Aufgabenblatt 4
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Praktikum zur Vorlesung: „Einführung in die Elektronik“<br />
Arbeitsblatt 4<br />
1<br />
Prof. Dr. H. Gemmeke<br />
Dr. S. Weseler<br />
Fakultät für Physik<br />
4.1: Kenngrößen von Eintransistorschaltungen *<br />
4.2: Spannungsstabilisiertes Netzgerät *<br />
4.3: RC-Oszillator *<br />
4.4: Multivibratoren *<br />
4.5: Impedanzwandler: Emitterfolger und Darlington-Schaltungen *<br />
4.6: Emitterfolger mit Bootstrap *<br />
4.1 Kenngrößen von Eintransistorschaltungen<br />
Einige der Schaltungen nach den Abb. 4.2 bis 4.6 werden aufgebaut, ihre Funktion untersucht<br />
und nach den Näherungsformeln in Tabelle 4.1 berechnete Kenngrößen (vu und Za) überprüft.<br />
Eine der Schaltungen ist ausführlich vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten. Bei<br />
zwei weiteren können Sie sich einen weiteren Punkt gutschreiben lassen.<br />
Als Kleinsignalquelle wird entweder der Funktionsgenerator direkt (z.B. im Rechtecksbetrieb mit<br />
1 kHz, Abb.4.1.a) oder mit Pulsformung für kurze Pulse nach Abb. 4.1.b benutzt. Die RC-CR-<br />
Pulsformung stellt einen Bandpassfilter dar, der hier den Vorteil hat ein geringeres<br />
Frequenzspektrum um ca. 100 kHz zu produzieren. Der Ausgangswiderstand des Generators<br />
ist in beiden Fällen effektiv 25 Ω. Der Gleichstromanteil muß für einige Schaltungen durch einen<br />
großen Kondensator (z.B. 10 µF) entkoppelt werden (siehe unten). Im Normalfall sollte mit<br />
kleinen Amplituden (< 1 V) gearbeitet werden. Die maximale Eingangsamplitude kann grob<br />
durch Beobachten der Ausgangsform abgeschätzt werden. Zur Messung der Verstärkung sollte<br />
genügend Abstand zu dieser Grenze eingehalten werden.<br />
Die Spannungsverstärkung vu wird aus den gemessenen Werten der Eingangs- und der<br />
Ausgangsimpulshöhe berechnet. Die Ausgangsimpedanz wird aus der Leerlaufimpulshöhe, der<br />
Impulshöhe bei Belastung und der Größe des Lastwiderstandes gemäß (F4.1.1) berechnet. Zur<br />
Vermeidung von Arbeitspunktverschiebungen muß der Lastwiderstand über einen Kondensator<br />
angeschlossen werden, dessen Wert anhand von (F4.1.2) bestimmt wird. Der Wert von RL ist<br />
so zu wählen, daß sich deutlich meßbare Effekte ergeben.<br />
R<br />
U<br />
R R U L = ⋅ g<br />
(F4.1.1)<br />
+<br />
i L<br />
T<br />
C = mit ε ≈ 001 . ; Ze → Za + RL<br />
(F4.1.2)<br />
ε Z<br />
1 kHz<br />
Za=50Ω<br />
FG<br />
e<br />
10µ<br />
47Ω<br />
Ua<br />
1 kHz<br />
Za=50Ω<br />
Abb. 4.1.a Funktionsgenerator mit Abschluss Abb. 4.1.b Impulsgenerator mit RC-CR Pulsformung<br />
FG<br />
330n<br />
200n<br />
10µ<br />
47Ω<br />
Ua
Kollektorgrundschaltung<br />
(Emitterfolger)<br />
Basisgrundschaltung<br />
Weseler / Gemmeke: Praktikum zur „Einführung in die Elektronik“<br />
Ue<br />
Ue<br />
Ue<br />
Prinzipschaltbild Vu Vi Ze Za<br />
R1<br />
RE<br />
Ue<br />
Ue<br />
Emitter-<br />
RC β ⋅RC<br />
grundschaltung −<br />
R + r<br />
Stromgegengekoppelter<br />
Verstärker<br />
Spannungsgegengekoppelter<br />
Verstärker<br />
RB<br />
RE<br />
RC<br />
RE<br />
R2<br />
U<br />
Ua<br />
U<br />
Ua<br />
RC<br />
RC<br />
U<br />
Ua<br />
U<br />
Ua<br />
2<br />
U<br />
Ua<br />
1 ß ß RE<br />
R<br />
R<br />
C<br />
E<br />
B B<br />
− R<br />
R<br />
C<br />
E<br />
− R<br />
R<br />
2<br />
1<br />
r B<br />
β<br />
1 RE RC<br />
ß Rb + rB RC<br />
ß ß RE RC<br />
R<br />
2<br />
R1<br />
RC R ⎛ r ⎞<br />
2<br />
B<br />
⎜1+<br />
⎟<br />
β ⎝ RR 1 2⎠<br />
Tabelle 4.1 Übersicht über die Kenngrößen von Eintransistorschaltungen.<br />
vu, vi = Spannungs- und Stromverstärkung, Ze, Za = Eingangs- und Ausgangsimpedanz.<br />
ue<br />
Ze<br />
Za<br />
ua ≈ ue<br />
Ue<br />
22k<br />
Abb. 4.2 Emitterfolger: Spannungsäquivalent und Dimensionierungsbeispiel<br />
Ug<br />
Ri<br />
18k<br />
1k<br />
Ua<br />
12V<br />
RL
Ue<br />
RE<br />
Weseler / Gemmeke: Praktikum zur „Einführung in die Elektronik“<br />
RC<br />
U<br />
Ua<br />
ue<br />
ie<br />
RE<br />
iB<br />
rB<br />
Abb. 4.3 Basisgrundschaltung: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für das Kleinsignalverhalten und<br />
c) Dimensionierungsbeispiel<br />
Ue<br />
d)<br />
IC<br />
Ue R1<br />
RB<br />
Ue<br />
1<br />
A<br />
2<br />
-<br />
1<br />
470Ω<br />
RC<br />
RC<br />
RE<br />
U<br />
Ua<br />
U<br />
ue<br />
-<br />
1<br />
1,47kΩ<br />
UA<br />
12V<br />
ue<br />
iB<br />
RB<br />
rB<br />
iB<br />
rB<br />
βiB<br />
UCE<br />
RE<br />
rC<br />
rC<br />
βiB<br />
RC<br />
3<br />
rC<br />
βiB<br />
ua<br />
RC<br />
ua<br />
ia<br />
RC<br />
ia<br />
ua<br />
ua<br />
Ue<br />
10k<br />
10k<br />
330<br />
2,2k<br />
10k 470<br />
1k<br />
10k 1,5k<br />
Abb. 4.5 Stromgegengekoppelter Verstärker: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für<br />
Kleinsignalverhalten und c) Dimensionierungsbeispiel<br />
R2<br />
U<br />
RC<br />
Ua<br />
ie<br />
R1<br />
ue iB<br />
R2<br />
rB βiB<br />
rC<br />
Abb. 4.4 Emittergrundschaltung:<br />
a) Prinzipschaltung<br />
b) Ersatzschaltung für das<br />
Kleinsignalverhalten<br />
c) Dimensionierungsbeispiel<br />
d) Ausgangskennlinien des Transistors<br />
1 = statische<br />
2 = dynamische Arbeitsgerade<br />
A = Arbeitspunkt<br />
RC<br />
RC`<br />
Ue<br />
ia<br />
ua<br />
2,2k<br />
2 x 2,2k<br />
Abb. 4.6 Spannungsgegengekoppelter Verstärker: a) Prinzipschaltung, b) Ersatzschaltung für<br />
Kleinsignalverhalten, und c) Addierverstärker als Dimensionierungsbeispiel<br />
Ue1<br />
Ue2<br />
470<br />
10k<br />
12V<br />
6,8<br />
Ua<br />
1k<br />
1k<br />
12V<br />
Ua<br />
-12V<br />
12V<br />
Ua<br />
100n<br />
12V<br />
-12V<br />
Ua
Weseler / Gemmeke: Praktikum zur „Einführung in die Elektronik“<br />
4.2 Spannungsstabilisiertes Netzgerät<br />
Das spannungsstabilisierte Netzgerät gemäß Abb. 4.7 enthält den Emitterfolger T, dessen<br />
Basisspannung mit Hilfe einer Zener-Diode stabilisiert wird. Der Widerstand R1 begrenzt die<br />
Verlustleistung in T auf 0.6 W und macht die Schaltung kurzschlußfest. ( In einer realistischen<br />
Schaltung wäre R1 durch eine aktive Begrenzung des Ausgangsstroms Ia zu ersetzen.)<br />
Übersteigt Ia 60 mA, so sinkt die Kollektorspannung unter 6.8 V, die Zenerdiode wird stromlos,<br />
und T geht in Sättigung. Im Stabilisierungsbereich beträgt die Ausgangsimpedanz Za der<br />
Schaltung nach (F4.2.1) mit (F4.2.2) etwa UT / Ia + rZ / β (rZ = Zener-Impedanz). Za läßt sich unter<br />
Verwendung der in Abb. 4.7 dargestellten Lastwiderstände mit 100 - Hz - Schalter bestimmen.<br />
Aus ∆Ua = Za · ∆Ia folgt Za ≈ ∆Ua / 6 mA. Die Strom-Spannungs-Charakteristik Ua (Ia) der<br />
Schaltung kann durch Messen von Ua (RL) für Lastwiderstände RL bis hinab zu 5 Ω ermittelt<br />
werden.<br />
rB rB<br />
Za<br />
= RE rC<br />
≅<br />
(F4.2.1)<br />
β+ 1 β<br />
r UT<br />
= (F4.2.2)<br />
I<br />
A<br />
Za=50Ω<br />
FG<br />
12 V 50 Hz<br />
1 : 2<br />
D1<br />
D2<br />
Abb. 4.7 Spannungsstabilisiertes Netzgerät<br />
D3<br />
D4<br />
4<br />
+<br />
R1=120Ω<br />
100n 220µ<br />
4.3 RC-Oszillator<br />
Der Phasenschieberoszillator gemäß Abb. 4.8 ist mit der folgenden Dimensionierung<br />
aufzubauen: R = 1 kΩ, R1 = 4.7 kΩ, R2 = 15 kΩ, R3 = 470 Ω , R4 = 1 kΩ- Potentiometer, C =<br />
3.3 nF und C1 = 10 µF. Der rechte Kondensator C‘ muß kleiner sein (1 nF), damit er mit<br />
rB || R1 || R2 etwa die gleiche Zeitkonstante bildet wie RC.<br />
Selbsterregung (fe ≈ 20 kHz) findet statt, wenn der Abgriff am Kollektorwiderstand so eingestellt<br />
wird, daß bei fe die Schleifenverstärkung 1 erreicht wird.<br />
u1<br />
C C C<br />
R R<br />
R2<br />
u2<br />
R1<br />
R3<br />
R4<br />
C1<br />
Uv<br />
Ua ~ sin ω0t<br />
Abb. 4.8 RC-Oszillatorschaltung<br />
Die Frequenz kann bei der angegebenen Schaltung durch Wahl anderer Kapazitäten verändert<br />
werden. An den Widerständen der Kette kann die schrittweise Phasenverschiebung und<br />
Abschwächung des Signals verfolgt werden.<br />
1,5k<br />
Z 6,8<br />
T<br />
Ia<br />
1k<br />
Ua<br />
1k<br />
S
4.4 Multivibratoren<br />
Weseler / Gemmeke: Praktikum zur „Einführung in die Elektronik“<br />
a) Der Multivibrator nach Abb. 4.9 wird mit UV = 12 V, R1 = 470 Ω, R2 = R3 = 10 kΩ und<br />
C1 = C2 = 330 nF in Betrieb genommen. Die Impulsdauern τ werden mit (F4.4.1) verglichen.<br />
Durch Verändern von R2, R3, C1 und C2 kann die Frequenz des Multivibrators erhöht werden.<br />
Bei welcher Frequenz beginnt die Verzerrung des Ausgangssignals?<br />
τ ≅RC ln 2 , τ ≅RC<br />
ln 2<br />
(F4.4.1)<br />
1 2 1 2 3 2<br />
T1<br />
R1 R2 R3 R1<br />
C1<br />
C2<br />
Abb. 4.9 Multivibratorschaltung<br />
T2<br />
τ1 τ2<br />
Uv<br />
Ua<br />
b) Der nichtsättigende Multivibrator gemäß Abb. 4.10 ist mit Uv = 12 V, R1 = 10 kΩ, R2 = 15 kΩ,<br />
R3 = 1.5 kΩ, R4 = 1 kΩ und C = 330 nF aufzubauen. Die Beziehungen (F4.4.2) bis (F4.4.6)<br />
werden anhand der beobachteten Spannungen ua , UE1 , UE2 und UB2 überprüft. Durch<br />
Verkleinern von C wird die Frequenz erhöht. Bei welcher Frequenz beginnt hier die Verzerrung<br />
der Ausgangsimpulse?<br />
R4<br />
R4<br />
u<br />
T1<br />
R3<br />
C<br />
T2<br />
Ua<br />
Uv<br />
UB2<br />
UE2<br />
UE1<br />
τ1<br />
R1<br />
R2<br />
-Uv<br />
Abb. 4.10 Multivibrator (nichtsättigend)<br />
I UV<br />
3UV<br />
UV<br />
= + =<br />
R 2R R 23⋅R<br />
( )<br />
1 2 1 2<br />
u I R<br />
a = ⋅ 3 (F4.4.4)<br />
Ua<br />
dU<br />
dt<br />
τ2<br />
5<br />
-Uv<br />
2<br />
-Uv<br />
2<br />
0<br />
+Uv<br />
(F4.4.2) u I R4<br />
R4<br />
= = Uv<br />
2 2 R ( 2 3)⋅R<br />
U<br />
=− (F4.4.5)<br />
RC<br />
E1V 1<br />
( 1 2)<br />
dU<br />
dt<br />
(F4.4.3)<br />
32U<br />
=− (F4.4.6)<br />
RC<br />
E2V 2
Weseler / Gemmeke: Praktikum zur „Einführung in die Elektronik“<br />
4.5 Emitterfolger und Darlington-Schaltungen<br />
Die Eingangsimpedanz Ze von Impedanzwandlern ist im Versuchsaufbau meist durch einen<br />
eingangsseitigen Spannungsteiler stark erniedrigt (Abb. 4.11.b). Die Eingangsimpedanz der<br />
Prinzipschaltung läßt sich messen, indem man den Wandler direkt an einen Kondensator C<br />
anschließt, der auf eine Gleichspannung aufgeladen wird und sich über Ze entlädt. Am Ausgang<br />
des Impedanzwandlers wird der Signalabfall beobachtet. Die Abklingzeitkonstante τ = C·Ze<br />
ergibt einen Mittelwert für Ze über den durchlaufenden Arbeitspunktbereich.<br />
Zur Messung der Ausgangsimpedanz Za wird der Eingang des Impedanzwandlers niederohmig<br />
auf konstantem Potential gehalten (z.B. direkt an die Spannungsversorgung mit 6 V).<br />
Zu ermitteln sind Ze und Za nach der vorgeschlagenen Methode für Emitterfolger (siehe<br />
Tabelle 4.1), Darlington- und Komplementär-Darlington-Schaltung (Abb. 4.11) mit RE = 3.3 kΩ<br />
und Ri = 0 Ω.<br />
Ri<br />
ue<br />
T1<br />
T2<br />
RE<br />
Uv<br />
ua<br />
Abb. 4.11.a Darlington-Schaltung Abb. 4.11.b Komplementär-Darlington-Schaltung<br />
4.6 Emitterfolger mit Bootstrap<br />
Der Emitterfolger nach Abb. 4.12 wird aufgebaut mit C1 = C2 = 10 µF, R1 = R2 = 4.7 kΩ,,<br />
R3 = 6.8 kΩ, RE = 1k, UV = 12 V. Zur Untersuchung der bootstrap-Wirkung wird er über einen<br />
10 kΩ - Widerstand an den Funktionsgenerator mit Umax = 3V angeschlossen (damit hat man<br />
effektiv eine Stromquelle). Die Ausgangsspannung des Emitterfolgers wird beobachtet.<br />
ue<br />
C1<br />
R2<br />
R1<br />
R3<br />
C2<br />
RE<br />
Abb. 4.12 Emitterfolger mit Bootstrap<br />
Uv<br />
ua<br />
Läßt man zunächst C2 weg, so wirkt R3 + R1 || R2 als Eingangsimpedanz, und folglich bricht die<br />
Eingangs- und damit auch die Ausgangsspannung auf etwa den halben Wert der<br />
Leerlaufspannung der Quelle zusammen. Nach Anschließen von C2 mißt man am Ausgang des<br />
Emitterfolgers erwartungsgemäß nahezu die volle Leerlaufspannung.<br />
6<br />
Ri<br />
ue<br />
T1<br />
RE<br />
T2<br />
ua<br />
-Uv
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