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Elektrische Eigenschaften von Bipolartransistoren

Die Tabelle mit allen Messwerten findet ihr in der Rubrik Download.

Der Film zum Kapitel


Anschlüsse

NPN transistor
Abbildung 1:
Ein Bipolartransistor verfügt in der Regel über drei Anschlüsse: Den Emitter-, Basis- und Kollektorkontakt. Daraus ergeben sich zwei gekoppelte Stromkreise: Der Eingangskreis (blau) über die Basis und der Ausgangskreis (grün) über den Kollektor. Beide Stromkreise sind mit dem Emitteranschluss verbunden.
In diesem Kapitel sollen die elektrischen Eigenschaften dieser beiden Stromkreise näher untersucht werden.

Einfacher Versuchsaufbau

Versuchsaufbau Transistorschaltung
Abbildung 2:
In der ersten Versuchsreihe wird ein möglichst simpler Testschaltkreis verwendet. Ein Spannungsteiler aus drei Potentiometern und einem konstanten Widerstand von 1kΩ ermöglicht es, eine variable Spannung an die Basis des Transistors zu legen. Zu zwei der Potentiometer ist ein Widerstand von 10Ω beziehungsweise 100Ω parallel geschaltet. Somit dienen diese beiden Potis zur Feineinstellung der Basisspannung. Zwischen Kollektor und Pluspol der Spannungsquelle ist ein 390Ω Widerstand geschaltet, womit der fließende Kollektorstrom im Versuchsverlauf begrenzt wird. Dieser Widerstand wird auch als Lastwiderstand bezeichnet.
Als Spannungsquelle dient ein 12V Bleiakku, an dem eine Spannung von 12.38V gemessen wurde, die im Versuchsverlauf als konstant betrachtet wird.
Gemessen wird in diesem Schaltkreis mit Hilfe dreier digitaler Multimeter die an der Basis anliegende Spannung, der Basisstrom und die an dem 390Ω-Widerstand abfallende Spannung.

Auswertung Versuchsreihe 1

Aus den gewonnennen Daten kann die Kennline von Bassisstrom zu Basisspannung aufgetragen werden:

Basisstrom über Basisspannung
Abbildung 3:

Es ergibt sich die typische Kennlinie einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode. Bis zu einer Spannung von etwa 0,7V ist der Kurvenverlauf flach, d. h. bei großer Änderung der Spannung tritt nur eine geringe Änderung im Stromfluss auf. Oberhalb von 0,7V bewirkt schon eine geringe Änderung der Basisspannung eine große Änderung des Stromflusses.
Zwischen Basis und Emitter des Bipolartransistors befindet sich ein einzelner P/N-Übergang, der in Vorwärtsrichtung geschaltet ist (siehe Kapitel Bipolartransistoren).

Mit Hilfe der Gesamtspannung (=Batteriespannung), dem Spannungsabfall am Lastwiderstand und dem Widerstandswert des Selben, kann der Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors errechnet werden. Dabei gilt:


oder

Dabei bedeutet:
RL - Lastwiderstand, RC - Kollektorwiderstand, UL - Spannungsabfall Lastwiderstand, UBat - Batteriespannung

Somit erhält man die Kennlinie des Kollektorwiderstands zur Basisspannung:
Emitter-Kollektor-Widerstand üBer Basisspannung
Abbildung 4:


Durch Anlegen einer Spannung an die Basis des Transistors, kann der Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke verändert werden. Das verwendete Digitalmultimeter kann Ströme unter einem Mikroampere nicht messen, weswegen keine Werte für Basisspannungen unterhalb 0,6V erfasst werden können. Zu sehen ist, dass sich der Widerstand im Bereich zwischen 0,6 und 0,7V Basisspannung von circa 20.000Ω auf unter ein Kiloohm ändert.
Aufgrund des sich ändernden Widerstands des Transistors, variiert die am Kollektor des Transistors anliegende Spannung im Verlauf der Messung ebenfalls. Um reproduzierbare Messwerte an der Basis erfassen zu können, muss dieser jedoch konstant gehalten werden. Daher werden die weiteren Messwerte mit einer verbesserten Schaltung erfasst.

Verbesserter Versuchsaufbau

Zweiter Versuchsaufbau Transistorschaltung
Abbildung 5:
Im ersten Versuchsaufbau bilden der NPN-Transistor und der Lastwiderstand einen Spannungsteiler. In diesem Versuchsaufbau wird der Lastwiderstand durch einen PNP-Transistor ersetzt. Somit befinden sich in dem Spannungsteiler zwei einstellbare Widerstände und der Spannungsabfall an dem NPN-Transistor kann mit Hilfe des PNP-Transistors justiert werden. Die Lampe L1 dient zur Strombegrenzung in dem Versuchsaufbau. Wie wir noch sehen werden, können zu hohe Ströme zur Zerstörung der Transistoren führen.
L2 dient zur Spannungsstabilisierung in dem Regelkreis.
Der Widerstandswert des PNP-Transistors wird durch eine negative Steuerspannung zwischen Emitter und Basis geschaltet, der NPN-Transistor hingegen durch eine positive Steuerspannung. Somit kann die Eingangskennlinie des NPN-Transistors bei konstanter Kollektorspannung aufgezeichnet werden.
Der Basisstrom wird in diesem Versuchsaufbau indirekt durch Messen des Spannungsabfalls an einem 1kΩ Widerstand ermittelt. Der Grund liegt darin, dass die verwendeten digitalen Multimeter Stromstärken von unter einem Mikroampere nicht direkt messen können.

Auswertung Versuchsreihe 2

Die Kennlinien von Basisstrom zu -spannung bei 2V, 5V und 7V Kollektorspannung wurden aufgezeichnet:

Basisstrom über Basisspannung
Abbildung 6:

Mit zunehmender Kollektorspannung steigt der Strom durch die Basis an, da die elektrischen Felder von Kollektor- und Basisspannung in die gleiche Richtung wirken.
Der Zusammenhang von Basisstrom zu Basisspannung bei konstanter Kollektrospannung wird als Eingangskennlinie bezeichnet.


Die Strom-Spannungs-Kennlinie am Kollektor wird bei konstanten Basisströmen von 50μA, 100μA und 200μA aufgezeichnet:

Kollektorstrom üBer Kollektorspannung
Abbildung 7:

Im Bereich zwischen 0 und 1V Kollektorspannung sind mit der verwendeten Versuchsanordnung keine brauchbaren Resultate zu erzielen. Dennoch ist der steile Anstieg in diesem Bereich zu erkennen. Oberhalb von einem Volt Spannung verläuft die Kurve nahezu linear, mit einer geringen Steigung. Diese Steigung nimmt mit zunehmendem Basisstrom ebenfalls zu. Der Widerstand der Emitter-Kollektor-Streke nimmt mit steigendem Basisstrom ab, er steigt hingegen mit zunehmender Kollektorspannung.
Der Zusammenhang von Kollektorstrom zu Kollektorspannung bei konstantem Basisstrom wird als Ausgangskennlinie bezeichnet.

Das Verhältnis von Basisstrom zu Kollektrostrom zeigt einen nahezu linearen Verlauf:

Kollektorstrom über Kollektorspannung
Abbildung 8:

Der Kollektorstrom ist in etwa gleich dem Produkt aus dem Basisstrom und einer Konstanten:

IC = β * IB

Dabei bedeutet:
IC - Kollektrostrom, IB - Basisstrom, β - Stromverstärkungsfaktor

Dabei gibt der dimensionslose Faktor Beta die Steigung der Geraden an. Beta bezeichnet den Stromverstärkungsfaktor eines Transistors und dieser steigt mit zunehmender Kollektorspannung leicht an. Für den hier untersuchten Transistor ergibt sich aus den Messwerten ein Beta von etwa 130.
Den Zusammenhang von Kollektor- zu Basisstrom bezeichnet man als Übertragung.

Zuletzt wird das Zusammenspiel von Basis- zu Kollektorspannung bei konstantem Basisstrom aufgetragen:
Basisspannung über Kollektorspannung
Abbildung 9:

Der steile Anstieg im Bereich zwischen 0 und etwa 1V kann mit der verwendeten Versuchsanordnung nur ungenau erfasst werden. Oberhalb von einem Volt Kollektorspannung zeigt sich erneut ein fast linearer Zusammenhang zwischen Basis- und Kollektrospannung. Erneut ist zu sehen, dass das elektrische Feld der Kollektrospannung ebenfalls in Durchlassrichtung der Basis-Emitter-Diode gerichtet ist. Mit zunehmender Kollektorspannung wird daher eine geringere Basisspannung benötigt, um den Stromfluss konstant zu halten.
Den Zusammenhang von Kollektor- zu Bassispannung bei konstantem Basisstrom bezeichnet man als Rückwirkung.

Kombiniertes Kennlinienfeld

Kombiniertes Kennlinienfeld
Abbildung 10:
Die Kennlinien von Eingang, Ausgang, Übertragung und Rückwirkung werden häufig in einem kombinierten Kennlinienfeld zusammengefasst.

Inverse Verstärkung

Bipolartransistor Werden die Anschlüsse von Emitter und Kollektor in dem Versuchsaufbau vertauscht, wird der Transistor im inversen Verstärkungsbereich betrieben. Transistoren sind nicht symmetrisch aufgebaut, weshalb sich die elektrischen Eigenschaften im inversen Betrieb deutlich ändern. Die Emitter-Basis-Diode wird nun in Sperrichtung betrieben. Die maximale Sperrspannung dieses P/N-Übergangs ist deutlich geringer als die des P/N-Übergangs zwischen Basis und Kollektor. Bei dem hier untersuchten BD135 beträgt die Maximalspannung weniger als 8Volt im Vergleich zu 45Volt im normalen Betrieb.

Die Eingangskennlinie zeigt eine deutliche Abweichung vom Normalbetrieb:

Inverse Verstärkung
Abbildung 12:



Der Stromverstärkungsfaktor ist wesentlich kleiner:

Inverse Verstärkung
Abbildung 13:

Grenzwerte

Glühender Transistor Beim Betrieb von Halbleiterbauteilen sind mehrere elektrische Grenzwerte einzuhalten, um einer Zerstörung des Bauteils vorzubeugen. Eckdaten sind der maximale Basis- und Kollektorstrom, die maximale Kollektorspannung und die maximale Verlustleistung.
Maximalwerte im Kennlinienfeld Die maximale Verlustleistung, der maximale Kollektorstrom und die maximale Kollektorspannung werden im Ausganskennlinienfeld eingezeichnet.


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