Versuch 6 - Universität Paderborn

Universität Paderborn
Fachbereich Physik
Physikalisches Praktikum C
Versuch 6
Hinweis : In diesem Versuch werden Leuchtdioden (LEDs) in allen Kollektorleitungen benutzt,
um den Schaltzustand des Transistors anzuzeigen. Leuchtdioden sind mit einfachen Dioden, die
in Durchlaßrichtung betrieben werden, vergleichbar. Die mittlere Durchlaßspannung beträgt beim
Gallium-Arsenid-Phosphid-Typ zwischen 1,4 V und 1,7 V (zur Berechnung nehmen Sie 1,5 V
an).
6.1 Die statische Schaltstufe
Vorbereitung : Berechnen Sie für US = 6,5V und IC = 5 mA den Widerstand RC.
Versuchsschaltung zu 6.1:
Strombegrenzung auf 50 mA einstellen !
+U
S
IC
E
R2 = 22 k Ω
UEin
IB
R1
RC
A
m
V
DM
DM
UA
0
Durchführung
a)
Legen Sie eine Eingangsspannung von UEin = Us an. Stellen Sie den
Dekadenwiderstand R1 auf 0 Ω ein und messen Sie den
Basisstrom und
die Spannung am Ausgang.
b)
Erhöhen Sie den Dekadenwiderstand R1 von 1,5 kΩ ausgehend in 100 ΩSchritten solange, bis der Transistor eben leitend wird (UA= 2,5V) und messen
Sie jeweils IB und UA.
c)
Erhöhen Sie den Dekadenwiderstand R1 weiter, bis ein Basisstrom fließt, der
ca. 10 mal so groß ist, wie er nach Teil b) war. Messen Sie zu den Basisströmen
jeweils die Sättigungsspannung UCE sat am Ausgang und zeichnen Sie ein
Diagramm des gesamten Verlaufs UCE = f(IB).
d)
Tauschen Sie jetzt die Dekade gegen einen gleich großen Festwiderstand R1
aus und
entfernen Sie das DMM zur Messung des Basisstroms. Damit haben
Sie eine invertierende Schaltstufe. Legen Sie an den Ausgang (A) eine
Widerstandsdekade RA und ermitteln Sie mit dieser Widerstandsdekade, mit
welchem Lastwiderstand der Ausgang im "High"-Zustand (UEin = 0 V!)
belastet werden darf, ohne daß die untere Grenze des "1"-Pegels (UA = U1 min
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= 2,5 V) unterschritten wird. Nehmen Sie von RA = ∞ ausgehend etwa zehn
Wertepaare für RA und UA auf.
Auswertung :
a)
Wie ist das negative Vorzeichen des Basisstroms bei 8.1a) und den ersten
Messungen von 8.1b) zu deuten ?
b)
Warum leuchtet die Diode bei 8.1d) mit kleiner werdendem
Belastungswiderstand RA auf, obwohl der Transistor gesperrt ist?
6.2 Die dynamische Schaltstufe
Vorbereitung : Berechnen Sie für US = 6,5 V und IC = 5 mA den Widerstand RC , sowie
mit einer Sperrzeit von t ≈ 4 s den Kondensator C . Wählen Sie dazu RB = 47 k Ω .
Versuchsschaltung zu 6.2:
Strombegrenzung auf 50 mA einstellen !
+U
S
RB
C
E
RC
A
+
V
DMM
UEin
0V
Durchführung
Legen Sie an den Eingang E die Betriebsspannung US und beschreiben Sie den Zustand der
Schaltstufe. Legen Sie dann den Eingang auf ein Potential von 0 V. Wie reagiert die Schaltstufe
nun und welche Spannungen können jetzt am Ausgang abgegriffen werden ?
Auswertung:
Beschreiben Sie den Spannungsverlauf an der Basis des Transistors nach dem Anlegen von 0 V
an den Eingang.
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6.3 Die monostabile Kippstufe
Versuchsschaltung zu 6.3:
Strombegrenzung auf 50 mA einstellen !
Durchführung :
a)
Bauen Sie aus der statischen Schaltstufe (Teilversuch 1) und der dynamischen
Schaltstufe (Teilversuch 2) eine monostabile Kippstufe auf, indem Sie jeweils
den Eingang der einen Stufe mit dem Ausgang der anderen Stufe verbinden.
b)
Geben Sie auf E1 durch kurzes Antippen des 0 V-Potentials einen Impuls.
Wie reagiert die Schaltung?
c)
Lassen Sie die Funktion der Schaltung durch den Betreuer überprüfen.
Frage : Warum wird im Gegensatz zu Teilversuch 2 hier nur ein kurzer 0 V-Impuls benötigt ?
Analysieren und beschreiben Sie das Verhalten der Schaltung, zeichnen Sie den
Spannungsverlauf an der Basis.
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6.4 Die astabile Kippstufe
Versuchsschaltung zu 6.4:
Strombegrenzung auf 50 mA einstellen !
Durchführung :
a)
Bauen Sie von den beiden Schaltstufen aus Versuch 6.3 (mit der Sperrzeit t1 = 4 s) die
statische Stufe zu einer dynamischen Stufe, deren Sperrzeit t2 = 8 s beträgt, um. Dabei sei
RB2 = RB1. Welcher Kondensator wird dann für diese Stufe benötigt ? Beschreiben Sie die
Vorgänge bei dieser astabilen Kippstufe !
b)
Ersetzen Sie die zeitbestimmenden Kondensatoren durch solche, die Sperrzeiten von
t1 = 1 ms und t2 = 2 ms verursachen. Messen Sie die Spannungsverläufe an Basis und
Kollektor beider Transistoren und skizzieren Sie sie zeitrichtig untereinander !
c)
Lassen Sie die Funktion der Schaltung durch den Betreuer überprüfen.
Auswertung :
a)
Warum steigt die Spannung an den Basen nicht geradlinig, sondern in einer
Kurve an ?
b)
Zeichnen Sie anhand der Daten für 6.4 a) den Spannungsverlauf an Basis und
Kollektor beider Transistoren und geben Sie an, wann jeweils die Leuchtdioden
eingeschaltet sind.
Geben Sie in dem Diagramm auch an, wann jeweils welche Leuchtdiode
eingeschaltet ist.