Elektronikpraktikum

Elektronikpraktikum - SS 2014
H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen
Gebäude 02-413 (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430
3. Serie: Bipolar- und Feldeffekttransistoren
22./23.05.2014
I. Ziel der Versuche
Verständnis der Funktionsweise von Bipolar- und Feldeffekt-Transistoren und deren Anwendung.
II. Vorkenntnisse
•
•
•
1.
Beschaltung von bipolaren Transistoren, Vier-Quadranten-Kennlinienfelder,
Grundschaltungen (Emitterschaltung), Arbeitspunkteinstellung, Stromverstärkung β, EarlyEffekt, Verstärkerschaltungen, Schaltzeichen.
Beschaltung von Feldeffekt-Transistoren, Kennlinienfelder von MOS-FETs (IGFET) und JFETs, Grundschaltungen (Sourceschaltung), Schaltzeichen.
Einen Einstieg finden Sie in Wikipedia.
Versuch: Bipolar-Transistoren
Mit der unten stehenden Schaltung sollen die Kennlinienfelder eines npn-Transistors in der
Emitter-Grundschaltung bestimmt werden. Hierzu müssen die Größen IC, IB, UCE und UBE
gemessen werden. Den Kollektorstom erhält man aus der Spannungsdifferenz am
entsprechenden Widerstand.
1.1 Kalibrieren Sie zunächst das USB-Datenaufnahmegerät (16 V Endausschlag für Kanal 1,
10 V für Kanal 2 und 4 V für Kanal 3).
1.2 Bauen Sie die Messschaltung auf der vorbereiteten Platine auf und schließen Sie das USBDatenaufnahmesystem an. Wählen Sie mindestens einen npn-Transistor (BC107, BFN26
oder BD137) aus dem Sortiment aus. Die Datenblätter liegen bei den Bauteilen.
1.3 Ausgangskennlinienfeld IC(UCE)
Stellen Sie mit dem x-y-Plotter IC als Funktion von UCE bei verschiedenen Basisströmen IB
(5 Werte, z. B. im Bereich von 0 → 50 µA) dar! IB wird mit dem Multimeter gemessen.
Speichern Sie Ihre Rohdaten in Tabellen ab, um sie später auswerten zu können.
1.4 Den Transistor BC107 können Sie vorsichtig mit dem Lötkolben erwärmen. Wiederholen
Sie 1.3 für eine Einstellung mit einem erwärmtem Transistor und beobachten Sie die
Veränderung im Ausgangskennlinienfeld. Kommentieren Sie.
1.5 Übertragungs- und Eingangskennlinie IC(IB), UBE(IB)
Messen Sie den Kollektorstrom und die Basis-Emitter-Spannung UBE in Abhängigkeit des
Basisstromes für UCC = 10V.
1.6 Hausaufgabe:
a) Vier-Quadranten-Kennlinienfeld
Zeichnen Sie das Ausgangskennlinienfeld IC(UCE) mit IB als Parameter (alle 5 Werte),
das Eingangskennlinienfeld UBE(IB) und das Übertragungskennlinienfeld Ic(Ib).
Achten Sie darauf, die für 4-Quadrantenkennlinienfelder übliche Darstellung zu
verwenden (→ Literatur!).
b) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld ein.
c) Bestimmen Sie aus dem Ausgangskennlinienfeld die Early-Spannung für zwei
verschiedene Basisströme. Kommentieren Sie Ihre Beobachtung.
d) Bestimmen Sie die differentielle Stromverstärkung β im Übertragungskennlinienfeld
für zwei verschiedene Basisströme bei fester Kollektor-Emitterspannung.
1.7 Emitterschaltung als Spannungsverstärker
Ergänzen Sie die Schaltung um die beiden Koppelkondensatoren und stellen Sie den
Basisstrom so ein, dass UCE etwa in der Mitte der Versorgungsspannung UCC liegt
(Arbeitspunkteinstellung). Den dazu geeigneten Basiswiderstand Rb müssen Sie vorher
bestimmen!
Koppeln Sie über den Kondensator eine sinusförmige Wechselspannung Ue (einige 100 Hz)
mit einigen mV Amplitude ein. Stellen Sie die Spannung Ua zusammen mit der Eingangsspannung auf dem Oszillographen dar. Speichern Sie Bilder ab und übernehmen Sie diese
in Ihr Protokollheft.
Bestimmen Sie hieraus die Spannungsverstärkung der Schaltung.
1.8 Hausaufgabe
Konstruieren Sie mit den obigen Kennlinienfeldern und der Arbeitsgeraden den Verlauf der
Ausgangsspannung als Funktion der sinusförmigen Eingangsspannung. Erläutern Sie die
Konstruktion!
2.
Versuch: Feldeffekt-Transistoren
Die Kennlinienfelder des n-Kanal JFET Typ BF245C können mit der oben stehenden Schaltung
gemessen werden. Für den Widerstand RD eignet sich RD = 100 Ω. Beachten Sie, dass die
Spannung U0 negativ gewählt werden muss. UGS ist deshalb mit dem Multimeter zu messen.
2.1 Ausgangskennlinienfeld ID(UDS)
Bauen Sie die Messschaltung auf. Die ersten beiden Eingänge des USB-Messmoduls
sollten auf einen messbaren Bereich von bis zu 16 V kalibriert werden. Nehmen Sie
mehrere Kennlinien für ID(UDS) auf mit UGS als Parameter. Die Wertebereiche für die
Spannungen können Sie aus den Datenblättern entnehmen.
2.2 Übertragungskennlinienfeld ID(UGS)
Messen Sie ID als Funktion von UGS für ca. 10 Wertepaare. Die Spannung UDS sollte dabei
konstant bei UDS = 10 V gehalten werden, was durch das Nachregeln der Spannung UCC
erreicht werden kann.
2.3 Hausaufgaben
a) Zeichnen Sie das Ausgangskennlinienfeld ID(UDS) mit UGS als Parameter und das
Übertragungskennlinienfeld ID(UGS).
b) Vergleichen Sie ihre Kennlinien mit den Darstellungen im Datenblatt.
c) Bestimmen Sie graphisch aus dem Kennlinienfeld die Schwellenspannung Up.
Vergleichen Sie den Wert mit der Angabe im Datenblatt.
d) Der Verlauf der Übertragungskennlinie lässt sich für
U GS >U P und U DS >U GS −U P
in guter Näherung folgendermaßen parametrisieren:
2
U GS
I D =I DSS 1−
(1)
Up
Passen Sie den angegebenen Zusammenhang an die Übertragungskennlinie an und
bestimmen Sie daraus Up und IDSS.
Vergleichen Sie ihre Werte mit denen im Datenblatt.
 ID
U
e) Bestimmen Sie die Steilheit S=
im Punkt U GS = p .
 U GS
2
Erläutern Sie die anschauliche Bedeutung der Steilheit.
[
]
3.
Versuch: Anwendung des JFETs als variabler Spannungsteiler
Der „ohmsche Bereich“ im Ausgangskennlinenfeld des Feldeffekttransistors beschreibt den
Bereich, bei dem der Kanal sich noch nicht vollständig verengt hat. Hier gilt folgender
Zusammenhang zwischen Strom ID und Spannung UDS .
U
(2)
I D =K U DS U GS −U p− DS für U GS U P und 0U DS U GS −U P
2
Für sehr kleine Spannungen UDS ist der Zusammenhang zwischen ID und UDS annähernd linear.
Eine bessere Linearisierung erhält man mit der nachfolgenden Schaltung, die man z.B. als
einstellbaren Spannungsteiler (z.B. Lautstärkeregler) benutzen kann.
[
]
3.1 Messen Sie ID als Funktion von UDS im sogenannten „ohmschen Bereich“ zunächst ohne
den Widerstand R2, d.h. R2  ∞ . Der Strom ID wird wieder über den Spannungsabfall an
R1 = 10 kΩ bestimmt. Es ist R3 = 100 kΩ. Wählen Sie für die Steuerspannung USteuer = UGS
die Werte -3 V und -4 V. Variieren Sie Uin so, dass UDS im Bereich zwischen 0 V und 1,5 V
liegt. Dazu sollte Uin am ersten Kanal des Messmoduls liegen (max. 30 V). Uout = UDS wird
mit dem zweiten Kanal gemessenen (max. 2 V oder 4 V).
3.2 Wiederholen Sie die Messungen jetzt aber mit R2 = 100 kΩ. Die Steuerspannung USteuer
sollten jetzt -6 V bzw. -8 V betragen.
3.3 Schließen Sie an den Eingang (Uin) den Signalgenerator und an den Ausgang (Uout) das
Oszilloskop an. Wählen Sie als Eingangssignal ein Dreiecksignal und vergleichen Sie das
Ausgangssignal mit und ohne Widerstand R2. Kommentieren Sie ihre Beobachtung.
3.4 Schließen Sie an den Eingang (Uin) den Signalgenerator und an den Ausgang (Uout) die
Aktivboxen an. Wählen Sie eine sinusförmige Spannung im hörbaren Bereich und
variieren Sie die Steuerspannung. Sie können auch den Ausgang den Audioausgang des
Laptops als Signalquelle benutzen und die Lautstärke mit der Steuerspannung variieren.
Vergleichen Sie den Höreindruck mit und ohne Widerstand R2.
3.5 Hausaufgabe: Stellen Sie die beiden Messungen aus Aufgabe 3.1 und 3.2 dar und
vergleichen Sie die Linearität zwischen Strom und Spannung in dem Sie eine Gerade und
ein geeignetes Polynom an die Messungen anpassen. Extrahieren Sie aus der Steigung den
Widerstand RD=UDS/ID und vergleichen Sie die Werte mit dem Datenblatt.
3.6 Hausaufgabe: Berechnen Sie die Abschwächung Uout/Uin der dargestellten Schaltung unter
Zuhilfenahme von Gl. (2). Begründen Sie, warum die gemessenen Kennlinie linearer wird.