Lernpaket Elektronik - Tipps und Informationen

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Lernpaket Elektronik
CD zum Lernpaket Elektronik, Version 4 für Windows 7  (ElektronikV4.zip, 209,378 KB)
Zu den Beispielprogrammen in VB.Net siehe auch  www.fkainka.de/vbnet/vbnet.html

4.1 Mehr Strom!
 
Die Schaltung nach Abb. 4.1 zeigt die Grundfunktion des NPN-Transistors. Es gibt zwei Stromkreise. Im Steuerstromkreis fließt ein kleiner Basisstrom, im Laststromkreis ein größerer Kollektorstrom. Beide Ströme gemeinsam fließen durch den Emitter. Da der Emitter hier am gemeinsamen Bezugspunkt der Schaltung liegt, nennt man diese Schaltung auch die Emitterschaltung. Sobald der Basisstromkreis geöffnet wird, fließt auch kein Laststrom mehr. Der entscheidende Punkt ist, dass der Basisstrom sehr viel kleiner ist als der Kollektorstrom. Der kleine Basisstrom wird also zu einem größeren Kollektorstrom verstärkt. Im vorliegenden Fall ist der Stromverstärkungsfaktor etwa 100. Der Basiswiderstand ist mit 100 kOhm einhundertfach größer als der Vorwiderstand im Laststromkreis.
 

Abb. 4.1 Ein NPN-Transistor in Emitterschaltung 
 
Der Transistor arbeitet in dieser Schaltung wie ein Schalter. Zwischen Kollektor und Emitter liegt nur noch ein sehr kleiner Spannungsabfall. Der Kollektorstrom ist bereits durch den Verbraucher begrenzt und kann nicht weiter steigen. Man spricht hier von „Sättigung“, d.h. der Kollektorstrom ist „gesättigt“, der Transistor ist voll durchgesteuert.
 
 
 
Abb. 4.2 Der Transistor in Emitterschaltung 
 
Bauen Sie den Versuch entsprechend Abb. 4.2 auf. Die LEDs dienen zum Anzeigen der Ströme. Die rote LED leuchtet hell, die grüne kaum. Nur in einem völlig abgedunkelten Raum ist der Basisstrom als schwaches Leuchten der grünen LED zu erkennen. Der Unterschied ist ein Hinweis auf die große Stromverstärkung.
 
Untersuchen Sie das Verhalten eines Transistors bei unterschiedlichen Basisströmen mit dem Simulationsprogramm zum NPN-Transistor aus dem Elektronik-Werkzeugkasten. Im Bereich kleiner Steuerströme beträgt der Stromverstärkungsfaktor des simulierten Transistors 180. Bei größerer Ansteuerung geht der Transistor in die Sättigung, d.h. der Kollektorstrom steigt nicht weiter an, weil er durch den Kollektorwiderstand begrenzt wird.
 

 
Abb. 4.3 Simulation des NPN-Transistors 
 
Um den maximalen Stromverstärkungsfaktor des realen Transistors zu ermitteln, können Sie den Basiswiderstand vergrößern. Bei 1 MOhm werden Sie immer noch ein Leuchten der roten LED sehen, wenn auch etwas schwächer. Wenn Sie zwei Widerstände mit je 100 kOhm in Reihe schalten, erhalten Sie einen Basiswiderstand von 200 kW, der den Transistor schon praktisch voll durchsteuert. Daraus ergibt sich ein Stromverstärkungsfaktor von etwa 200.
 
Tatsächlich kann der Stromverstärkungsfaktor trotz aller Präzision bei der Herstellung von Transistoren nicht genau geplant werden. Sie können also davon ausgehen, dass die beiden Transistoren BC547B in Ihrem Lernpaket bei einer genaueren Messung eine unterschiedliche Stromverstärkung zeigen. Die Transistoren werden bei der Herstellung getestet und in die Verstärkungsgruppen A (110 – 220), B (200 – 450) und C (420 – 800) eingeteilt. Die vorhanden Transistoren sind B-Typen und haben damit mindestens eine Verstärkung von 200.
 
Bei der Dimensionierung von Schaltungen muss der ungewisse Stromverstärkungsfaktor immer mit beachtet werden, damit eine zuverlässige Funktion in einem weiten Bereich gesichert ist. Im vorliegenden Fall wird der Transistor nur wie ein Schalter eingesetzt. Hier reicht es, den Basiswiderstand für den ungünstigsten Fall zu wählen, d.h. besser einen etwas größeren Basisstrom zu verwenden.
 
 
Abb. 4.4  Der NPN-Transistor mit vertauschten Anschlüssen 
 
 
Vertauschen Sie einmal die Anschlüsse Emitter und Kollektor. Der Transistor arbeitet dennoch, wenn auch mit einem wesentlich geringeren Kollektorstrom. Dass der Transistor auch „falsch herum“ noch arbeitet, liegt an seinem symmetrischen Aufbau aus drei Schichten N, P und N, der im Abschnitt 4 im Elektronik-Werkzeugkasten genauer erläutert wird. Tatsächlich unterscheiden sich jedoch u.a. die Schichtdicken, so dass es nicht gleichgültig ist, welchen N-Anschluss man an den Minuspol legt.
 

 
Abb. 4.5 Vertauschen von Emitter und Kollektor
 
 
In der Praxis liegt der Verstärkungsfaktor für vertauschte Anschlüsse im Bereich 5 bis 20. Sie sehen nur noch ein schwaches Leuchten der roten LED. Tauschen Sie nun den 100-kOhm-Widerstand gegen einen 10-kW-Widerstand aus. Der Kollektorstrom steigt entsprechend an, und das Leuchten der LED im Kollektorstromkreis wird stärker. Man kann deutlich erkennen, dass die rote LED heller leuchtet als die grüne, dass also noch eine Verstärkung vorliegt. Trotzdem ist dies nicht der übliche Einsatz des Transistors. Es handelt sich im Normalfall um einen Fehler. Wenn also eine Schaltung schlechter funktioniert als geplant, kann es daran liegen, dass die Anschlüsse versehentlich vertauscht wurden.
 
 

Frage: Ich habe mir kürzlich ihr "Lernpaket Elektronik" gekauft. Beim Durchprobieren der Versuche, welche Sie im Handbuch beschreiben, stieß ich im Kapitel 4.1 "Mehr Strom" auf ein Problem. Sie gaben dort in Abb. 4.4 an, die Emitter- und Kollektoranschlüsse versuchsweise miteinander zu vertauschen. Wenn ich dies tue, brennt bei meinem Versuchsaufbau nach Anschließen der Batterie permanent die rote LED. Wenn ich den Transistor wieder in die Ausgangsposition zurück setzte ( wie in  Abb. 4.2) funktioniert es, wie Sie es beschreiben. Beim Betätigen des Tasters brennt die rote LED, beim Loslassen hört sie auf zu Leuchten. Ich habe den Versuch jetzt mehrfach auf- und wieder abgebaut und komme stets zum selben Ergebnis. Können Sie mir sagen, woran das liegen könnte?

Antwort: Das liegt vermutlich an der parasitären Z-Diode zwischen Basis und Emitter. Bei geringerer Betriebsspannung von ca. 5 V bis 7 V müsste alles wie beschreiben funktionieren. Die Z-Diode leitetet normalerweise ab ca. 7 V bis 9 V. Da die LED in der Schaltung die Kollektorspannung noch einmal etwa 1,5 V heruntersetzt, geht es meist auch mit 9 V. Es ist aber grenzwertig, wenn die Z-Spannung dieses Transistors besonders tief und die Batteriespannung besonders hoch liegt, leitet der Transistor bereits. Das Thema kam schon in anderen Zusammenhängen vor: Kap. 10.3 Meeresrauschen in diesem Lernpaket, Kippschwingungen und als MOSFET-Schutzschaltung

Ein Langwellenmodulator, von Stefan Klaus



Hier eine kleine Schaltung die ich gebaut habe. Die Herausforderung war, nur Teile aus dem "Lernpaket Elektronik" zu verwenden. Gebaut habe ich einen Langwellenmodulator, der bei ca. 250-260 kHz sendet. Die Tonqualität ist dank des LM358 Modulators relativ gut. Die beiden LED´s wirken als Kapazität für den NE555 Oszillator. Wenn der Modulator als Modulator verwendet wird (direkte Verbindung zum Radio) ist der HF-out ein Steckfeld neben dem Kollektor des BC547. Dadurch bekommt man eine kapazitive Kopplung, und der HF Pegel ist mehr als ausreichend für ein einwandfrei starkes Signal. Bei Direktanschluss eines Drahtes am Kollektor vom BC547 kann ca. 10-20 cm weit gesendet werden. Der Modulator erzeugt eine relativ saubere AM mit kaum FM Anteil. Durch Herausziehen der grünen LED kann die Frequenz noch auf ca. 280 kHz erhöht werden.


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