Versuch: "Diode, Transistor, Thyristor"
Versuch: "Diode, Transistor, Thyristor"
Versuch: "Diode, Transistor, Thyristor"
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Elektrotechnisches Praktikum<br />
für Maschinenbauer<br />
Ort:<br />
Denickestraße 22<br />
Raum-Nr.: 0051 (direkt über der Mensa)<br />
<strong>Versuch</strong>:<br />
"<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor"<br />
Technische Universität Hamburg-Harburg<br />
Institut für Hochfrequenztechnik<br />
Prof. Dr.-Ing. A. Jacob
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
In diesem <strong>Versuch</strong> sollen 3 Halbleiter-Bauelemente in ihrer Wirkungsweise und ihren wichtigsten<br />
Anwendungen untersucht werden, die jeweils der Grundtyp einer Klasse von Bauelementen<br />
sind. Die <strong>Diode</strong> ist ein Zweischicht-Halbleiter und dient zur Gleichrichtung von<br />
Wechselsignalen (z.B. Leistungsgleichrichter in der Starkstromtechnik oder Empfänger von<br />
Signalen in der Nachrichtentechnik). Der <strong>Transistor</strong> weist 3 Schichten auf und dient hauptsächlich<br />
zur Verstärkung (von Gleichstrom bis zu Wechselströmen von 10 Hz), aber auch<br />
9<br />
als Schalter oder Generator. Der Thyristor schließlich ist ein Vierschicht-Element, das als<br />
Schalter für Signale hoher Leistung vielseitige Verwendung findet (z.B. in Reglern wie der<br />
Thyristor-Zündung beim Otto-Motor). Die Funktion aller 3 Bauelemente beruht auf dem Mechanismus<br />
der Stromleitung in den sogenannten "Halbleitern".<br />
1. Metall, Halbleiter, Isolator<br />
Die Festkörper teilt man hinsichtlich der Stromleitung in diese 3 Gruppen ein. Wesentliches<br />
Merkmal ist die spezifische Leitfähigkeit σ , die bei Isolierstoffen extrem niedrig ist (z.B.<br />
22<br />
2<br />
10 − 18<br />
2<br />
Sm / mm bei Bernstein oder 10 − Sm / mm bei Mineralöl), während sie bei Metallen<br />
2<br />
um viele Größenordnungen höher liegt (z.B. bei Kupfer mit 56 Sm / mm ). Dazwischen liegen<br />
die als Halbleiter bezeichneten Materialien, deren Leitfähigkeit durch unten noch besprochene<br />
Maßnahmen über mehrere Größenordnungen gezielt eingestellt werden kann. Dabei<br />
kennt man Element-Halbleiter wie Germanium oder Silizium und Verbindungs-Halbleiter wie<br />
Gallium-Arsenid.<br />
1.1 Metallische Stromleitung<br />
Etwa ein Elektron je Atom nimmt am Leitungsvorgang (= Ladungstransport) teil. Dabei gibt<br />
23<br />
es etwa 10 Atome je cm 3 . Die Elektronen bewegen sich frei und ungeordnet ("Wimmelbewegung",<br />
sogenanntes "Elektronengas") zwischen den unbeweglichen Atomrümpfen des Kristallgitters.<br />
Legt man ein elektrisches Feld durch eine Potentialdifferenz an, so bildet sich eine<br />
Vorzugsrichtung heraus: Es fließt ein Elektronenstrom.<br />
1.2 Eigenleitung in Isolatoren und Halbleitern<br />
Bei Isolatoren sind fast alle Elektronen an "ihr" Atom gebunden, d.h. ortsfest. Dieser Zustand<br />
ist über weite Bereiche von Einflussgrößen wie Temperatur oder elektrisches Feld nicht zu<br />
verändern. Die Leitfähigkeit ist praktisch Null.<br />
Der Unterschied zu Halbleitern ist nicht prinzipieller sondern nur gradueller Natur. Bei sehr<br />
tiefen Temperaturen ist auch deren Leitfähigkeit sehr gering. Sie nimmt aber mit der Temperatur<br />
stark zu. Den Transportvorgang kann man sich am Beispiel der Element-Halbleiter Ge<br />
oder Si folgendermaßen veranschaulichen:<br />
Beide Elemente besitzen 4 Valenzelektronen: sie sind vierwertig. Sie kristallisieren im Diamantgitter,<br />
bei dem jedes Atom über jeweils eine "Brücke" aus 2 Elektronen an 4 Nachbaratome<br />
gebunden ist. Das ist schematisch in der Ebene in Bild 1 dargestellt. Die Bindung ist<br />
vollständig beim absoluten Temperaturnullpunkt (Bild 1), der Halbleiter ist ein idealer Isolator.<br />
Durch Erwärmung (Energiezufuhr) werden zunehmend mehr Elektronen aus den Bindun-<br />
1
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
gen befreit und damit beweglich. Das hat aber nun eine eigentümliche Konsequenz: Wenn das<br />
Elektron seinen Platz verlässt (z.B. wegen eines angelegten elektrischen Feldes), hinterlässt es<br />
im Gitter ein Loch = Defektelektron = positive Überschussladung. Es hat sich damit ein Ladungsträgerpaar<br />
gebildet: Generation. Natürlich kann eine positive Überschussladung auch<br />
durch ein anderes freies Elektron kompensiert werden, das den Platz des Loches im Gitter<br />
einnimmt. Ein Ladungsträgerpaar verschwindet damit: Rekombination. Beide Prozesse stehen<br />
miteinander im Gleichgewicht, sodass im stationären Zustand eine bestimmte Anzahl von<br />
Elektron-Loch-Paaren für den Leitungsvorgang zur Verfügung stehen. Diese Zahl wächst über<br />
der Temperatur.<br />
Bild 1: Ebene Darstellung eines Si-Kristalls<br />
In Bild 2 ist ein Leitungsvorgang schematisch dargestellt. Ein Elektron verlässt seinen Gitterplatz<br />
und bewegt sich frei (1). Das entstandene Loch wird nach einer gewissen Zeit von einem<br />
Valenzelektron eines Nachbaratoms aufgefüllt (2), wobei allerdings ein neues Loch entsteht<br />
(3). Diese Vorgänge können sich fortpflanzen, der Halbleiterkristall zeigt die sogenannte "Eigenleitung"<br />
unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes. Eigentümliches Merkmal ist,<br />
dass beide Ladungsträgersorten additiv zum Ladungstransport beitragen: Der Elektronenstrom<br />
bewirkt eine Wanderung negativer Ladung, der Löcherstrom eine scheinbare Wanderung positiver<br />
Ladung. Dabei bewegen sich nicht die "ionisierten" Gitteratome, sondern es wandert der<br />
Ionisierungszustand. Für einen äußeren Beobachter stellt sich das als eine Bewegung positiver<br />
Ladung dar, die dem Elektronenstrom überlagert ist.<br />
Bild 2: Eigenleitung im Ge-Kristall<br />
Elektrische Leitung aufgrund der Paarbildung von Ladungsträgern nennt man Eigenleitung.<br />
An ihr sind damit stets gleich viele Elektronen wie Löcher beteiligt. Die Ladungsträgerdichte,<br />
d.i. die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit, ist gleich der Eigenleitungsdichte. Sie<br />
13 −3<br />
10 −3<br />
2,4⋅<br />
10 cm 1,5 ⋅10<br />
cm , sodass z.B. von den<br />
beträgt bei Ge (Si) bei Zimmertemperatur ( )<br />
22<br />
3<br />
4,4⋅ 10 Ge-Atomen je cm −<br />
9<br />
nur von etwa jedem 10 -ten Atom ein freies Elektron zur Verfügung<br />
gestellt wird. (Man vergleiche mit Metallen: Jedes Atom stellt im Mittel etwa ein<br />
Elektron zur Verfügung.) Der Eigenleitungseffekt ist folglich sehr gering und konnte auch erst<br />
2
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
beobachtet werden, als man Halbleiterkristalle höchster Reinheit herstellen konnte. Verunreinigungen<br />
überdecken nämlich diesen Effekt, wie im folgenden veranschaulicht werden soll.<br />
1.3 Störstellenleitung in Halbleitern<br />
Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann um viele Größenordnungen dadurch gesteigert werden,<br />
dass man das Material durch die Zugabe von Fremdatomen "verunreinigt". Das nennt man<br />
Dotieren. Dabei werden entweder fünfwertige Atome wie z.B. Antimon oder dreiwertige wie<br />
z.B. Indium in das Wirtsgitter eingebaut. Technisch geschieht das beispielsweise durch Legieren<br />
oder Eindiffundieren des Dotierstoffes.<br />
Es soll zunächst der Leitungsvorgang infolge Dotierung mit fünfwertigen Störstellen betrachtet<br />
werden (Bild 3). Ein Valenzelektron des Störatoms bleibt ohne Bindung im Kristallgitter<br />
und steht daher als freier Ladungsträger zur Verfügung. Eine solche Störstelle bezeichnet man<br />
daher als Donator. Das Donatoratom wird, nachdem es sein Elektron abgegeben hat, zu einem<br />
positiv geladenen Ion. Den mit Donatoren dotierten Halbleiter nennt man einen n-Leiter. Ein<br />
16<br />
3<br />
typischer Wert sind 10 Donatoratome je cm , sodass zur Störstellenleitung wesentlich mehr<br />
Elektronen zur Verfügung stehen, als zur Eigenleitung. Andererseits entspricht dieser Dotierungsgrad<br />
einem Fremdatom auf etwa 10 Atomen des Wirtsmaterials. Die Reinheitsanforde-<br />
6<br />
rungen an den Halbleiterkristall sind also nach wie vor extrem hoch.<br />
Bild 3: Störstellenleitung im Si-Kristall durch Dotieren mit Sb<br />
In Bild 4 wird der Leitungsvorgang infolge Dotierung mit dreiwertigen Störstellen skizziert.<br />
Dem Fremdatom fehlt dann jeweils ein Valenzelektron, um die Bindungen zu den benachbarten<br />
Atomen abzusättigen. In diese Bindungslücke kann dann aus einer vollständigen Bindung<br />
(bei geringer Energiezufuhr z.B. durch Erwärmung) ein Bindungselektron nachrücken, wodurch<br />
dort ein Loch entsteht. Eine solche Störstelle bezeichnet man dann als Akzeptor. Das<br />
Akzep- toratom wird zu einem negativ geladenen Ion. Das Loch kann im Kristallverband genauso<br />
wandern, wie es schon bei der Eigenleitung beschrieben wurde. Man bezeichnet das<br />
Halbleitermaterial jetzt als p-Leiter. (Mit n und p werden in der Literatur gewöhnlich Elektronen<br />
und Löcher bezeichnet.)<br />
Bild 4: Störstellenleitung im Si-Kristall durch Dotieren mit In<br />
3
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Auch bei dotierten Halbleitern entstehen und verschwinden dauernd zusätzliche Ladungsträgerpaare,<br />
die zur Eigenleitfähigkeit führen. Sie wird jedoch durch die Störstellen-Leitfähigkeit<br />
meist um viele Größenordnungen übertroffen. Andererseits sind aber durch den Prozess der<br />
Generation in einem z.B. n-dotierten Halbleiter auch frei Löcher enthalten, wie in einem<br />
p-dotierten Halbleier auch freie Elektronen enthalten sind. Die gesamte Leitfähigkeit setzt sich<br />
daher aus einem Anteil infolge der freien Elektronen und einem anderen infolge der freien<br />
Löcher zusammen. Man bezeichnet die Ladungsträger, die durch die Dotierung im Halbleiter<br />
vorhanden sind, als Majoritätsträger, die freien Ladungsträger mit entgegengesetztem Vorzeichen<br />
als Minoritätsträger. Bei nicht zu großen Strömen gilt<br />
⋅ .<br />
n p =<br />
2<br />
n i<br />
Darin bedeuten n und p die Dichten der Elektronen und Löcher sowie n<br />
i<br />
die im Abschnitt 1.2<br />
eingeführte Eigenleitungsdichte. Während in einem undotierten Halbleiter n = p gilt (warum?),<br />
hat man in einem dotierten Halbleiter nur ein Hundertstel so viel Minoritätsträger wie<br />
Majoritätsträger, wenn man mit 10 n Fremdatomen dotiert.<br />
2. pn-Übergang<br />
i<br />
Ein pn-Übergang ist ein Gebiet, in dem ein p-Leiter und ein n-Leiter flächig aneinandergrenzen.<br />
Er kann z.B. durch einen Diffusionsprozess erzeugt werden. Es wird im folgenden gezeigt,<br />
dass die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges einen Sperr- und einen Durchlassbereich<br />
aufweist: Es entsteht eine <strong>Diode</strong>.<br />
2.1 pn-Übergang ohne äußere Spannung<br />
Am pn-Übergang treten große Konzentrationsgradienten der freien Ladungsträger auf, die auf<br />
der einen Seite Majoritätsträger, auf der anderen aber Minoritätsträger sind. Aufgrund ihrer<br />
thermischen Wimmelbewegung dringen dann Elektronen aus dem n-Leiter in den p-Leiter und<br />
umgekehrt Löcher aus dem p-Leiter in den n-Leiter ein. Das ist in Bild 5 skizziert. Dieser<br />
Vorgang heißt Diffusion. Dadurch entsteht eine Grenzschicht, in der die Dichten der freibeweglichen<br />
Ladungsträger etwa so groß sind, wie die Eigenleitungsdichte. Diese Grenzschicht<br />
ist folglich sehr hochohmig. Ihre Weite stellt sich in einem Gleichgewichtsprozess ein: Durch<br />
das Verarmen der Grenzschicht an freibeweglichen Ladungsträgern bildet sich dort eine<br />
Raumladung aus, da auf der n-Seite positive Ionen, auf der p-Seite negative Ionen im Überschuss<br />
vorhanden sind. Die Raumladung hat eine elektrische Feldstärke zur Folge, die von der<br />
n-Zone (dem Ort der positiven Überschussladung durch Donatorionen) zur p-Zone zeigt. Das<br />
elektrische Feld in der Grenzschicht wirkt der Diffusion der Majoritätsträger über den<br />
pn-Übergang entgegen. Im Gleichgewicht sind Diffusionswirkung und Feldwirkung gleich<br />
groß, wodurch die Ausdehnung der Grenzschicht festgelegt ist. Sie liegt in der Größenordnung<br />
Mikrometer, die elektrische Feldstärke im Bereich einiger kV/cm.<br />
4
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Bild 5: Ausbildung der Grenzschicht G beim pn-Übergang<br />
Das elektrische Feld ist mit einer Potentialdifferenz verbunden. Die gesamte, an der Grenzschicht<br />
auftretende Potentialdifferenz wird Diffusionsspannung U<br />
D<br />
genannt. Sie hängt vom<br />
Dotierungsgrad beiderseits der Grenzschicht, von der Temperatur und von der Halbleiterart<br />
ab. Bei Ge beträgt U D<br />
−~ 0.3 bis 0.4 V, bei Si ist U D<br />
−~ 0.5 bis 0.6 V.<br />
2.2 pn-Übergang mit äußerer Spannung in Sperrrichtung<br />
Als Ausgangspunkt zeigt Bild 6a nochmals den pn-Übergang ohne äußere Spannung. Legt<br />
man nun an den Kristall eine Spannung U so an, dass der Pluspol der Spannungsquelle mit der<br />
n-Zone, der Minuspol mit der p-Zone verbunden ist, so stellen sich die in Bild 6b skizzierten<br />
Verhältnisse ein. Die äußere Spannung U hat den gleichen Richtungssinn wie die Diffusionsspannung<br />
U<br />
D<br />
. Hierdurch werden bewegliche Ladungsträger von den Rändern der Grenzschicht<br />
abgezogen.<br />
Bild 6a: pn-Übergang ohne äußere Spannung<br />
Bild 6b: pn-Übergang mit Spannung in Sperrrichtung<br />
Die Raumladungszonen verbreitern sich, bis durch die sie erzeugte Potentialdifferenz gleich<br />
der Spannung ( U + U D<br />
) ist. Im äußeren Stromkreis fließt nur der kleine Sperrstrom I<br />
S<br />
. Er<br />
entsteht durch die in der Grenzschicht in geringer Anzahl vorhandenen Minoritätsträger, die<br />
im Gegensatz zu den Majoritätsträgern vom elektrischen Feld in der Grenzschicht über den<br />
pn-Übergang hinwegbewegt werden.<br />
5
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Es fließen also Löcher aus der n-Zone hinüber in die p-Zone. Dieser Sperrstrom ist von der<br />
Sättigungsspannung nahezu unabhängig. Die Sperrstromdichte beträgt bei Raumtemperatur<br />
2<br />
2<br />
für Ge etwa 0 .2 mA / cm , für Si etwa 0 .002 mA / cm .<br />
(Da die Minoritätsträgerdichte stark temperaturabhängig ist, darf der Kristall nicht zu sehr erwärmt<br />
werden, damit der pn-Übergang die Sperreigenschaft nicht verliert. Bei Si beträgt die<br />
Grenztemperatur 200° C. Bei dieser Temperatur ist die Sperrstromdichte gegenüber ihrem<br />
4<br />
Wert bei Raumtemperatur um etwa einen Faktor 10 angestiegen. Das ist dennoch ein kleiner<br />
Wert, wenn man bedenkt (Abschnitt 2.3), dass im Durchlassbereich die Stromdichte bis zu<br />
2<br />
1000 mA / cm beträgt.)<br />
2.3 pn-Übergang mit äußerer Spannung in Durchlassrichtung<br />
Polt man die äußere Spannungsquelle so, dass ihr Pluspol mit der p-Zone verbunden ist, so<br />
spielen sich folgende Vorgänge ab (Bild 6c): Die Richtung der äußeren Spannung U ist entgegengesetzt<br />
zu derjenigen der Diffusionsspannung U<br />
D<br />
. Dadurch werden frei bewegliche Ladungsträger<br />
in die Grenzschicht hineingetrieben, sodass die Raumladung teilweise abgebaut<br />
wird. Die Grenzschicht wird dann schmaler. Folglich werden auch die elektrische Feldstärke<br />
und damit die Potentialdifferenz geringer. Bei U = U<br />
D<br />
ist die Grenzschicht vollständig abgebaut.<br />
Aus der n-Zone werden nun Elektronen, aus der p-Zone Löcher von der äußeren Spannung<br />
über den pn-Übergang getrieben und rekombinieren beiderseits des Überganges. In der<br />
p-Zone fließt dabei ein Löcherstrom, in der n-Zone ein Elektronenstrom (Bild 6d).<br />
Bild 6c: pn-Übergang mit Spannung in Durchlassrichtung<br />
Bild 6d: pn-Übergang mit Spannung und Stromfluss in Durchlassrichtung<br />
Nach dem Abbau der Grenzschicht besitzt der Halbleiter nur noch den geringen Bahnwiderstand,<br />
sodass die Stromstärke im wesentlichen durch den äußeren Widerstand R bestimmt<br />
wird. Dieses Verhalten spiegelt die <strong>Diode</strong>nkennlinie von Bild 7 wider. Sie wird durch die<br />
Gleichung<br />
I = I<br />
[ exp ( U /( nU ))<br />
−1] , U 26 mV<br />
S T<br />
T =<br />
6
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
beschrieben, in der I<br />
S<br />
den in Abschnitt 2.2 eingeführten Sperrstrom und<br />
U<br />
T<br />
die sogenannte<br />
"Temperaturspannung" bedeuten. Sie ist proportional zur absoluten Temperatur und hat bei<br />
Raumtemperatur den in der Gleichung angegebenen Zahlenwert. Die Größe "n" ist der Idealitätsfaktor,<br />
mit dem man Effekte beschreibt, die in dieser einfachen Darstellung nicht berücksichtigt<br />
worden sind. Für ihn gilt 1 < n < 2 .<br />
Bild 7: Strom-Spannungs-Kennlinie einer <strong>Diode</strong> (Maßstäbe unterschiedlich!)<br />
Für Spannungen, die größer sind als die Diffusionsspannung, steigt der Strom sehr stark (im<br />
Idealfall exponentiell) an. Im Sperrbereich ist ebenfalls ein steiler Stromanstieg jenseits der<br />
sogenannten Durchbruchspannung zu beobachten. Er ist in den Erklärungen des Abschnittes<br />
2.2 noch nicht enthalten. Die starke Zunahme des Sperrstromes liegt entweder daran, dass infolge<br />
des hohen elektrischen Feldes Elektronen unmittelbar aus den Gitteratomen herausgelöst<br />
werden, oder dass die Elektronen infolge ihrer hohen Geschwindigkeit mit Gitteratomen zusammenstoßen<br />
und dabei weitere Ladungsträger aus ihren Bindungen herausschlagen, sodass<br />
der Strom lawinenartig anwächst.<br />
3. Der <strong>Transistor</strong><br />
Der <strong>Transistor</strong> ist ein Dreischicht-Element mit der Schichtenfolge npn oder pnp. Sein prinzipieller<br />
Aufbau, die schematische Aufeinanderfolge der Schichten sowie die Schaltzeichen<br />
sind in Bild 8 dargestellt. Man kann diese Anordnung als Zusammenschaltung von zwei<br />
pn-<strong>Diode</strong>n betrachten, die eine gemeinsame Schicht haben. Sie wird Basis (B) genannt und ist<br />
stets extrem dünn (Größenordnung Mikrometer). Die beiden übrigbleibenden, gleichartig dotierten<br />
Schichten heißen Emitter (E) und Kollektor (C).<br />
Bild 8: Prinzipieller Aufbau eines Flächentransistors<br />
7
3.1 Betrieb mit leerlaufender Basis<br />
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Im folgenden soll der npn-<strong>Transistor</strong> betrachtet werden. Die Verhältnisse am pnp-<strong>Transistor</strong><br />
sind die gleichen, wenn man den Richtungssinn sämtlicher Spannungen und Ströme umkehrt.<br />
Zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) wird eine ideale Spannungsquelle U so angeschlossen,<br />
dass der Pluspol mit dem Kollektor verbunden ist (Bild 9). Der Basisanschluss bleibt zunächst<br />
offen, sodass der <strong>Transistor</strong> hinsichtlich dieser Klemme leerläuft. Durch die Polarität<br />
der äußeren Spannungsquelle ist der rechte pn-Übergang (B-C) im Sperrzustand, der linke<br />
(B-E) im Durchlasszustand. Dabei bildet sich eine breite Raumladungszone zwischen Kollektor<br />
und Basis mit einer hohen Potentialdifferenz aus, die ungefähr der äußeren Spannung entspricht.<br />
(Über dem anderen, in Durchlassrichtung gepolten Übergang kann ja nach Bild 7 nur<br />
ein geringer Teil der äußeren Spannung abfallen.) Die einzelnen Schichten im <strong>Transistor</strong> werden<br />
so dotiert, dass diese Raumladungszone stark unsymmetrisch ist. Soll sie sich z.B. hauptsächlich<br />
in die Basiszone und nur unwesentlich in die Kollektorzone ausdehnen, dann muss<br />
man die Basis schwach im Vergleich zum Kollektor dotieren. Da nahezu die gesamte Quellspannung<br />
U an der hochohmigen C-B-Grenzschicht abfällt, reicht die Spannung an der<br />
B-E-<strong>Diode</strong> nicht aus, um die Diffusionsspannung aufzuheben und die schmale, ebenfalls unsymmetrische<br />
Grenzschicht B-E abzubauen. Im äußeren Stromkreis fließt daher nur der sehr<br />
kleine Sperrstrom I<br />
CE<br />
, der <strong>Transistor</strong> sperrt.<br />
Bild 9: <strong>Transistor</strong>betrieb mit leerlaufender Basis<br />
3.2 Betrieb des <strong>Transistor</strong>s mit Basisstrom<br />
Wie Bild 10 zeigt, wird nun eine zusätzliche Spannungsquelle U<br />
B<br />
angeschlossen, deren Minuspol<br />
am Emitter liegt. In der sogenannten Emitter-Schaltung erhält der Emitter (durch eine<br />
Erdung) das Bezugspotential 0 V. Durch diese Spannungsquelle wird die Raumladung in der<br />
Basis-Emitter-Grenzschicht abgebaut, sodass die dort liegende Potentialdifferenz geringer<br />
wird. Hierdurch können vermehrt Elektronen aus dem n-dotierten Emittergebiet in das Basisgebiet<br />
eindringen. Da die Basis verhältnismäßig schwach dotiert ist, rekombinieren dort nur<br />
sehr wenige dieser Elektronen.<br />
8
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Bild 10: <strong>Transistor</strong>betrieb mit Basisstrom<br />
Stattdessen durchläuft sie die dünne Basisschicht und geraten in das elektrische Feld der<br />
Raumladung C-B. Durch dieses Feld werden sie vom Kollektor abgesaugt, "gesammelt", und<br />
fließen als Kollektorstrom I<br />
C<br />
ab. Von der Quelle U<br />
B<br />
müssen dabei nur die durch Rekombination<br />
in der Basisschicht verschwindenden Löcher ersetzt werden. Dadurch fließt ein sehr<br />
kleiner Basisstrom I<br />
B<br />
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abschließend soll noch erwähnt werden, dass man anstelle des Emitters auch die Basis oder<br />
den Kollektor auf Bezugspotential legen kann. Man erhält dann die sogenannte Basisschaltung<br />
oder Kollektorschaltung. Beide unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich von der<br />
bisher besprochenen Emitterschaltung. Auf diese Weise hat man eine hohe Flexibilität, um<br />
mit <strong>Transistor</strong>en vorgegebene Schaltungsfunktionen realisieren zu können.<br />
4. Der Thyristor<br />
Dieses Bauelement weist die Schichtenfolge pnpn auf. Historisch bedingt nennt man die äußere<br />
p-Schicht Anode, die äußere n-Schicht Kathode. In dieser Schaltung wird der Thyristor<br />
auch als "Thyristor-<strong>Diode</strong>" bezeichnet. Wenn man an einer der inneren Schichten eine Steuerelektrode<br />
anbringt, spricht man von der Thyristor-Triode. Diese Bauelemente haben in der<br />
Leistungelektronik eine außerordentlich große Bedeutung. Sie werden z.B. als gesteuerte<br />
Gleichrichter zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Gleichstrom- und Drehstrom-Motoren<br />
eingesetzt. Weiter findet man sie in geregelten Gleichstrom-Versorgungsanlagen, Batterie-<br />
Ladegeräten, Lichtregelungsschaltungen, bei der Steuerung von elektrischen Heizanlagen und<br />
bei der Zündung von Otto-Motoren. Dabei können elektrische Leistungen bis zu einigen<br />
100 kW je Bauelement geschaltet werden.<br />
Es soll zunächst die Thyristor-<strong>Diode</strong> behandelt werden. Die mathematische Behandlung ihrer<br />
Kennliniengleichung ist recht schwierig, sodass wir uns hier darauf beschränken wollen, die<br />
Strom-Spannungs-Charakteristik von Bild 12 plausibel zu machen. Für Polung in Sperrrichtung<br />
ist die Anode negativ gegenüber der Kathode K vorgespannt. Nun sperren die beiden äußeren<br />
pn-Übergänge, der mittlere Übergang ist dagegen leitend. (Das hochgestellte Zeichen +<br />
an der Halbleiterschicht deutet an, dass die Dotierung besonders stark ist.) Es fließt nun ein<br />
Sperrstrom durch das Bauelement, der durch die Sperrströme der äußeren pn-Übergänge bestimmt<br />
wird. Wird die Sperrspannung weiter bis in die Nähe der Durchbruchspannung erhöht,<br />
beginnt schließlich der Lawinendurchbruch in den äußeren Übergängen und der Sperrstrom<br />
steigt steil an. Der Sperrbereich unterscheidet sich dadurch in seiner Strom-Spannungs-<br />
Charakteristik nicht grundsätzlich von dem Sperrbereich einer <strong>Diode</strong>.<br />
Bild 12: Prinzipieller Aufbau, Kennlinie und Schaltzeichen der Thyristor-<strong>Diode</strong><br />
Nun betrachten wir den Fall, dass eine positive Spannung an die Anode gelegt wird. Dann<br />
wird der mittlere pn-Übergang in Sperrrichtung betrieben, während die beiden äußeren Übergänge<br />
leitend sind. Die angelegte Spannung U fällt folglich fast vollständig am mittleren pn-<br />
10
<strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Übergang ab. Durch diesen fließt ein sehr geringer Sperrstrom, der im allgemeinen kleiner als<br />
10 µA ist. Wird die angelegte Spannung weiter erhöht, so gelangt man schließlich in die Nähe<br />
der Durchbruchspannung des mittleren Überganges. Durch den Durchbruchvorgang werden in<br />
der Sperrschicht nun Elektron-Loch-Paare erzeugt, die diese vorher hochohmige Schicht<br />
plötzlich leitend machen. Damit bricht der Spannungsabfall über dem Thyristor zusammen:<br />
Das gesamte Bauelement wird niederohmig. Damit ergibt sich eine Strom-Spannungs-<br />
Charakteristik, die derjenigen eines einzelnen pn-Überganges ähnelt. Der Strom steigt steil<br />
(exponentiell) über der Spannung an. Das Bauelement ist also, nachdem es einmal über die<br />
sogenannte Schwellspannung hinweg ausgesteuert wurde, vom Sperr- in den Durchlass-<br />
Zustand gebracht worden. Daraus ergibt sich die Hauptanwendung des Thyristors als Schalter.<br />
Die Thyristor-Triode unterscheidet sich von der Thyristor-<strong>Diode</strong> nur dadurch, dass an einer<br />
der beiden inneren Zonen ein zusätzlicher Kontakt angebracht ist, die sogenannte Steuerelektrode.<br />
Sie wird benutzt, um bei Polung in Durchlassrichtung Ladungsträger in die Sperrschicht<br />
des mittleren pn-Überganges zu injizieren. Damit ersetzt dieser Steuerstrom die sonst an dieser<br />
Stelle infolge des Lawinendurchbruches erzeugten Ladungsträger. Die Schwellspannung<br />
muss nun nicht mehr gleich der Durchbruchspannung des mittleren Überganges sein. Je nach<br />
Größe des injizierten Stromes schaltet der Thyristor bereits bei niedrigeren positiven Spannungen<br />
vom Sperr- in den Durchlass-Zustand. Das spiegelt sich in der Kennlinie wider, die in<br />
Bild 13 skizziert ist. Die Thyristor-Triode ist ein steuerbarer Schalter.<br />
Bild 13: Kennlinie und Schaltzeichen der Thyristor-Triode<br />
11
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Nomenklatur:<br />
Sinusförmige Wechselgrößen<br />
( t) = û ⋅sin<br />
( ωt<br />
+ ϕ) = 2 ⋅ U ⋅sin<br />
( ωt<br />
+ ϕ)<br />
u eff<br />
û : Amplitude<br />
U : Effektivwert<br />
eff<br />
Allgemeine Wechselgröße<br />
u max<br />
: Maximalwert von u ( t)<br />
Gleichgröße<br />
U<br />
<strong>Versuch</strong> 5a: <strong>Diode</strong> und Einweggleichrichter<br />
<strong>Versuch</strong>saufbau:<br />
Abbildung 1:<br />
Die Abbildung 1 zeigt die Schaltung für diesen <strong>Versuch</strong>steil. Der Transformator T transformiert<br />
die primärseitig anliegende Netzspannung von = 2 ⋅220<br />
V auf û T<br />
≈ 15 V herunter.<br />
Zum Schutz des Transformators gegen eventuelle Kurzschlüsse in der nachfolgenden Schaltung<br />
ist die Sicherung Si2 eingebaut. Mögliche Wicklungskurzschlüsse im Transformator<br />
würden zu einem erhöhten primärseitigen Eingangsstrom führen. Eine Überhitzung des Trafos<br />
(Brandgefahr) soll durch die Sicherung Si1 verhindert werden.<br />
Wie Abbildung 2b zeigt, ist die nachgeschaltete <strong>Diode</strong> D während des größten Teils der positiven<br />
Halbwelle von u<br />
T<br />
leitend. In diesem <strong>Versuch</strong> wird dabei die idealisiere <strong>Diode</strong>nkennlinie<br />
aus Abbildung 2a benutzt.<br />
û N<br />
12
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abbildung 2a<br />
Abbildung 2b<br />
Der maximale <strong>Diode</strong>nstrom ergibt sich zu id<br />
max<br />
= ( û<br />
T<br />
− U<br />
D<br />
)/<br />
R<br />
M<br />
. U<br />
D<br />
ist die maximale <strong>Diode</strong>nspannung<br />
in Durchlassrichtung (≈ Diffusionsspannung). Die negative Halbwelle von u<br />
T<br />
sperrt die <strong>Diode</strong>. In Sperrrichtung hat der maximale Spannungsabfall an der <strong>Diode</strong> den Betrag<br />
û .<br />
T<br />
Die Kennlinie der <strong>Diode</strong> kann auf dem Oszilloskop abgebildet werden, wenn u<br />
d<br />
zur X-<br />
u u = R ⋅i<br />
zur Y-Ablenkung des Elektronenstrahls benutzt wird. Der<br />
Ablenkung und ( )<br />
a<br />
a<br />
Elektrolyt-Kondensator bleibt hierbei unbenutzt.<br />
M<br />
d<br />
Durch die Parallelschaltung eines Kondensators zum Lastwiderstand R<br />
M<br />
entsteht aus der bisher<br />
benutzten Schaltung ein Einweggleichrichter. Er hat die Aufgabe, eine Wechselspannung<br />
13
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
in eine Gleichspannung umzuwandeln. Der Kondensator dient zur Glättung der Ausgangsspannung.<br />
Er wird bis zur Spannung<br />
u<br />
a max<br />
( R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
) u<br />
cmax<br />
( R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
) = û<br />
T<br />
( R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
) − U<br />
D<br />
= (1)<br />
aufgeladen, während D im leitenden Zustand ist. Sobald u T<br />
( t)<br />
unter die Kondensatorspannung<br />
u<br />
c max<br />
fällt, sperrt die <strong>Diode</strong>. Der Kondensator beginnt nun, sich mit exponentieller Zeitabhängigkeit<br />
zu entladen (Zeitkonstante: τ = R<br />
M<br />
⋅CL;<br />
CL<br />
: Kondensatorkapazität). Der Entlade-Vorgang<br />
wird abgebrochen, sobald während der nächsten positiven Halbwelle von u<br />
T<br />
u<br />
( t) u ( t)<br />
T<br />
=<br />
≥ (2)<br />
c<br />
wird. C<br />
L<br />
wird dann erneut auf u<br />
c max<br />
aufgeladen. û<br />
T<br />
ist vom Verhältnis R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
abhängig<br />
( R<br />
i<br />
= ohmscher Innenwiderstand der Sekundärwicklung des Transformators). û<br />
T<br />
wird für<br />
R<br />
M<br />
→ ∞ maximal und entspricht dann der Leerlauf-Spannung des Transformators<br />
û<br />
T<br />
( R M<br />
→ ∞)<br />
. R<br />
M<br />
wird i.A. so gewählt, dass R<br />
M<br />
>> R<br />
i<br />
ist.<br />
Für die maximale Sperrspannung an der <strong>Diode</strong> gilt:<br />
u<br />
s max<br />
⎛ 3<br />
⎝ 4<br />
⎞<br />
( R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
) = û<br />
T<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) + u<br />
c⎜<br />
T⎟<br />
< û<br />
T<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) + û<br />
T<br />
( R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
) − UD<br />
⎠<br />
(3)<br />
Um die Möglichkeit<br />
mit<br />
R → ∞ bei der Schaltungsauslegung zu berücksichtigen, sollte jedoch<br />
M<br />
u<br />
s max<br />
( R<br />
M<br />
∞) = 2⋅û<br />
T<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) − U<br />
D<br />
gerechnet werden.<br />
→ (4)<br />
Abbildung 3<br />
Die Welligkeit von u<br />
a<br />
wird Brummspannung genannt (Abbildung 3).<br />
Die Brummspannung<br />
Widerstandes<br />
M<br />
U<br />
Br<br />
ist von der Kapazität C<br />
L<br />
des Ladekondensators, vom Wert des<br />
u N<br />
t (hier: 50 Hz) abhängig. Die<br />
R und von der Frequenz der Spannung ( )<br />
Abhängigkeit von R<br />
M<br />
ist deshalb besonders wichtig, weil dieser Widerstand als Ersatzwiderstand<br />
für eine dem Einweggleichrichter folgende Schaltung gelten kann. Die Brummspannung<br />
ist damit lastabhängig.<br />
14
Messaufgaben<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
1. R<br />
M<br />
ist auf 1 kΩ<br />
abzugleichen. Die Kennlinie der <strong>Diode</strong> für den Einweggleichrichter ist<br />
zu oszillographieren und zu skizzieren.<br />
2. In der Schaltung des Einweggleichrichters sind die Spannungsverläufe u T<br />
( t)<br />
, u d<br />
( t)<br />
und<br />
u a<br />
( t)<br />
zu oszillographieren und phasenrichtig untereinander zu skizzieren. C<br />
L<br />
soll dabei<br />
zunächst nicht angeschlossen sein.<br />
3. Wie 2. jedoch mit angeschlossenem C<br />
L<br />
.<br />
4. Die Spannungsverläufe aus 2. und 3. sind zu interpretieren.<br />
5. Der Widerstand R<br />
M<br />
soll so eingestellt werden, dass die Brummspannung U Br<br />
= 1V<br />
beträgt.<br />
Wie groß ist dann R<br />
M<br />
? Wie groß ist der Strom durch R<br />
M<br />
? ( C<br />
L<br />
ist angeschlossen).<br />
<strong>Versuch</strong> 5b: Brückengleichrichter<br />
<strong>Versuch</strong>saufbau:<br />
Abbildung 4<br />
Der Brückengleichrichter nutzt im Gegensatz zum Einweggleichrichter jede Halbwelle von<br />
u<br />
T<br />
zum Nachladen des Ladekondensators C<br />
L<br />
: Während des größten Teils der positiven<br />
Halbwelle von u<br />
T<br />
sind die <strong>Diode</strong>n D1 und D3 leitend, während des größten Teils der negativen<br />
Halbwelle die <strong>Diode</strong>n D2 und D4. Bei leerlaufendem Ausgang ist die maximale Ausgangsspannung<br />
u<br />
a max<br />
( R<br />
M<br />
∞) = u<br />
cmax<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) = û<br />
T<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) − 2⋅<br />
UD<br />
→ (5)<br />
Bei Belastung des Ausgangs liefert eine Näherungsrechung (vergleiche [1]).<br />
u<br />
a max<br />
( ) ( ) ( ) ⎜<br />
i<br />
R =<br />
= → ∞ ⋅<br />
−<br />
⋅ ⎟ i<br />
/ R<br />
M<br />
u<br />
c max<br />
R<br />
i<br />
/ R<br />
M<br />
u<br />
a max<br />
R<br />
M<br />
1<br />
2 R<br />
M ⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
R<br />
⎞<br />
(6)<br />
15
Die maximale Sperrspannung ist für jede <strong>Diode</strong> mit<br />
u<br />
s max<br />
( R<br />
M<br />
∞) = û<br />
T<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) − U<br />
D<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
→ (7)<br />
nur etwa halb so groß wie beim Einweggleichrichter. Für die Brummspannung gilt näherungsweise<br />
(nach [2])<br />
u<br />
Br<br />
= u a<br />
π⋅f<br />
⋅R<br />
⋅C<br />
( f : Netzfrequenz)<br />
N<br />
N<br />
M<br />
L<br />
(8)<br />
mit der mittleren Ausgangsspannung<br />
u<br />
u<br />
a<br />
Br<br />
= u<br />
a max<br />
u<br />
a max<br />
=<br />
1<br />
+ π⋅f<br />
2<br />
( R<br />
M<br />
→ ∞) − U<br />
Br<br />
( R → ∞)<br />
N<br />
M<br />
⋅R<br />
M<br />
⋅C<br />
L<br />
2<br />
1<br />
(9)<br />
(10)<br />
Literatur<br />
[1] U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag 1980, S. 366.<br />
[2] H. Tholl: "Bauelemente der Halbleiterelektronik, Teil 1", Teubner-Verlag, 1976, S. 50.<br />
Messaufgaben<br />
6. Oszillographieren Sie die Spannungsverläufe u T<br />
( t)<br />
und ( t) u ( t)<br />
Sie diese phasenrichtig untereinander.<br />
u 1 d4<br />
d − und skizzieren<br />
7. Erklären Sie die Wirkungsweise des Brückengleichrichters anhand der Diagramme aus<br />
Messaufgabe 6.<br />
8. Berechnen und messen Sie die Brummspannung des Brückengleichrichters bei einer Belastung<br />
wie im <strong>Versuch</strong>steil "Einweggleichrichter".<br />
( û T ( R M → ∞)<br />
= 16 V, f N = 50 Hz, U D = 0.6 V, C L = 220 µ F)<br />
. Ist ein Unterschied<br />
zum Einweggleichrichter feststellbar?<br />
16
<strong>Versuch</strong> 5c: Thyristor-Schalter<br />
<strong>Versuch</strong>saufbau:<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abbildung 5<br />
Die Abbildung 5 zeigt den Thyristor in seiner Anwendung als Leistungsschalter. Durch Einschalten<br />
eines sehr kleinen Gate-Stroms i kann ein relativ großer Anodenstrom G<br />
i<br />
A<br />
durch<br />
den Lastwiderstand R<br />
L<br />
zum Fließen gebracht werden:<br />
Die Thyristor-Schaltung befindet sich nach dem Einschalten der Versorgungsspannung<br />
im Arbeitspunkt A<br />
1<br />
(Abbildung 6). Dabei soll zunächst noch kein Gate-Strom fließen. In diesem<br />
Zustand fließt nur der (vernachlässigbar kleine) Anodenstrom i<br />
A1<br />
durch den Lastwiderstand.<br />
Fast die gesamte Versorgungsspannung<br />
u = . Nach<br />
U liegt am Thyristor an ( )<br />
Q<br />
AK<br />
U Q<br />
dem Einschalten eines hinreichend große Gate-Stroms besitzen die Arbeitsgerade und die<br />
Thyristor-Kennlinie nur noch den Schnittpunkt A<br />
2<br />
. Es fließt nun der relative große Anodenstrom<br />
i<br />
A2<br />
durch den Lastwiderstand. Fast die gesamte Versorgungsspannung fällt am Lastwiderstand<br />
ab ( u AK<br />
≈ 0)<br />
. Der Arbeitspunkt A<br />
2<br />
bleibt auch nach dem Abschalten des Gate-<br />
Stroms erhalten. Um in den Arbeitspunkt A<br />
1<br />
zurückzugelangen, ist es notwendig, die Versorgungsspannung<br />
U<br />
Q<br />
kurzzeitig abzuschalten.<br />
U<br />
Q<br />
Abbildung 6<br />
17
Messaufgaben<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
9. Messen Sie den Strom durch den Lastwiderstand R<br />
L<br />
vor und nach dem Zünden des Thyristors<br />
durch einen Gate-Strom.<br />
10. Wie groß ist der zum Zünden notwendige Gate-Strom?<br />
<strong>Versuch</strong> 5d: <strong>Transistor</strong>-Schalter<br />
<strong>Versuch</strong>saufbau:<br />
Abbildung 7<br />
In der Schaltung der Abbildung 7 dient ein <strong>Transistor</strong> zum Einschalten des Stroms durch eine<br />
Glühlampe (= Lastwiderstand R ).<br />
L<br />
18
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abbildung 8<br />
Wie der Abbildung 8 zu entnehmen ist, verändert sich die Lage des Arbeitspunktes der Schaltung<br />
von A<br />
1<br />
nach A<br />
2<br />
wenn ein entsprechend großer Basisstrom i<br />
B<br />
eingeschaltet wird. Diese<br />
Änderung kann durch Abschalten des Basisstroms rückgängig gemacht werden. Die Arbeitsgerade<br />
ist durch<br />
i<br />
( u U ) 0<br />
= und<br />
c CE Q<br />
=<br />
c<br />
( u<br />
CE<br />
= 0) U<br />
Q<br />
/ R<br />
L<br />
i =<br />
(11)<br />
festgelegt.<br />
Bei jeder Änderung der Ströme oder Spannungen am <strong>Transistor</strong> werden Raumladungen in den<br />
Grenzschichten zwischen Emitter und Basis bzw. Basis und Kollektor auf- oder abgebaut. Da<br />
dieser Auf- oder Abbau eine gewissen Zeit benötigt, kann der Kollektorstrom nicht unmittelbar<br />
nach dem Einschalten des Basisstroms seinen stationären Wert (bestimmt durch A<br />
2<br />
) annehmen.<br />
Entsprechendes gilt für das Ausschalten des Basisstroms. Der <strong>Transistor</strong> reagiert<br />
demnach träge, wie alle anderen elektronischen Bauelemente auch. Dies führt dazu, dass eine<br />
Grenzfrequenz existiert, oberhalb der der Ausgangsstrom des <strong>Transistor</strong>s (hier: i c<br />
) nicht mehr<br />
in der Lage ist, dem Eingangsstrom des <strong>Transistor</strong>s (hier: i B<br />
) zu folgen.<br />
Um zu verhindern, dass im Bereich der <strong>Transistor</strong>-Grenzfrequenz auch der Ausgangsstrom<br />
der <strong>Transistor</strong>-Schaltung (hier: i<br />
c<br />
) nicht mehr dem Eingangsstrom der <strong>Transistor</strong>schaltung<br />
(hier: i<br />
S<br />
) folgen kann, bedarf es besonderer schaltungstechnischer Maßnahmen. Die einfachste<br />
Maßnahme ist die Parallelschaltung eines Kondensators C<br />
S<br />
zum Basiswiderstand R<br />
B<br />
.<br />
Wie die Abbildung 9 zeigt, verursacht der Kondensator C im Einschalt-Moment eine Überhöhung<br />
des Basisstroms i<br />
B<br />
und sorgt dadurch für eine schnellere "Überschwemmung" der<br />
Emitter-Basis-Grenzschicht mit Ladungsträgern. Im Ausschalt-Moment wird die Stromrichtung<br />
von i<br />
B<br />
sogar kurzzeitig umgekehrt, wodurch verstärkt Ladungsträger aus der Emitter-<br />
Basis-Grenzschicht "abgesaugt" werden.<br />
S<br />
19
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abbildung 9<br />
Messaufgaben<br />
11. Oszillographieren und skizzieren Sie u S<br />
( t)<br />
und ( t)<br />
u L<br />
phasenrichtig untereinander (Ansteuerung<br />
des <strong>Transistor</strong>-Schalters mit einem Rechteck-Generator). Bestimmen Sie t<br />
ein<br />
und t<br />
aus<br />
. Wie groß ist die maximal mögliche Schaltfrequenz? Diese Messaufgabe soll<br />
ohne<br />
C<br />
S<br />
durchgeführt werden.<br />
12. Wie 11. jedoch mit C<br />
S<br />
.<br />
20
<strong>Versuch</strong> 5e: <strong>Transistor</strong>-Verstärker<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
<strong>Versuch</strong>saufbau:<br />
Abbildung 10<br />
Das Hauptanwendungsgebiet des <strong>Transistor</strong>s ist die Kleinsignalverstärkung in der Nachrichtentechnik.<br />
Unter "kleinen" Signalen versteht man Signale, die den <strong>Transistor</strong> nur in näherungsweise linearen<br />
Bereichen seines Kennlinienfeldes aussteuern. Wenn die Emitter-Basis-<strong>Diode</strong> des Tran-<br />
U BE<br />
t über einen nichtlinearen Bereich ausgesteuert<br />
sistors mit einem kräftigeren Signal ( )<br />
wird, ist das Ausgangssignal U CE<br />
( t)<br />
verzerrt (Abbildung 11). Eine spektrale Zerlegung des<br />
Ausgangssignals würde zeigen, das es aus Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen zusammengesetzt<br />
ist. Der störende Anteil an Schwingungen jenseits der Frequenz des Eingangssignals<br />
wird i.A. durch die Angabe des "Klirrfaktors" gekennzeichnet.<br />
21
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abbildung 11<br />
Die Abbildung 10 zeigt einen <strong>Transistor</strong> in Emitterschaltung als Kleinsignal-Verstärker. Der<br />
Spannungsteiler aus den Widerständen R , R B 1<br />
und R<br />
B2<br />
dient zur Einstellung der Basisspannung<br />
im Arbeitspunkt. Durch den Widerstand R<br />
E<br />
wird der gewählte Arbeitspunkt gegen<br />
Temperaturänderungen stabilisiert: Für den Emitterstrom durch die Emitter-Basis-<strong>Diode</strong> gilt<br />
in Durchlassrichtung gemäß der Gleichung auf Seite 8<br />
i<br />
E<br />
⎡ u ⎤<br />
(12)<br />
BE<br />
~ exp ⎢ ⎥ .<br />
⎣ U<br />
T ⎦<br />
Damit ist i<br />
E<br />
wegen U T<br />
~ T temperaturabhängig. Weil i<br />
B<br />
und i mit C<br />
i<br />
E<br />
verknüpft sind, hat<br />
eine Temperaturänderung auch Einfluss auf den Kollektorstrom i<br />
C<br />
. Der Arbeitspunkt der<br />
Schaltung würde sich deshalb ohne Gegenmaßnahmen bei einer Temperaturänderung verschieben.<br />
Durch den Widerstand R wird nun erreicht, dass der Emitterstrom wegen<br />
E<br />
=<br />
u<br />
u<br />
=<br />
− U<br />
( mit u u )<br />
E B BE B<br />
i<br />
E<br />
≈<br />
B<br />
>><br />
R<br />
E<br />
R<br />
E<br />
R<br />
E<br />
u<br />
BE<br />
(13)<br />
praktisch durch<br />
R durch den Kondensator<br />
E<br />
R<br />
E<br />
bestimmt wird und nicht mehr durch<br />
C<br />
E<br />
überbrückt.<br />
u<br />
BE<br />
. Für die Wechselsignale wird<br />
Die Kondensatoren C<br />
e<br />
und C<br />
a<br />
verhindern, dass sich die Gleichspannungen in dieser <strong>Transistor</strong>stufe<br />
auf die vorangehende oder nachfolgende Schaltung auswirken.<br />
22
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
Abbildung 12<br />
Die Abbildung 12 zeigt das vollständige Kennlinienfeld des in diesem <strong>Versuch</strong> benutzten<br />
<strong>Transistor</strong>s. Die Aussteuerung des <strong>Transistor</strong>s durch die Basis-Emitter-Spannung u<br />
BE<br />
bzw.<br />
durch den Basisstrom i B<br />
ist eingezeichnet.<br />
23
Messaufgaben<br />
<strong>Versuch</strong>sbeschreibung: <strong>Diode</strong>, <strong>Transistor</strong>, Thyristor<br />
13. Bestimmen Sie aus Abbildung 12 mit dem eingezeichneten Arbeitspunkt die Kleinsignal-<br />
Spannungsverstärkung<br />
û<br />
a<br />
V<br />
u<br />
=<br />
û<br />
e<br />
14. Oszillographieren Sie u a<br />
( t)<br />
und ( t)<br />
u e<br />
. Bestimmen Sie daraus V<br />
u<br />
. R soll dabei den auf<br />
dem Schaltbrett markierten Wert besitzen.<br />
15. Durch Änderung von R soll der Arbeitspunkt der Schaltung verschoben werden. Beo-<br />
u a<br />
t .<br />
bachten Sie das Verhalten von ( )<br />
24