Grundschaltungen der Elektronik - festo-didactic.com · Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische...

Arbeitsbuch

Mit CD-ROM

Festo Didactic

567289 de

Grundschaltungender Elektronik

C1

230 V / 24 V

D1

230 V50 Hz

UDC

R1

R2

UAC1

UAC2

D2

UDC

t

Bestell-Nr.: 567289

Stand: 09/2011

Autor: Karl-Heinz Drüke

Redaktion: Frank Ebel

Grafik: Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger

Layout: 09/2011, Frank Ebel, Beatrice Huber

© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2011

Internet: www.festo-didactic.com

E-Mail: [email protected]

Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten,

soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte

vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen

durchzuführen.

Hinweis

Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch

Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine

geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem

besseren Verständnis der Formulierungen.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 III

Inhalt

Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV

Vorwort ______________________________________________________________________________ V

Einleitung _____________________________________________________________________________ VII

Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII

Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) ______________________________ IX

Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik __________________________X

Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XIII

Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik ___________________ XVIII

Hinweise für den Lehrer/Ausbilder __________________________________________________________ XX

Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XXI

Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XXI

Inhalte der CD-ROM _____________________________________________________________________ XXII

Aufgaben und Lösungen

Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________ 3

Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21

Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39

Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57

Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73

Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91

Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111

Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129

Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147

Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163

Aufgaben und Arbeitsblätter









Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147


IV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Bestimmungsgemäße Verwendung

Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen:

• für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb

• in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand

Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten

sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib

und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.

Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich

Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die

Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die

in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.

Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des

Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes

außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden

vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 V

Vorwort

Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen

Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des

Lernsystems:

• Technologieorientierte Trainingspakete

• Mechatronik und Fabrikautomation

• Prozessautomation und Regelungstechnik

• Mobile Robotik

• Hybride Lernfabriken

Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem

Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.

Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,

Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare

Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.

Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen

Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen

und elektrischen Antrieben möglich.

VI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:

• Hardware

• Medien

• Seminare

Hardware Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und

Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte

der begleitenden Medien angepasst.

Medien Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die

praxisorientierte Teachware umfasst:

• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)

• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)

• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)

• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)

• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)

Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:

• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)

• Simulationssoftware

• Visualisierungssoftware

• Software zur Messdatenerfassung

• Projektierungs- und Konstruktionssoftware

• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen

Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht

konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.

Seminare Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und

Weiterbildung ab.

Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?

Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]

Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 VII

Einleitung

Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma

Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und

Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) behandelt die

folgenden Themen:

• Grundlagen Gleichstromtechnik

• Grundlagen Wechselstromtechnik

• Grundlagen Halbleiter

• Grundschaltungen der Elektronik

Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik schließt die Reihe der Arbeitsbücher für die Grundlagen

der Elektrotechnik/Elektronik. Vor allem auf die analytische Betrachtung des Zusammenspiels der bereits

aus den ersten drei Grundlagenbüchern bekannten Bauteile wird hier Wert gelegt.

Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet

mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop

und Sicherheits-Laborleitungen.

Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema

Grundschaltungen der Elektronik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser

Aufgaben enthalten die Lehrbücher

• Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und

• Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.

Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Dioden, Transistoren, Messgeräte usw.) zur

Verfügung.

VIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Arbeits- und Sicherheitshinweise

Allgemein • Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen

arbeiten.

• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle

Hinweise zur Sicherheit!

• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt

werden und sind umgehend zu beseitigen.

Elektrik • Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!

– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts

unterbrochen werden.

– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.

• In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische

Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten.

• In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal

verantwortlich zu überwachen.

• Vorsicht! Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen

getrennt wurde.

• Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen

Nennstromstärke.

• Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum

gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät

zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.

• Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen,

maximal 25 V DC.

• Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!

• Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab!

• Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.

• Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den

Leitungen.

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Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011)

Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand

dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundschaltungen der Elektronik. Einzelne Komponenten

aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.

Wichtige Komponenten des TP 1011 • Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer®

• Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen

• Grundlagen-Netzteil EduTrainer®

• Komplette Laboreinrichtungen

Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die

Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Halbleitertechnik. Die

Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen

Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe

wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert.

Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur

Verfügung gestellt.

Medien

Fachbücher Fachkunde Elektroberufe

Elektrotechnik

Tabellenbuch Elektrotechnik/Elektronik

Arbeitsbücher Grundlagen Gleichstromtechnik

Grundlagen Wechselstromtechnik

Grundlagen Halbleiter

Grundschaltungen der Elektronik

Digitale Lernprogramme WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik

WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise

WBT Elektronik 1 – Grundlagen der Halbleitertechnik

WBT Elektronik 2 – Integrierte Schaltkreise

WBT Elektrische Schutzmaßnahmen

Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011

Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2,

Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme

beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl

fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.

Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren

Katalogen und im Internet.

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Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik

Aufgabe 1: Kennwerte von Transistoren • Sie können Transistoren auf Funktion überprüfen.

• Sie können die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln.

• Sie kennen typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren.

• Sie können Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren.

• Sie können die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln.

• Sie kennen die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung.

• Sie kennen die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers.

Aufgabe 2: Transistorgrundschaltungen • Sie kennen den Unterschied zwischen einem Emitterfolger und einer Emitterschaltung.

• Sie erkennen die drei Transistorgrundschaltungen.

• Sie können die Spannungsverstärkung von Transistorschaltungen messen.

• Sie kennen die typische Spannungsverstärkung der Transistorgrundschaltungen.

• Sie wissen, welche Transistorgrundschaltung eine Phasendrehung von180° bewirkt.

• Sie wissen, welche Transistorgrundschaltungen nichtinvertierend arbeiten.

• Sie können die typischen Eingangs- und Ausgangswiderstände der Grundschaltungen angeben.

• Sie können die Eingangs- und Ausgangswiderstände von Verstärkerschaltungen messen.

Aufgabe 3: Mehrstufige Verstärker • Sie wissen, was eine Darlingtonschaltung ist.

• Sie kennen eine komplementäre Darlingtonschaltung.

• Sie können Ströme im Nanoamperebereich messen.

• Sie wissen, was eine Gegenkopplung ist.

• Sie können mit zwei Widerständen den Verstärkungsfaktor programmieren.

• Sie wissen, wie man Messsignale im Millivoltbereich erzeugt.

• Sie können den Frequenzgang eines Verstärkers aufnehmen.

• Sie können die Grenzfrequenzen von Verstärkern ermitteln.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 XI

Aufgabe 4: Leistungsverstärker • Sie kennen die Arbeitspunkteinstellung in Schaltungen mit positiver und negativer Betriebsspannung.

• Sie können eine Gegenkopplung erkennen.

• Sie erkennen, welche Bausteile den Verstärkungsfaktor VU einer Schaltung bestimmen.

• Sie erkennen, ob ein Verstärker ein Leistungsverstärker oder ein Spannungsverstärker ist.

• Sie erkennen eine Gegentakt-Endstufe.

• Sie wissen, was Übernahmeverzerrungen sind.

• Sie wissen, wie sich eine Gegenkopplung auf Signalverzerrungen auswirkt.

• Sie können den B-Betrieb und den AB-Betrieb einer Endstufe unterscheiden.

• Sie können ohne Amperemeter den Ruhestrom einer Endstufe messen.

• Sie können die Ausgangsleistung eines Verstärkers ermitteln.

Aufgabe 5: Differenz- und Gleichspannungsverstärker • Sie erkennen die typische Struktur der Differenzverstärkergrundschaltung.

• Sie können Ströme in Schaltungen indirekt ermitteln.

• Sie kennen die typischen Eigenschaften eines Differenzverstärkers.

• Sie können die zwei Kennlinien Uout = f (Uin) des Differenzverstärkers aufnehmen und zeichnen.

• Sie kennen den Unterschied zwischen Differenz- und Gleichtaktverstärkung.

• Sie wissen, wie eine hohe Gleichtaktunterdrückung erzielt wird und wo man diese Eigenschaft benötigt.

• Sie erkennen eine Konstantstromquelle/-senke und können den Konstantstrom berechnen.

• Sie wissen, was ein Komparator ist.

• Sie können einen Dämmerungsschalter bauen und seine Funktion erklären.

• Sie wissen, was eine Mitkopplung ist und was sie bewirkt.

• Sie kennen den Aufbau und die typischen Eigenschaften eines Gleichspannungsverstärkers.

• Sie wissen Bescheid über Offset und Offset-Abgleich.

Aufgabe 6: Impuls- und Sägezahngeneratoren • Sie erkennen die Grundschaltung des klassischen Astabilen Multivibrators (AMV).

• Sie kennen die typischen Eigenschaften eines astabilen Multivibrators.

• Sie kennen die Eigenschaften einer Triggerschaltung.

• Sie können die Schaltschwellen und die Hysterese einer Triggerschaltung messen und errechnen.

• Sie können einen Rechteckgenerator aus einer Triggerschaltung und einem RC-Glied umbauen.

• Sie können die Impulsdaten verschiedener Rechteckgeneratoren messen und errechnen.

• Sie wissen, was Pulsdauermodulation (PDM, PWM) ist und wo man sie anwendet.

• Sie kennen die Eigenschaften einer monostabilen Kippschaltung.

• Sie können die Kapazität von Kondensatoren messen.

• Sie können die zeitbestimmenden Glieder verschiedener Impulsschaltungen dimensionieren.

• Sie wissen, wie ein UNIJUNCTION-Transistor (UJT) arbeitet und wie man ihn testet.

• Sie können krumme Sägezahnspannungen in linear ansteigende verwandeln.

XII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Aufgabe 7: Sinusgeneratoren • Sie kennen die typischen Eigenschaften eines LC-Schwingkreises.

• Sie können die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises messtechnisch und rechnerisch ermitteln.

• Sie erkennen einen Schwingkreis in Dreipunktschaltung.

• Sie können den Kopplungsfaktor eines Frequenz bestimmenden Schaltungsteiles ermitteln.

• Sie können LC-Oszillatoren bauen und in Betrieb nehmen.

• Sie können mit Hilfe eines Oszillators die Induktivität unbekannter Spulen bestimmen.

• Sie kennen das Prinzip von induktiven Näherungssensoren.

• Sie können einen Metalldetektor aufbauen und in Betrieb nehmen.

• Sie kennen die Grundschaltung und die Eigenschaften eines Wiengliedes.

• Sie kennen den Aufbau eines RC-Sinusgenerators mit Wienglied.

• Ihnen ist das Problem der Verstärkungseinstellung in RC-Generatoren vertraut.

Aufgabe 8: Netzteilschaltungen • Sie wissen, welche Aufgabe das Netzteil in elektronischen Geräten hat.

• Sie kennen die drei wichtigsten Gleichrichterschaltungen in Netzgeräten.

• Sie kennen den Hintergrund der Begriffe Einpuls- und Zweipulsgleichrichter.

• Sie wissen, wo in einer Schaltung man den „Ladekondensator“ findet.

• Sie können den Innen- oder Ausgangswiderstand von Spannungsquellen bestimmen.

• Sie können den Begriff „Referenzspannung“ zuordnen.

• Sie wissen, wie ein elektronischer Spannungsregler arbeitet.

• Sie können die Ausgangsspannung von Spannungsregelschaltungen berechnen.

• Sie kennen die Aufgabe und Funktion einer Strombegrenzung in Netzgeräten.

Aufgabe 9: Gleichspannungswandler • Sie wissen, wie sich der Strom in einer Spule beim Einschalten einer Gleichspannung verhält.

• Sie wissen, wie die Spannung an einer Spule beim Ausschalten des Stromes reagiert.

• Sie können den Stromverlauf in einer Spule indirekt messen und auf dem Oszilloskop darstellen.

• Sie können einen PNP-Transistor an positiver Betriebsspannung als elektronischen Schalter betreiben.

• Sie können positive Gleichspannung in negative umformen.

• Sie können aus einer kleinen Gleichspannung eine größere machen.

• Sie können aus einem Transistor und einem Transformator einen Sperrschwinger aufbauen.

• Sie wissen, was eine Ladungspumpe ist.

• Sie wissen, wie man die Ausgangsspannung von Spannungswandlern stabilisieren kann.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 XIII

Aufgabe 10: Thyristoren und TRIACs • Sie wissen, wodurch sich das Verhalten eines Thyristors von dem eines Transistors unterscheidet.

• Sie können den Begriff SCR oder Steuerbarer Gleichrichter zuordnen.

• Sie wissen, unter welcher Bedingung ein Thyristor „zündet“.

• Sie wissen, wann ein leitender Thyristor wieder sperrt.

• Sie können die Funktion eines Thyristors mit einfachen Mitteln überprüfen.

• Sie kennen den Unterschied zwischen einem Thyristor und einem TRIAC.

• Sie wissen, wie man Thyristoren potenzialfrei oder isoliert ansteuern kann.

• Sie wissen, wie man mit Thyristoren Gleich- und Wechselstrom schalten kann.

• Sie kennen die Funktion eines Halbleiterrelais.

• Sie sind mit der Funktion einer Phasenanschnittsteuerung vertraut.

Gerätesatz

Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik vermittelt Kenntnisse über den Aufbau, die Funktion und

das Verhalten von Verstärkerschaltungen, Netzteilschaltungen, Kippstufen und Schaltungen der

Leistungselektronik.

Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) enthält alle Komponenten, die für die

Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger

Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter, ein Speicher-Oszilloskop und Sicherheits-

Laborleitungen benötigt.

Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 571780

Komponente Bestell-Nr. Menge

Grundlagen-Netzteil EduTrainer® 567321 1

Universal-Steckfeld EduTrainer® 567322 1

Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik 567306 1

Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz 571809 1

XIV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 567306

Komponente Menge

Widerstand, 10 Ω/2 W 1








Widerstand, 1 kΩ/2 W 3

Widerstand, 2,2 kΩ/2 W 2

Widerstand, 4,7 kΩ/2 W 2





Widerstand, 1 MΩ/2 W 1

Potenziometer, 1 kΩ/0,5 W 1

Potenziometer, 10 kΩ/0,5 W 1

Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W 1

Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W 1

Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W 1

Kondensator, 100 pF/100 V 1

Kondensator, 10 nF/100 V 2

Kondensator, 47 nF/100 V 1

Kondensator, 0,1 μF/100 V 2




Kondensator, 10 μF/250 V, gepolt 2



© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 XV

Komponente Menge

Spule, 100 mH/50 mA 1

Diode, AA118 1

Diode, 1N4007 6

Z-Diode, ZPD 3,3 1

Z-Diode, ZPD 10 1

DIAC, 33 V/1 mA 1

NPN-Transistor, BC140, 40 V/1 A 2

NPN-Transistor, BC547, 50 V/100 mA 1

PNP-Transistor, BC160, 40 V/1 A 1

P-Kanal-JFET-Transistor, 2N3820, 20 V/10 mA 1

N-Kanal-JFET-Transistor, 2N3819, 25 V/50 mA 1

UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647, 35 V/50 mA 1

P-Kanal-MOSFET-Transistor, BS250, 60 V/180 mA 1

Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A 1

TRIAC, TIC206, 400 V/4 A 1

Transformatorspule, N = 200 1

Transformatorspule, N = 600 2

Transformatoreisenkern mit Halter 1

Leuchtmelder, 12 V/62 mA 1

Leuchtdiode (LED), 20 mA, blau 1

Leuchtdiode (LED), 20 mA, rot oder grün 1

Wechsler 1

XVI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Grafische Symbole des Gerätesatzes

Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol

Widerstand Z-Diode

Potenziometer DIAC

Widerstand,

temperaturabhängig (NTC) NPN-Transistor

Widerstand, lichtabhängig

(LDR) PNP-Transistor

Widerstand,

spannungsabhängig (VDR)

U

P-Kanal-JFET-Transistor

Kondensator N-Kanal-JFET-Transistor

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 XVII

Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol

Kondensator, gepolt UNIJUNCTION-Transistor

Spule P-Kanal-MOSFET-Transistor

Diode Thyristor

TRIAC LED blau

Transformatorspule LED rot oder grün

Leuchtmelder Wechsler

XVIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik

Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Komponente

Diode, 1N4007 2 2 1 4 4 2 4

Elektrolytkondensator, 10 μF 1 2 2 1 1 1 1

Elektrolytkondensator, 100 μF 1 1 1 1

Elektrolytkondensator, 220 μF 1

Elektrolytkondensator, 470 μF 1

JFET-Transistor, 2N3819 1

JFET-Transistor, 2N3820 1

Kondensator, 1 nF 1

Kondensator, 10 nF 1 2 2 1

Kondensator, 47 nF 1 2

Kondensator, 0,1 μF 1 1 2 1

Kondensator, 0,22 μF 1 1 1

Kondensator, 0,47 μF 1

Kondensator, 1 μF 1 1 1 1 1 1

Leuchtdiode, 20 mA, blau 1 1 1

Leuchtdiode, 20 mA, rot oder grün 1

Leuchtmelder, 12 V/62 mA 1 1 1

Potenziometer, 10 kΩ 1 1 1 1 1 1 1 1

Spule, 100 mH/50 mA 1

Thyristor, TIC106 1

TRIAC, TIC206 1

Transformatorspule, N = 200 1 1

Transformatorspule, N = 600 1 1 1

Transformatoreisenkern mit Halter 1 1

Transistor, BC140 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2

Transistor, BC160 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Transistor, BC547 1 1 1 1 1 1 1 1 1

UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647 1 1

Wechsler 1 1

© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 XIX

Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Komponente

Widerstand, 10 Ω 1 1 2

Widerstand, 33 Ω 1 1 1 1

Widerstand, 100 Ω 1 1 2 1 1 1

Widerstand, 220 Ω 1 1

Widerstand, 330 Ω 1

Widerstand, 470 Ω 1 1 3 2

Widerstand, 680 Ω 1 2

Widerstand, 1 kΩ 2 2 5 1 5 2 2 1

Widerstand, 2,2 kΩ 2 3 2 1 1 1 4

Widerstand, 22 kΩ 1 1 2 4 3 2 1 2 22

Widerstand, 4,7 kΩ 1 1 2 2 2

Widerstand, 10 kΩ 2 1 2 1 6 3 4 4 2 3

Widerstand, 47 kΩ 1 1 1 1 1 3 2 2 2 3

Widerstand, 100 kΩ 1 1 4 2 1 1 2 1

Widerstand, 1 MΩ 1 1

Widerstand, lichtabhängig (LDR) 1

Z-Diode, ZPD10 1 1

XX © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Hinweise für den Lehrer/Ausbilder

Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs sind der Aufbau und die Analyse ausgewählter

Grundschaltungen. Zu den Schaltungen gehören unter anderem Netzteilschaltungen,

Verstärkerschaltungen, Kippstufen und Schaltungen der Leistungselektronik. Durch die direkte

Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet.

Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabe zugeordnet.

Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.

Pro Aufgabe können ca. 1 bis 1,5 Stunden angesetzt werden.

Komponenten des Gerätesatzes Arbeitsbuch und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 10 Aufgaben benötigen Sie nur

Komponenten eines Gerätesatzes TP 1011.

Normen Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:

EN 60617-2 bis EN 60617-8 Graphische Symbole für Schaltpläne

EN 81346-2 Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;

Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung

DIN VDE 0100-100 Errichten von Niederspannungsanlagen – Allgemeine Grundsätze,

(IEC 60364-1) Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe

DIN VDE 0100-410 Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen –

(IEC 60346-4-41) Schutz gegen elektrischen Schlag

Kennzeichnungen im Arbeitsbuch Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt.

Ausnahme: Angaben und Auswertungen zu Strom sind immer rot dargestellt, Angaben und Auswertungen

zur Spannung sind immer blau dargestellt.

Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.

Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.

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Lösungen Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer

Messungen können von diesen Daten abweichen.

Lernfelder Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema „Grundschaltungen der Elektronik“

dem Lernfeld 1 der Berufsschule zugeordnet.

Struktur der Aufgaben

Alle 10 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:

• Titel

• Lernziele

• Problemstellung

• Schaltung oder Lageplan

• Arbeitsauftrag

• Arbeitshilfen

• Arbeitsblätter

Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung.

Bezeichnung der Komponenten

Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN 81346-2.

In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines

Schaltkreises werden durchnummeriert.

Widerstände: R, R1, R2, ...

Kondensatoren: C, C1, C2, …

Signalgeräte: P, P1, P2, ...

Hinweis

Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe

zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich,

werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt.

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Inhalte der CD-ROM

Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM

Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung.

Die CD-ROM enthält folgende Ordner:

• Bedienungsanleitungen

• Bilder

• Präsentationen

• Produktinformationen

Bedienungsanleitungen Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese

Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.

Bilder Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit

können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den

Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden.

Präsentationen Kurzpräsentationen der Schaltungen des Trainingspakets sind in diesem Verzeichnis gespeichert. Diese

Präsentationen können z. B. bei der Erstellung von Projektpräsentationen verwendet werden.

Produktinformationen Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und

Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen

Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten.

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Inhalt

Aufgaben und Lösungen









Aufgabe 9: Kennenlernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147


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Aufgabe 1 Untersuchen der Kennwerte von Transistoren

Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,

• können Sie Transistoren auf Funktion überprüfen.

• können Sie die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln.

• kennen Sie typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren.

• können Sie Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren.

• können Sie die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln.

• kennen Sie die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung.

• kennen Sie die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers.

Problembeschreibung Sie arbeiten in einem Unternehmen, das klassische HiFi-Verstärker herstellt und repariert. Im Rahmen Ihrer

Einarbeitung sollen Sie sich mit dem Verhalten von Transistoren und ihren typischen Kennwerten vertraut

machen.

Dazu bauen Sie eine Testschaltung auf, mit der man die Stromverstärkung von Transistoren ermitteln kann.

Mit der leicht abgewandelten Schaltung untersuchen Sie anschließend, wie ein Transistor zum

Spannungsverstärker wird.

Aufgabe 1 – Untersuchen der Kennwerte von Transistoren


Arbeitsaufträge 1. Bauen Sie eine Testschaltung mit dem NPN-Transistor BC140 auf und ermitteln Sie seine

Stromverstärkung B bei den Kollektorstromwerten IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA.

2. Ermitteln Sie zum Vergleich die Stromverstärkung B des Transistors BC547.

3. Bauen Sie die Testschaltung so um, dass sie zum Testen von PNP-Transistoren geeignet ist und

ermitteln Sie die Stromverstärkung B des Transistors BC160.

4. Bauen Sie eine Versuchsschaltung auf, in der Transistoren (zerstörungsfrei) mit Gleichspannung

angesteuert werden. Machen Sie sich mit dem Grundprinzip der Spannungsverstärkung vertraut.

5. Ermitteln Sie mit der Versuchsschaltung die Spannungsverstärkung VU bei Einsatz der Transistoren

BC140 und BC547.

6. Erweitern Sie die Versuchsschaltung so, dass ein Transistor BC140 zusätzlich mit Wechselspannung

angesteuert werden kann. Machen Sie sich mit dem Prinzip der Wechselspannungsverstärkung vertraut.

7. Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und Verzerrungen des

Ausgangssignals.

8. Finden Sie heraus, ob die Versuchsschaltung eine Emittergrundschaltung, eine Basisgrundschaltung

oder eine Kollektorgrundschaltung ist.

Arbeitshilfen • Fachbücher, Tabellenbücher

• Auszüge aus Herstellerkatalogen

• Datenblätter

• Internet

• WBT Elektronik 1 und Elektronik 2



Information

Grundwissen zu Dioden und Transistoren

Transistoren und Dioden bestehen aus Halbleiterwerkstoff, meist Silizium. Halbleiter können durch

den Einbau von Fremdatomen so beeinflusst werden, dass der Stromtransport in ihnen entweder

durch negative Ladungsträger (Elektronen) oder durch positive Ladungsträger (sog. „Löcher“ oder

„Defektelektronen“) erfolgt. Auf diese Weise veränderte Halbleiter nennt man entsprechend

N-Material und P-Material.

Beim Zusammenfügen von P- und N-Material entsteht ein PN-Übergang. Er lässt den elektrischen

Strom nur in einer Richtung durch und wirkt so als elektrisches Ventil oder Diode. Mit dem

elektrischen Grundgesetz „Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen stoßen sich ab“ kann man sich die Funktion der Diode leicht erklären.

+ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

– – – – – – – –

–

–

–

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+ +

+ +

+ +++

+ +++

+ +

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

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–+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

P

N

+ +

P

N

Halbleiterdiode – Schaltzeichen und Aufbau

• Sperrrichtung

Verbindet man die N-Zone des PN-Übergangs mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und die

P-Zone mit dem Minuspol, so werden die Ladungsträger im Halbleiter nach außen gezogen.

Dadurch entsteht am PN-Übergang eine breite ladungsträgerfreie Zone, die wie eine

Isolierschicht wirkt und so einen Stromfluss verhindert. Der PN-Übergang (die Diode) sperrt.

• Durchlassrichtung

Polt man nun die äußere Spannungsquelle um (Plus an P-Zone, Minus an N-Zone), so werden

die Ladungsträger in den beiden Bereichen auf einander zu getrieben und können (nach

Überschreiten einer bestimmten „Schwellspannung“) den PN-Übergang überwinden. Es fließt

ein Strom. Die Diode leitet.

• Den mit der N-Zone verbunden Anschluss einer Diode nennt man Kathode, der zur P-Zone

führende heißt Anode.

• Der Pfeil im Schaltzeichen der Diode gibt die Durchlassrichtung für die technische

Stromrichtung an.



Transistoren (genauer „bipolare Transistoren“) bestehen aus drei Halbleiterschichten, entweder in

der Reihenfolge N-P-N-Material oder P-N-P-Material. Die mittlere Schicht ist die „Basis“, die beiden

äußeren haben die Bezeichnung Emitter und Kollektor (englisch: Collector). Daher werden die

Anschlüsse eines Transistors meist kurz mit E, B, C gekennzeichnet.

–

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– – – – –

– – – – –

N

N

+ +

––––– P+ B=

C

E

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

– – – – –

– – – – –

– – – – –

P

P

––––– NB

=

C

E

–

– –

NPN- und PNP-Transistor – Aufbau und Schaltzeichen

Die Betriebsspannung eines Transistors muss stets so gepolt sein, dass die Ladungsträger der

Emitterzone zum Kollektor gezogen werden. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, ergibt

sich daraus:

• NPN-Transistoren arbeiten mit positiver Kollektor-Emitter-Spannung UCE

• PNP-Transistoren arbeiten mit negativer Kollektor-Emitter-Spannung UCE

Ohne Basisspannung ist jedoch kein Ladungsträgerfluss vom Emitter zum Kollektor möglich. Die

Basisschicht verhindert, dass die Anziehungskraft des Kollektors bis in die Emitterzone reicht. Erst

wenn mit Hilfe einer Basisspannung Ladungsträger aus der Emitterzone in die (dünne) Basisschicht

gehoben werden, geraten sie in den Anziehungsbereich des Kollektors und fließen zum größten Teil

nach dort weiter. Um die Ladungsträger vom Emitter zur Basis zu ziehen, muss die Basis-Emitter-

Spannung UBE die gleiche Polarität haben wie die Kollektor-Emitter-Spannung UCE. Daraus ergibt

sich:

• NPN-Transistoren werden bei positiver Basis-Emitter-Spannung UBE leitend

• PNP-Transistoren werden bei negativer Basis-Emitter-Spannung UBE leitend

Und damit ist schon die Grundfunktion des Verstärkerbauelements Transistor geklärt: Über eine

relativ geringe Basis-Emitter-Spannung UBE lässt sich steuern, wie viel Ladungsträgerstrom vom

Emitter zum Kollektor des Transistors fließt. Man kann zur Steuerung des Kollektorstromes aber

auch einen Basisstrom IB vorgeben. Zu jedem Basisstrom stellt sich automatisch eine bestimmte

Basis-Emitter-Spannung UBE ein und zu dieser wieder ein bestimmter Kollektorstrom IC. Der

Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB ist jedoch wesentlich linearer als der

zwischen IC und UBE. Das Verhältnis IC / IB nennt man Stromverstärkung B des Transistors. Es kann

von Transistor zu Transistor variieren und liegt meist zwischen 50 und 500.



Das Ersatzschaltbild eines Transistors stellt seine Wirkungsweise noch einfacher dar: Die Basis-

Emitter-Strecke des Transistors wirkt wie eine Diode in Durchlassrichtung. Der durch sie fließende

Basisstrom IB verursacht zwischen Emitter und Kollektor einen B-mal größeren Strom IC. Das

Stromquellen-Symbol deutet an, dass der Kollektorstrom weitgehend unabhängig ist von der Größe

der Kollektorspannung.

IB

IC = IB B∙

B

E

IC

C

NPN-Transistor – Ersatzschaltbild

Im Transistorsymbol wird der Emitter mit einem Pfeil gekennzeichnet. Unabhängig von den inneren

Vorgängen im Transistor entspricht die Pfeilrichtung im Symbol jedoch der technischen

Stromrichtung. Für die Symbole von Halbleiterbauelementen gilt allgemein: Der Pfeil zeigt entweder

auf eine P-Zone oder er kommt aus einer N-Zone. (Eselsbrücke: P = „pieksender“ Pfeil, N =

„hinausgehender“ Pfeil). Was tut ein Verstärker?

Das Mikrofon eines Telefons verwandelt Schallwellen, wie sie durch Sprache oder Musik erzeugt

werden, in Wechselspannungen im Millivolt-Bereich. Dieses Signal ist jedoch zu schwach, um einen

Hörer oder Lautsprecher direkt zu betreiben. Denn diese benötigen einige Volt für eine gut hörbare

Wiedergabe. Daher muss man einen Verstärker zwischen Mikrofon und Hörer oder Lautsprecher

schalten. Zur Erzeugung des Ausgangssignals benötigt jeder Verstärker eine

Betriebs(gleich)spannung.

V Uu out in= U /

U+

Uin(AC) = 15 mVSS Uout(AC) = 1.2 VSS

Verstärker – Schaltzeichen

Auf den folgenden Seiten lernen Sie die Arbeitsweise von Transistorverstärkern kennen.



1. Stromverstärkung des NPN-Transistors BC140

Information Der Transistor als Stromverstärker

Mit der folgenden Schaltung können Sie die Funktion von NPN-Transistoren überprüfen. Mit dem

variablen Spannungsteiler (Potenziometer) R lässt sich der Basisstrom IB des Transistors einstellen.

Jeder Basisstrom bewirkt (in einem intakten Transistor) einen wesentlich größeren

Kollektorstrom IC. Dividiert man den Messwert von IC durch den Messwert von IB, so erhält man den

Stromverstärkungsfaktor B des Transistors unter Test.

C

B

IB

I=

Die beiden Widerstände R1 und R2 sind sogenannte Schutzwiderstände. Sie begrenzen den Basis-

und den Kollektorstrom auf Werte, die den Transistor nicht beschädigen können, falls das

Potenziometer R unvorsichtig bedient wird.

+

mA

μA

IB

IC

R R1 K1

U = 12 VR2

Testschaltung zur Messung der Stromverstärkung B

Kennzeichnung Benennung Parameter

R1 Widerstand 10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ (je nach Aufgabe)

R2 Widerstand 1 kΩ

R Potenziometer 10 kΩ

K1 Transistor BC140, BC547, BC160 (je nach Aufgabe)

Bauteilliste



a) Bauen Sie nun die Testschaltung mit einem Transistor BC140 auf und stellen Sie IC = 1 mA ein. Lesen Sie

den Basisstrom IB ab und notieren Sie seinen Wert. Errechnen Sie aus den Messdaten die

Stromverstärkung B des untersuchten Transistors. Wiederholen Sie die Messung für IC = 5 mA und

10 mA. Tragen Sie die Werte unter BC140 (1) in die Tabelle ein.

Transistor BC140 (1) BC140 (2) BC547 BC160

IC [mA] 1 5 10 1 5 10 1 5 10 1 5 10

IB [μA] 7,7 38,5 76,9 8,0 39,8 79,5 3,2 16,1 32,4 4,2 20,8 40,3

B = IC / IB 130 130 130 125 126 126 313 311 308 238 240 248

Messwertetabelle

b) Im Bauteilesatz des EduTrainers ist noch ein zweiter Transistor BC140 vorhanden. Testen Sie diesen auf

gleiche Weise und ermitteln Sie auch seine Stromverstärkung B bei IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA. Tragen

Sie die Werte unter BC140 (2) in die Tabelle ein.

(Es ist völlig normal, wenn die Stromverstärkungsfaktoren von Transistor zu Transistor unterschiedlich

sind, auch bei solchen vom gleichen Typ!)


a) Wiederholen Sie die gleiche Prozedur mit dem Transistor BC547 und tragen seine Werte in die Tabelle

ein.

3. Stromverstärkung des PNP-Transistors BC160

a) Der Transistor BC160 ist ein PNP-Typ. Damit er richtig arbeiten kann, muss die bisherige Messschaltung

leicht verändert werden. Was ist zu tun?

Man muss nur die Betriebsspannung umpolen. Falls die Messgeräte Zeigerinstrumente sind, müssen

auch deren Anschlüsse vertauscht werden. Digitalmessgeräte wechseln automatisch das Vorzeichen

ihrer Anzeige.

b) Ermitteln Sie mit der geänderten Testschaltung die noch fehlenden Daten des Transistors BC160 und

übertragen Sie auch diese in die Tabelle.



c) Lassen Sie den Transistor in der Schaltung und erforschen Sie experimentell.

1. Welcher größtmögliche Basisstrom lässt sich mit dem Potenziometer einstellen?

IBmax = ca. 240 μA

2. Versuchen Sie, diesen Wert aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.

Der maximale Spannungsfall an R1 beträgt U – UBE = 12 V – 0,7 V = 11,3 V / 47 kΩ = 240 μA

3. Welcher größtmögliche Kollektorstrom lässt sich in der Schaltung einstellen?

ICmax = ca. 12 mA

4. Versuchen Sie, ICmax aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.

Der maximale Spannungsfall an R2 beträgt U – UEmin ≈ 12 V – 0 V = 12 V. Dann fließt durch R2

und den in Reihe liegenden Transistor ein Strom ICmax = 12 V / 1 kΩ = 12 mA.

5. Der Kollektorstrom IC lässt sich nur bis zu einem bestimmten Grenzwert ICmax durch den

Basisstrom IB steuern. Wie nennt man den Zustand, wenn der Transistor nicht mehr auf weitere

Erhöhung des Steuersignals reagiert?

Man sagt, der Transistor ist übersteuert oder in Sättigung.

(Er arbeitet jetzt wie ein Schalter im EIN-Zustand. IC wird durch U und R2 bestimmt.)

6. Was ist zu tun, wenn die Testschaltung für Kollektorströme bis etwa 25 mA erweitert werden soll?

Man muss R2 kleiner machen. R2 = U / ICmax = 12 V / 25 mA = 480 Ω → gewählt 470 Ω



4. Der Transistor als Spannungsverstärker

Information

Mit Hilfe einer Betriebs(gleich)spannung (hier mit U bezeichnet) können Transistoren auch als

Spannungsverstärker arbeiten. Doch dazu muss man sie mit weiteren Bauelementen kombinieren,

die Stromänderungen in Spannungsänderungen umformen. Im einfachsten Fall fügt man einen

„Arbeitswiderstand RA“ in die Kollektorleitung ein. Transistor und Widerstand bilden so eine

Reihenschaltung, die vom Kollektorstrom IC durchflossen wird. Der Spannungsfall am

Arbeitswiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz aus URA = RA ⋅ IC und der Spannungsfall

UCE ergibt sich aus den Gesetzen der Reihenschaltung UCE = UC = U – URA. Auf diese Weise steuert

die Eingangsspannung Uin zuerst den Basisstrom IB und damit den Kollektorstrom IC und, dank des

Arbeitswiderstandes RA, nun auch die Kollektorspannung UC. Diese dient jetzt als

Ausgangsspannung Uout. Bei der Spannungsverstärkung VU einer Schaltung betrachtet man nicht

die Gleichspannungen an Eingang und Ausgang, sondern das Verhältnis von „Spannungsänderung

am Ausgang“ zu „Verursachende Spannungsänderung am Eingang“. In der Formelschreibweise

wird eine „Änderung“ oder Differenz durch den griechischen Buchstaben Δ (delta) dargestellt.

Daher schreibt man

Spannungsverstärkung − Δ

= =− Δ

out1 out2 outU

in1 in2 in

U U UV

U U U

5. Spannungsverstärkung der NPN-Transistoren BC140 und BC547

a) Bauen Sie die bisherige Testschaltung um in einen Spannungsverstärker.

+

V

R R1 K1U = 12 V

R2

Uin

V Uout

R3

Der Transistor als Spannungsverstärker




R1 Widerstand 47 kΩ

R2 Widerstand 1 kΩ



K1 Transistor BC140, BC547

Bauteilliste

b) Ermitteln Sie mit der neuen Schaltung zu den gegebenen Eingangsspannungswerten der

Uin/Uout-Tabelle die dazugehörige Ausgangsspannung beziehungsweise umgekehrt die

Eingangsspannungen zu den Uout-Werten.

Uin/Uout-Tabelle BC140

Uin [V] 0 0,59 0,84 0,97 1,10 1,84 1,38 1,57 2,0

Uout [V] 12 11,8 10 8 6 4 2 0,2 0,1

c) Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden

Uin-Werten die Differenz ΔUin. Wie groß ist die Spannungsverstärkung VU der obigen Schaltung?

Vu = (10 V – 2 V) / (0,84 V – 1,38 V) = 8 V / -0,54 V = -14,8 ≈ 15

(Andere Werte sind möglich!)

Hinweis für den Unterricht Falls der Verstärkungsfaktor VU ein negatives Vorzeichen hat, ist dies kein Fehler. Es deutet nur an,

dass die Verstärkerschaltung „invertierend“, das heißt „umkehrend“, ist. Macht man Uin mehr

positiv, so wird Uout weniger positiv oder „negativer“. Und umgekehrt.

d) Tauschen Sie den Transistor BC140 gegen einen BC547 aus und wiederholen Sie die Messungen.


Uin [V] 0 0,621 0,738 0,828 0,908 0,99 1,08 1,57 2,0

Uout [V] 12 11,8 10 8 6 4 2 0,2 0,15



e) Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden


Vu = (10 V – 2 V) / (0,738 V – 1,08 V) = 8 V / -0,342V = 23,4 ≈ 23

(Andere Werte sind möglich!)

f) Beurteilen Sie die Verstärkungseigenschaften der beiden Typen BC140 und BC547.

Die Schaltung mit dem Transistor BC547 liefert eine größere Spannungsverstärkung, vermutlich weil

dieser Transistor eine höhere Stromverstärkung B hat als der Transistor BC140.

g) Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung für den BC140 in einem

Diagramm Uout = f (Uin) dar. Zeichnen Sie dünn die Hilfslinien ein, mit denen man die zu Uout= 10 V und

Uout = 2 V gehörenden Uin-Werte aus der Kennlinie ermitteln kann. Tragen Sie dazu passend auch die

Bezeichnungen ΔUout und ΔUin in das Diagramm ein.

Uout

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

2

4

6

8

10

12

14

Uin

V

V

U

ou

t

Uin

Diagramm Uout = f (Uin)



Information

In der vorliegenden Schaltung zur Spannungsverstärkung schützt der Widerstand R1 den Transistor

vor zuviel Basisstrom. Leider reduziert er auch die Spannungsverstärkung VU. Man kann die

theoretisch mögliche Verstärkung aber auch in der geschützten Schaltung ermitteln, indem man

anstelle der vom Potenziometer gelieferten Spannung Uin die Basis-Emitter-Spannung UBE direkt am

Transistor misst.

Allerdings besteht beim direkten Anschließen eines Messgerätes mit langen Messleitungen an die

Basis eines modernen Transistors die Gefahr, dass die Schaltung im 100 MHz-Bereich zu schwingen

beginnt, also zum UKW-Sender wird. (Man kann diesen unerwünschten Effekt auch ohne

Oszilloskop erkennen, wenn sich Messwerte bei Berührung der isolierten Messleitungen verändern

oder auf Annähern der Hand reagieren!) Abhilfe schafft ein „Entkopplungswiderstand“ von z. B.

1 bis 10 kΩ zwischen der Basis und der Messleitung (möglichst nah an der Basis!). Vor einen

hochohmigen Voltmeter (Ri ≥ 1 MΩ) verfälscht er den Messwert praktisch nicht

h) Bauen Sie die bisherige Schaltung entsprechend um.

+

V

R R1 K1U = 12 V

R2

UBE

V Uout

R3

RDEC

Messen von UBE über Entkopplungswiderstand (Schwingschutz)





R2 Widerstand 1 kΩ


RDEC Widerstand (Entkopplungswiderstand) 1 kΩ


K1 Transistor BC547

Bauteilliste

i) Ermitteln Sie mit der Schaltung die fehlenden Werte für die UBE/Uout-Tabelle.

UBE/Uout-Tabelle BC547

UBE [mV] 0 595 675 691 702 712 722 747 751

Uout [V] 12 11,8 10 8 6 4 2 0,2 0,15

j) Errechnen Sie die Spannungsverstärkung VU aus ΔUout und ΔUBE.

Verwenden Sie die Messwerte von Uout = 4 V und 8 V.

Vu = (8 V – 4 V) / (0,691 V – 0,712 V) = 4 V / -0,021 V = 190,5 ≈ 190 !



6. Der Transistor als Wechselspannungsverstärker

Information

Die Änderungen der Eingangsspannung, die bisher per Hand am Potenziometer R vorgenommen

wurden, kann man auch durch Einkoppeln einer Wechselspannung erreichen. Damit der durch R1

fließende Gleichstrom nicht unerwünscht über die Wechselspannungsquelle abfließt, fügt man

einen sogenannten „Koppelkondensator“ C1 in die Signalleitung ein. Er hat für Gleichstrom einen

unendlich hohen Widerstand XC, erscheint aber für Wechselstrom durchlässig. Das Potenziometer R

dient nun zur „Arbeitspunkteinstellung“ des Verstärkers.

Da kleine Wechselspannungen allein nicht in der Lage sind, einen Transistor leitend zu machen,

stellt man ihn mit einem Gleichstrom so ein, dass seine Kollektorspannung UC im Ruhezustand etwa

in der Mitte zwischen ihren möglichen Extremwerten UEmax und UEmin liegt. Addiert man nun einen

(kleinen) Wechselstrom zum Basisgleichstrom, so wird dieser im Takt des Wechselsignals größer

und kleiner (Es entsteht ein „Mischstrom“.) Entsprechend pendeln auch der Kollektorstrom IC und

die Kollektorspannung UC im Takt des Eingangssignals um ihre Ruhewerte.

Mit einem weiteren Koppelkondensator C2 filtert man nun aus der schwankenden

Kollektor(misch)spannung den Wechselspannungsanteil wieder heraus und verwendet ihn als

Ausgangssignal Uout. Auf diese Weise entsteht in der Verstärkerschaltung aus einem kleinen

Wechselspannungssignal am Eingang ein wesentlich größeres (verstärktes)

Wechselspannungssignal (mit gleicher Frequenz und Form) am Ausgang. Und das, obwohl der

Transistor hier nur mit positiver Betriebsspannung U arbeitet!

Misst man die Spitze-Spitze-Werte des Eingangs- und Ausgangssignals mit dem Oszilloskop, so

kann man aus diesen Werten direkt die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung

errechnen.

Wechselspannungsverstärkungsfaktor out(ss) out(eff)U(AC)

in(ss) in(eff)

U UV

U U= =



+R R1 K1 U = 12 V

R2

V UCE(DC)

G U

f

in(AC) = 0.1 – 0.3 V(Sinus)

= 0.2 Hz

R3

Y1

C1

C2

Uout(AC)

Y2

Der Transistor als Wechselspannungsverstärker

Y1: zum Oszilloskop, Kanal A

Y2: zum Oszilloskop, Kanal B



R2 Widerstand 1 kΩ



C1 Kondensator 220 μF

C2 Elektrolytkondensator 10 μF

K1 Transistor BC140

Bauteilliste

Hinweise

Damit Sie die Vorgänge in der Schaltung in Ruhe betrachten können:

– Stellen Sie den Sinusgenerator des EduTrainers auf eine sehr niedrige Frequenz ein, zum

Beispiel 0,2 Hz.

– Als Uin genügen etwa 0,1 bis 0,3 V (Am 0-2 V-Ausgang des DDS-Waveformgenerators

abnehmen!).

– Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass beide Kanäle zwei durchgehende gerade ruhige Linien

schreiben, die sich im Takt des Eingangssignals auf und ab bewegen.

– Trennen Sie den Sinusgenerator von C1 und stellen Sie mit dem Potenziometer R den

„Arbeitspunkt“ der Schaltung auf UCE = +6 V ein (halbe Betriebsspannung).

– Schließen Sie den Generator wieder an und stellen Sie die Amplitude von Uin so ein,

dass die Spannung UCE des Transistors ungefähr zwischen +4 V und +8 V pendelt.



a) Experimentieren Sie mit der Schaltung und beantworten Sie dann die folgenden Fragen. Kreuzen Sie die

korrekten Antworten an.

Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gleichtakt.

Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gegentakt.

Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt mehr Kollektorstrom IC als während der negativen

Halbwelle von Uin(AC).

Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt weniger Kollektorstrom IC als während der negativen


Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, steigt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.

Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, sinkt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.

Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil die Kollektorspannung sich von dort

gleich weit nach oben oder unten bewegen kann.

Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil dann die Verstärkung der Schaltung

am größten ist.

Koppelkondensatoren sollen Wechselsignale durchlassen, Gleichspannungen aber nicht beeinflussen.

Koppelkondensatoren verhindern ein unerwünschtes hochfrequentes Schwingen der Schaltung.

Der Arbeitspunkt ist die gleichstrommäßige Grundeinstellung einer Schaltung.

Arbeitspunkt heißt der Lötpunkt in einem Schaltplan, der den Kollektor mit dem Ausgang verbindet



7. Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und verzerrten Ausgangssignalen

Information

Üblicherweise testet man die Schaltung mit Signalen, die auf dem Oszilloskop ein stehendes Bild

ergeben. Erhöhen Sie dazu die Frequenz des Eingangssignals auf 500 Hz und stellen Sie die

Zeitablenkung des Oszilloskops so ein, dass ein bis zwei vollständige Perioden von Uin(AC) und

Uout(AC) auf dem Bildschirm zu sehen sind.

a) Stellen Sie das Eingangssignal und den Arbeitspunkt so ein, dass am Ausgang ein sauberes Sinussignal

mit 6 Volt-Spitze-Spitze (6 Vss) entsteht. Messen Sie dann den Spitze-Spitze-Wert von Uin(AC) und

ermitteln Sie die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung.

Für Uout = 6 Vss benötigt der Verstärker eine Eingangsspannung Uin = 250 mVss.

Daraus ergibt sich Vu = 6 Vss / 0,25 Vss = 24

b) Wie viel Grad beträgt die Phasenverschiebung zwischen Uin(AC) und Uout(AC)?

Uout ist um eine Halbwelle = 180° gegenüber Uin verschoben. Während der positiven Halbwelle von Uin

entsteht die negative Halbwelle von Uout und umgekehrt.

c) Was passiert mit der Form des Ausgangssignals, wenn man mit dem Potenziometer R die

Arbeitspunkteinstellung langsam nach oben oder unten verändert?

Die positiven oder negativen Spitzen der Ausgangswechselspannung werden „abgeschnitten“.

Die Sinusform wird verzerrt.

d) Finden Sie durch Verändern von Uin(AC) und der Arbeitspunkteinstellung heraus:

Wie viel Volt-Spitze-Spitze maximal am Ausgang liefern, ohne dass die Sinusform verzerrt wird?

Bis zu einer Ausgangsspannung von ca. 10 Vss bleiben die Verzerrungen relativ gering.



Information

Bei einem HiFi-Verstärker (HiFi = High Fidelity = Hohe Wiedergabetreue) muss die Form des

Ausgangssignals exakt der Form des Eingangssignals entsprechen. Eine Signalumkehrung

(Invertierung) wird jedoch nicht berücksichtigt. Falls sich bei Ihrem Oszilloskop ein Kanal invertieren

und die Y-Ablenkung stufenlos verändern lässt, können Sie versuchen, die Signale Uout(AC) und Uin(AC)

auf dem Bildschirm in Deckung zu bringen. Je besser das gelingt, umso besser ist die Qualität des

Verstärkers.

e) Testen Sie das Übertragungsverhalten auch mit Dreieck- und Rechteckspannung. Urteilen und

begründen Sie dann: Ist der vorliegende Verstärker HiFi-tauglich, zumindest bedingt?

Bei Ausgangsspannungen von wenigen Volt Spitze-Spitze stimmen die Signalformen gut überein, d. h.

es treten keine sichtbaren Verzerrungen auf. Mit zunehmender Amplitude werden die Abweichungen

größer. Dieser Verstärker ist daher nur bedingt HiFi-geeignet.

8. Grundschaltungen von Transistoren

Information

Bei Transistoren kennt man drei Grundschaltungen. Sie sind nach dem Transistoranschluss

benannt, der als gemeinsamer Bezugspunkt für das Eingangs- und Ausgangssignal dient. Im

einfachsten Fall ist dies der mit „Masse“ verbundene Anschluss des Transistors. Doch häufig

besteht von dort keine direkte Verbindung zur Schaltungsmasse! Dann hilft dieser Weg zur

Namensbestimmung: Finden Sie heraus, auf welchen Transistoranschluss das Eingangssignal

geführt wird und von welchem man das Ausgangssignal abnimmt. Der übrig bleibende dritte

Anschluss des Transistors gibt der Grundschaltung ihren Namen.

a) Welche Transistorgrundschaltung kam auf den vorangegangenen Seiten zur Anwendung? Kreuzen Sie

die richtige Antwort an.

In den zu Aufgabe 1 gehörenden Test- und Versuchsschaltungen arbeiten die Transistoren in

Emittergrundschaltung oder kurz Emitterschaltung.


Basisgrundschaltung oder kurz Basisschaltung.


Kollektorgrundschaltung oder kurz Kollektorschaltung.


Inhalt

Aufgaben und Arbeitsblätter









Aufgabe 9: Kennenlernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147



Aufgabe 1 Untersuchen der Kennwerte von Transistoren

Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,

• können Sie Transistoren auf Funktion überprüfen.

• können Sie die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln.

• kennen Sie typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren.

• können Sie Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren.

• können Sie die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln.

• kennen Sie die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung.

• kennen Sie die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers.

Problembeschreibung Sie arbeiten in einem Unternehmen, das klassische HiFi-Verstärker herstellt und repariert. Im Rahmen Ihrer

Einarbeitung sollen Sie sich mit dem Verhalten von Transistoren und ihren typischen Kennwerten vertraut

machen.

Dazu bauen Sie eine Testschaltung auf, mit der man die Stromverstärkung von Transistoren ermitteln kann.

Mit der leicht abgewandelten Schaltung untersuchen Sie anschließend, wie ein Transistor zum

Spannungsverstärker wird.


4 Name: __________________________________ Datum: ____________ © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289

Arbeitsaufträge 1. Bauen Sie eine Testschaltung mit dem NPN-Transistor BC140 auf und ermitteln Sie seine

Stromverstärkung B bei den Kollektorstromwerten IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA.

2. Ermitteln Sie zum Vergleich die Stromverstärkung B des Transistors BC547.

3. Bauen Sie die Testschaltung so um, dass sie zum Testen von PNP-Transistoren geeignet ist und

ermitteln Sie die Stromverstärkung B des Transistors BC160.

4. Bauen Sie eine Versuchsschaltung auf, in der Transistoren (zerstörungsfrei) mit Gleichspannung

angesteuert werden. Machen Sie sich mit dem Grundprinzip der Spannungsverstärkung vertraut.

5. Ermitteln Sie mit der Versuchsschaltung die Spannungsverstärkung VU bei Einsatz der Transistoren

BC140 und BC547.

6. Erweitern Sie die Versuchsschaltung so, dass ein Transistor BC140 zusätzlich mit Wechselspannung

angesteuert werden kann. Machen Sie sich mit dem Prinzip der Wechselspannungsverstärkung vertraut.

7. Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und Verzerrungen des

Ausgangssignals.

8. Finden Sie heraus, ob die Versuchsschaltung eine Emittergrundschaltung, eine Basisgrundschaltung

oder eine Kollektorgrundschaltung ist.

Arbeitshilfen • Fachbücher, Tabellenbücher

• Auszüge aus Herstellerkatalogen

• Datenblätter

• Internet

• WBT Elektronik 1 und Elektronik 2


© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 Name: __________________________________ Datum: ____________ 5

Information

Grundwissen zu Dioden und Transistoren

Transistoren und Dioden bestehen aus Halbleiterwerkstoff, meist Silizium. Halbleiter können durch

den Einbau von Fremdatomen so beeinflusst werden, dass der Stromtransport in ihnen entweder

durch negative Ladungsträger (Elektronen) oder durch positive Ladungsträger (sog. „Löcher“ oder

„Defektelektronen“) erfolgt. Auf diese Weise veränderte Halbleiter nennt man entsprechend

N-Material und P-Material.

Beim Zusammenfügen von P- und N-Material entsteht ein PN-Übergang. Er lässt den elektrischen

Strom nur in einer Richtung durch und wirkt so als elektrisches Ventil oder Diode. Mit dem

elektrischen Grundgesetz „Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen stoßen sich ab“ kann man sich die Funktion der Diode leicht erklären.

+ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

– – – – – – – –

–

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+ +

+ +

+ +++

+ +++

+ +

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

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–+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

P

N

+ +

P

N

Halbleiterdiode – Schaltzeichen und Aufbau

• Sperrrichtung

Verbindet man die N-Zone des PN-Übergangs mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und die

P-Zone mit dem Minuspol, so werden die Ladungsträger im Halbleiter nach außen gezogen.

Dadurch entsteht am PN-Übergang eine breite ladungsträgerfreie Zone, die wie eine

Isolierschicht wirkt und so einen Stromfluss verhindert. Der PN-Übergang (die Diode) sperrt.

• Durchlassrichtung

Polt man nun die äußere Spannungsquelle um (Plus an P-Zone, Minus an N-Zone), so werden

die Ladungsträger in den beiden Bereichen auf einander zu getrieben und können (nach

Überschreiten einer bestimmten „Schwellspannung“) den PN-Übergang überwinden. Es fließt

ein Strom. Die Diode leitet.

• Den mit der N-Zone verbunden Anschluss einer Diode nennt man Kathode, der zur P-Zone

führende heißt Anode.

• Der Pfeil im Schaltzeichen der Diode gibt die Durchlassrichtung für die technische

Stromrichtung an.



Transistoren (genauer „bipolare Transistoren“) bestehen aus drei Halbleiterschichten, entweder in

der Reihenfolge N-P-N-Material oder P-N-P-Material. Die mittlere Schicht ist die „Basis“, die beiden

äußeren haben die Bezeichnung Emitter und Kollektor (englisch: Collector). Daher werden die

Anschlüsse eines Transistors meist kurz mit E, B, C gekennzeichnet.

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N

N

+ +

––––– P+ B=

C

E

–

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–

–

–

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–

–

–

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– – – – –

– – – – –

P

P

––––– NB

=

C

E

–

– –

NPN- und PNP-Transistor – Aufbau und Schaltzeichen

Die Betriebsspannung eines Transistors muss stets so gepolt sein, dass die Ladungsträger der

Emitterzone zum Kollektor gezogen werden. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, ergibt

sich daraus:

• NPN-Transistoren arbeiten mit positiver Kollektor-Emitter-Spannung UCE

• PNP-Transistoren arbeiten mit negativer Kollektor-Emitter-Spannung UCE

Ohne Basisspannung ist jedoch kein Ladungsträgerfluss vom Emitter zum Kollektor möglich. Die

Basisschicht verhindert, dass die Anziehungskraft des Kollektors bis in die Emitterzone reicht. Erst

wenn mit Hilfe einer Basisspannung Ladungsträger aus der Emitterzone in die (dünne) Basisschicht

gehoben werden, geraten sie in den Anziehungsbereich des Kollektors und fließen zum größten Teil

nach dort weiter. Um die Ladungsträger vom Emitter zur Basis zu ziehen, muss die Basis-Emitter-

Spannung UBE die gleiche Polarität haben wie die Kollektor-Emitter-Spannung UCE. Daraus ergibt

sich:

• NPN-Transistoren werden bei positiver Basis-Emitter-Spannung UBE leitend

• PNP-Transistoren werden bei negativer Basis-Emitter-Spannung UBE leitend

Und damit ist schon die Grundfunktion des Verstärkerbauelements Transistor geklärt: Über eine

relativ geringe Basis-Emitter-Spannung UBE lässt sich steuern, wie viel Ladungsträgerstrom vom

Emitter zum Kollektor des Transistors fließt. Man kann zur Steuerung des Kollektorstromes aber

auch einen Basisstrom IB vorgeben. Zu jedem Basisstrom stellt sich automatisch eine bestimmte

Basis-Emitter-Spannung UBE ein und zu dieser wieder ein bestimmter Kollektorstrom IC. Der

Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB ist jedoch wesentlich linearer als der

zwischen IC und UBE. Das Verhältnis IC / IB nennt man Stromverstärkung B des Transistors. Es kann

von Transistor zu Transistor variieren und liegt meist zwischen 50 und 500.



Das Ersatzschaltbild eines Transistors stellt seine Wirkungsweise noch einfacher dar: Die Basis-

Emitter-Strecke des Transistors wirkt wie eine Diode in Durchlassrichtung. Der durch sie fließende

Basisstrom IB verursacht zwischen Emitter und Kollektor einen B-mal größeren Strom IC. Das

Stromquellen-Symbol deutet an, dass der Kollektorstrom weitgehend unabhängig ist von der Größe

der Kollektorspannung.

IB

IC = IB B∙

B

E

IC

C

NPN-Transistor – Ersatzschaltbild

Im Transistorsymbol wird der Emitter mit einem Pfeil gekennzeichnet. Unabhängig von den inneren

Vorgängen im Transistor entspricht die Pfeilrichtung im Symbol jedoch der technischen

Stromrichtung. Für die Symbole von Halbleiterbauelementen gilt allgemein: Der Pfeil zeigt entweder

auf eine P-Zone oder er kommt aus einer N-Zone. (Eselsbrücke: P = „pieksender“ Pfeil, N =

„hinausgehender“ Pfeil). Was tut ein Verstärker?

Das Mikrofon eines Telefons verwandelt Schallwellen, wie sie durch Sprache oder Musik erzeugt

werden, in Wechselspannungen im Millivolt-Bereich. Dieses Signal ist jedoch zu schwach, um einen

Hörer oder Lautsprecher direkt zu betreiben. Denn diese benötigen einige Volt für eine gut hörbare

Wiedergabe. Daher muss man einen Verstärker zwischen Mikrofon und Hörer oder Lautsprecher

schalten. Zur Erzeugung des Ausgangssignals benötigt jeder Verstärker eine

Betriebs(gleich)spannung.

V Uu out in= U /

U+

Uin(AC) = 15 mVSS Uout(AC) = 1.2 VSS

Verstärker – Schaltzeichen

Auf den folgenden Seiten lernen Sie die Arbeitsweise von Transistorverstärkern kennen.




Information Der Transistor als Stromverstärker

Mit der folgenden Schaltung können Sie die Funktion von NPN-Transistoren überprüfen. Mit dem

variablen Spannungsteiler (Potenziometer) R lässt sich der Basisstrom IB des Transistors einstellen.

Jeder Basisstrom bewirkt (in einem intakten Transistor) einen wesentlich größeren

Kollektorstrom IC. Dividiert man den Messwert von IC durch den Messwert von IB, so erhält man den

Stromverstärkungsfaktor B des Transistors unter Test.

C

B

IB

I=

Die beiden Widerstände R1 und R2 sind sogenannte Schutzwiderstände. Sie begrenzen den Basis-

und den Kollektorstrom auf Werte, die den Transistor nicht beschädigen können, falls das

Potenziometer R unvorsichtig bedient wird.

+

mA

μA

IB

IC

R R1 K1

U = 12 VR2

Testschaltung zur Messung der Stromverstärkung B


R1 Widerstand 10 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ (je nach Aufgabe)

R2 Widerstand 1 kΩ


K1 Transistor BC140, BC547, BC160 (je nach Aufgabe)

Bauteilliste



a) Bauen Sie nun die Testschaltung mit einem Transistor BC140 auf und stellen Sie IC = 1 mA ein. Lesen Sie

den Basisstrom IB ab und notieren Sie seinen Wert. Errechnen Sie aus den Messdaten die

Stromverstärkung B des untersuchten Transistors. Wiederholen Sie die Messung für IC = 5 mA und

10 mA. Tragen Sie die Werte unter BC140 (1) in die Tabelle ein.

Transistor BC140 (1) BC140 (2) BC547 BC160

IC [mA] 1 5 10 1 5 10 1 5 10 1 5 10

IB [μA]

B = IC / IB

Messwertetabelle

b) Im Bauteilesatz des EduTrainers ist noch ein zweiter Transistor BC140 vorhanden. Testen Sie diesen auf

gleiche Weise und ermitteln Sie auch seine Stromverstärkung B bei IC = 1 mA, 5 mA und 10 mA. Tragen

Sie die Werte unter BC140 (2) in die Tabelle ein.

(Es ist völlig normal, wenn die Stromverstärkungsfaktoren von Transistor zu Transistor unterschiedlich

sind, auch bei solchen vom gleichen Typ!)


a) Wiederholen Sie die gleiche Prozedur mit dem Transistor BC547 und tragen seine Werte in die Tabelle

ein.

3. Stromverstärkung des PNP-Transistors BC160

a) Der Transistor BC160 ist ein PNP-Typ. Damit er richtig arbeiten kann, muss die bisherige Messschaltung

leicht verändert werden. Was ist zu tun?

b) Ermitteln Sie mit der geänderten Testschaltung die noch fehlenden Daten des Transistors BC160 und

übertragen Sie auch diese in die Tabelle.



c) Lassen Sie den Transistor in der Schaltung und erforschen Sie experimentell.

1. Welcher größtmögliche Basisstrom lässt sich mit dem Potenziometer einstellen?

2. Versuchen Sie, diesen Wert aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.

3. Welcher größtmögliche Kollektorstrom lässt sich in der Schaltung einstellen?

4. Versuchen Sie, ICmax aus den Daten der Testschaltung zu berechnen.

5. Der Kollektorstrom IC lässt sich nur bis zu einem bestimmten Grenzwert ICmax durch den

Basisstrom IB steuern. Wie nennt man den Zustand, wenn der Transistor nicht mehr auf weitere

Erhöhung des Steuersignals reagiert?

6. Was ist zu tun, wenn die Testschaltung für Kollektorströme bis etwa 25 mA erweitert werden soll?



4. Der Transistor als Spannungsverstärker

Information

Mit Hilfe einer Betriebs(gleich)spannung (hier mit U bezeichnet) können Transistoren auch als

Spannungsverstärker arbeiten. Doch dazu muss man sie mit weiteren Bauelementen kombinieren,

die Stromänderungen in Spannungsänderungen umformen. Im einfachsten Fall fügt man einen

„Arbeitswiderstand RA“ in die Kollektorleitung ein. Transistor und Widerstand bilden so eine

Reihenschaltung, die vom Kollektorstrom IC durchflossen wird. Der Spannungsfall am

Arbeitswiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz aus URA = RA ⋅ IC und der Spannungsfall

UCE ergibt sich aus den Gesetzen der Reihenschaltung UCE = UC = U – URA. Auf diese Weise steuert

die Eingangsspannung Uin zuerst den Basisstrom IB und damit den Kollektorstrom IC und, dank des

Arbeitswiderstandes RA, nun auch die Kollektorspannung UC. Diese dient jetzt als

Ausgangsspannung Uout. Bei der Spannungsverstärkung VU einer Schaltung betrachtet man nicht

die Gleichspannungen an Eingang und Ausgang, sondern das Verhältnis von „Spannungsänderung

am Ausgang“ zu „Verursachende Spannungsänderung am Eingang“. In der Formelschreibweise

wird eine „Änderung“ oder Differenz durch den griechischen Buchstaben Δ (delta) dargestellt.

Daher schreibt man

Spannungsverstärkung − Δ

= =− Δ

out1 out2 outU

in1 in2 in

U U UV

U U U

5. Spannungsverstärkung der NPN-Transistoren BC140 und BC547

a) Bauen Sie die bisherige Testschaltung um in einen Spannungsverstärker.

+

V

R R1 K1U = 12 V

R2

Uin

V Uout

R3

Der Transistor als Spannungsverstärker





R2 Widerstand 1 kΩ



K1 Transistor BC140, BC547

Bauteilliste

b) Ermitteln Sie mit der neuen Schaltung zu den gegebenen Eingangsspannungswerten der

Uin/Uout-Tabelle die dazugehörige Ausgangsspannung beziehungsweise umgekehrt die

Eingangsspannungen zu den Uout-Werten.


Uin [V] 0 2,0

Uout [V] 11,8 10 8 6 4 2 0,2

c) Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden


d) Tauschen Sie den Transistor BC140 gegen einen BC547 aus und wiederholen Sie die Messungen.


Uin [V] 0 2,0

Uout [V] 11,8 10 8 6 4 2 0,2



e) Errechnen Sie aus den Uout-Werten 10 V und 2 V die Differenz ΔUout und aus den dazu gehörenden


f) Beurteilen Sie die Verstärkungseigenschaften der beiden Typen BC140 und BC547.

g) Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung für den BC140 in einem

Diagramm Uout = f (Uin) dar. Zeichnen Sie dünn die Hilfslinien ein, mit denen man die zu Uout= 10 V und

Uout = 2 V gehörenden Uin-Werte aus der Kennlinie ermitteln kann. Tragen Sie dazu passend auch die

Bezeichnungen ΔUout und ΔUin in das Diagramm ein.

Uout

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

2

4

6

8

10

12

14

Uin

V

V

Diagramm Uout = f (Uin)



Information

In der vorliegenden Schaltung zur Spannungsverstärkung schützt der Widerstand R1 den Transistor

vor zuviel Basisstrom. Leider reduziert er auch die Spannungsverstärkung VU. Man kann die

theoretisch mögliche Verstärkung aber auch in der geschützten Schaltung ermitteln, indem man

anstelle der vom Potenziometer gelieferten Spannung Uin die Basis-Emitter-Spannung UBE direkt am

Transistor misst.

Allerdings besteht beim direkten Anschließen eines Messgerätes mit langen Messleitungen an die

Basis eines modernen Transistors die Gefahr, dass die Schaltung im 100 MHz-Bereich zu schwingen

beginnt, also zum UKW-Sender wird. (Man kann diesen unerwünschten Effekt auch ohne

Oszilloskop erkennen, wenn sich Messwerte bei Berührung der isolierten Messleitungen verändern

oder auf Annähern der Hand reagieren!) Abhilfe schafft ein „Entkopplungswiderstand“ von z. B.

1 bis 10 kΩ zwischen der Basis und der Messleitung (möglichst nah an der Basis!). Vor einen

hochohmigen Voltmeter (Ri ≥ 1 MΩ) verfälscht er den Messwert praktisch nicht

h) Bauen Sie die bisherige Schaltung entsprechend um.

+

V

R R1 K1U = 12 V

R2

UBE

V Uout

R3

RDEC

Messen von UBE über Entkopplungswiderstand (Schwingschutz)





R2 Widerstand 1 kΩ


RDEC Widerstand (Entkopplungswiderstand) 1 kΩ


K1 Transistor BC547

Bauteilliste

i) Ermitteln Sie mit der Schaltung die fehlenden Werte für die UBE/Uout-Tabelle.

UBE/Uout-Tabelle BC547

UBE [mV] 0

Uout [V] 11,8 10 8 6 4 2 0,2 0,15

j) Errechnen Sie die Spannungsverstärkung VU aus ΔUout und ΔUBE.

Verwenden Sie die Messwerte von Uout = 4 V und 8 V.



6. Der Transistor als Wechselspannungsverstärker

Information

Die Änderungen der Eingangsspannung, die bisher per Hand am Potenziometer R vorgenommen

wurden, kann man auch durch Einkoppeln einer Wechselspannung erreichen. Damit der durch R1

fließende Gleichstrom nicht unerwünscht über die Wechselspannungsquelle abfließt, fügt man

einen sogenannten „Koppelkondensator“ C1 in die Signalleitung ein. Er hat für Gleichstrom einen

unendlich hohen Widerstand XC, erscheint aber für Wechselstrom durchlässig. Das Potenziometer R

dient nun zur „Arbeitspunkteinstellung“ des Verstärkers.

Da kleine Wechselspannungen allein nicht in der Lage sind, einen Transistor leitend zu machen,

stellt man ihn mit einem Gleichstrom so ein, dass seine Kollektorspannung UC im Ruhezustand etwa

in der Mitte zwischen ihren möglichen Extremwerten UEmax und UEmin liegt. Addiert man nun einen

(kleinen) Wechselstrom zum Basisgleichstrom, so wird dieser im Takt des Wechselsignals größer

und kleiner (Es entsteht ein „Mischstrom“.) Entsprechend pendeln auch der Kollektorstrom IC und

die Kollektorspannung UC im Takt des Eingangssignals um ihre Ruhewerte.

Mit einem weiteren Koppelkondensator C2 filtert man nun aus der schwankenden

Kollektor(misch)spannung den Wechselspannungsanteil wieder heraus und verwendet ihn als

Ausgangssignal Uout. Auf diese Weise entsteht in der Verstärkerschaltung aus einem kleinen

Wechselspannungssignal am Eingang ein wesentlich größeres (verstärktes)

Wechselspannungssignal (mit gleicher Frequenz und Form) am Ausgang. Und das, obwohl der

Transistor hier nur mit positiver Betriebsspannung U arbeitet!

Misst man die Spitze-Spitze-Werte des Eingangs- und Ausgangssignals mit dem Oszilloskop, so

kann man aus diesen Werten direkt die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung

errechnen.

Wechselspannungsverstärkungsfaktor out(ss) out(eff)U(AC)

in(ss) in(eff)

U UV

U U= =



+R R1 K1 U = 12 V

R2

V UCE(DC)

G U

f

in(AC) = 0.1 – 0.3 V(Sinus)

= 0.2 Hz

R3

Y1

C1

C2

Uout(AC)

Y2

Der Transistor als Wechselspannungsverstärker

Y1: zum Oszilloskop, Kanal A

Y2: zum Oszilloskop, Kanal B



R2 Widerstand 1 kΩ



C1 Kondensator 220 μF

C2 Elektrolytkondensator 10 μF

K1 Transistor BC140

Bauteilliste

Hinweise

Damit Sie die Vorgänge in der Schaltung in Ruhe betrachten können:

– Stellen Sie den Sinusgenerator des EduTrainers auf eine sehr niedrige Frequenz ein, zum

Beispiel 0,2 Hz.

– Als Uin genügen etwa 0,1 bis 0,3 V (Am 0-2 V-Ausgang des DDS-Waveformgenerators

abnehmen!).

– Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass beide Kanäle zwei durchgehende gerade ruhige Linien

schreiben, die sich im Takt des Eingangssignals auf und ab bewegen.

– Trennen Sie den Sinusgenerator von C1 und stellen Sie mit dem Potenziometer R den

„Arbeitspunkt“ der Schaltung auf UCE = +6 V ein (halbe Betriebsspannung).

– Schließen Sie den Generator wieder an und stellen Sie die Amplitude von Uin so ein,

dass die Spannung UCE des Transistors ungefähr zwischen +4 V und +8 V pendelt.



a) Experimentieren Sie mit der Schaltung und beantworten Sie dann die folgenden Fragen. Kreuzen Sie die

korrekten Antworten an.

Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gleichtakt.

Die Eingangsspannung Uin(AC) und die Ausgangsspannung Uout(AC) bewegen sich im Gegentakt.

Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt mehr Kollektorstrom IC als während der negativen


Während der positiven Halbwelle von Uin(AC) fließt weniger Kollektorstrom IC als während der negativen


Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, steigt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.

Wenn der Kollektorstrom im Transistor zunimmt, sinkt seine Kollektor-Emitter-Spannung UCE.

Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil die Kollektorspannung sich von dort

gleich weit nach oben oder unten bewegen kann.

Man wählt den Arbeitspunkt UC =„halbe Betriebsspannung“, weil dann die Verstärkung der Schaltung

am größten ist.

Koppelkondensatoren sollen Wechselsignale durchlassen, Gleichspannungen aber nicht beeinflussen.

Koppelkondensatoren verhindern ein unerwünschtes hochfrequentes Schwingen der Schaltung.

Der Arbeitspunkt ist die gleichstrommäßige Grundeinstellung einer Schaltung.

Arbeitspunkt heißt der Lötpunkt in einem Schaltplan, der den Kollektor mit dem Ausgang verbindet



7. Zusammenhang zwischen Arbeitspunkteinstellung und verzerrten Ausgangssignalen

Information

Üblicherweise testet man die Schaltung mit Signalen, die auf dem Oszilloskop ein stehendes Bild

ergeben. Erhöhen Sie dazu die Frequenz des Eingangssignals auf 500 Hz und stellen Sie die

Zeitablenkung des Oszilloskops so ein, dass ein bis zwei vollständige Perioden von Uin(AC) und

Uout(AC) auf dem Bildschirm zu sehen sind.

a) Stellen Sie das Eingangssignal und den Arbeitspunkt so ein, dass am Ausgang ein sauberes Sinussignal

mit 6 Volt-Spitze-Spitze (6 Vss) entsteht. Messen Sie dann den Spitze-Spitze-Wert von Uin(AC) und

ermitteln Sie die Wechselspannungsverstärkung VU(AC) der Schaltung.

b) Wie viel Grad beträgt die Phasenverschiebung zwischen Uin(AC) und Uout(AC)?

c) Was passiert mit der Form des Ausgangssignals, wenn man mit dem Potenziometer R die

Arbeitspunkteinstellung langsam nach oben oder unten verändert?

d) Finden Sie durch Verändern von Uin(AC) und der Arbeitspunkteinstellung heraus:

Wie viel Volt-Spitze-Spitze maximal am Ausgang liefern, ohne dass die Sinusform verzerrt wird?



Information

Bei einem HiFi-Verstärker (HiFi = High Fidelity = Hohe Wiedergabetreue) muss die Form des

Ausgangssignals exakt der Form des Eingangssignals entsprechen. Eine Signalumkehrung

(Invertierung) wird jedoch nicht berücksichtigt. Falls sich bei Ihrem Oszilloskop ein Kanal invertieren

und die Y-Ablenkung stufenlos verändern lässt, können Sie versuchen, die Signale Uout(AC) und Uin(AC)

auf dem Bildschirm in Deckung zu bringen. Je besser das gelingt, umso besser ist die Qualität des

Verstärkers.

e) Testen Sie das Übertragungsverhalten auch mit Dreieck- und Rechteckspannung. Urteilen und

begründen Sie dann: Ist der vorliegende Verstärker HiFi-tauglich, zumindest bedingt?

8. Grundschaltungen von Transistoren

Information

Bei Transistoren kennt man drei Grundschaltungen. Sie sind nach dem Transistoranschluss

benannt, der als gemeinsamer Bezugspunkt für das Eingangs- und Ausgangssignal dient. Im

einfachsten Fall ist dies der mit „Masse“ verbundene Anschluss des Transistors. Doch häufig

besteht von dort keine direkte Verbindung zur Schaltungsmasse! Dann hilft dieser Weg zur

Namensbestimmung: Finden Sie heraus, auf welchen Transistoranschluss das Eingangssignal

geführt wird und von welchem man das Ausgangssignal abnimmt. Der übrig bleibende dritte

Anschluss des Transistors gibt der Grundschaltung ihren Namen.

a) Welche Transistorgrundschaltung kam auf den vorangegangenen Seiten zur Anwendung? Kreuzen Sie

die richtige Antwort an.


Emittergrundschaltung oder kurz Emitterschaltung.


Basisgrundschaltung oder kurz Basisschaltung.


Kollektorgrundschaltung oder kurz Kollektorschaltung.

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