Messung der Kennlinie einer Transistor-Diode

Wir untersuchen eine Transistor-Diode, um einen Stromspiegel besser zu verstehen. Eine Transistor-Diode ist ein Transistor, bei dem Basis und Kollektor miteinander verbunden sind.

Kennlinie messen

Dieses Praktikum ist ein weiteres Beispiel dafür, wie wir Kennlinien messen und darstellen.

Rezept

Das Rezept Kennlinien aufnehmen und darstellen ist eine Anleitung zum Messen und Darstellen von Kennlinien.

Wir messen die Basis-Emitter-Spannung U_be bei verschiedenen Strömen. Genauer gesagt messen wir die Spannung der Transistor-Diode.

Den Strom I_in in die Transistor-Diode erzeugen wir durch die Widerstände R₁ und R_x. Der Messwiderstand R_m hat den Wert R_m = R₁ + R_x.

Der Strom beträgt etwa 5V / R_m.

Denn die Spannung ist genau U_m = U_e - U_be = 5V - 0,6V = 4,4V.

Durch verschiedene Werte für R_x können wir verschiedene Ströme I_in erzeugen.

Wir wollen sowohl den Strom I_in als auch die Basis-Emitter-Spannung U_be messen.

Messung zweier Werte

Um den Strom I_in und die Spannung U_be zu messen, benötigen wir zwei Messgeräte: ein Amperemeter und ein Voltmeter. Wir haben aber nur ein Messgerät und müssen dieses Gerät umständlich auf zwei Weisen anschließen. Wir müssen sowohl die Messart als auch den Messbereich umschalten. Das wollen wir uns ersparen und nur Spannungen messen. Wir messen einfach die Spannung am Widerstand R₁ und berechnen den Strom:

Iin = U1 / R1
Iin = U1 / 1000

Noch einfacher: Die an R₁ gemessene Spannung in V ist der Strom in mA.

Wir verbinden den COM-Anschluss des Messgeräts mit J2. Mit dem anderen Anschluss können wir dann an J1 die Spannung an R₁, also den Strom I_in, und an J3 die Basis-Emitter-Spannung U_be messen.

Aber Achtung: Die Spannung U_be ist gegenüber J2 negativ. Das negative Vorzeichen können wir bei der Messung ignorieren.

Erste Messung

Wir bauen die Schaltung auf dem Steckboard auf. Die Anschlüsse J1, J2 und J3 können wir natürlich weglassen. Die Eingangsspannung muss nicht genau 5V ein. Eine 4,5V Batterie reicht auch.

Zuerst setzen wir einfach 0Ω für R_x ein, eine Drahtbrücke.

Wir messen den Strom (die Spannung an R₁) und danach die Spannung U_be. Diese Werte tragen wir in eine Tabelle ein:

Die oben angegebenen Werte sind Beispiele. Für jeden Transistor ergeben sich andere Werte. Es kommt jedoch auf die Genauigkeit an und wir tragen die Werte mit drei bzw. vier Stellen ein.

Wie wir messen

Wir wollen die Basis-Emitter-Spannung U_be bei Eingangsströmen I_in von 0,1mA bis 10mA bestimmen. Wir könnten jetzt bei 0,1mA, 0,2mA, 0,3mA ... 10mA messen. Das wären 100 Messungen.

Wir messen einfach bei 0,1mA, 0,2mA, 0,4mA, 0,8mA ... und verdoppeln den Strom für jede Messung. Das ergibt unhandliche Werte. Besser sind 0,1mA 0,2mA 0,5mA 1mA ...

Wir stellen den Strom durch den Widerstand R_m = R₁ + R_x ein. Wir müssen den Widerstand für die obigen Werte des Stroms berechnen. Die berechneten Werte haben wir wahrscheinlich nicht in unserem Sortiment. Wir nehmen den nächsten passenden .

Für 0,1mA sollte R_m = 5V / 0,1mA = 50kΩ sein, also R_x = 50kΩ - 1kΩ = 49kΩ. Wir nehmen 47kΩ.

Tragen wir die Werte für R_m und R_x in eine Tabelle ein:

Da wir andere Werte als die berechneten gewählt haben, wird der Strom nicht genau stimmen. Außerdem haben wir die Basis-Emitter-Spannung vernachlässigt. Das ergibt einen weiteren Fehler für den Strom. Das spielt keine Rolle, da wir den Strom messen.

• Wenn für 10mA R_m = 0,5kΩ sein muss, hilft uns auch R_x=0 nicht weiter. Wir schalten dafür einfach den Widerstand R₂ = 1kΩ parallel zu R₁ = 1kΩ. Dann fließt der doppelte Strom.

Messen

Wir haben uns viel Arbeit erspart, weil wir unsere Messung gut geplant haben.

Wir setzen nacheinander die oben berechneten Widerstände ein und messen die Spannung an R₁ und U_be.

Unsere Tabelle mit den Messwerten:

Rx in kΩ	U1 in V	Iin in mA	Ube in V
47,0	0,092	0,092	0,524
22,0	0,192	0,192	0,544
10,0	0,399	0,399	0,563
4,7	0,771	0,771	0,580
1,0	2,180	2,180	0,607
0,0	4,340	4,340	0,624
R2=1, 0,0	4,320	8,640	0,644

Tabelle 1: Beispiel für Messwerte

Jeder von uns wird andere Werte bekommen, weil er eine andere Betriebsspannung, andere Widerstände und einen anderen Transistor verwendet. Die Werte der Bauelemente sind nie ganz genau.

Betrachten wir U_be, dann stellen wir fest, dass sich die Basis-Emitter-Spannung mit dem Strom ändert. Sie liegt im Mittel bei den von uns bisher angenommenen 0,6V. Obwohl der Strom zwischen 0,092mA und 8,640mA sich um fast das 100-fache ändert (8,640/0,092=93,9), ändert sich die Basis-Emitter-Spannung nur um das (0,644/0,524) 1,3 fache.

Kennlinie

Die Werte in der Tabelle sind nicht sehr anschaulich. Besser ist es, eine Kennlinie darzustellen. Wie das geht und welche Programme dabei helfen, ist in Kennlinien messen und darstellen beschrieben.

Die folgende Kennlinie wurde mit gnulpot erstellt.

Die Kennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Strom durch den Transistor und der Basis-Emitter-Spannung. Die Kennlinie ist nicht geradlinig, sondern verläuft mit einer glatten Steigung. Wenn wir es nicht zu genau nehmen, können wir sogar sagen, dass sie zwischen 2 mA und 8 mA fast gerade mit einer leichten Steigung verläuft.

Temperaturverhalten

Die Kennlinie beschreibt einen Teil des Verhaltens eines Transistors quantitativ (mit Zahlen). Einen anderen Teil des Verhaltens eines Transistors werden wir qualitativ (die Tendenz) beschreiben.

Die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors hängt von seiner Temperatur ab. Dazu erwärmen wir den Transistor ein wenig. Wir fassen ihn mit den Fingern an und übertragen unsere Körperwärme.

Wir wählen einfach R_x=0, d.h. R_m=1kΩ.

Nach ein einigen Sekunden sinkt die Basis-Emitter-Spannung etwas ab. Wenn wir den Transistor loslassen, steigt sie wieder auf den ursprünglichen Wert an.

Mit steigender Temperatur sinkt die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors. Genaue (quantitative) Messungen haben ergeben, dass die Spannung um 2mV pro °C sinkt. Dieses Verhalten eines Transistors können wir zur Temperaturmessung nutzen. In den meisten Fällen stört uns jedoch die Temperaturabhängigkeit von Transistoren.