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Transistor als Schalter f. Induktivitäten
Aufgabenstellung
·
Dimensionierung einer Transistorschaltung für eine induktive Last
(Freilaufschaltung: Zenerdiode vom Kollektor zur Masse).
· Messung der verwendeten Induktivität (RL, L).
· Messung des Kollektorstroms sowie des Stroms durch die Schutzschaltung.
· Messung von tst, tr und tf
1 Dimensionierung der Schaltung
1.1 Angabe:
Es ist ein Transistor vom Typ 2N2219A und eine Zenerdiode vom Typ BZX79 zu verwenden
Die Betriebsspannung sollte in einem Bereich von 10 bis 15 Volt liegen, der Kollektorstrom IC 20 mA nach Möglichkeit nicht überschreiten.
Der Spannungsabfall am Meßwiderstand sollte nicht größer als 500 mV werden.
1.2 Berechnung des Meß- u. Spulenvorwiderstands
Meßwiderstand:
Um auf dem Oszilloskop eine sinnvolle
Ablesung zu ermöglichen (unter Verwendung von 10:1-Tastköpfen
und des pull X5 Schalters) und die Schaltung trotzdem nicht zu
beeinflussen, wurde eine max. Meßspannung UM von 200 mV
Volt gewählt. Somit ergibt sich bei einem IC von 20 mA
ein RM 
10
W.
Vorwiderstand:
Da aufgrund eines zu kleinen Spulenwiderstands ein Vorwiderstand notwendig sein könnte, wurde zuerst RL mit einem Ohmmeter gemessen. Er betrug: RL = 6,9 W.
Somit wurde ein RV benötigt (RM wurde in allen Rechnungen berücksichtigt):
1.3 Dimensionierung der Basistreiberschaltung
Schaltbild auf der Basisseite:
Bemerkung zur Gleichstromstromverstärkung B:
Im Datenblatt war (in tabellarischer Form) bei UCE = 1V eine Verstärkung von B = 50 angegeben, jedoch mit IC = 150mA. Dies lag weit über den hier vorhandenen 20 mA.
Ein direktes Ablesen aus der Gleichstromstromverstärkungskennlinie war nicht möglich, da diese für UCE = 10V angegeben war und bei
IC = 20mA ein B von 130
IC = 150mA ein B von 150 lieferte.
Dieses B von 150 bei 150 mA ist jedoch das 3-fache von 50. Deshalb wurde für den Strom von 20 mA ein Drittel des Werts genommen, also etwa 40.
Als Zenerdiode wurde eine BZX79/15 mit UZ = 15V verwendet.
2 Messungen
Vor den Messungen wurden die Tastköpfe abgeglichen.
2.1 Ermittlung der Induktivität L
RL war bereits zuvor mit 6.9 W bestimmt worden. Die Messung von L wurde über die Zeitkonstante t mithilfe eines Frequenzgenerators durchgeführt:
Die Tangente ging nach etwa 14 ms
durch die Linie des Maximalwerts. Somit ergibt sich aus der Gleichung
das 
2.2 Messung des Kollektorstroms und der CE-Spannung
Um einer Induktivität in den Zuleitungen vorzubeugen, wurde direkt an der Schaltung ein 100nF Kondensator zwischen Plus und Masse geschaltet; der Tongenerator auf ein nur pos. Rechtecksignal eingestellt.
Danach wurde der folgende Aufbau in Betrieb genommen:
Am Oszilloskop konnte folgender Signalverlauf festgestellt werden (linkes Bild).
Danach wurde rein zufällig die Z-Diode mit den Fingern angegriffen und ein so Parallelwiderstand verursacht. Nach dem verringern der Frequenz von Ust war der Unterschied sehr deutlich zu erkennen (rechtes Bild):
Bei der vorhergehenden Schaltung wurde mit dem Kanal 2 jedoch die Summe aus IC und ISCHUTZ gemessen, da beide Ströme durch dem Meßwiderstand fließen.
Deshalb wurde folgende korrigierte Schaltung aufgebaut, um die Stromübergabe von Transistor auf die Z-Diode verfolgen zu können:
Es ergab sich folgendes Oszilloskopbild:
2.3 Genauere Betrachtung der Ein-/Ausschaltvorgänge
Hierzu wurde die Zeitbasis auseinandergezogen, und folgendes Signalbild aufgenommen:
Die Speicherzeit tst betrug etwa 1ms ,tr und tf wurden nicht ermittelt.
3 Interpretation der Meßergebnisse
3.1 Spannungsverlauf
Die Schutzschaltung funktioniert wie in der Theorie besprochen. Die Spannung UCE steigt zuerst auf die Durchbruchsspannung der Z-Diode und fällt danach auf UB.
Hierbei ergibt sich jedoch keine steile Flanke, vielmehr bildet sich ein Schwingkreis aus. Dies ist auch nicht weiter überraschend, wenn man bedenkt, daß sich Kapazitäten im Transistor, in der Z-Diode und vor allem in der Spule selbst befinden. Die Schwingungen wurden nicht verändert, wenn der 100nF-Blockkondensator zwischen Plus und Masse entfernt wurde, deshalb kann dieser nicht der Verursacher sein.
Durch den (sehr großen) Hautwiderstand konnten die Schwingungen deutlich reduziert werden. Über die Ursache können nur Vermutungen angestellt werden. Die Reduzierung geschah entweder durch eine allgemeine Störung des Schwingkreises oder durch die Überbrückung des (möglichen ?) Verursachers - der Z-Diodenkapazität.
Für die praktische Schaltungsdimensionierung wäre es eventuell interessant, solche Schwingungen durch eine hochohmigen Parallelwiderstand zu entkräften.
3.2 Stromverlauf
Beim zweiten Meßaufbau mit 2 Meßwiderständen konnte deutlich die Stromübergabe auf die Schutzschaltung beobachtet werden. Hier sind keine Probleme aufgetreten.
Bei den Ein-/Ausschaltvorgängen stammen die Schwingungen vor dem Schalten möglicherweise von einem Schalttransistor im Funktionsgenerator.
3.3 Allgemeine Bemerkungen
Der Aufbau auf dem Steck-Testbrett erwies dich als ungünstig, da durch einen möglichen Wackelkontakt bei der Z-Diode eine lange Lebensdauer des Transistors stark gefährdet ist.
(Bei RB trat durch einen zu kurzen Anschlußdraht z.B. eine Ausfall der Ansteuerung auf).
Weiters stellt sich noch die Frage, ob der Widerstand RBE mit 1M W überhaupt notwendig gewesen wäre.
