Transistor als Verstärker - Physikdidaktik Uni Bayreuth

Sarah Zinke
18.01.2010
Demonstrationsexperiment WS 2009/2010
Thema:
Transistor als Verstärker
1. Versuchsbeschreibung
1.1 Materialliste
ein Transistor 2N3055 (npn-Transistor)
ein Widerstand 220Ω
ein Potentiometer 10k Ω
ein LDR-Fotowiderstand (LDR TO 18)
ein Stelltrafo
ein Netzgerät
ein Lautsprecher
ein Streckbrett
ein Rahmen für das Steckbrett
9 Verbindungskabel
(3x rot, 3x blau, 2x grün, 1x gelb)
1.2 Schaltplan
Dieser Schaltplan wird für beide Versuchsteile verwendet:
Haben die Farben
eine Bedeutung?
streng genommen muss der
Schaltungstyp angegeben werden:
Basis-, Emitter- oder
Kollektorschaltung
Der Potentiometer (genutzt als Spannungsteiler) ist mit dem LDR-Fotowiderstand (lichtabhängiger Widerstand) in Reihe geschaltet. Der npn-Transistor wird in zwei Stromkreisen
verschaltet. Der Basis-Stromkreis geht vom Emitter über den pn-Übergang zur Basis, wohingegen der Kollektor-Stromkreis über den np- und pn-Übergang vom Emitter zum Kollektor
führt.
1.3 Versuchsdurchführung
Anhand des Schaltplans wird die Schaltung auf das Steckbrett aufgebaut. Dieses wird dann in
den für das Steckbrett vorgesehenen senkrecht stehenden Rahmen eingespannt. Anschließend
wird das Netzgerät eingeschaltet (Kollektorspannung U=7,2V).
1. Versuchsteil: Wenn man mit einer kleinen Lampe den LDR-Fotowiderstand beleuchtet, so
hört man ein Signal aus dem Lautsprecher. Entsprechend ertönt bei fehlender Beleuchtung
kein Signal. Dies liegt daran, dass der Widerstandswert des LDR-Fotowiderstandes den
Basisstrom steuert und deshalb bei Beleuchtung der Basis- und Kollektorstrom ansteigen bzw.
bei Dunkelheit der Basisstrom zu klein ist, um den Transistor leitend zu machen.
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2. Versuchsteil: Durch Erhöhung der Spannung am Stelltrafo wird das (lauter werdende)
Netzbrummen des Stelltrafos am Lautsprecher hörbar. Hierbei wird der Basisstrom dem
Transistor zugeführt, welcher dann einen verstärkten Kollektorstrom bewirkt. Der größere
Kollektorstrom erzeugt am Lautsprecher das verstärkte Netzbrummen des Stelltrafos. Die
Verstärkung beruht auf der Tatsache, dass eine geringe Änderung des Basisstroms eine viel
größere Veränderung des Kollektorstroms des Transistors verursacht. Bei Erniedrigung der
Spannung am Stelltrafo nimmt die Lautstärke dieses Netzbrummens nach und nach ab und
verstummt letztendlich bei einer angelegten Spannung (zwischen Emitter und Basis) von 0V.
Welche
Eigenschaften
2. Lernvoraussetzungen
(1) Die Schüler sollen mit den Grundlagen der Elektrik und Elektronik vertrautkonkret?
sein.
(2) Die Schüler sollen in der Lage sein, eine Schaltung zu lesen und zu verstehen.
(3) Die Schüler sollen den LDR-Fotowiderstand als Bauelement bereits kennen gelernt haben
und wissen, dass dessen Widerstandswert von Helligkeit bzw. Dunkelheit abhängig ist.
(4) Die Schüler sollen den Transistor als ein Halbleiterbauelement bereits kennen.
(5) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor aus drei verschieden dotierten Schichten
besteht und je nach Schichtenfolge ein npn- oder ein pnp-Transistor vorliegt.
(6) Die Schüler sollen die Bezeichnungen Emitter, Kollektor und Basis, die für die einzelnen
Schichten stehen, kennen.
(7) Die Schüler sollen wissen, dass an Leitungsvorgängen im Transistor Elektronen und
Defektelektronen (Löcher) beteiligt sind.
(8) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor in zwei Stromkreisen verschaltet wird, dem
Basis- und dem Kollektor-Stromkreis.
welche Modellvorstellungen sind
bekannt?
3. Lernziele
3.1 Grobziel
Die Schüler sollen wissen, dass mit einem Transistor Spannungs- und Stromsignale verstärkt
werden können. Sie sollen verstehen, dass eine Verstärkung bei einer geringen Änderung der
Spannung im Basis-Stromkreis, welche zu einer größeren Veränderung des Kollektorstroms
führt, auftritt.
sollen anhand der aufgebauten Schaltung fähig sein, mithilfe
ihres Vorwissens zu folgern
3.2 Feinziele
(1) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor bei Beleuchtung des LDR-Fotowiderstandes durchgeschaltet wird und so ein Signal am Lautsprecher hörbar ist.
(2) Die Schüler sollen wissen, dass der Transistor beim Abdunkeln des LDR-Fotowiderstandes sperrt und somit kein Signal aus dem Lautsprecher zu hören ist.
(3) Die Schüler sollten in der Lage sein zu erkennen, dass der Widerstandswert des LDRerkennen
Fotowiderstandes den Basisstrom steuert.
(4) Die Schüler sollen verstehen, dass durch den Lichteinfall auf den LDR-Fotowiderstand
der Basisstrom zunimmt und den Transistor durchschaltet, woraus ein größerer
Kollektorstrom resultiert, welcher das Signal am Lautsprecher erzeugt. Weiterhin sollen
sie sich erschließen können, dass wenn kein Licht auf den LDR-Fotowiderstand fällt, der
Basisstrom zu klein ist, um den Transistor leitend zu machen.
(5) Die Schüler sollen verstehen, dass bei Erhöhung der Spannung am Stelltrafo das
Netzbrummen des Stelltrafos verstärkt wird und somit am Lautsprecher zu hören ist.
(6) Sie sollen erklären können, dass der Basisstrom dem Transistor zugeführt wird, welcher
dann einen verstärkten Kollektorstrom bewirkt. Der größere Kollektorstrom erzeugt am
Lautsprecher das verstärkte Brummen des Stelltrafos.
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(7) Die Schüler sollen den Prozess der Verstärkung (geringe Änderung des Basisstroms
bewirkt eine viel größere Veränderung des Kollektorstroms) anhand der zwei
vorgeführten Versuchsteile erklären können.
4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtssthema
Das Thema Transistor als Verstärker ist in den Profilbereich der 9.Jahrgangsstufe (Bereich:
Halbleiter und Mikroelektronik) des naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums
einzuordnen.
5. Experimentelle Alternativen
Anstelle des Lautsprechers ist es möglich einen Hörer zu verwenden, wobei sich dies beim
Demonstrationsexperiment als nachteilig erweisen könnte, da nicht alle Schüler die
Veränderungen der Signallautstärke hören können, sondern jeweils nur einer.
Anstatt des LDR-Fotowiderstandes ist es auch möglich eine Fotodiode in den Stromkreis
einzubauen, die ebenfalls das sichtbare Licht in einen elektrischen Strom umwandelt, der nach
Verstärkung ein Signal am Lautsprecher hörbar werden lässt.
Auch ist es möglich akkustische Signale zu verstärken. Baut man zum Beispiel ein Mikrofon
oder einen iPod in einen modifizierten Schaltkreis ein, so kann man auch diese Signale
verstärken, was sich positiv auf das Interesse der Schüler auswirken würde. Dieser Schaltplan
müsste dann anstelle des 220Ω-Widerstandes einen Kondensator und statt des LDRFotowiderstandes einen Widerstand enthalten. Das Mikrofon bzw. der iPod würde dann an die
Stelle des Stelltrafos eingebaut werden.
6. Mögliche und notwendige Modifikation des Demonstrationsexperimentes
beim Einsatz als Schülerversuch
Den Versuch Transistor als Verstärker kann man am Ende einer Unterrichtsreihe zum Halbleiter vorführen. Mit dem Versuch ist es möglich eine praktische Anwendung des Transistors
darzustellen. Zum einen kann der Lehrer den Versuch der Klasse zeigen, zum anderen ist es
aber auch möglich die Schüler im Rahmen einer Schülerübung in Kleingruppen oder
Partnerarbeit mit einzubeziehen. Hierfür ist es eine gute Motivation einen Aufbau zu wählen,
der eine Verbindung zum alltäglichen Leben der Schüler knüpft. Zum Beispiel können die
Schüler anhand einer Anleitung des Lehrers einen Verstärker für einen iPod bauen.
7. Unterrichtsverfahren
Hier wurde das Normalverfahren als Unterrichtsverfahren gewählt.
7.1 Sozialformen
Die gewählte Sozialform ist ein Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment.
7.2 Lehr- und Lernformen
Die Lehrform ist darbietend (Vorführung des Versuches durch den Lehrer, Tafelanschrift).
Als Lernformen wurden die entdeckende (Schüler beobachten den Versuch) und antwortenderarbeitende Lernform gewählt.
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Das von Ihnen gewählte Unterrichtsverfahren verlangt, dass die Schüler mindestens eine
Problemfrage aus der Motivationssituation gewinnen können, die in Richtung des Themas
weist. Eine Hypothese von Seiten der S, die zu der Schaltung führt, ist extrem
unwahrscheinlich.
Eventuell
als vorbereitende Hausaufgabe: Recherche nach einfachen Anwendungen mit 1
7.3 Motivations-/Einstiegssituation
Transistor
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/index.htm
Als Einstiegssituation
bietet es sich an, die Freizeit der Schüler mit deren Schulleben zu
Æ’’(http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/materialseiten/m15_halbleiter.htm)
verbinden. Hierfür kann man sie bitten, für eine bestimmte Problemsituation eine Lösung zu
finden.
Diese Situation könnte zum Beispiel lauten: Du bist auf einer Party. Leider ist dort keine
Musikanlage vorhanden, sondern lediglich ein iPod. Was kannst du unternehmen, dass alle
Partygäste die Musik hören können und nicht nur der Besitzer des iPods?
Die Antwort der Klasse würde im idealtypischen Fall lauten, dass das Signal des iPods
verstärkt werden müsste und über einen Lautsprecher für alle hörbar gemacht werden könnte.
Da der Transistor als Schalter bereits bekannt ist, wird es für die Schülern kein großes
Problem darstellen, den möglichen Einsatz des Transistors als Verstärker zu erkennen
ich sehe keine Hypothese, die die
7.4 Problemfragen bzw. Hypothesen
S aufstellen
Bei der Planung des Versuches stellt sich der Lehrer zunächst die Frage, ob die Schüler den
vielfältigen Einsatz von Transistoren kennen. Durch die Motivationssituation sollte sich bei
den Schülern die Frage stellen, wie man vorgehen muss, um eine Verstärkung von Signalen
zu erreichen. Dies soll durch die Demonstration der beiden Versuchsteile und die Vorkenntnisse der Schüler beantworten werden.
In der Unterrichtsstunde sollten die Schüler erkennen, dass sie im Alltag vermehrt auf
Situationen treffen, in denen ein Transistor in der Funktion als Verstärker verwendet wird.
Beispiele hierfür sind der Einsatz von Transistoren in Radio- und Fernsehempfängern.
8. Sicherung der Lernziele
Tafelanschrift: (Versuchsaufbau wird als Kopie zum Einkleben ins Heft ausgeteilt)
Der Transistor als Verstärker
VERSUCHSAUFBAU:
VERSUCHSDURCHFÜHRUNG:
Versuchsteil 1: Mit einer kleinen Lampe wird der LDR-Fotowiderstand beleuchtet, woraufhin
ein Signal aus dem Lautsprecher zu hören ist. Entsprechend ist bei fehlender Beleuchtung/
Dunkelheit kein Signal zu hören.
Versuchsteil 2: Erhöht man die Spannung am Stelltrafo, so wird das Netzbrummen des Stelltrafos am Lautsprecher zunehmend hörbar. Bei Erniedrigung der Spannung nimmt die Lautstärke des Netzbrummens nach und nach ab.
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Lernvoraussetzung??
Warum ist ein kleines
Signal nicht hörbar?
ERGEBNISSE:
Versuchsteil 1:
1. Bei Beleuchtung des LDR-Fotowiderstandes wird der Transistor durchgeschaltet und man
kann ein Signal am Lautsprecher hören.
2. Durch Abdunkeln des LDR-Fotowiderstandes sperrt der Transistor und man hört kein
Signal aus dem Lautsprecher.
3. Der Widerstandswert des LDR-Fotowiderstandes steuert den Basisstrom.
4. Durch den Lichteinfall auf den LDR-Fotowiderstand nimmt der Basisstrom zu und der
Transistor wird durchgeschaltet, woraus ein größerer Kollektorstrom resultiert, welcher das
Signal am Lautsprecher erzeugt. Wenn kein Licht auf den LDR-Fotowiderstand fällt, ist der
Basisstrom zu klein, um den Transistor leitend zu machen.
Versuchsteil 2:
1. Bei Erhöhung der Spannung am Stelltrafo wird das Netzbrummen des Stelltrafos verstärkt,
so dass es zunehmend lauter aus dem Lautsprecher zu hören ist.
2. Der Basisstrom wird hierbei dem Transistor zugeführt, welcher dann einen verstärkten
Kollektorstrom bewirkt. Der größere Kollektorstrom erzeugt am Lautsprecher das verstärkte
Brummen des Stelltrafos.
3. Die Verstärkung erfolgt durch eine geringe Veränderung des Basisstroms, die eine größere
Veränderung des Kollektorstroms bewirkt.
9. Lernzielkontrolle
Um sicher zu sein, dass die Schüler die formulierten Lernziele erreicht haben, ist es wichtig
am Ende der Stunde eine vom Lehrer moderierte Zusammenfassung der Unterrichtsstunde
machen zu lassen. Hierfür muss nicht unbedingt ein Schüler gezielt ausgewählt werden. In
einem gemeinsamen Gespräch und durch Beiträge so vieler Schüler wie möglich, kann der
Lehrer prüfen, ob er die gewünschten Lernziele erreicht hat.
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