Analyse der Transistor-Polarisation und Temperaturstabilität

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Geschrieben am 20. Januar 2026 in Deutsch mit einer Größe von 9,65 KB

Arbeitsprozess und Versuchsablauf

1. Prüfen Sie die Anschlüsse des im Experiment verwendeten Transistors und überprüfen Sie dessen Status.

2. Bauen Sie die Schaltung gemäß Abb. 1.1 auf. Beobachten und messen Sie die folgenden Werte:

V_E = 0 V
V_C = 5,29 V
R_3,9K = 3,85 kΩ
V_BE = 0,65 V
V_CE = 5,29 V
R_1,5M = 1,5 MΩ
I_E = 0,98 mA
I_C = 0,97 mA

Zudem müssen die genauen Werte der in jedem Experiment verwendeten Widerstände dokumentiert werden.

Thermische Einflüsse auf den Transistor

Platzieren Sie eine Lampe in der Nähe des Transistors. Nach 30 Sekunden erfassen und beobachten Sie erneut die Werte:

V_CE = 5,18 V
V_E = 0 V
I_C = 0,98 mA
V_C = 5,18 V

Stellen Sie durch Berühren des Transistors seine Temperatur fest. Der Transistor weist eine höhere Temperatur als normal auf, da die Lichtquelle Wärme überträgt und so die Temperatur des Bauteils erhöht.

Analyse der Schaltungen 1.2 bis 1.4

3. Bauen Sie die Schaltung in Bild 1.2 auf und wiederholen Sie die Schritte aus Punkt 2. (R_1K = 1000 Ω):

V_E = 0,859 V
V_C = 5,67 V
V_BE = 0,644 V
V_CE = 4,81 V
I_E = 0,86 mA
I_C = 0,86 mA
Mit Lichtquelle: V_CE = 4,6 V, I_C = 0,88 mA

4. Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 1.3 auf und wiederholen Sie die Schritte. (R_100K = 99,7 kΩ):

V_E = 0,00 V
V_C = 1,729 V
V_BE = 0,666 V
V_CE = 1,729 V
I_E = 1,89 mA
I_C = 1,89 mA
Mit Lichtquelle: V_CE = 1,68 V, I_C = 1,87 mA

Die beobachteten Veränderungen durch die Wärmequelle entstehen, weil der Transistor seine Betriebstemperatur variiert.

Spannungsteiler-Konfigurationen (Abb. 1.4 bis 1.6)

5. Bauen Sie die Schaltung in Abbildung 1.4 auf:

V_E = 1,45 V
V_C = 2,9 V
V_BE = 0,66 V
V_CE = 1,49 V
I_E = 1,46 mA
I_C = 1,46 mA
Mit Lichtquelle: V_CE = 1,4 V, I_C = 1,35 mA

6. Bauen Sie die Schaltung in Bild 1.5 auf:

V_E = 1,172 V
V_C = 4,43 V
V_BE = 0,653 V
V_CE = 3,26 V
I_E = 1,19 mA
I_C = 1,18 mA
Mit Lichtquelle: V_CE = 3,22 V, I_C = 1,2 mA

Es ist festzustellen, dass V_CE bei höheren Temperaturen abnimmt, während I_C ansteigt.

7. Bauen Sie die Schaltung in Abbildung 1.6 auf:

V_E = 0,724 V
V_C = 4,23 V
V_BE = 0,655 V
V_CE = 4,95 V
I_E = 1,23 mA
I_C = 1,23 mA
Mit Lichtquelle: V_CE = 5,02 V, I_C = 1,22 mA

Fragebogen und theoretische Analyse

Führen Sie eine theoretische Analyse durch und vergleichen Sie diese mit den experimentellen Werten sowie der Lastlinie und den Arbeitspunkten Q.

Vergleichstabelle der Messdaten

Experimentelle Daten:

Schaltung:  1       2       3       4       5       6       7
Ve (V):     0,0000  0,8590  0,0000  1,8750  1,1360  0,7240  0,6950
Vbe (V):    0,6400  0,6440  0,6660  0,6560  1,1200  0,6550  0,6390
Vc (V):     4,4100  5,6700  0,0560  1,9440  4,5800  4,2300  4,2500
VCE (V):    4,4000  4,8100  0,0560  0,0560  3,4400  4,9500  4,9400
Ie (mA):    1,1900  0,8600  2,3700  1,8900  1,1200  1,2300  1,2000
Ic (mA):    1,1800  0,8600  2,2900  1,8100  1,1200  1,2300  1,2000

Theoretische Daten (Annahme Beta = 175):

Schaltung:  1       2       3       4       5       6       7
Ve (V):     0,0000  0,8716  0,0000  1,5324  1,1058 -0,7702  0,6950
Vbe (V):    0,7000  0,7000  0,7000  0,7000  0,7000  0,7000  0,6390
Vc (V):     5,2719  5,6634  1,7646  3,1004  4,7668  4,2266  4,2500
VCE (V):    5,2719  4,7918  1,7646  1,5680  3,6610  4,9968  4,9400
Ie (mA):    0,9739  0,8716  1,8793  1,5324  1,1058  1,2469  1,2000
Ic (mA):    0,9683  0,8666  1,8686  1,5237  1,0995  1,2399  1,2000

Einfluss der Stromverstärkung b auf den Arbeitspunkt

7. Rechtfertigen Sie, warum eine Änderung von b eine Verschiebung des Punktes bewirkt.

Die Verschiebung durch eine Änderung von b (Beta) resultiert daraus, dass in der Polarisation eines Transistors gilt: Ic = b * I_B. Da I_B oft durch die Polarisation konstant gehalten wird, variieren der Kollektorstrom I_CQ und die Spannung V_CEQ bei einer Änderung von b entsprechend. Dies führt zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes Q auf der Lastlinie.

Sättigung und Abschnürbereich

8. Begründung für die Schnittbedingungen und Sättigung zur Bestimmung der Lastlinie.

Die Lastlinie wird durch die Punkte der Sättigung und des Abschnürbereichs (Cutoff) definiert, da diese Extrempunkte auf den Achsen (Ic-Achse und Vce-Achse) am einfachsten zu berechnen sind. Im Abschnürbereich ist Ic = 0, während im Sättigungsfall V_CE ≈ 0 angenommen wird. Diese Linie definiert alle möglichen Arbeitspunkte Q des Transistors in der Schaltung.

Stabilitätsvergleich der Polarisationstypen

9. Welche Polarisationsart bietet die beste bzw. schlechteste Stabilität bei Temperaturschwankungen?

Die stabilste Polarisation ist die Spannungsteiler-Schaltung (Abbildung 1.5). Wenn die Bedingung b * R_E >> 10 * R₂ erfüllt ist, bleibt die Basisspannung V_B stabil gegenüber Änderungen von I_C. Die schlechteste Stabilität bietet die feste Basisstrom-Einspeisung (Abbildung 1.1), da sie extrem empfindlich auf Schwankungen von I_CBO und Änderungen von b durch Temperatureinflüsse reagiert.

Vorteile des Emitterwiderstands

10. Was ist der Vorteil eines Widerstands im Emitter einer Transistorschaltung?

Ein Emitterwiderstand sorgt für eine Gegenkopplung, die eine größere Stabilität ermöglicht. Dadurch bleiben die Ströme und DC-Vorspannungen auch bei Änderungen der Versorgungsspannung, der Temperatur oder der Stromverstärkung b des BJT näher an den berechneten Arbeitspunkten.

11. Ist die Kollektor-Rückkopplung so effektiv wie die H-Schaltung (Spannungsteiler)?

Beide Arten sind stabilisierend, aber die H-Polarisation (Spannungsteiler) ist effektiver gegen Temperaturschwankungen und Variationen von b sowie V_BE.

Verhalten der Universal-Bias-Schaltung

12. Erklären Sie das Verhalten der Universal-Bias-Schaltung bei einer Erhöhung von b.

Bei der Spannungsteiler-Konfiguration führt ein Anstieg von b dazu, dass der Basisstrom I_B sinkt. Da die Basisspannung V_B durch den Spannungsteiler weitgehend konstant gehalten wird (unabhängig von b), führt ein Anstieg von I_E zu einer höheren Spannung an R_E, was wiederum V_BE reduziert und so dem Stromanstieg entgegenwirkt. Die Schaltung ist somit sehr stabil gegenüber Änderungen von b.

Schaltungsdesign und Berechnung

13. Design der Schaltung in Abbildung 1.5:

Vorgaben: I_CQ = 1 mA, Vcc = 12 V, 50 < b < 150, I_CBO = 0.

V_CEQ = Vcc / 2 = 6 V (für maximale Auslenkung)
Rc + R_E = (Vcc - V_CE) / Ic = 6 kΩ
Wahl: R_E = 1 kΩ, Rc = 5 kΩ
V_B = V_E + V_BE = 1 V + 0,7 V = 1,7 V
R₂ ≤ (b * R_E) / 10 ≈ 5 kΩ (gewählt: 3,3 kΩ Marktwert)
R₁ berechnet zu ca. 17,17 kΩ (gewählt: 20 kΩ Marktwert)

Ergebnis: P_Q ≈ 6 mW, I_Csat = 2 mA.

Technische Daten des Transistors BC548

14. Kenndaten laut Handbuch:

V_CEOmax = 30 V (oder 20 V je nach Typ)
I_Cmax = 200 mA
P_totmax = 300 mW
T_jmax = 150 °C
h_fe (b) = 125 bis 500

Beobachtungen und Schlussfolgerungen

15. Protokoll der Ergebnisse:

Es wurde experimentell bestätigt, dass ein Emitterwiderstand die Stabilität der Schaltung erheblich verbessert. Die verschiedenen Polarisationstypen des BJT BC548 wurden hinsichtlich ihres Arbeitspunktes Q und ihrer thermischen Stabilität untersucht. Die Spannungsteiler-Schaltung erwies sich als die stabilste Konfiguration gegenüber Temperaturschwankungen, die im Versuch mittels einer Wärmequelle simuliert wurden.

Simulationen wurden mit WinSpice 8.0 für die verschiedenen Schaltungsfiguren (4.1 bis 4.7) durchgeführt, um die experimentellen Werte zu verifizieren.