Elektronik

Der Transistor als Schalter

Prinzip Die Entwicklung der Computertechnik und die zunehmende Digitalisierung bei der Übertragung und Verarbeitung von Informationen sind verbunden mit einer Steigerung des Einsatzes von Transistoren in Schaltfunktionen. Dieser Versuch soll den Schülern das Grundprinzip der Arbeitsweise eines Transistors als elektronischer Schalter verdeutlichen. Es wird empfohlen, die Unterschiede zwischen mechanischen und elektronischen Schaltern sowie die Vorteile des elektronischen Schalters herauszuarbeiten. Dazu gehören die geringe erforderliche Steuerleistung, das Fehlen von Kontakten, die einem Verschleiß unterliegen, sehr kurze Schaltzeiten im Bereich von Nanosekunden sowie geringe Abmessungen und damit Einbeziehungsmöglichkeiten in integrierte elektronische Schaltkreise. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reele Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Der Transistor als Spannungsverstärker

Der Transistor als Spannungsverstärker

Prinzip Bei diesem Versuch lernen die Schüler die Anwendung des Transistors zur Wechselspannungsverstärkung kennen. Das von dem Transfomator des Netzgeräts erzeugte magnetische Streufeld induziert in einer Spule eine geringe Wechselspannung. Ihr direkter Nachweis mit einem Kopfhörer ist wegen der geringen Höhe der Wechselspannung nicht überzeugend. Um die erforderliche Spannungsverstärkung zu erreichen, wird diese Wechselspannung der durch einen Spannungsteiler erzeugten Basisvorspannung überlagert und steuert den Kollektorstrom periodisch um den durch die Vorspannung eingestellten mittleren Wert. Die Schwankungen des Kollektorstromes erzeugen im Kopfhörer Spannungsschwankungen, die als Brummton wahrgenommen werden. Durch diesen Versuch werden die Schüler außerdem an das gegenwärtig häufig diskutierte Problem des Elektrosmogs herangeführt. Es wird nachgewiesen, dass elektrische Geräte in ihrer Umgebung magnetische Felder erzeugen, wenn sie in Betrieb gesetzt werden. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reele Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Der Transistor-Zeitschalter

Der Transistor-Zeitschalter

Prinzip Es soll demonstriert werden, wie man Ein- und Ausschaltvorgänge verzögern kann. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reelle Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Der Transistor-Zeitschalter

Prinzip Verzögerungsschaltungen finden gegenwärtig einen breiten Anwendungsbereich für die Einschaltverzögerung in Alarmanlagen. Ihr Grundprinzip beruht auf dem den Schülern bekannten Zeitverhalten der Lade- und Entladevorgänge von Kondensatoren. Die ansteigende oder abfallende Kondensatorspannung steuert den Transistor in den leitenden oder gesperrten Schaltzustand, sobald die Basis-Emitter-Spannung den erforderlichen Schwellenwert erreicht bzw. unterschritten hat. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reele Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Der zweistufige Transistorverstärker

Prinzip Es soll nachgewiesen werden, dass die Spannungsverstärkung durch Reihenschaltung mehrerer Verstärkerstufen erhöht werden kann. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reelle Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Die Arbeitspunktstabilisierung

Prinzip Erhöhte Stabilität einer Transistor-Verstärkerstufe gegenüber Schwankungen der Temperatur, der Betriebsspannung und gegenüber Streuung der Verstärkerkenngrößen wird durch Gegenkopplung erreicht. Hierbei wird ein Teil des Ausgangsspannung mit entgegengesetzter Phasenlage auf den Eingang des Verstärkers zurückgeführt. Bei der in diesem Versuch verwendeten Stromgegenkopplkung erzeugt der verstärkte Strom im Emitterwiderstand den für die Gegenkopplung verwendeten stromproportionalen, gegenphasigen Spannungsabfall. Bei einer Spannungsgegenkopplung hingegen wird ein Teil der verstärkten Spannung vom Kollektor auf die Basis des Transistors zurückgeführt. Neben den erwünschten Wirkungen - der Erhöhung der Stabilität des Verstärkers, der Linearisierung seiner Kennlinien und der Modifizierung seiner Kenngrößen - ist mit jeder Gegenkopplung unvermeidlich eine Verringerung der Verstärkung verbunden. Diese ist umso größer, je größer das Verhältnis der rückgekoppelten Spannung zu Ausgangsspannung ist. Die stabilisierende Wirkung der Stromgegenkopplung wird verständlich, wenn man annimmt, dass eine konstante Steuerspannung von beispielsweise 1 V am Eingang des Verstärkers anliegt. Diese teilt sich auf die Basis-Emitter-Strecke und den Emitterwiderstand auf. Steigt nun, etwa durch Temperatur- oder Betriebsspannungserhöhung, die Emitterstromstärke an, so wächst auch der Spannungsabfall am Emitterwiderstand, wodurch für die Steuerung des Transistors an der Basis-Emitter-Strecke nur noch ein geringerer Teil der anliegenden Steuerspannung wirksam ist. Die ursprungliche Erhöhung der Kollektorstromstärke wird hierdurch wieder rückgängig gemacht. Die gleichen Vorgänge spielen sich auch ab, wenn zur Ansteuerung eine Wechselspannung verwendet wird; nur ein Teil der angelegten Spannung steht für die Steuerung des Transistors zu Verfügung, wenn ein Emitterwiderstand vorhanden ist. Schaltet man einen Kondensator hinreichend großer Kapazität zum Emitterwiderstand parallel, so wird für Wechselspannungen die Gegenkopplung aufgehoben, während die Gleichstromgegenkopplung erhalten bleibt. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reele Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Die Arbeitspunktstabilisierung

Die Darlingtonschaltung

Prinzip Es soll nachgewiesen werden, dass sich die Stromverstärkung durch Kombination zweier Transistoren zu einer Darlingtonschaltung wesentlich erhöhen lässt. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reelle Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Die Diode als Gleichrichter

Prinzip Es kann vorausgesetzt werden, dass die Schüler die Ventilwirkung einer Diode sowie Grundeigenschaften des Wechselstroms (laufende Änderung des Betrages und periodische Änderung der Richtung des Stroms) kennen. Deshalb können die Schüler im Wesentlichen voraussagen, welche Wirkung die Diode im Wechselstromkreis hat. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reele Bauteile auf der Unterseite sichtbar

Die Fotodiode

Prinzip Es soll gezeigt werden, dass eine Fotodiode bei Lichteinwirkung eine elektrische Spannung erzeugt und einen Strom liefern kann. Außerdem soll untersucht werden, wie sich die Kennlinie einer Fotodiode bei Lichteinwirkung verändert. Vorteile • Keine zusätzlichen Kabelverbindungen zwischen den Bausteinen nötig - übersichtlicherer und schnellerer Aufbau • Kontaktsicherheit durch puzzelartig verzahnbare Bausteine • Hartvergoldete, korrosionsbeständige Kontakte • Doppelter Lernerfolg: Elektrischer Schaltplan auf der Ober- und reelle Bauteile auf der Unterseite sichtbar