Wir kennen bis jetzt zwei Typen von Bauelementen, den Widerstand und den Kondensator. Beim Widerstand haben wir die Beziehung
|
Abbildung 3.11 zeigt die Kennlinie eines Widerstandes. Neben Widerständen und Kondensatoren gibt es andere passive und aktive Bauelemente. Die Kennlinien sind meistens nicht linear. Abbildung 3.12 zeigt verschiedene Bauelemente.
Diese Bauelemente sind sowohl linear wie nichtlinear. Wenn man die genaue physikalische Funktionsweise eines Bauelementes nicht kennt, dann helfen Kennlinien, trotzdem mit dem Bauelement Schaltungen zu berechnen.
|
Abbildung 3.13 zeigt wie die Messung geht. Die Spannung wird über das Potentiometer , ein gebräuchlicher Name für einen veränderbaren Widerstand, an den zu testenden Widerstand angeschlossen. Mit einem (idealen) Voltmeter wird die Spannung am Widerstand gemessen. Das ideale Ampèremeter misst den Strom durch durch den Widerstand . Diese beiden Grössen werden denn wie in Abbildung 3.11 aufgezeichnet.
|
Kennlinie einer Diode vom Typ 1N4148 gemessen mit der Schaltung nach Abbildung
3.14.
|
Als Beispiel eines nichtlinearen Bauelementes zeigt Abbildung 3.14 die Messschaltung und Abbildung 3.15 die Kennlinie der Diode 1N4148. Für positive Spannungen ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt. Deshalb sind die Ströme bei kleinen Spannungen sehr gross. In der Sperrrichtung Sind die Ströme viel kleiner. Diese können an der rechten Skala abgelesen werden.
|
Abbildung 3.16 zeigt einen Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen und . Die Spannung an und die Spannung an sind in Serie. Es muss gelten
(3.219) |
Andererseits fliesst der gleiche Strom durch und und durch den Ersatzwiderstand . Also hat man
(3.220) |
(3.223) |
Gemeinsame Auftragung der Kennlinien zweier in Reihe geschalteter
Widerstände
und
mit einer Batteriespannung .
|
Die beiden Kennlinien in Abbildung 3.17 schneiden sich bei und . Nur an diesem Punkt stimmt an beiden Widerständen die Beziehung zwischen Strom und Spannung (Ohmsches Gesetz) und gleichzeitig ist die Summer der Spannungsabfälle gleich der Batteriespannung. Setzt man in Gleichung (3.76) und Gleichung (3.77) die Werte für , und ein, erhält man das gleiche Ergebnis. Das Verfahren zur Bestimmung des Arbeitspunktes ist unabhängig von der Tatsache, dass Widerstände lineare Bauelemente sind. Es funktioniert auch mit Dioden und jeglichen anderen nichtlinearen Bauelementen.
Um grafisch die Spannungsabfälle an zwei in Serie geschalteten Bauelementen zu bestimmen, trägt man die Kennlinien einmal mit zunehmender und für das andere Bauelement mit abnehmender Spannung übereinander auf. Der Schnittpunkt ist der gesuchte Arbeitspunkt. Die Spannungen an den zwei Bauelementen können an der entsprechenden Skala direkt abgelesen werden. |
|
Arbeitspunkt einer Diode vom Typ 1N4148 in Serie mit einem Widerstand
(Schaltung nach
Abbildung 3.18).
|
Aus der Abbildung 3.19 liest man ab, dass am Arbeitspunkt der Schaltung nach Abbildung 3.18 die Spannung und an dem Widerstand die Spannung abfällt. Durch beide Bauteile fliesst der Strom . Das Verfahren nach Abbildung 3.19 ist universell anwendbar.
Ein Transistor hat drei Anschlüsse, den Emitter (E), den Kollektor (C) und die Basis (B). Im Schaltschema ist der Anschluss mit dem Pfeil der Emitter, derjenige auf der gleichen Seite ohne Pfeile der Kollektor und derjenige auf der anderen Seite die Basis.
Links: Basis-Emitter-Kennlinie des Transistors BC107, rechts: Kollektor-Kennlinie des Transistors BC107
mit dem Basisstrom .
|
Die Basis-Emitter-Kennlinie in Abbildung 3.20 ist die gewöhnliche Diodenkennlinie. Die rechte Seite von Abbildung 3.20 zeigt das Kollektor-Kennlinienfeld des Transistors. Dieses Kennlinienfeld wird manchmal auch das Ausgangskennlinienfeld genannt. Beim Ausgangaskennlinienfeld wird der Basisstrom als Parameter verwendet. Die Abbildung 3.20 zeigt die Kennlinien bei festgehaltenem Basuisstrom, wobei die Basisströme von bis in Schritten von variieren.
Bei vorgegebener Kollektor-Emitter-Spannung kann man so den Ausgangsstrom am Kollektor bestimmen. Analog kann bei vorgegebenem Kollektorstrom die Spannung zwischen Emitter und Kollektor als Funktion des Basisstroms abgelesen werden. Dies ist wichtig, wenn der Transistor als Schalter verwendet werden soll.
Schaltung zur Messung des Ausgangskennlinie des Transistors BC107 mit einem Kollektorwiderstand von .
|
Arbeitskennlinie des Transistors BC107 mit einem Kollektorwiderstand von gemessen mit der
Schaltung nach Abbildung 3.21.
|
Die Abbildung 3.21 zeigt die Schaltung eines Transistorverstärkers. Der Strom in die Basis steuert den Strom im Kollektor .Der Kollektorstrom fliesst durch den Widerstand . Die Summe der Spannungsabfälle an beiden Bauelementen muss der Batteriespannung entsprechen. Wir können also analog wie bei der Diode vorgehen (siehe Abbildung 3.19): Wir zeichnen die Kennlinie des Widerstandes wie bei der Diode rückläufig ein. Die Schnittpunkte der Kennlinie des Widerstandes mit den verschiedenen, basisstromabhängigen Ausgangskennlinien des Transistors sind die Kurve, die die Storm- oder Spannungsverstärkung angibt.
Verstärkung eines Transistors in der
Emitterschaltung (Der Emitter wird sowohl vom Eingang wie vom Ausgang verwendet.)
|
Abbildung 3.23 zeigt sowohl die Kolektor-Emitterspannung wie auch den Kollektorstrom . Die Verstärkung ist für den Basisstrombereich linear. Die Verstärkungswerte sind in Tabelle 3.1 angegeben.
|
Wenn das Eingangssignal nicht ein Strom, sondern eine Spannung sein soll, muss die Spannung mit einem Widerstand in einen Strom umgewandelt werden.
|
Zum Schluss dieses Abschnittes wollen wir die Schaltung nach Abbildung 3.24 besprechen. Wir verwenden die Daten aus Abbildungen 3.22 und 3.23. Der Widerstand ist der Arbeitswiderstand aus Abbildung 3.21. Wir hatten immer eine Spannung von über dem Arbeitswiderstand (oder hier) und dem Transistor. Wir wollen dies beibehalten und gleichzeitig einen Spannungsabfall von über haben. Bei unseren vorherigen Berechnungen war . Den Arbeitspunkt setzen wir in etwa in die Mitte des linearen Bereiches, bei und bei . Damit ist
|
Weiterführende Informationen finden Sie im Skript Physikalische Elektronik und Messtechnik [].
Othmar Marti