Schaltverhalten von Bipolartransistoren

Gruppe: 2
Team: 19
Fachhochschule Deggendorf
Fachbereich Elektrotechnik
PRAKTIKUM
BAUELEMENTE
VERSUCH 2
Schaltverhalten von
Bipolartransistoren
Versuchsdatum:
Teilnehmer:
Abgabedatum:
Blattzahl (inklusive Deckblatt):
07.12.2005
Übersicht
1. Allgemeines
2. Versuchsdurchführung
2.1 Statische Messungen im Übersteuerungsbereich
2.1.1 Schaltungsaufbau
2.1.2 Ermittlung des Betriebspunktes
2.1.3 Messreihe für UIN, IB, IC, UCE
2.1.4 Stromverstärkung an der Übersteuerungsgrenze
2.1.5 Diagramm
2.2 Messung der Anstiegszeit
2.2.1 Statische Übersteuerung
2.2.1.1 Schaltungsaufbau
2.2.1.2 Messtabelle
2.2.1.3 Diagramm
2.2.2 Übersteuerung durch Speed-Up-Kondensator
2.2.2.1 Schaltungsaufbau
2.2.2.2 Messtabelle
2.2.2.3 Diagramm
2.3 Messung der Abfallzeit
2.3.1 Ausräumen durch Speed-Up-Kondensator
2.3.1.1 Schaltungsaufbau
2.3.1.2 Messtabelle
2.3.1.3 Diagramm
2.3.2 Ausräumen durch Gegenspannung
2.3.2.1 Schaltungsaufbau
2.3.2.2 Messtabelle
2.3.2.3 Diagramm
2.4 Messung der Speicherzeit
2.4.1 Schaltungsaufbau
2.4.2 Messtabelle
2.4.3 Diagramm
2.5 Untersuchung des Schaltverhaltens bei ohmsch-induktiver Last
2.5.1 Schaltungsaufbau
2.5.2 Oszillogramme
2.5.2.1 Oszillogramm ohne Freilaufdiode
2.5.2.2 Oszillogramm mit Freilaufdiode
2.6 XY-Darstellung des IC-UCE-Verlaufs
2.6.1 Schaltungsaufbau
2.6.2 Oszillogramme
2.6.2.1 Oszillogramm bei ohmscher Last
2.6.2.2 Oszillogramm bei ohmsch-induktiver Last ohne Freilaufdiode
2.6.2.3 Oszillogramm bei ohmsch-induktiver Last mit Freilaufdiode
3. Ausarbeitung
3.1 Werte für den Übersteuerungs- und den Ausräumfaktor
3.2 Dimensionierung des Speed-Up-Kondensators
3.3 Übersteuerungs- und Ausräumfaktor bei gewähltem Kondensator
1. Allgemeines
Ziel des Versuchs ist es, durch Messungen und Kennliniendarstellungen die Kenntnisse
über das Schaltverhalten von Bipolartransistoren praktisch zu untermauern und zu
vertiefen.
Als Versuchsobjekt dient ein Bipolartransistor vom Typ BD135 in einem eigens dafür
vorgesehen Versuchsaufbau, der je nach Messung angepasst werden kann.
2. Versuchsdurchführung
2.1 Statische Messungen im Übersteuerungsbereich
2.1.1 Schaltungsaufbau
Mit Hilfe des vor Ort zur Verfügung stehenden einstellbaren DC-Netzteils wird die UCCSpannung auf 6 V eingestellt.
2.1.2 Ermittlung des Betriebspunktes
Für die Eingangsspannung UIN wird ein zweites DC-Netzteil verwendet. Kontinuierlich wird
die Spannung von 0 V ausgehend erhöht, bis die Übersteuerungsgrenze (UCB = 0 V,
Übersteuerungsfaktor m = 1) erreicht ist.
In der vorliegenden Schaltung ist dies bei UIN = 1,601 V, gemessen mit Multimeter.
2.1.3 Messreihe für UIN, IB, IC, UCE
Somit ergibt sich für den Übersteuerungsfaktor m, die Eingangsspannung UiN, den
Basisstrom IB, den Kollektorstrom IC und die Kollektor-Emitter-Spannung UCE folgende
Messtabelle für die geforderte Messreihe = 1 / 1,5 / 2 / 3 / 4 / 5:
m
UIN in V
IB in mA
IC in mA
UCE in V
1
1,5
2
3
4
5
1,601
2,059
2,522
3,439
4,344
5,274
0,28
0,42
0,56
1,01
1,12
1,4
54
59
59
60
60
60
0,665
0,144
0,116
0,092
0,080
0,072
2.1.4 Stromverstärkung an der Übersteuerungsgrenze
Die Stromverstärkung Bo an der Übersteuerungsgrenze ergibt sich somit zu
B0 =
IC
54 mA
≈193
=
I BF0 0,28 mA
2.1.5 Diagramm
Die Messpunkte liegen alle im Rahmen der Messgenauigkeit im Bereich der RC-Geraden.
Der Kollektorstrom IC ändert sich nach dem Überschreiten der Übersteuerungsfaktors m =
1 kaum noch, da der Transistor komplett durchsteuert.
2.2 Messung der Anstiegszeit
2.2.1 Statische Übersteuerung
2.2.1.1 Schaltungsaufbau
Der Schaltungsaufbau ist mit dem aus 2.1.1 weitgehend identisch. Statt einer einstellbaren
DC-Spannungsquelle für die Eingangsspannung UiN wird ab sofort ein Funktionsgenerator
verwendet. Dieser wird auf positive Rechteckimpulse von einer halben Periodendauer bei
einer Frequenz von 5 kHz eingestellt.
UIN wird auf die unter 2.1.3 ermittelten Werte der Reihe nach eingestellt und die
Spannungen für UIN und UCE mit dem Oszilloskop dargestellt.
Daneben wird die Anstiegszeit tr über die im Oszilloskop integrierte Funktion ermittelt.
2.2.1.2 Messtabelle
Für die Anstiegszeit tr ergibt sich unter Berücksichtigung des jeweiligen
Übersteuerungsfaktors m und der daraus resultierenden Eingangsspannung UIN folgende
Messtabelle:
m UIN gemessen in V UIN am Frequenzgenerator in V 'tr in µs
1
1,5
2
3
4
5
1,601
2,059
2,522
3,439
4,344
5,274
1,6
2
2,5
3,4
4,3
5,3
1,980
1,000
0,570
0,335
0,238
0,180
2.2.1.3 Diagramm
Aus der Messtabelle aus 2.2.1.2 ergibt sich somit folgendes Diagramm für tr (m):
Mit steigendem Übersteuerungsfaktor m fällt die Anstiegszeit tr immer weiter ab, was
durch den höheren Strom IBF bedingt ist, der die Basis schneller mit Löcher auffüllen lässt,
was den Transistor schneller in den leitenden Zustand versetzt. Zu einem bestimmten
Punkt tritt eine gewisse Sättigung ein und die Basis kann keine weiteren Löcher mehr
aufnehmen.
2.2.2 Übersteuerung durch Speed-Up-Kondensator
2.2.2.1 Schaltungsaufbau
Die Schaltung wird nun um einen Kondensator ergänzt, der im Basiszweig am 2,7kΩWiderstand parallel geschaltet wird. Für die Kapazität werden dabei Normgrößen
zwischen 0 und 1500 pF verwendet. Die Eingangsspannung UIN wird wie gleiche
Einstellung wie unter 2.2.1.1 verwendet und die Anstiegszeit tr für den das Oszilloskop
ermittelt. Die Messreihe beschränkt sich auf den Übersteuerungsfaktor m = 1.
2.2.2.2 Messtabelle
Für die Anstiegszeit tr ergibt sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Kapazität CK
folgende Messtabelle:
C in pF 100 220 330 470 680 1000 1500
'tr in µs 1,7 1,5 1,05 0,38 0,3 0,24 0,215
2.2.2.3 Diagramm
Aus der Messtabelle aus 2.2.2.2 ergibt sich somit folgendes Diagramm für tr (CK):
Durch die Parallelschaltung eines Kondensators wird der Einschaltstrom und somit auch
der Basisstrom vergrößert, da die Kapazität aufgeladen werden muss. Mit zunehmender
Größe sinkt die Einschaltdauer, bis ab einer Kapazität von etwa 680 pF keine
nennenswerte Beschleunigung der Anstiegszeit mehr verzeichnet werden kann, was an
der zuvor erfolgten Sättigung der Basiszone begründet liegt.
2.3 Messung der Abfallzeit
2.3.1 Ausräumen durch Speed-Up-Kondensator
2.3.1.1 Schaltungsaufbau
Für den Schaltungsaufbau gelten identische Bedingungen zu 2.2.2.1. Im Gegensatz zu
der vorherigen Messung wird nun die Abfallzeit tf am Oszilloskop ermittelt.
2.3.1.2 Messtabelle
Für die Abfallzeit tf ergibt sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Kapazität CK folgende
Messtabelle:
C in pF 100 220 330 470 680 1000 1500
'tf in ns 410 135 100 90 85
82
80
2.3.1.3 Diagramm
Aus der Messtabelle aus 2.3.1.2 ergibt sich somit folgendes Diagramm für tf (CK):
Der Einbau einer Kapazität bringt auch beim Ausschaltvorgang des Transistors Vorteile,
da er wieder den Strom erhöht und so die Elektronen schneller zur Kollektorzone
„gezogen“ werden. Eine Erhöhung der Kapazität bedeutet auch hier wieder bis zu einem
bestimmten Punkt einen eklatanten Geschwindigkeitsvorteil. Ab einer Kapazität von etwa
470 pF ist allerdings auch dieser nur noch minimal, da Aufnahme von Elektronen aus der
Basis begrenzt ist.
2.3.2 Ausräumen durch Gegenspannung
2.3.2.1 Schaltungsaufbau
Für die Messung der Abfallzeit bei Ausräumung durch Gegenspannung wird der
Schaltungsaufbau aus 2.2.1.1 verwendet. Am Funktionsgenerator wird hier zusätzlich die
Gegenspannung in Form einer negativen Offsetspannung zwischen 0 ... -4 Volt eingestellt.
Außerdem wird die eingestellte Eingangsspannung UIN für m = 1 durch die Spannung UINF
ersetzt, die um den Betrag der gewählten Offsetspannung größer ist. Mit dem Oszilloskop
wird sodann die Abfallzeit tf ermittelt.
2.3.2.2 Messtabelle
Für die Abfallzeit tf ergibt sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Gegenspannung UINR
folgende Messtabelle:
UINF in V 1,6 2,1 2,6 3,1 3,6 4,1 4,6 5,1 5,6
UINR in V 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4
'tf in ns 620 430 293 255 193 175 137 131 99
2.3.2.3 Diagramm
Aus der Messtabelle aus 2.3.2.2 ergibt sich somit folgendes Diagramm für tf (UINR):
Die hier dazugeschaltete Gegenspannung hat den gleichen Effekt wie der vorher
verwendete Kondensator. Der Ausräumstrom ist von der Gegenspannung UINR abhängig
und erhöht die Feldbeschleunigung zwischen Basis und Kollektor.
2.4 Messung der Speicherzeit
2.4.1 Schaltungsaufbau
Der Schaltungsaufbau ist mit dem vorherigen aus 2.3.2.1 identisch. Hier wird die
Gegenspannung einmal auf UINR = 0 V und einmal auf UINR = -2 V eingestellt und jeweils
der Übersteuerungsfaktor verändert. Über das Oszilloskop wird mit Hilfe der
Cursorfunktion die Speicherzeit ts ermittelt.
2.4.2 Messtabelle
Für die Speicherzeit ts ergibt sich unter Berücksichtigung der des Übersteuerungsfaktors
und der Gegenspannung:
UINR = 0 V
UINR = -2 V
m
'tsin µs
'tsin µs
1
1,5
2
3
4
5
0,1 1,36 2,88
4
5
5,72
0,029 0,72 1,44 2,16 2,76 3,2
2.4.3 Diagramm
Aus der Messtabelle aus 2.4.2 ergibt sich somit folgendes Diagramm für ts (m):
Die Speicherzeit ist mit einer angelegten Gegenspannung bzw. niedrigerer Übersteuerung
geringer. Dies ist damit zu erklären, dass durch die Übersteuerung die Ladungsträger, die
in die Basis geleitet werden, auch wieder aus der Basis heraus müssen.
2.5 Untersuchung des Schaltverhaltens bei ohmsch-induktiver Last
2.5.1 Schaltungsaufbau
Im Kollektorzweig wird nun parallel zum Kollektorwiderstand RC eine RL-Kombination
geschaltet mit R = 56 Ω und L = 4,7 mH; wahlweise kommt noch eine Freilaufdiode
parallel dazu. Der Funktionsgenerator wird auf eine Frequenz von 2 kHz gestellt, als
Ausgabesignal wird wieder der positive Rechteckimpulse von einer halben Periodendauer
Länge gewählt. Die Amplitude wird auf 5 Volt eingestellt.
Mit dem Oszilloskop wird der Verlauf der Spannung UCE(t) und IC(t) jeweils mit und ohne
Freilaufdiode aufgenommen. Die Messung von IC(t) erfolgt dabei über den
Emitterwiderstand.
2.5.2 Oszillogramme
2.5.2.1 Oszillogramm ohne Freilaufdiode
Mit Kanal 1 wird die Spannung UCE dargestellt, mit Kanal 2 die Spannung an RE, mit
welcher der Kollektorstrom ermittelt werden kann. Der Spannungsspitze wird durch die
Induktivität hervorgerufen
2.5.2.2 Oszillogramm mit Freilaufdiode
Durch den Einbau der Freilaufdiode erkennt man nun, dass die Spannungsspitze
verschwunden ist, da im Ausschaltmoment der durch das Magnetfeld induzierte Strom
über die Freilaufdiode abfließen kann und so für das Bauteil gefährliche Spitzen
vermieden werden können.
2.6 XY-Darstellung des IC-UCE-Verlaufs
2.6.1 Schaltungsaufbau
Der Schaltungsaufbau ist mit dem aus 2.5.1 identisch.
2.6.2 Oszillogramme
2.6.2.1 Oszillogramm bei ohmscher Last
Die zwei dargestellten Punkte zeigen den Schaltzustand des Transistors an, also einmal
ein- und einmal ausgeschaltet.
2.6.2.2 Oszillogramm bei ohmsch-induktiver Last ohne Freilaufdiode
Hier zeigt sich, dass der Einbau der Spule und das Weglassen der Freilaufdiode die
vorher schon erwähnte Spannungsspitze nach sich zieht. Aus den zwei einzelnen Punkten
sind zwei „Linien“ mit entsprechender Streuung geworden.
2.6.2.3 Oszillogramm bei ohmsch-induktiver Last mit Freilaufdiode
Wird die Freilaufdiode eingesetzt, so flacht die Kurve der Spannungsspitze deutlich ab,
was auch hier wieder ersichtlich ist.
3. Ausarbeitung
3.1 Werte für den Übersteuerungs- und den Ausräumfaktor
Um eine geringe Schaltverzögerung und somit ein schnelles Ansprechen des Transistors
zu gewährleisten, sollte die Anstiegs- und Speicherzeit möglichst gering sein. Dies ist aber
nicht ohne weiteres möglich, das die Speicherzeit mit zunehmenden Übersteuerungsfaktor
steigt, die Anstiegszeit jedoch bei einem kleinen Übersteuerungsfaktor schon groß ist.
Ein möglicher Mittelwert muss daher ermittelt werden. Dieser liegt nach Einschätzung in
unserer Schaltung bei m = 2.
Ähnliche Überlegungen gelten für den Ausräumfaktor, welcher als a = 2 gewählt werden
sollte.
3.2 Dimensionierung des Speed-Up-Kondensators
Für den Speed-Up-Kondensator scheint ein Wert von etwa 680 pF am vernünftigsten, da
hier tr und tf schon sehr klein sind und sich kaum noch verkürzen. Weder Ausräumung
noch Übersteuerung können hier als geschickte Alternative mithalten.
3.3 Übersteuerungs- und Ausräumfaktor bei gewähltem Kondensator
Der Speed-Up-Kondensator mit einer Kapazität von 680 pF (tr = 0,3 µs) entspricht einem
Übersteuerungsfaktor von m ≈ 3 (tr = 0,335 µs). Der Ausräumfaktor ist mit a = 4,3 (tr = 99
ns) für die Kapazität (tf = 85 ns) anzusetzen.