Experimente mit EE2010
EE2010 - moderne Halbleiterbauelemente
Neben Leuchtdiode (LED) und Kapazitätsdiode, werden mit dem Experimentierkasten EE2010 zwei weitere Bauteile der Halbleitertechnik, der Feldeffekt Transistor (FET) und der Operationsverstärker (OP), behandelt. Dabei wird seitens der Anleitung, von einer zumindest grundlegenden Kenntnis der Funktion von Transistor, Diode, Widerstand und Kondensator ausgegangen.
Mit den neuen Bauelementen sind aufbauend auf den Experimentierkasten EE2003, eine ganze Reihe weiterer interessante Experimente möglich. Im Vorfeld werden in der Anleitung selbstverständlich die neuen Bauteile und Ihre Funktion beschrieben. In diesem Zusammenhang interessieren mich besonders die folgenden zwei Themen:
- die Funktion des Feldeffekt Transistors (FET),
- und die Funktion des Operationsverstärker am Beispiel des Schmitt-Triggers
Das Anleitungsbuch zum Experimentierkasten EE 2010 kann auf der Webseite von Norbert Schneider als PDF Datei herunterladen werden.
Experimente mit dem Feldeffekt Transistor (FET)
Im Vergleich zum bipolaren Transistor besitzt der Feldeffekt Transistor ebenfalls drei Anschlüsse, die sich allerdings in ihrer Bezeichnung unterscheiden. Statt mit den bekannten Anschlüssen von Basis, Emitter und Kollektor, werden diese als Gate G (Tor), Source S (Zufluß) und Drain D (Abfluß) bezeichnet.
Während bei bipolaren Transistoren eine Basisvorspannung (ca. 0,6 V) und zur Steuerung ein Basis-Emitter Strom notwendig ist, wird der Feldeffekt Transistor
stromlos gesteuert. Mit dem Experiment 2.2.5, gemäß Anleitungsbuch, lässt sich darstellen, das in das Gate kein Strom fließt. Wie nun die Gate-Spannung den Source-Drain Strom steuert, kann aufbauend mit der Schaltung 4.5.4 experimentell nachvollzogen werden.
Schaltung 2.2.5 - Untersuchung der Steuerleistung des FET
Ähnlich wie bei den bipolaren Transistoren gibt es bei den Feldeffekt Transistoren zwei verschiedene Ausführungen, den n-Kanal und den p-Kanal FET. Alle hier beschriebenen Ausführungen beziehen sich auf den n-Kanal FET.
Bei dem folgenden Experiment wird sowohl in der Steuerleitung des Transistors (Gate) eine LED (rot), als auch im Arbeitskreis vor der Source eine LED (grün) geschalten. Dem Gate ist zusätzlich noch ein Trimmpotentiometer vorgeschalten, mit dem die Höhe der Steuerspannung eingestellt werden kann. Wird nun der Schleifer des Trimmpotentiometers in Richtung 0 V (Masse) gedreht, verringert sich die Helligkeit der LED 2 (grün) bis sie entgültig erlischt. Mit abnehmender positiven Spannung verengt sich der n-Kanal zwischen Drain und Source bis die nötige Durchflußspannung der LED 2 (ca. 1,6 V) unterschritten ist. Beim Zurückdrehen des Schleifers in Richtung der positiven Spannung beginnt die LED wieder zu erleuchten, bis sie ihre entgültige Helligkeit erreicht hat. Die LED 1 (rot) leuchtet in keiner Stellung des Schleifers, da durch sie kein Strom fließt. Somit liegt am Gate lediglich eine Spannung an.
Wenn nun im Experiment die Verbindung zum Gate entfernt wird, kann trotzdem ein Strom vom Drain zur Source fließen und die LED (grün) leuchtet. Der Weg zwischen Drain und Source besitzt nämlich einen bestimmten Widerstand, der ohne direkte Ansteuerung über das Gate, leitend ist. Nur durch das Anlegen einer negativen Spannung an das Gate, kann der Feldeffekt Transistor (Typ n-Kanal) vollständig gesperrt werden.
Schaltung 4.5.4 - Mit der Dimmerschaltung auf den Spuren des FET
Für das folgende Experiment ist dem Feldeffekt Transistor ein RC-Tiefpass als Integrationsglied vorgeschaltet. Dabei wird über den Hautwiderstand beim Berühren der Sensoren (E + S1 od. S2) der Kondensator C1 aufgeladen bzw. entladen. Wird beispielsweise gleichzeitig der Schaltungseingang E und der positive Sensor S1 mehrmals in kurzen Impulsen mit den Fingern überbrückt, so kann man beobachten, das mit jedem Impuls, die LED etwas heller leuchtet. Der Kondensator läd sich dabei mit jeder Überbrückung bis zur Betriebsspannung positiver auf. Diese Spannung liegt auch am Gate des FET an und läßt diesen mit größer werdender Spannung leitfähiger werden.
Da durch das Gate des FET die Ladung des Kondensator C1 nicht abfließen kann, hält dieser die Spannung so lange, bis er sich durch das gleichzeitige Berühren von E und den negativen Sensor S2, wieder entläd. Mit dem Entladen des Kondensators, nimmt auch die Helligkeit der LED ab.
Weitere interessante Informationen zum Thema unipolare Transistoren sind auf der Seite von elektronikinfo.de beschrieben.
Der Operationsverstärker als Schmitt-Trigger
Mit dem Schmitt-Trigger lassen sich zwei unterschiedliche Spannungen vergleichen. Dabei bestimmt der eingestellte Schwellwert, wann der Ausgang der Schaltung in den ein- oder ausgeschalteten Zustand kippt. Durch Verbinden des Eingangs mit elektronischen Fühlerelementen lassen sich viele automatische Steuer- und Anzeigegeräte aufbauen. Mit dem folgenden Experiment soll der Aufbau und die Funktion des Schmitt-Triggers mit einem Operationsverstärker untersucht werden.
Der Schmitt Trigger in diesem Experiment ist als nicht-invertierte Schaltung ausgeführt. Dabei ist der Arbeitspunkt des OP, über den Spannungsteiler R1 und R2 am invertierten Eingang, auf die halbe Betriebsspannung eingestellt. Dem nicht-invertierenden Eingang ist ein Trimmpotentiometer vorgeschalten. Durch Drehen des Schleifers, lässt sich die Eingangsspannung einstellen. Wird diese positiver als die halbe Betriebsspannung, führt der Ausgang des Operationsverstärker ein 1-Signal und die LED fängt an zu leuchten. Die für den Schmitt Trigger typische Hysterese, wird mit dem Rückkopplungs-Widerstand (Rx) eingestellt. Dieser wird zwischen dem Ausgang des OP und dem nicht-invertierenden Eingang geschalten. Je größer dabei der Widerstand ist, desto kleiner ist der Abstand zwischen Ein- und Ausschaltpunkt (Hysterese). Wird der Rückkopplungs-Widerstand (Rx) weggelassen, so ist der Widerstand praktisch unendlich groß und damit auch keine Hysterese mehr feststellbar. Entgegen der Beschreibung im Anleitungsbuch, funktioniert diese Schaltung nur bis zu einem Widerstandswert von 100 kΩ oder größer.
Der im Experiment verwendete Operationsverstärker LM3900 ist ein Norton Operationsverstärker (OP) und unterscheidet sich vom inneren Aufbau gegenüber üblichen Operationsverstärkern. Im Gegensatz zum üblichen Operationsverstärker, der die Differenz der Eingangsspannungen verstärkt, verstärkt der LM3900 die Differenz der Eingangsströme. Zudem ist der Ausgangsstrom (max. 10 mA), mit dem der LM3900 belastet werden kann, recht gering, so das zum Betreiben einer Last häufig ein Treibertransistor dem OP nachgeschaltet ist. Die Grundschaltungen des LM3900 können von denen der üblichen Operationsverstärkern abweichen. Dennoch lehnt sich das Anleitungsbuch bei der Berechnung des Arbeitspunktes und des Verstärkungsfaktors, an die Berechnung üblicher Operationsverstärker an.
