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Physikalisches Schulversuchspraktikum I
Diode undTransistor
(Oberstufe)
marlene hack (9955515412)
Abgabedatum 28 11 2002
2
Inhaltsverzeichnis
Lerninhalt 3
In welcher Klasse3Vorkenntnisse 3
Lernziele 3
Theoretische Grundlagen4Zusatzinformationen 9
Versuche mit dem NTL-Baukasten 14Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode 14
Kennlinien von Halbleiterdioden 15
Einweggleichrichtung 19
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz 20
Leuchtdiode (LED) 22
Zenerdiode24
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom 25
Der Transistor als Verstaumlrker 26
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung) 27
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung) 28
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)30
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung) 32
Zeitschalter 33
Arbeitsblaumltter36
Quellenverzeichnis41
Abbildungsnachweis 41
3
Lerninhalt
Halbleiterreiner und dotierter HalbleiterHerstellung von Halbleiterbauelementen
DiodenEigenschaften von HalbleiterdiodenEinweg- ZweiweggleichrichtungLeucht- Photo- Zenerdiode
TransistorenHerstellung von TransistorenFunktionsprinzip eines TransistorsTransistor in verschiedenen Schaltungen
Transistor als VerstaumlrkerBasisschaltung (Spannungs- und Stromverstaumlrkung)Kollektorschaltung (Spannungs- und Stromverstaumlrkung)Zeitschalter
FeldeffekttransistorLogikschaltungen
Integrierte Schaltungen
In welcher Klasse
7 Klassereiner und dotierter Halbleiter Eigenschaften von Halbleiterbausteinen Diode und Transistor optoelektronische Bauelemente Mikroelektronik und integrierte Schaltungen
Vorkenntnisse Elektrizitaumltslehre aus der Unterstufe (3 und 4 Klasse) Elektrizitaumltslehre aus der 7 Klasse Grundlagen der Elektrotechnik aus der 7 Klasse
Lernziele Funktionsprinzip und Eigenschaften von Dioden und Transistoren Einweg- und Zweiweggleichrichtung mit Dioden Funktionsprinzip von optoelektronischen Bauelementen Verstehen von Schaltungen mit Transistoren
4
Theoretische Grundlagen
HALBLEITER
Halbleiter leiten bei Raumtemperatur Strom etwas besser als ein Isolator aber schlechter als ein Metall Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren Bei houmlheren Temperaturen oder durchVerunreinigungen (Dotierung) oder auch unter Lichteinfluss kann die Leitfaumlhigkeit von Halbleitern gesteigert werden
Meist bestehen Halbleiter aus Silizium Germanium Selen Galliumarsenid Zinkselenid und Bleitellurid In einem reinen Halbleiter wie Silizium sind die aumluszligeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen Sie werden von den Atomen gemeinsam benutzt um kovalente Bindungen herzustellen Diese Valenzelektronen sind nicht voumlllig frei beweglich um elektrischen Strom zu transportieren Durch Erhoumlhung der Temperatur oder durch Licht nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu sodass sich einige Elektronen aus dem Atomverband loumlsen koumlnnen Die Elektronen werden also aus dem sogenannten Valenzband in das Leitungsband angehoben Im Valenzband bleiben dadurch Loumlcher (-gt Defektelektronen) zuruumlck die als positive Ladungstraumlger betrachtet werden
Abbildung 1
DOTIERENDurch Einlagerung fremder Atome (Dotierung) mit einer anderen Anzahl von Valenzelektronen als das Halbleitermaterial entstehen entweder zusaumltzliche Elektronen (n-Leiter) oder Loumlcher (p-Leiter)Die Fremdatome beim n-Leiter heiszligen Donatoren und beim p-LeiterAkzeptoren
5
Abbildung 2
Als Beispiel fuumlr einen n-Leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4 Valenzelektronen) das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist dargestellt Um einen p-Leiter zu erhalten kann man wie abgebildet Germanium mit Indium (3 Valenzelektronen) dotieren
Diode
Wenn man einen n- und p-Leiter in Kontakt miteinander bringt bilden sie eine Halbleiterdiode Im Beruumlhrungsbereich entsteht eine Sperrschicht da die freien Elektronen vom n-Leiter mit den Loumlchern im p-Leiter in diesem Bereich rekombinieren
Abbildung 3
6
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit dem Minuspol an den p-Leiter an so werden weitere freie Ladungstraumlger aus der Grenzschicht verdraumlngt wodurch sich die Sperrschicht vergroumlszligert Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom flieszligen -gt Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungstraumlger in die Grenzschicht gedraumlngt Es kann starker Durchlassstrom flieszligen -gt Durchlassrichtung
Abbildung 5
KennlinienMit Hilfe der folgenden Schaltung kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln
Abbildung 6
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
2
Inhaltsverzeichnis
Lerninhalt 3
In welcher Klasse3Vorkenntnisse 3
Lernziele 3
Theoretische Grundlagen4Zusatzinformationen 9
Versuche mit dem NTL-Baukasten 14Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode 14
Kennlinien von Halbleiterdioden 15
Einweggleichrichtung 19
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz 20
Leuchtdiode (LED) 22
Zenerdiode24
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom 25
Der Transistor als Verstaumlrker 26
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung) 27
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung) 28
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)30
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung) 32
Zeitschalter 33
Arbeitsblaumltter36
Quellenverzeichnis41
Abbildungsnachweis 41
3
Lerninhalt
Halbleiterreiner und dotierter HalbleiterHerstellung von Halbleiterbauelementen
DiodenEigenschaften von HalbleiterdiodenEinweg- ZweiweggleichrichtungLeucht- Photo- Zenerdiode
TransistorenHerstellung von TransistorenFunktionsprinzip eines TransistorsTransistor in verschiedenen Schaltungen
Transistor als VerstaumlrkerBasisschaltung (Spannungs- und Stromverstaumlrkung)Kollektorschaltung (Spannungs- und Stromverstaumlrkung)Zeitschalter
FeldeffekttransistorLogikschaltungen
Integrierte Schaltungen
In welcher Klasse
7 Klassereiner und dotierter Halbleiter Eigenschaften von Halbleiterbausteinen Diode und Transistor optoelektronische Bauelemente Mikroelektronik und integrierte Schaltungen
Vorkenntnisse Elektrizitaumltslehre aus der Unterstufe (3 und 4 Klasse) Elektrizitaumltslehre aus der 7 Klasse Grundlagen der Elektrotechnik aus der 7 Klasse
Lernziele Funktionsprinzip und Eigenschaften von Dioden und Transistoren Einweg- und Zweiweggleichrichtung mit Dioden Funktionsprinzip von optoelektronischen Bauelementen Verstehen von Schaltungen mit Transistoren
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Theoretische Grundlagen
HALBLEITER
Halbleiter leiten bei Raumtemperatur Strom etwas besser als ein Isolator aber schlechter als ein Metall Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren Bei houmlheren Temperaturen oder durchVerunreinigungen (Dotierung) oder auch unter Lichteinfluss kann die Leitfaumlhigkeit von Halbleitern gesteigert werden
Meist bestehen Halbleiter aus Silizium Germanium Selen Galliumarsenid Zinkselenid und Bleitellurid In einem reinen Halbleiter wie Silizium sind die aumluszligeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen Sie werden von den Atomen gemeinsam benutzt um kovalente Bindungen herzustellen Diese Valenzelektronen sind nicht voumlllig frei beweglich um elektrischen Strom zu transportieren Durch Erhoumlhung der Temperatur oder durch Licht nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu sodass sich einige Elektronen aus dem Atomverband loumlsen koumlnnen Die Elektronen werden also aus dem sogenannten Valenzband in das Leitungsband angehoben Im Valenzband bleiben dadurch Loumlcher (-gt Defektelektronen) zuruumlck die als positive Ladungstraumlger betrachtet werden
Abbildung 1
DOTIERENDurch Einlagerung fremder Atome (Dotierung) mit einer anderen Anzahl von Valenzelektronen als das Halbleitermaterial entstehen entweder zusaumltzliche Elektronen (n-Leiter) oder Loumlcher (p-Leiter)Die Fremdatome beim n-Leiter heiszligen Donatoren und beim p-LeiterAkzeptoren
5
Abbildung 2
Als Beispiel fuumlr einen n-Leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4 Valenzelektronen) das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist dargestellt Um einen p-Leiter zu erhalten kann man wie abgebildet Germanium mit Indium (3 Valenzelektronen) dotieren
Diode
Wenn man einen n- und p-Leiter in Kontakt miteinander bringt bilden sie eine Halbleiterdiode Im Beruumlhrungsbereich entsteht eine Sperrschicht da die freien Elektronen vom n-Leiter mit den Loumlchern im p-Leiter in diesem Bereich rekombinieren
Abbildung 3
6
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit dem Minuspol an den p-Leiter an so werden weitere freie Ladungstraumlger aus der Grenzschicht verdraumlngt wodurch sich die Sperrschicht vergroumlszligert Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom flieszligen -gt Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungstraumlger in die Grenzschicht gedraumlngt Es kann starker Durchlassstrom flieszligen -gt Durchlassrichtung
Abbildung 5
KennlinienMit Hilfe der folgenden Schaltung kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln
Abbildung 6
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
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Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
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Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
3
Lerninhalt
Halbleiterreiner und dotierter HalbleiterHerstellung von Halbleiterbauelementen
DiodenEigenschaften von HalbleiterdiodenEinweg- ZweiweggleichrichtungLeucht- Photo- Zenerdiode
TransistorenHerstellung von TransistorenFunktionsprinzip eines TransistorsTransistor in verschiedenen Schaltungen
Transistor als VerstaumlrkerBasisschaltung (Spannungs- und Stromverstaumlrkung)Kollektorschaltung (Spannungs- und Stromverstaumlrkung)Zeitschalter
FeldeffekttransistorLogikschaltungen
Integrierte Schaltungen
In welcher Klasse
7 Klassereiner und dotierter Halbleiter Eigenschaften von Halbleiterbausteinen Diode und Transistor optoelektronische Bauelemente Mikroelektronik und integrierte Schaltungen
Vorkenntnisse Elektrizitaumltslehre aus der Unterstufe (3 und 4 Klasse) Elektrizitaumltslehre aus der 7 Klasse Grundlagen der Elektrotechnik aus der 7 Klasse
Lernziele Funktionsprinzip und Eigenschaften von Dioden und Transistoren Einweg- und Zweiweggleichrichtung mit Dioden Funktionsprinzip von optoelektronischen Bauelementen Verstehen von Schaltungen mit Transistoren
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Theoretische Grundlagen
HALBLEITER
Halbleiter leiten bei Raumtemperatur Strom etwas besser als ein Isolator aber schlechter als ein Metall Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren Bei houmlheren Temperaturen oder durchVerunreinigungen (Dotierung) oder auch unter Lichteinfluss kann die Leitfaumlhigkeit von Halbleitern gesteigert werden
Meist bestehen Halbleiter aus Silizium Germanium Selen Galliumarsenid Zinkselenid und Bleitellurid In einem reinen Halbleiter wie Silizium sind die aumluszligeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen Sie werden von den Atomen gemeinsam benutzt um kovalente Bindungen herzustellen Diese Valenzelektronen sind nicht voumlllig frei beweglich um elektrischen Strom zu transportieren Durch Erhoumlhung der Temperatur oder durch Licht nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu sodass sich einige Elektronen aus dem Atomverband loumlsen koumlnnen Die Elektronen werden also aus dem sogenannten Valenzband in das Leitungsband angehoben Im Valenzband bleiben dadurch Loumlcher (-gt Defektelektronen) zuruumlck die als positive Ladungstraumlger betrachtet werden
Abbildung 1
DOTIERENDurch Einlagerung fremder Atome (Dotierung) mit einer anderen Anzahl von Valenzelektronen als das Halbleitermaterial entstehen entweder zusaumltzliche Elektronen (n-Leiter) oder Loumlcher (p-Leiter)Die Fremdatome beim n-Leiter heiszligen Donatoren und beim p-LeiterAkzeptoren
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Abbildung 2
Als Beispiel fuumlr einen n-Leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4 Valenzelektronen) das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist dargestellt Um einen p-Leiter zu erhalten kann man wie abgebildet Germanium mit Indium (3 Valenzelektronen) dotieren
Diode
Wenn man einen n- und p-Leiter in Kontakt miteinander bringt bilden sie eine Halbleiterdiode Im Beruumlhrungsbereich entsteht eine Sperrschicht da die freien Elektronen vom n-Leiter mit den Loumlchern im p-Leiter in diesem Bereich rekombinieren
Abbildung 3
6
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit dem Minuspol an den p-Leiter an so werden weitere freie Ladungstraumlger aus der Grenzschicht verdraumlngt wodurch sich die Sperrschicht vergroumlszligert Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom flieszligen -gt Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungstraumlger in die Grenzschicht gedraumlngt Es kann starker Durchlassstrom flieszligen -gt Durchlassrichtung
Abbildung 5
KennlinienMit Hilfe der folgenden Schaltung kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln
Abbildung 6
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
4
Theoretische Grundlagen
HALBLEITER
Halbleiter leiten bei Raumtemperatur Strom etwas besser als ein Isolator aber schlechter als ein Metall Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren Bei houmlheren Temperaturen oder durchVerunreinigungen (Dotierung) oder auch unter Lichteinfluss kann die Leitfaumlhigkeit von Halbleitern gesteigert werden
Meist bestehen Halbleiter aus Silizium Germanium Selen Galliumarsenid Zinkselenid und Bleitellurid In einem reinen Halbleiter wie Silizium sind die aumluszligeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen Sie werden von den Atomen gemeinsam benutzt um kovalente Bindungen herzustellen Diese Valenzelektronen sind nicht voumlllig frei beweglich um elektrischen Strom zu transportieren Durch Erhoumlhung der Temperatur oder durch Licht nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu sodass sich einige Elektronen aus dem Atomverband loumlsen koumlnnen Die Elektronen werden also aus dem sogenannten Valenzband in das Leitungsband angehoben Im Valenzband bleiben dadurch Loumlcher (-gt Defektelektronen) zuruumlck die als positive Ladungstraumlger betrachtet werden
Abbildung 1
DOTIERENDurch Einlagerung fremder Atome (Dotierung) mit einer anderen Anzahl von Valenzelektronen als das Halbleitermaterial entstehen entweder zusaumltzliche Elektronen (n-Leiter) oder Loumlcher (p-Leiter)Die Fremdatome beim n-Leiter heiszligen Donatoren und beim p-LeiterAkzeptoren
5
Abbildung 2
Als Beispiel fuumlr einen n-Leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4 Valenzelektronen) das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist dargestellt Um einen p-Leiter zu erhalten kann man wie abgebildet Germanium mit Indium (3 Valenzelektronen) dotieren
Diode
Wenn man einen n- und p-Leiter in Kontakt miteinander bringt bilden sie eine Halbleiterdiode Im Beruumlhrungsbereich entsteht eine Sperrschicht da die freien Elektronen vom n-Leiter mit den Loumlchern im p-Leiter in diesem Bereich rekombinieren
Abbildung 3
6
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit dem Minuspol an den p-Leiter an so werden weitere freie Ladungstraumlger aus der Grenzschicht verdraumlngt wodurch sich die Sperrschicht vergroumlszligert Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom flieszligen -gt Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungstraumlger in die Grenzschicht gedraumlngt Es kann starker Durchlassstrom flieszligen -gt Durchlassrichtung
Abbildung 5
KennlinienMit Hilfe der folgenden Schaltung kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln
Abbildung 6
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
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Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
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Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
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Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
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Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
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Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
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wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
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ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
5
Abbildung 2
Als Beispiel fuumlr einen n-Leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4 Valenzelektronen) das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist dargestellt Um einen p-Leiter zu erhalten kann man wie abgebildet Germanium mit Indium (3 Valenzelektronen) dotieren
Diode
Wenn man einen n- und p-Leiter in Kontakt miteinander bringt bilden sie eine Halbleiterdiode Im Beruumlhrungsbereich entsteht eine Sperrschicht da die freien Elektronen vom n-Leiter mit den Loumlchern im p-Leiter in diesem Bereich rekombinieren
Abbildung 3
6
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit dem Minuspol an den p-Leiter an so werden weitere freie Ladungstraumlger aus der Grenzschicht verdraumlngt wodurch sich die Sperrschicht vergroumlszligert Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom flieszligen -gt Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungstraumlger in die Grenzschicht gedraumlngt Es kann starker Durchlassstrom flieszligen -gt Durchlassrichtung
Abbildung 5
KennlinienMit Hilfe der folgenden Schaltung kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln
Abbildung 6
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
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Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
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Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
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Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
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VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
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Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
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Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
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Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
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Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
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Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
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Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
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VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
6
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit dem Minuspol an den p-Leiter an so werden weitere freie Ladungstraumlger aus der Grenzschicht verdraumlngt wodurch sich die Sperrschicht vergroumlszligert Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom flieszligen -gt Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungstraumlger in die Grenzschicht gedraumlngt Es kann starker Durchlassstrom flieszligen -gt Durchlassrichtung
Abbildung 5
KennlinienMit Hilfe der folgenden Schaltung kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln
Abbildung 6
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
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Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
7
Man traumlgt nun die Stromstaumlrke (I) die man mit dem Amperemeter (A) misst in Abhaumlngigkeit von UD in ein Diagramm ein
Abbildung 7
Transistor
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen Beim npn-Transistor befindet sich eine duumlnne p-Schicht (-gt Basis) zwischen zwei n-Schichten (-gt Emitter und Kollektor)Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten Jede Schicht traumlgt einen Kontakt
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an so flieszligen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Loumlcher in Richtung Emitter Ein groszliger Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode da die Basis sehr duumlnn ist Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und koumlnnen dann zur positiven Elektrode flieszligenDer vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Basisstrom vom Emitter zur BasisSchaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um sinkt der Kollektorstrom auf Null
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
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ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
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Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
8
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhaumlngigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom
Abbildung 9
Schaltsymbole fuumlr Transistoren
Abbildung 10
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
9
Zusatzinformationen
Herstellung von Einkristallen und DotierungZonenschmelzverfahrenDas kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu groszligen Einkristallen umgeschmolzen Dafuumlr wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen Der Kristall waumlchst an der Grenzflaumlche fest-fluumlssig (Laumlnge 1 ndash 2 m Durchmesser 10 ndash 20 cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des KristallsDieser gezogene Einkristall wird in duumlnne Scheiben (-gt Wafer) geschnitten
DotierungMan kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfenDurch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung moumlglich
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten deren Oberflaumlche bei 1000degC oxidiert wird wodurch sie zum Isolator wird
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
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Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
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Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
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Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
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Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
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VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
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Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
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Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
10
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen Auf die Oberflaumlche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeaumltzt wird Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann Abschlieszligend werden noch Leiterbahnen aufgedampft
Integrierte Schaltungen (IC -gt integrated circuits)Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermoumlglicht eine weitere VerkleinerungAuf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren Widerstaumlnde und Kondensatoren Die noumltigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestelltAbschlieszligend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer Digitaluhren und Videospiele ermoumlglicht Auszligerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen zum Beispiel bei Haushaltsgeraumlten Fernsehern Radios und Stereoanlagen Sie werden auch in der Industrie Medizin Verkehrsregelung Umweltuumlberwachung und Kommunikationstechnikeingesetzt
Zener- und LawineneffektDer Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden die in Sperrrichtung geschaltet ist auf Bei houmlherer Sperrspannung kann die Feldstaumlrke in der Sperrschicht so groszlig werden dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungstraumlger erhoumlht (-gt Zenereffekt) Bei hoher Sperrschicht kann auszligerdem die kinetische Energie der freien Ladungstraumlger so groszlig werden dass sie durch Stoszlig weitere Ladungstraumlger freisetzen koumlnnen (-gt Lawineneffekt)Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-gt Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt
Leuchtdiode (LED -gt light emitting diode)Sie dient zur Anzeige (bdquoDisplayrdquo) bei den verschiedenen Geraumlten wie zum Beispiel Steuerungen Uhren und Zaumlhler aller Art Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Bereich und Loumlcher aus dem p-Bereich Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt Die Farbe des Lichts haumlngt vom Material der LED ab
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
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Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
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Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
11
Photodiode und PhototransistorIhre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom flieszligen wenn Licht auf sie auftrifft Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein Zu den wichtigsten Anwendungen zaumlhlen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geraumlten mittels Infrarot-Fernbedienung auszligerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet Die Empfangsbildroumlhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip gefuumlhrt der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt
Optoelektronische NachrichtenuumlbertragungEin Sender (LED) der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt sendet ein Lichtsignal aus Dieses gelangt uumlber einen Uumlbertragungsweg (Vakuum Luft Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfaumlnger (Photodiode Photozelle Phototransistor) der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt
Solarzelle Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt
Abbildung 12
Thyristor Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn)Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Stroumlme Er hat weitgehend das Relais ersetzt Mit einer Spezialform des Thyristors dem Triac werden Wechselstroumlme geschaltet
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
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ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
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Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
12
Flip-Flop
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung Es leuchtet immer nur eines der beiden Laumlmpchen
L1 leuchtet L2 leuchtet nicht wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist dh dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nichtWird nun Transistor 1 durch Kurzschlieszligen von seiner EB-Strecke gesperrt dann erlischt L1 Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtetDie Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrtDie Schaltung hat zwei stabile Zustaumlnde Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zustaumlnden umgeschaltet werdenDie Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet
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Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
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Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
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Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
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VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
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Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
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Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
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Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
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Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
13
Feldeffekttransistor
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) flieszligt fast kein StromWenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt werden die Loumlcher weggedraumlngt und freie Elektronen aus den n-Gebieten angesaugt Es entsteht ein leitender Kanal der umso breiter ist und umso besser leitet je houmlher die Spannung am Gate istDas elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom Dafuumlr ist sehr wenig Leistung erforderlich
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
14
Versuche mit dem NTL-Baukasten
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Si-Diode 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an
VersuchsergebnisWenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist flieszligt Strom und das Laumlmpchen leuchtet Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen nicht
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
15
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 14
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
16
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden Dafuumlr schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung dann in Sperrrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Versuchsergebnis(1)Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der Spannung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01 002 0303 104 3505 7506 1807 35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein
Kennlinie einer Si-Diode
05
10152025303540
0 01 02 03 04 05 06 07 08
Spannung in V
Str
omst
aumlrke
in m
A
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
17
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
5 0210 0415 0520 0725 085
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen moumlchte muss man einen anderen Maszligstab fuumlr die Sperrrichtung waumlhlen
(2)Wir wiederholen nun den gesamten Versuch jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand
Diode in DurchlassrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA01 002 2304 3005 50
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
18
Kennlinie einer Ge-Diode
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 01 02 03 04 05 06
Spannung in V
Stro
mst
aumlrke
in m
A
Diode in SperrrichtungSpannung in
VStromstaumlrke
in mA10 0415 0520 0725 09
Zeitungefaumlhr 15 Minuten
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
19
Einweggleichrichtung
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Si-Diode 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 15
Versuchsdurchfuumlhrung(1)Wir verwenden zunaumlchst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung haumlndisch um
(2)Wir legen nun 9 V Wechselspannung an
Versuchsergebnis(1)Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist leuchtet das Laumlmpchen auf oder erlischt
(2)Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an so fuumlhrt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss Die einzelnen Stromstoumlszlige koumlnnen wir jedoch aufgrund der Traumlgheit der Augen nicht erkennen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
20
Zweiweggleichrichtung ndash Bruumlckenschaltung nach Graetz
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Gluumlhlampe 4 Si-Dioden4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 16
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Wechselspannung von ca 10 V an
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
21
Versuchsergebnis
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannungausgenuumltzt Durch das Laumlmpchen flieszligt ein pulsierender Gleichstrom
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
22
Leuchtdiode (LED)
Verwendete MaterialienSchaltplatte 1 Lampenfassung 1 LED rot 1 Gluumlhlampe Widerstand 500 Ω 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 17
Man muss noch zusaumltzlich einen Vorwiderstand einbauen da sonst die LED kaputt wird
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
23
VersuchsdurchfuumlhrungWir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung
VersuchsergebnisIst die LED in Durchlassrichtung gesteckt so leuchten die LED und das GluumlhlaumlmpchenIn Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Gluumlhlaumlmpchen
TippsLEDs duumlrfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
24
Zenerdiode
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Z-Diode 47 V 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 4 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 18
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an die wir von 0 auf 10 V erhoumlhen
VersuchsergebnisDie Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca 47 V Trotz Erhoumlhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 47 V wobei das Gluumlhlaumlmpchen trotz Sperrrichtung leuchtet
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch
TippsMan sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhoumlhen da sonst die Zenerdiode kaputt werden koumlnnte
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
25
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 10 kΩ 1 Lampenfassung 1 pnp-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 19
VersuchsdurchfuumlhrungWir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Gluumlhlaumlmpchen mit und ohne Leitungsbaustein L
VersuchsergebnisWenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist flieszligt kein Basis-Emitter-Strom und das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet nichtWenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken flieszligt ein Basis-Emitter-Strom wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter-Strom zustande kommt Das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet
Zeitungefaumlhr 5 Minuten
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
26
Der Transistor als Verstaumlrker
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Lampenfassung 1 Widerstand 10 kΩ 1 Widerstand 47 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 1 Messinstrument 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 20
VersuchsdurchfuumlhrungWir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ
Kollektorstrombei 47 kΩ 28 mAbei 10 kΩ 29 mA
Basisstrombei 47 kΩ 02 mAbei 10 kΩ 1 mA
VersuchsergebnisDie Kollektorstromaumlnderung sollte ungefaumlhr vierzigmal groumlszliger sein Der Stromverstaumlrkungsfaktor waumlre dann gleich 40Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
27
Basisschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 21
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir den Emitterstrom IE regeln Der entsprechende Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
IE in mA IC in mA2 10
10 12
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI
= 1
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstaumlrkungsfaktor kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
28
Basisschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 22
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
29
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers koumlnnen wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
UCB in V UBE in V1 0653 055
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU
= 20
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstaumlrkung zwischen 100 und 1000 ergeben
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
30
Kollektorschaltung (Stromverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 23
31
VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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VersuchsdurchfuumlhrungDer Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemetergemessen Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis-Strom ICB regeln Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird ebenfalls gemessen
Versuchsergebnis
ICB in mA ICE in mA01 4003 44
Stromverstaumlrkung CB
CE
dIdI
= 20
Die Stromverstaumlrkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und500 liegen
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
32
Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
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Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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Kollektorschaltung (Spannungsverstaumlrkung)
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 100 Ω 1 Widerstand 500 Ω 1 Drehwiderstand 10 kΩ 1 pnp-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 24
VersuchsdurchfuumlhrungMit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung UCB regeln Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird ebenfalls gemessen
VersuchsergebnisBei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V haben wir eine Kollektor-Emitter-Spannung von 6 V gemessenWir haben nur einen Wert gemessen und koumlnnen daher die
Spannungsverstaumlrkung CE
CB
dUdU
nicht berechnen
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstaumlrkung kleiner als 1
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33
Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
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Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
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ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
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Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
38
ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
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UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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Zeitschalter
Verwendete MaterialienSchaltplatte Leitungen 1 Schalter EIN-AUS 1 Lampenfassung 1 Kondensator 100 μF 1 Kondensator 1000 μF 1 Widerstand 1 kΩ 1 Widerstand 10 kΩ 1 npn-Transistor Basis links 1 Gluumlhlampe 2 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Versuchsaufbau
Abbildung 25
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
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Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
01020405
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
34
VersuchsdurchfuumlhrungWir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000 μF Man schlieszligt den Schalter wodurch das Gluumlhlaumlmpchen leuchtet Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geoumlffnet Wir bestimmen nun
35
wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
41
Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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wie viel Zeit zwischen dem Oumlffnen des Schalters und dem Erloumlschen des Gluumlhlaumlmpchens vergehtWir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF
VersuchsergebnisC = 1000 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 47 SekundenC = 1000 μF und R = 10 kΩ Zeit t = 87 SekundenC = 100 μF und R = 1 kΩ Zeit t = 10 Sekunden
Das Laumlmpchen kann nur dann leuchten wenn ein Basisstrom flieszligt Wenn der Schalter geschlossen ist wird der Kondensator aufgeladen Wird der Schalter dann geoumlffnet kann sich der Kondensator wieder entladen und es flieszligt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollstaumlndig entladen istDer Zeitschalter ermoumlglicht also dass das Laumlmpchen bei Schlieszligen und wieder Oumlffnen des Schalters fuumlr eine bestimmte Zeitdauer leuchtet
Zeitungefaumlhr 10 Minuten
Der Grund fuumlr unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeraumlten
36
ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
37
Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
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UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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ArbeitsblattKennlinien von Halbleiterdioden
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 100 Ω und 500 Ω 1 Si-Diode 1 Ge-Diode 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 26
VersuchsdurchfuumlhrungVerwende zuerst die Si-Diode Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode das Amperemeter (Messbereich 30 mA=) die StromstaumlrkeLege nun eine Gleichspannung an erhoumlhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstaumlrke in die Tabelle ein
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Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
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UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
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Spannung in V Stromstaumlrke in mA01020304050607
Fuumlhre nun den Versuch mit der Ge-Diode durch
Spannung in V
Stromstaumlrke in mA
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
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UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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ArbeitsblattBasisschaltung (Stromverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 27
VersuchsdurchfuumlhrungDer Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom IE regeln Den entsprechenden Kollektorstrom IC
traumlgst du in die Tabelle ein
IE in mA IC in mA210
Stromverstaumlrkung E
C
dIdI = __
39
ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
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UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
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ArbeitsblattBasisschaltung
(Spannungsverstaumlrkung)
MaterialienNTL-BaukastenSchaltplatte Leitungen 1 Widerstand 500 Ω 1 Potentiometer 470 Ω 1 Batterie (Akku) 12 V 1 npn-Transistor Basis links 2 Messinstrumente 6 Verbindungsleitungen Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaszligen auf
Abbildung 28
VersuchsdurchfuumlhrungDie Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem anderen VoltmeterMit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis-Spannung regeln Die entsprechende Basis-Emitter-Spannungtraumlgst du in die Tabelle ein
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UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
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40
UCB in V UBE in V13
Spannungsverstaumlrkung BE
CB
dUdU = __
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Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
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Quellenverzeichnis
ldquoTheoretische Grundlagenldquo (S 4 - 8) Zusatzinformationen (S 9 - 13)PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101Microsoft Encarta Professional 2002Praktikum der Physik (Walcher) S 281WinFunktion 2000 Physik amp Astronomie
Versuche mit dem NTL-BaukastenExperimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)
Abbildungsnachweis
Abbildungen 3 ndash 5 7 ndash 13 16PHYSIK 3 (Sexl Kuumlhnelt Pflug Stadler) S 91 - 101
Abbildungen 1 2Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 614 15 17 ndash 28Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 8 (M Bernhard S Jezik)