Elektronische Bauelemente

Dr. Angela Fosel & Dipl. Phys. Tom Michler

Revision: 14.10.2018

In der Elektrotechnik bezeichnet man ein elektronisches Bauteil als denkleinsten grundlegenden, als Einheit betrachteten Bestandteil einer elektri-schen Schaltung. Die Bezeichnung betrifft sowohl die mathematisch-physi-kalischen Phanome realer Bauteile als auch in der Form eines idealisiertenBauelementes. Das elektrische Bauelement als Einheit kann auch aus meh-reren Bauteilen bestehen. Wichtige elektronische Bauelemente sind Halblei-terdiode, Transistor, Integrierte Schaltungen, Widerstand, Kondensator undInduktivitat.

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Grundpraktikum I Elektronische Bauelemente

1 Vorbereitungen

Zur Einarbeitung in diesen Versuch sollten Sie neben den allgemeinen Kenntnissen derElektrodynamik vor allem folgende Punkte vertiefen:

Erlauterungen jeweils von Begriff, Aufbau und Funktionsweise:

– Erlauterung und Darstellung von Aufbau und Funktionsweise eines Halblei-ters

– Erlauterungen und Darstellung Eigenleitung und Storstellenleitung

– Erklarung, Darstellung und Funktionsweise einer p- und n-Dotierung

– Erlauterung und Darstellung eines pn-Ubergangs

Erlauterung, Darstellung und Funktionsweise einfacher Halbleiterbauelemente:

– Fotowiderstand (LDR)

– Temperaturabhangiger Widerstand (NTC)

– Diode und Transistor

– Grundlagen fur den Transistor als Schalter und Verstarker

– Spannungsverdopplerschaltung

In der schriftlichen Vorbereitung gehen Sie neben der allg. Beschreibung des Versuchsbesonders auf die zuvor genannten Punkte ausfuhrlich ein.

Achten Sie darauf, dass bestimmte Teilaufgaben in der Vorbereitung - al-so vor dem Versuchstag durchzufuhren sind.

2 Literatur

Zur Vorbereitung empfehlen wir u.a. folgende Titel:

Leybold-Heraeus: Grundlagen der Elektronik

Tietze-Schenk: Halbleiter Schaltungstechnik

K.-H. Rohe: Elektronik fur Physiker, Teubner Studienbucher, 1978

Elektronik, 1. Teil: Grundlagen, Verlag Europa Lehrmittel, Wuppertal

Einfuhrung in die Elektronik, Herausgeber Jean Putz, Fischer Taschenbuch Verlag,1974

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Grundpraktikum I Elektronische Bauelemente

3 Versuchsbeschreibung

Grundlage fur das gesamte Gebiet der Elektronik sind die Halbleiter, die durch folgendecharakteristische Eigenschaften gekennzeichnet sind:

1. Ihre Leitfahigkeit liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern

2. Ihr elektrischer Widerstand nimmt bei Zufuhr von Warme- bzw. Lichtenergie ab.Halbleiterbauelemente, die diese Eigenschaften demonstrieren, sind die HeißleiterNTC (negative temperatur coefficient) bzw. die Fotowiderstande LDR (light de-pendant resistor).

Von weitaus großerer Bedeutung sind die Halbleiterbauelemente, die einen oder mehrerePN-Ubergange besitzen. Ein PN-Ubergang entsteht immer dann wenn ein p-dotiertesund ein n-dotiertes Halbleitermaterial direkt in Beruhrung kommen. Die grundlegendenEigenschaften des einfachen pn-Ubergangs werden durch die Diode demonstriert.

Transistoren enthalten drei Schichten unterschiedlichen Leitungstyps, also zwei PN-Ubergange. Je nach Reihenfolge unterscheidet man pnp- und npn-Transistoren. Vongroßer Bedeutung fur die Wirkungsweise des Transistors ist es, daß die mittlere Schicht(Basis) sehr schmal und schwach dotiert ist. Die außeren Schichten werden Emitter undKollektor genannt.

Transistoren werden in drei Grundschaltungen verwendet (Emitter-, Basis- und Kollek-torschaltung), die sich hauptsachlich in den Punkten Spannungs-, Strom- und Leistungs-verstarkung unterscheiden. Fur die im Versuch zu untersuchenden Verstarkereigenschaftendes Transistors wird generell die Emitterschaltung verwendet.

4 Aufgaben

Samtliche Schaltskizzen sind in das Protokollheft zu ubertragen.

1. Eigenschaften verschiedener elektronische Bauelemente

a) Untersuchen Sie die Widerstandsabhangigkeit eines TemperaturabhangigenWiderstands (NTC 2.2k) im Bereich von T = 20 − 90C. Messen Sie da-zu im Bereich von T = 20 − 40C in Schritten von ∆T = 2 und vonT = 40 − 90C in Schritten von ∆T = 5.

Zeigen Sie, dass naherungsweise gilt:

RT = RN · eB(

1T− 1

TN

)(1)

i. Tragen Sie dazu die Messwerte RT = f(T ) grafisch auf.

ii. Bestimmen Sie B aus Ihren Messwerten. Tragen Sie dazu ln(RT ) =f(1/T − 1/TN ) ab.

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iii. Stellen Sie (1) so um, dass T = f(RT ), also die Temperatur durch denWiderstand berechnet bzw. ausgedruckt werden kann.

iv. Uberlegen Sie sich eine Schaltskizze (funktionales Modell) fur einen Tem-peraturwachter, der beim Uberschreiten einer bestimmten TemperaturAlarm auslost.

Dabei sind:

B = EA/kB: NTC-Materialkonstante, die Sie dem Datenblatt entnehmen

RT : Widerstand in Ω bei der absoluten Temperatur T in K

RN : Nennwiderstand in Ω bei Nenntemperatur in K

T : Betriebstemperatur in K

TN : Nenntemperatur (25C bzw. 298.16 K)

EA : Aktivierungsenergie

kB : Boltzmannkonstante

Versuchsaufbau:Befestigen Sie den NTC-Widerstand und den Temperaturfuhler an einem Sta-tiv. Den Thermostab des Widerstandes bringen Sie in eine mit kaltem Wasserbefullte Petrischale, die sich auf einem Magnetruhrer befindet (vgl. folgendeAbbildung 1).

Wichtig fur diesen Versuch ist langsames Aufwarmen! Der Wider-stand braucht einen Moment, bis er die Temperatur angenommen hat. Schal-te Sie also den Thermostat immer nur kurz ein und gleich wieder aus - diesgilt insbesondere fur die Aufnahme der Messwerte in ∆T = 2 Schritten.

b) Man untersuche die Widerstandsabhangigkeit eines Fotowiderstands (LDR)von der Beleuchtung (siehe Abb. 2). Dazu andere man die Helligkeit derGluhlampe (Lampenfassung seitlich) durch mindestens 7 Einstellungen desPotentiometers und bestimme den jeweiligen Widerstandswert des LDR (Dis-kussion!). Wie groß ist der Dunkelwiderstand des LDR? (Grafische Darstel-lung!).Hinweis: Um das Auftreffen des Lichts von außerhalb zu vermeiden, stulpeman den beigelegten Karton uber Gluhlampe und LDR (gestrichelte Linie inAbb. 2).Als Anwendung baue man eine Lichtschranke (siehe Abbildung 3) und er-klare deren Funktionsweise.

c) Man messe die I-U-Kennlinie einer Halbleiterdiode 1N/4007 in Durchlassrich-tung zwischen 0 V und maximal 0.8 V (Abb. 4) und diskutiere den Verlauf,insbesondere den anfangs flachen Anstieg der Kurve. Verwenden Sie folgendesPotentiometer: 1 kΩ, 2W.Man drehe die Diode (Sperrrichtung) und uberzeuge sich, daß selbst bei 9 V

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Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Messung der NTC-Widerstandskennline

Abbildung 2: Schaltung zur Widerstandsmessung am LDR (es ist eine Linsenlampe zuverwenden!)

Abbildung 3: Schaltung zum Aufbau einer Lichtschranke

(ohne Vorwiderstand) kein meßbarer Strom fließt (Begrundung).Als Anwendung baue man eine Spannungsverdopplerschaltung (Abb. 5)

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Abbildung 4: Schaltung zur Aufnahme einer Diodenkennlinie

und untersuche die Spannung am Ausgang, Man messe und trage auf Ua =f(RL) fur RL =∞, 10 kΩ, 1 kΩ und 100 Ω.

Abbildung 5: Spannungsverdopplerschaltung

Erlaren Sie (in der Vorbereitung!) den Spannungsverdopplungsmecha-nismus. Warum ist die Spannung am Ausgang so stark belastungsabhangig(ausprobieren!)?

2. Der Transistor als Verstarker und Schalter

a) Fur eine feste Kollektor-Emitter-Spannung von 9 V messe man die Steuer-kennlinie ICE = f(IBE) des Transistor BD130 (Abb. 6).

Man trage ICE = f(IBE) grafisch auf, bestimme aus den gemessenen Wertenden jeweiligen GleichstromverstarkungsfaktorB und erklare die Verstarkerwirkungdes Transistors.

Zur Demonstration der Verstarkerwirkung dient die nachstehende Anord-nung (Abb. 7).

Ein Kopfhorer ist zunachst zwischen die Buchsen 1 und 2 und anschließendzwischen die Buchsen 3 und 4 zu schalten. Der Kondensator C = 47 µFtrennt die Transistorschaltung gleichstrommaßig von der Steuerstromquelle(C-Kopplung).

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Abbildung 6: Schaltung zur Aufnahme der Steuerkennlinie ICE = f(IBE)

Abbildung 7: Schaltung zur Verstarkung eines Wechselstroms durch einen Transistor

b) Um den Transistor als Schalter verstehen zu konnen, schaltet man zunachsteine Gluhlampe in den Kollektor-Emitter-Kreis (siehe Abbildung 8, linke Sei-te).

Schalten Sie anschließend vor die Basis des Transistors einen Widerstand von1 kΩ und verbinden Sie diesen zunachst mit dem Minuspol (0) und dann mitdem Pluspol (+) der Spannungsquelle (siehe Abbildung 7, rechte Seite).Das jeweils beobachtete Ergebnis ist zu beschreiben und zu deuten.

Die Schaltereigenschaften des Transistors findet in der Elektronik, z.B. beider bistabilen Kippstufe (Flip-Flop) Anwendung (siehe Abbildung 9).

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Abbildung 8: Der Transistor als Schalter

Abbildung 9: Bistabile Kippstufe (Flip-Flop)

Der Kollektor des einen Transistors wird jeweils uber einen Widerstand mitder Basis des anderen Transistors verbunden (Gleichstromkopplung oder gal-vanische Kopplung genannt). Man verbinde mit einem Bruckenstecker ab-wechselnd kurz die Kontakte A bzw. B und beschreibe die Schaltmechanis-men. Warum kann diese Schaltung als elektronischer Speicher bezeichnet wer-den?Hinweis: Mit einigen wenigen Anderungen laßt sich die bistabile Kippstufein einen astabilen Multivibrator verwandeln (siehe Abbildung 10).

Abbildung 10: Astabiler Multivibrator

Erklaren Sie die Funktionsweise des astabilen Multivibrators. Worinfindet dieser Anwendung?

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