PhysikalischesSchulversuchspraktikum:

Diode und Transistor

4. Klasse7. und 21. 11. 2002

Gerhild Gabath9802524

Abgabetermin: 28. 11. 2002

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INHALTSVERZEICHNIS

1) Unterrichteter Stoff

2) Vorwissen

3) Lernziele

4) Lerninhalt des Themas

5) Versuche

6) Quellenverzeichnis

7) Anhang: Arbeitsblätter

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1) Unterrichteter StoffDiode und Transistor kommen laut Lehrplan in der Unterstufe in der vierten Klasse (achte Schulstufe) vor, in der Oberstufe werden sie in der siebenten Klasse (elfte Schulstufe) unterrichtet.

Einstieg: Was ist ein Halbleiter?

Wiederholung: Metalle wie Kupfer, Aluminium und Eisen sind gute elektrische Leiter, da sie viele frei bewegliche Elektronen enthalten. Bei höheren Temperaturen führen die Metallionen stärkere Schwingungen durch und behindern die Elektronenbewegung. Daher nimmt der Widerstand bei Temperaturerhöhung zu und die Leitfähigkeit ab.Als Nichtleiter oder Isolatoren bezeichnet man Stoffe, die den elektrischen Strom nicht leiten. Dies sind beispielsweise Porzellan, Glas oder Hartgummi.

Neben Leitern und Isolatoren gibt es Stoffe, die bei tiefen Temperaturen Nichtleiter sind, aber bei Temperaturerhöhung leitend werden. Sie leiten elektrischen Strom bei Zimmertemperatur schlechter als Metalle. Man bezeichnet derartige Stoffe als Halbleiter, da ihr elektrisches Leitungsverhalten zwischen dem der Metalle und dem der Nichtleiter liegt. Der wichtigste Halbleiter ist Silicium, weiters wird auch Germanium zur Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet.

Zur Herstellung von Halbleiterelementen wird reines Silicium mit einer kleinen Anzahl von Fremdatomen versehen (= dotiert). Dadurch entstehen „zwei Arten“ von Silicium:

n – leitendes Silicium mit negativen Ladungsträgern (Elektronenleitung) p – leitendes Silicium, das sich verhält, als hätte es positive Ladungsträger

(„Löcherleitung“)

Grenzen zwei oder drei Halbleiterschichten aneinander, so kommt es zu Ladungsbewegungen zwischen den Schichten. Ladungsbewegungen können auch durch elektrische Spannung hervorgerufen werden. Hierauf beruhen die Funktionen von wichtigen Halbleiterbausteinen wie Diode und Transistor.

Technische Anwendungen von Halbleitern:

Diode im Gleichstromkreis

Eine Halbleiterdiode besteht aus einer p – Schicht und einer n – Schicht, die in engen Kontakt gebracht werden. Die Kontaktfläche wird als pn – Übergang bezeichnet. Legt man nun elektrische Spannung an, so hängt es von der Polung der Spannungsquelle ab, ob Strom fließt oder nicht. Wenn der Pluspol am p – Leiter und der Minuspol am n – Leiter liegt, gelangen die Ladungsträger beider Schichten zum entgegengesetzten Pol. Der Widerstand am Übergang ist gering, Strom fließt. Dies bezeichnet man als Durchlassrichtung. Liegt hingegen der Pluspol an der n – Schicht und der Minuspol an der p – Schicht, so werden die Ladungsträger aus dem pn – Übergang gezogen, was den Widerstand erhöht, es kann kein Strom fließen. In diesem Fall spricht man von der Sperrrichtung der Diode. Veranschaulicht kann diese Tatsache dadurch werden, daß man in einen Gleichstromkreis mit einer Diode ein Glühlämpchen in Serie schaltet. Das Lämpchen leuchtet, wenn die Diode in Durchlassrichtung im Stromkreis liegt, bei Sperrrichtung leuchtet es nicht.

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Zusammenfassend läßt sich sagen, daß eine Diode Strom nur in einer Richtung durchläßt, sie ist sozusagen ein elektrisches Ventil.

Diode im WechselstromkreisNachdem die Wirkung einer Diode im Gleichstromkreis bekannt ist, stellt sich die Frage, was sie in einem Wechselstromkreis bewirkt. Dies läßt sich anhand einer Parallelschaltung eines Stromkreises mit Glühlämpchen und eines Stromkreises mit Diode und Glühlämpchen zeigen. Die Diode läßt nur eine Richtung des Wechselstroms durch, sie wirkt als Gleichrichter und macht aus Wechselstrom einen pulsierenden Gleichstrom, von dem nur jede zweite Halbperiode durchgelassen wird. Diese Gleichrichterwirkung kann man auch an einem Oszilloskop betrachten.Es können auch vier Dioden zu einem Brückengleichrichter zusammengeschaltet werden (Graetz’sche Brûckenschaltung). Eine Halbperiode wird jeweils von zwei Dioden durchgelassen, von den anderen beiden gesperrt. In der nächsten Halbperiode ist es umgekehrt.

LeuchtdiodenLeuchtdioden (LED: Light Emitting Diode) sind spezielle Halbleiterdioden, die bei Stromdurchgang selbst leuchten. Sie werden als Kontroll – und Anzeigelampen verwendet, so zum Beispiel an der Stereoanlage. Der Vorteil der LED liegt in ihrem geringen Stromverbrauch. Eine Leuchtdiode sendet Licht aus, wenn sie in Durchlaßrichtung geschaltet ist, man kann sie also als Polprûfer verwenden.

Transistor Um die Funktionsweise des Transistors zu erläutern, besteht die Möglichkeit auf das bereits im Rahmen des Magnetismus durchgenommene Relais zu verweisen. Folglich ist bereits bekannt, daß beim Relais ein Elektromagnet im Steuerstromkreis einen Anker anzieht, wodurch ein Arbeitsstromkreis geöffnet wird. Das Relais hat allerdings den Nachteil, daß an seinen Kontaktstellen mit der Zeit Abnützungen auftreten, beim Transistor hingegen findet der Schaltvorgang kontaktlos statt.Die Bezeichnung „Transistor“ setzt sich aus den beiden Worten transfer resistor zusammen, die „Übertragung eines bestimmten Widerstandes“ bedeuten. Der Transistor wurden 1948 von J. Bardeen und W. Brattain erfunden und erstmals gebaut. Die sehr geringe Größe von Transistoren hat zu neuen Anwendungsgebieten und einer massiven Weiterentwicklung im Bereich der Datenverarbeitung gefûhrt.

Schaltbilder eines Transistors

Abbildung 1

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Abbildung 2

Dieses elektrotechnische Bauelement besteht aus drei Halbleiterschichten, weshalb man zwischen pnp – und npn – Transistor unterscheiden kann. Die mittlere, sehr dûnne Schicht (einige hundertstel Millimeter) bezeichnet man als Basis, die äußeren Schichten werden Emitter bzw. Kollektor genannt. Jede dieser drei Schichten hat einen Anschluß, dieKollektor – Emitterstrecke leitet nicht, sie hat einen großen Widerstand. Die Emitter –

Kollektor – Strecke leitet nur, wenn ein Basisstrom fließt.

Abbildung 3

Transistor als SchalterDies ist der Grund dafür, daß man Transistoren als Schalter verwendet. Durch einen kleinen Basisstrom läßt sich ein wesentlich größerer Kollektorstrom schalten, was man mittels Amperemeter in beiden Stromkreisen nachmessen kann. Es ist zu beachten, daß die Basis am positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossen sein muß, wenn es sich um einen npn –Transistor handelt, beim pnp – Transistor am negativen Pol.Demnach kann ein Transistor zwei Schaltzustände annehmen:

Sperrzustand, vergleichbar einem offenen mechanischen Schalter Durchlaßzustand, vergleichbar einem geschlossenen mechanischen Schalter.

Transistor als VerstärkerAnhand eines Versuchs läßt sich nun untersuchen, wie sich der Kollektorstrom ändert, wenn man den Basisstrom verändert. Es wird ersichtlich, daß kleine Änderungen des Basisstroms eine große Stromänderung im Kollektorstrom verursachen, wobei man von Verstärkerwirkung spricht. Anwendung findet der Transistor als Verstärker in Radio – und Fernsehempfängern oder in Mikrofonen.

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Abbildung 4

2) VorwissenDen Schülern sind einfache Schaltungen, d.h. Parallel – und Serienschaltung, bereits bekannt. Weiters muß Kenntnis ûber das Prinzip der Stromleitung vorhanden sein, d.h. daß freie Ladungsträger in einem Stoff vorhanden sein mûssen, damit dieser leitfähig ist. Die Begriffe Atome und Elektronen sind bekannt, also ist Grundwissen ûber den Atombau vorhanden. Dies wird auch benötigt, um den Zusammenhang zwischen Polung des Stroms und Durchlass –bzw. Sperrrichtung einer Diode/ eines Transistors zu verstehen. Es ist von Vorteil, die Funktionsweise eines Relais in Erinnerung zu rufen, falls diese nicht mehr gegenwärtig ist, da hier eine Parallelität zum Transistor in der Funktion als Schalter gegeben ist. Auch der Begriff Wechselstrom ist bereits vorgekommen, die Schûler wissen, daß sich die Richtung des Stroms dabei ändert und daß dies graphisch als Welle in einem Diagramm darstellbar ist.Fûr Zeitschaltungen und Ähnliches wird auch Wissen ûber den Kondensator von Vorteil sein, was normalerweise auch der Fall sein sollte, da der Kondensator bereits zuvor in der vierten Klasse durchgenommen wird.Spezielle mathematische Vorkenntnisse sind zu diesem Kapitel nicht nötig.

3) LernzieleEs sollen grundlegende Kenntnisse über die Funktionsweise der wichtigsten Bauelemente in der Elektrotechnik vermittelt werden. Die Schüler sollen erfahren, aus welchen Materialen Halbleiter bestehen, inwiefern sie sich von Leitern bzw. Isolatoren unterscheiden und wie man ihre Leitfähigkeit steigert (Temperatur, Dotierung). Weiters soll unterschieden werden können, was einen p – Leiter bzw. einen n – Leiter charakterisiert. Daraus soll dann geschlossen werden, wie sich eine Diode im Gleichstromkreis verhält und was sie bewirkt. Die Schaltsymbole fûr die diversen Halbleiterbauelemente sollen im Zuge dessen auch geläufig werden. Die Begriffe Durchlassrichtung und Sperrrichtung werden eingefûhrt. Um die Funktion der Diode als Gleichrichter zu vertiefen, besteht die Möglichkeit die Diode im Wechselstromkreis durchzunehmen. Ebenso sollen die Schûler neben der Funktionsweise auch Anwendungsgebiete und Vorteile von Leuchtdiode und Transistor kennenlernen, welche in der Elektrotechnik von großer Bedeutung sind.

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4) Lerninhalt des Themas

Es soll vermittelt werden, daß Dioden aus einem p – Leiter und einem n – Leiter bestehen und es von der Stromrichtung abhängt, ob die Diode leitet oder sperrt. Diese „Ventilwirkung“ der Diode ermöglicht auch die Gleichrichtung von Wechselstrom, mittels der Brûckenschaltung können sogar alle Perioden genutzt werden. Leuchtdioden kommen im Alltag recht häufig vor, ihr Funktionsprinzip sollte deshalb verstanden werden. Auch die zahlreichen Anwendungsgebiete und der geringe Stromverbrauch zeichnen die LED aus. Transistoren haben zwei sehr wichtige Anwendungen:

1) Schalter: Es gibt zwei Stromkreise, den Basisstromkreis und den Kollektorstromkreis. Da der Transistor aus drei Halbleiterschichten besteht, kann auch er entweder den Strom sperren oder durchlassen, das ist gleichbedeutend mit einem offenen bzw. geschlossenen Schalter.

2) Verstärker: Ändert sich die Spannung im Basisstrom, so ändert sich auch der Kollektorstrom, und zwar sind die Änderungen des Kollektorstroms erheblich größer, weshalb man hier von Verstärkung spricht.

Besonderes Augenmerk ist hierbei auf die unzähligen Anwendungen und Vorteile von Halbleiterbauelementen zu richten, da sie sich in jedem elektrotechnischen Gerät (Fernseher, Computer, Radio, ...) befinden und somit fûr das tägliche Leben einen hohen Stellenwert einnehmen.

5) Versuche Sperr – und Durchlaßrichtung einer Halbleiterdiode

In einem Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle (5 V) befindet sich ein Glûhlämpchen (6 V) und eine Si - Diode. Im konkreten Fall wurde der NTL – Baukasten verwendet, wobei man eine Steckplatte, einige Leiterbausteine, einen Baustein mit Diode und einen Baustein mit Fassung fûr das Lämpchen benötigt.Zuerst wird beobachtet, was passiert, wenn Strom fließt, danach vertauscht man die Anschlûsse der Diode und beobachtet wiederum das Lämpchen.

Abbildung 5

Wie in der Abbildung ersichtlich, läßt die Diode den Strom nur in eine Richtung durch, weshalb das Lämpchen nur einmal leuchtet. In der anderen Richtung sperrt die Diode (der

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Minuspol liegt am p – Leiter, der Pluspol am n – Leiter, deshalb werden die Ladungsträger der jeweiligen Schicht zum Rand hin „gezogen“).

Der Versuch ist sehr schnell aufgebaut, dies dauert ca. 1 bis 2 Minuten, das Ergebnis ist dafûr recht effektiv. Ist der theoretische Aufbau einer Diode bereits bekannt, so können die Schûler selbst Überlegungen anstellen, warum das Lämpchen einmal leuchtet und im anderen Fall nicht. Der Versuch selbst beansprucht ebenso sehr wenig Zeit, dafûr kann eben mehr Zeit zur Interpretation verwendet werden.

EinweggleichrichtungHierfür benötigt man zwei Glühlämpchen (je 6 V), eine Si – Diode und eine Wechselstromspannungsquelle. Wiederum wurde hier der NTL – Baukasten verwendet, also einige Leiterbausteine und zwei Glûhlämpchenhalterungen.Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß folgendem Schaltbild:

Abbildung 6

Die beiden Glühlämpchen werden parallel geschaltet, wobei sich im zweiten Stromkreis die Diode befindet.Bei diesem Versuch soll die Helligkeit der beiden Lämpchen verglichen werden. Es zeigt sich, daß das erste Lämpchen stärker leuchtet als jenes, in dessen Stromkreis sich die Diode befindet. Der Wechselstrom wechselt 50 Mal in einer Sekunde die Richtung, die Diode leitet den Strom nur in einer Richtung, in der anderen sperrt sie. Dadurch wird die Leistung des zweiten Lämpchens halbiert, es leuchtet schwächer. Die Diode wirkt hier als Gleichrichter.

Abbildung 7

Der Aufbau des Versuch ist wiederum recht einfach und rasch erledigt, auch die Durchführung benötigt nicht viel Zeit, das Stecken der NTL – Bausteine erfolgt sehr schnell.

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Insgesamt sind hier in etwa vier bis 5 Minuten zu veranschlagen. Es könnte ratsam sein, zuvor die Glühlämpchen zu überprüfen, um auszuschließen, daß sie kaputt sind.

Zweiweggleichrichtung: Brückenschaltung nach Graetz

Es werden nun vier Si – Dioden gebraucht, die mittels Leiterbausteinen nach dem untenangefûhrten Schaltbild um ein Lämpchen angeordnet werden. Man benötigt eine Wechselstromspannungsquelle.

Abbildung 8

Beim Betrachten des Lämpchens zeigt sich, daß es dauernd leuchtet und auch nicht schwächer als sonst. Dies liegt daran, daß eine halbe Periode lang Diode D1 und Diode D2 den Strom durchlassen, während Diode D3 und Diode D4 sperren. In der nächsten Halbperiode ist es dann genau umgekehrt. Der Strom, der das Lämpchen erreicht, ist ein pulsierender Gleichstrom, von dem jede Halbperiode durchgelassen wird.

Abbildung 9

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Abbildung 10

Beim Aufbau ist darauf zu achten, daß die Richtung der Dioden mit dem Schaltbild übereinstimmt, da ansonsten gar kein Strom durchgehen kann. Wie zuvor schon erwähnt, ist es auch in diesem Fall empfehlenswert, das Glühlämpchen zu überprüfen. Der Aufbau dieser Schaltung mit dem NTL – Baukasten ist sehr anschaulich und ûbersichtlich, der Zusammenhang mit dem Schaltbild ist fûr Schûler gut nachvollziehbar. Der Aufbau des Versuchs dauert ungefähr fûnf Minuten, die Durchfûhrungsdauer liegt in etwa bei einer Minute, da nur die Stromquelle einzuschalten ist und als Versuchsergebnis das gleichmäßig leuchtende Lämpchen rasch beobachtbar ist.

Leuchtdiode

Man benötigt eine Steckplatte, Leitungen, eine Lampenfassung, eine Glühlampe, eine LED (rot), Verbindungsleitungen und eine Gleichstromquelle. Das Lämpchen und die LED werden in Serie geschaltet.

Abbildung 11

Versuch 1: Die LED ist in Durchlassrichtung eingesteckt, Glühlämpchen und LED leuchten.Versuch 2: Die LED wird in Sperrrichtung eingesteckt. Weder Lämpchen, noch LED senden Licht aus.

Die LED leuchtet also nur, wenn sie in Durchlassrichtung geschaltet wird und von Strom durchflossen wird, sie kann also als Polprüfer verwendet werden.

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Abbildung 12

Abbildung 13

Wichtig ist, daß man LEDs nur mit Vorwiderstand benutzt, da die Stromstärke im Dauerbetrieb 20 mA nicht überschreiten darf! Ansonsten ist es notwendig, eine neue LED in den Baustein zu löten. Abgesehen davon ist der Versuch leicht aufzubauen und durchzuführen, was sich auch in der benötigten Zeit niederschlägt. Für beide Versuche inklusive Versuchsaufbau braucht man ca. 5 – 6 Minuten.

Zenerdiode

Für diesen Versuch braucht man eine Schaltplatte, Leitungen, eine Lampenfassung, eineZenerdiode, ein Glühlämpchen, ein Voltmeter und eine Gleichstromquelle. Der Aufbau erfolgt gemäß der folgenden Abbildung:

Abbildung 14

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Glühlämpchen und Zenerdiode sind in Serie geschaltet, das Voltmeter mißt die Sperrspannung an der Zenerdiode.

Die Gleichspannung wird langsam von 0 bis 10 V erhöht, man beobachtet Voltmeter und Glühlämpchen. Man findet heraus, daß die Spannung an der Zenerdiode nur bis ca. 4,7 V steigt und dann – trotz Erhöhung der angelegten Spannung – ziemlich konstant bei diesem Wert bleibt. Das Glûhlämpchen leuchtet, trotz Sperrichtung.In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden genau wie Si – Dioden, in Sperrrichtung jedoch nicht. Bei einer gewissen Spannung (Durchbruchspannung) bricht Strom durch. Bei Erhöhung der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich konstant.Auch hier kann es passieren, daß die Zenerdiode kaputt ist, die Schaltung sollte vorher getestet werden. Dafûr ist der Aufbau schnell erledigt, die Elemente sind schnell zusammengesteckt. Die Dauer des Versuchs selbst liegt in etwa bei 2 – 3 Minuten.

pnp – Transistor: Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom:

Wieder werden eine Schaltplatte, Leitungen, ein 10 k Widerstand, eine Lampenfassung, ein Lämpchen, ein pnp – Transistor und eine Gleichstromquelle benötigt.Ein Stromkreis (8 V, Pluspol am Kollektor) fûhrt ûber ein Glûhlämpchen und Kollektor zum Emitter des Transistors. Der im Schaltbild schraffierte Baustein wird zunächst nicht eingesteckt.

Abbildung 15

Man sieht, daß das Glühlämpchen ohne Basis – Emitter – Strom nicht leuchtet. Die Doppeldiode sperrt erwartungsgemäß. Dann wird das Verbindungsstûck eingesteckt. Dadurch wird ein Minuspol ûber den 10 k Widerstand an die Basis gelegt. Das Lämpchen leuchtet auf. Der Basis – Emitter – Strom bewirkt, daß der Transistor leitend wird und ein Kollektor –Emitter – Strom zustande kommt.Es zeigt sich, daß ein Basisstrom einen Kollektorstrom ermöglicht.

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npn – Transistor: Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom

Gleichsam läßt sich dieser Versuch natûrlich auch fûr den npn – Transistor durchfûhren, der Aufbau erfolgt analog wie oben, mit dem Unterschied, daß diesmal der Minuspol am Emitter liegt und der Pluspol am Kollektor.Ablauf, Durchfûhrung, Erkenntnisse und Versuchszeiten sind wie beim pnp – Transistor (siehe Punkt zuvor).

Transistor als Verstärker

Als Materialien braucht man eine Schaltplatte, Leitungen, eine Lampenfassung, ein Glühlämpchen, einen npn – Transistor (Basis links), einen Widerstand mit 10 k und einen mit 47 k zwei Meßgeräte und eine Gleichstromspannungsquelle mit 10 V.

Die Schaltung wird aufgebaut, wie es auf dem unten angeführten Schaltbild dargestellt ist. Der Basisstrom wird mit einem Amperemeter mit Meßbereich 30 mA , der Kollektorstrom mit einem Amperemeter mit Meßbereich 100 mA gemessen.

Abbildung 16

Zuerst werden Basisstrom und Kollektorstrom bei einem Basiswiderstand von 10 kgemessen, danach mit dem Basiswiderstand von 47 k. Die Meßergebnisse werden beispielsweise in eine Tabelle eingetragen und daraus die Stromänderung berechnet.

Kollektorstrom 10 k Kollektorstrom 47 k Basisstrom 10 k Basisstrom 47 k29 mA 28 mA 1 mA 0,2 mA

Die Kollektorstromänderung beträgt 1 mA, während die Basisstromänderung bei 0,8 mA liegt. Somit ergibt sich ein Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom von 1,25, was bedeutet, daß der Transistor um einen Faktor 1,25 verstärkt. Diese Meßergebnis ist allerdings sehr ungenau, da die beiden Meßgeräte inexakt waren.Folglich ist es empfehlenswert, die Meßgeräte und auch das Glühlämpchen vor der eigentlichen Versuchsdurchführung zu überprüfen und probeweise Messungen durchzuführen. Dieser Versuch läßt sich auch gut als Schülerversuch durchführen (siehe Anhang).

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Aufgrund der etwas aufwendigeren Vorbereitung liegt die geschätzte Dauer hierfür bei etwa 5 bis 6 Minuten, der Versuch selbst dauert dann etwas kürzer, je nachdem, wie viele Messungen gemacht werden (verschiedene Widerstände).

Transistor als Verstärker und Schalter

Es werden ein npn – Transistor, eine Leuchtdiode, ein Widerstand mit 100 und einer mit 22 k, weiters ein Schalter und eine Gleichspannungsquelle verwendet. Die Anordnung erfolgt entsprechend dem angeführten Schaltbild mit dem Unterschied, daß die hier genannten Widerstände verwendet wurden.

Abbildung 17

Der 22 k Widerstand läßt nur einen sehr kleinen Strom in der Basis fließen, trotzdem wird dadurch der wesentlich größere Stromfluß durch die Leuchtdiode und den Kollektor bewirkt. Beim Unterbrechen des Basisstroms wird auch der größere Kollektorstrom unterbrochen. Dieser Versuch demonstriert, daß der Transistor gleichzeitig als Schalter und als Verstärker funktioniert.Ein Vorteil dieses Versuchs ist es, daß gleichzeitig beide speziellen Eigenschaften des Transistors veranschaulicht werden können, wobei der Aufbau einfach ist und die Schaltung für die Schüler gut nachvollziehbar ist. Der Versuch ist schnell aufgebaut und für die Beobachtung benötigt man auch nicht viel Zeit. Die Erklärung der Schaltung kann allerdings wohl etwas länger dauern, insgesamt ist also mit 5 bis 6 Minuten zu rechnen.

Zeitschalter

Man verwendet eine Schaltplatte, Leitungen, einen Schalter, eine Lampenfassung und ein Glühlämpchen, einen npn – Transistor, einen Kondensator mit 100 F und einen mit 1000 F, einen Widerstand mit 1 k und einen mit 10 k und natürlich eine Spannungsquelle mit 10 V Gleichstrom. Zusätzlich braucht man eine Stoppuhr.Die Anordnung erfolgt wie im Schaltbild:

Abbildung 18

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Der Schalter ist anfangs nicht geschlossen, man verwendet zuerst den Widerstand mit 1 kund den Kondensator mit 1000 F. Wird dann der Schalter geschlossen, so leuchtet das Lämpchen. Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geöffnet und mit der Zeitmessung begonnen. Es wird bestimmt, wieviel Zeit vergeht, bis das Lämpchen wieder erlischt. Anschließend tauscht man den Widerstand aus und wiederholt den Versuch. Danach ersetzt man den Kondensator durch den anderen und mißt für beide Widerstände die Zeit bis zum Erlöschen des Glühlämpchens.

Meßwerte:Kapazität [F] Widerstand [k] Zeit [s]

1000 1 471000 10 87100 1 4100 10 10

Der Zeitschalter ermöglicht bei Schließen und wieder Öffnen des Schalters, daß das Glühlämpchen für eine bestimmte Zeitdauer leuchtet. Dieses kann nur leuchten, wenn ein Basisstrom fließt.Die richtige Polung des Kondensators ist zu beachten, außerdem müssen die Schüler über den Kondensator Bescheid wissen, es sollte ihnen zumindest seine Bedeutung als „Stromspeicher“ bewußt sein. Mit Hilfe dieses Versuchs läßt sich eine reale Anwendung demonstrieren.Die Bausteine sind ziemlich schnell aufgesteckt, die Messungen mit den verschiedenen Kombinationen von Widerständen und Kondensatoren benötigen allerdings einiges an Zeit, dabei muß man in etwa mit 10 Minuten fûr den gesamten Versuch inklusive Notieren der diversen Meßwerte rechnen.

Abbildung 19

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Abbildung 20

Basisschaltung

1) Spannungsverstärkung

Die Anordnung der Bauelemente erfolgt entsprechend der Abbildung, dazu benötigt man eine Schaltplatte, Leitungen, einen Widerstand mit 500 und ein Potentiometer mit 470 , eine Spannungsquelle mit 1,2 V und eine mit 10 V (jeweils Gleichstrom), einen npn – Transistor und zwei Spannungsmeßgeräte.Basisschaltung heißt, daß die Basis der gemeinsame Anschluß fûr beide Spannungsquellen ist. Die Kollektor – Basis – Spannung UCB wird mit einem Meßbereich von 10 V gemessen, die Basis – Emitter – Spannung UBE mit einem Meßbereich von 1V. Mittels Potentiometer kann man die Kollektor – Basis – Spannung regeln. Der Quotient aus der Änderung der Kollektor –Basis – Spannung und der Änderung der Basis – Emitter – Spannung ergibt die Spannungsverstärkung.Es wird beispielsweise die Basis – Emitter – Spannung, die zur Kollektor – Basis – Spannung 3 V und 1 V gehört, gemessen.

Meßwerte:Kollektor – Basis -Spannung

3 V 1 V Änderung: 2 V

Basis – Emitter –Spannung

0,55 V 0,65 V Änderung: 0,1 V

Daraus ergibt sich eine Spannungsverstärkung von 20.

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Abbildung 21

Abbildung 22

2) Stromverstärkung

Der Aufbau ist ganz analog zur Spannungsverstärkung, abgesehen davon, daß man nun zwei Amperemeter zur Messung der Stromstärke benutzt.Der Emitterstrom wird von einem Amperemeter mit Meßbereich 30 mA gemessen, der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter wiederum mit einem Meßbereich von 30 mA. Der Emitterstrom wird mit dem Potentiometer geregelt und der zugehörige Kollektorstrom wird gemessen. Der Quotient aus Kollektorstromänderung und Emitterstromänderung ergibt den Stromverstärkungsfaktor. Der Emitterstrom wird zuerst auf 2 mA, dann auf 10 mA eingestellt und die entsprechenden Werte des Kollektorstroms werden vermerkt.

Meßwerte:Emitterstrom 2 mA 10 mA Änderung: 8 mAKollektorstrom 8 mA 12 mA Änderung: 4 mA

Es ergibt sich ein Stromverstärkungsfaktor von 0,5.

Die Unterscheidung zwischen Basisschaltung und Kollektorschaltung ist für die Unterstufe noch nicht geeignet, weshalb hier auch nur erstere angeführt wird. Es ist nicht notwendig, den Schülern die unterschiedlichen Anschlußmöglichkeiten und deren diverse Auswirkungen klarzumachen, da dies über den Stoff der Unterstufe hinausgeht. Die beiden Versuche zur Basisschaltung dienen dazu, zu zeigen, daß sowohl Spannung als auch Stromstärke durch

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Transistoren verstärkt werden können. Die Messungen geben auch Auskunft über mögliche Verstärkungsfaktoren.

Beim Aufbau ist auf die Polung des Transistors zu achten, außerdem sollten die Meßgeräte intakt sein. Für den Versuchsaufbau werden ca. drei oder vier Minuten gebraucht, pro Versuch muß man inklusive der Aufzeichnung der Meßergebnisse mit etwa sechs bis sieben Minuten rechnen.

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6) Quellenverzeichnis M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik

Lewisch: Physik in Alltag und Technik 3

Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit Physik 4

Albrecht e.a.: Von der Physik 4

Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4

Abbildungsverzeichnis:

Abbildungen 1 – 2: Ludick, Dopler, Hinterbuchinger, Reitinger: Begegnung mit Physik 4, S 29 f.

Abbildungen 3 – 4: Paill, Schmut, Wahlmûller: Physik 4, S 28 Abbildungen 5 – 6: Paill, Schmut, Wahlmûller: Physik 4, S 27 Abbildung 7: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik Abbildung 8: Paill, Schmut, Wahlmüller: Physik 4, S 27 Abbildungen 9 – 10: Schulversuchspraktikum Abbildung 11: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik Abbildungen 12 – 13: Schulversuchspraktikum Abbildungen 14 – 16: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik Abbildung 17: Albrecht e.a.: Von der Physik 4 Abbildung 18: M. Bernhard: Experimente zur Schulphysik Abbildungen 19 – 22: Schulversuchspraktikum

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7) Anhang: Arbeitsblätter

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Arbeitsblatt – Transistor als Verstärker (Schülerversuch)

Baue eine Schaltung gemäß der folgenden Abbildung auf:

Der Basisstrom wird mit dem Amperemeter mit Meßbereich 30 mA gemessen, der Kollektorstrom mit dem anderen Amperemeter mit Meßbereich 100 mA.

Versuch: Miß den Kollektorstrom und den Basisstrom mit dem Widerstand mit 10 k. Trage die Meßergebnisse in die Tabelle ein!

Spannungsquelle [V] Basisstrom [mA] Kollektorstrom [mA]68

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Tausche nun den Widerstand aus und setze jenen mit 47 k ein.Wiederhole den Versuch und notiere wiederum die Meßergebnisse in der nächsten Tabelle!

Spannungsquelle [V] Basisstrom [mA] Kollektorstrom [mA]6810

Wie ändern sich die Basisströme und wie die Kollektorströme?

Spannungsquelle [V]

Basisstromänderung [mA]

Kollektorstromänderung [mA]

Stromverstärkungsfaktor

6810

Den Stromverstärkungsfaktor erhält man durch Division von Kollektorstromänderung durch Basisstromänderung.

Erkenntnis: Kleine Änderungen des Basisstroms bewirken viel größere Änderungen des Kollektrostroms. Der Transistor ist ein Verstärker!

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