteile). Hinweise: Der Lastwiderstand soll 1kΩ betragen. Beachte, dass beim Benutzen der zwei Kanäle des Oszilloskops immer ein gemeinsamer Masseanschluss bestehen muss. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Anhang: Versuchsbeschreibungen Namen: . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsweise des 13 Ge Transistors Versuch 3 ................. Datum: . . . . . . . . . . . . . . . . . Versuch 1: Steuerung der Helligkeit einer Glühlampe Versuchsdurchführung: Baue die folgende Schaltung nach der vorgegebenen Geräteanordnung auf: 4,7 kΩ BD135 G UB = 12V 1kΩ Der Einsteller des Potentiometers wird auf Linksanschlag gedreht und die Schaltung wird in Betrieb genommen. Danach wird der Knopf des Potentiometers langsam nach rechts gedreht. Was kann man feststellen? Versuch 2: Änderung des Widerstandswertes der Kollektor-Emitter-Strecke bei unterschiedlichen Basisströmen Versuchsdurchführung: 1. Baue die Versuchsschaltung nach der vorgegebenen Geräteanordnung auf. 2. Stelle verschiedene Basisströme ein und miss jeweils den Kollektorstrom, den Emitterstrom und die Kollektor-Emitter-Spannung. 3. Berechne den Kollektor-Emitter-Widerstand und die Stromverstärkung. Trage die Resultate in eine geeignete Tabelle ein. 4. Nimm eine Auswertung der Resultate vor. 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik Anhang: Versuchsbeschreibungen Versuchsschaltung: RC = 100Ω 2,2 kΩ IC A G BD135 IB A UB = 12V UCE 1kΩ IE V A Versuch 3: Verhalten des Transistors bei Änderungen des Widerstandswertes von RC. Versuchsdurchführung: 1. Baue die vorgegebene Versuchsschaltung aus Versuch 2 auf. 2. Stelle einen Kollektorstrom von IC = 10mA bei RC = 100Ω ein und miss den zugehörigen Basisstrom IB sowie die Kollektor-Emitter-Spannung UCE. 3. Wiederhole die Messungen bei verschiedenen Kollektorwiderständen. 4. Nimm eine Auswertung der Resultate vor. Welche Folgerungen ergeben sich aus den Versuchen 1, 2 und 3 für das Arbeiten mit einem Transistor? 13Ge, Analogelektronik 13Ge_Elektronik
