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## Bipolarer Transistor
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## Bipolär transistor
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[picture:864:a_bauelemente_bipolartransistor:Schaltbild eines npn- und pnp-Bipolartransistors mit Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E)]
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[picture:864:a_bauelemente_bipolartransistor:Kretssymbol för npn- och pnp-bipolärtransistor med kollektor (C), bas (B) och emitter (E)]
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* Drei Halbleiterzonen
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* Abwechselnd n- und p-dotiert
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* npn-Transistor und pnp-Transistor
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* Tre halvledarzoner
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* Omväxlande n- och p-dopade
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* npn-transistor och pnp-transistor
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[question:AC503]
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[question:AC504]
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### Stromsteuerung und Faktor
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### Strömstyrning och faktor
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* Basis-Emitter-Spannung $U_{\textrm{BE}}$ steuert Kollektorstrom $I_{\textrm{C}}$ exponentiell
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* Beim Bipolartransistor fließt immer ein exponentiell von $U_{\textrm{BE}}$ abhängiger Basisstrom $I_{\textrm{B}}$
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* Faktor $B$ ist der *Stromverstärkungsfaktor* des Transistors
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* Liegt bei ca. 20 bis 500
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* Bas-emitter-spänningen $U_{\textrm{BE}}$ styr kollektorströmmen $I_{\textrm{C}}$ exponentiellt
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* Hos bipolärtransistorn flyter alltid en basström $I_{\textrm{B}}$ som beror exponentiellt av $U_{\textrm{BE}}$
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* Faktorn $B$ är transistorns *strömförstärkningsfaktor*
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* Ligger vid ca. 20 till 500
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<fragment>
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$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}}$
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</fragment>
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<note>
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Höherer Faktor benötigt kleineren Basistrom zur Steuerung eines größeren Kollektorstroms
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Högre faktor kräver mindre basström för att styra en större kollektorström
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</note>
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[question:AC501]
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### Leitender Bipolartransistor
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### Ledande bipolärtransistor
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* Signifikanter Kollektorstrom fließt
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* Basis-Emitter-Diode in Durchlassrichtung
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* Kollektor-Basis-Diode sperrt, damit keine Ladungsträger aus dem Kollektor in die Basis gelangen
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* En betydande kollektorström flyter
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* Bas-emitter-dioden i framriktningen
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* Kollektor-bas-dioden spärrar, så att inga laddningsbärare går från kollektorn in i basen
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[question:AC505]
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[question:AC515]
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#### Lösungsweg
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* Die Größe von $R_1$ stellt den Basisstrom $I_B$ ein
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* $I_B$ ist um 298 kleiner als $I_C$
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* Für die Spannung an $R_1$ muss der Transistorverlust abgezogen werden
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#### Räkneexempel
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* Storleken på $R_1$ ställer in basströmmen $I_B$
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* $I_B$ är 298 gånger mindre än $I_C$
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* Från spänningen över $R_1$ måste transistorns spänningsfall dras av
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* gegeben: $U = \qty{12}{\volt}$
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* gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{5}{\milli\ampere}$
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* gegeben: $B = 298$
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* gegeben: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
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* gesucht: $R_1$
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* givet: $U = \qty{12}{\volt}$
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||||
* givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{5}{\milli\ampere}$
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||||
* givet: $B = 298$
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||||
* givet: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
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* sökt: $R_1$
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<fragment>
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$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$
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@@ -60,38 +50,33 @@ $R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0
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</fragment>
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<note>
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Nachteil der Schaltung ist eine schlecht kontrollierte Stromverstärkung
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Nackdel med kopplingen är en dåligt kontrollerad strömförstärkning
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</note>
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[question:AC518]
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### Arbeitspunktstabilisation
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### Stabilisering av arbetspunkten
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<left>
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[picture:361:a_bauteile_arbeitspunkteinstellung:Transistorschaltung mit Basisspannungsteiler]
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[picture:361:a_bauteile_arbeitspunkteinstellung:Transistorkoppling med basspänningsdelare]
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</left>
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<right>
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* Arbeitspunkt wird über den Spannungsteiler eingestellt
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* Querstrom durch $R_2$ soll so hoch sein, damit der Basisstrom keinen großen Einfluss auf den Arbeitspunkt hat
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* Arbetspunkten ställs in via spänningsdelaren
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* Tvärströmmen genom $R_2$ ska vara så hög att basströmmen inte har stor inverkan på arbetspunkten
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</right>
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<note>
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Kollektorstrom hängt exponentiell von der Basis-Emitter-Spannung ab; Toleranz der Widerstände kann große Auswirkungen auf den Kollektorstrom haben. Starke Temperaturabhängigkeit im Transistor kann Kollektorstrom beeinflussen.
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Kollektorströmmen beror exponentiellt av bas-emitter-spänningen; motståndens tolerans kan ge stora effekter på kollektorströmmen. Starkt temperaturberoende i transistorn kan påverka kollektorströmmen.
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</note>
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[question:AC516]
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--- style="font-size: smaller;"
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#### Lösungsweg
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#### Räkneexempel
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<left>
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* gegeben: $U = \qty{10}{\volt}$
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* gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
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* gegeben: $B = 200$
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* givet: $U = \qty{10}{\volt}$
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||||
* givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
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||||
* givet: $B = 200$
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</left>
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<right>
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* gegeben: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$
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* gegeben: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
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* gesucht: $R_1$
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* givet: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$
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* givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
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||||
* sökt: $R_1$
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</right>
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<fragment>
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@@ -108,26 +93,24 @@ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{9,4}{\volt}}{\qty{11
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</fragment>
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[question:AC517]
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#### Lösungsweg
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#### Räkneexempel
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* $U_{\textrm{R2}}$ ist gleich groß wie $U_{\textrm{BE}} + U_{\textrm{RE}}$
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* Kollektorstrom wird vor allem durch $R_{\textrm{E}}$ festgelegt
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* Sehr stabile Schaltung
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* $U_{\textrm{R2}}$ är lika stor som $U_{\textrm{BE}} + U_{\textrm{RE}}$
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* Kollektorströmmen bestäms framför allt av $R_{\textrm{E}}$
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* Mycket stabil koppling
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--- style="font-size: smaller;"
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<left>
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* gegeben: $U = \qty{10}{\volt}$
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||||
* gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
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||||
* gegeben: $B = 200$
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||||
* givet: $U = \qty{10}{\volt}$
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||||
* givet: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
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||||
* givet: $B = 200$
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</left>
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<right>
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* gegeben: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
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||||
* gegeben: $U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}$
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||||
* gegeben: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
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* givet: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
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||||
* givet: $U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}$
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||||
* givet: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
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</right>
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||||
* gesucht: $R_1$
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* sökt: $R_1$
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<fragment>
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$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$
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||||
@@ -146,106 +129,78 @@ $R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{8,4}{\volt}}{\qty{11
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</fragment>
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[question:AC519]
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#### Lösungsweg
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#### Felsökning: avbrott i $R_1$
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* Kein Strom durch $R_1 \rightarrow$ keine Spannung über $R_2$
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* Basis liegt auf Massepotential $\rightarrow$ Transistor ist stromlos
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* Kein Spannungsabfall an $R_{\textrm{C}} \rightarrow$ Kollektorpotential steigt auf Betriebsspannung
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* Ingen ström genom $R_1 \rightarrow$ ingen spänning över $R_2$
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||||
* Basen ligger på jordpotential $\rightarrow$ transistorn är strömlös
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* Inget spänningsfall över $R_{\textrm{C}} \rightarrow$ kollektorpotentialen stiger till matningsspänningen
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[question:AC520]
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#### Lösungsweg
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#### Felsökning: avbrott i $R_2$
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* $R_2$ ist stromlos $\rightarrow$ Basis ist über $R_1$ ist mit der Betriebsspannung verbunden
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* Aufgrund der Dimensionierung ist der Basisstrom nun 11-fach höher als geplant
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* Kollektorstrom wird stark ansteigen $\rightarrow$ Spannungsabfall an $R_{\textrm{C}}$ steigt stark
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* $U_{\textrm{CE}}$ sinkt auf den Sättigungswert von ca. $\qty{0,1}{\volt}$
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||||
* $R_2$ är strömlös $\rightarrow$ basen är via $R_1$ ansluten till matningsspänningen
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* På grund av dimensioneringen är basströmmen nu 11 gånger högre än planerat
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* Kollektorströmmen ökar kraftigt $\rightarrow$ spänningsfallet över $R_{\textrm{C}}$ ökar kraftigt
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* $U_{\textrm{CE}}$ sjunker till mättnadsvärdet cirka $\qty{0,1}{\volt}$
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## Feldeffekttransistor (FET)
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## Fälteffekttransistor (FET)
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[picture:271:a_bauelemente_fet:Schaltbilder für Feldeffekttransistoren]
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[picture:271:a_bauelemente_fet:Kretssymboler för fälteffekttransistorer]
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* Anderer Aufbau
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* Es besteht ein Halbleiterkanal
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* Der Stromfluss wird über ein elektrisches Feld gesteuert
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* Dadurch spannungsgesteuert
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* Annan uppbyggnad
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* Det finns en halvledarkanal
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* Strömflödet styrs via ett elektriskt fält
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* Därigenom spänningsstyrd
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<note>
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Senkrechte Linie symbolisiert den Kanal, die Drain (oben) und Source (unten) kontaktiert; links ist das Gate und der Pfeil erinnert an eine Diode
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Den lodräta linjen symboliserar kanalen som drain (upptill) och source (nedtill) kontakterar; till vänster är gaten och pilen påminner om en diod
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</note>
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[question:AC502]
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[question:AC506]
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### Anschlüsse des FET
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### FET:ens anslutningar
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* *Source* Quelle für die Ladungsträger im Kanal
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* *Drain* Abfluss der Ladungsträger im Kanal
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* *Gate* steuert den Fluss der Ladungsträger im Kanal
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[question:AC513]
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[question:AC512]
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[question:AC514]
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* *Source* källa för laddningsbärarna i kanalen
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* *Drain* avlopp för laddningsbärarna i kanalen
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* *Gate* styr flödet av laddningsbärare i kanalen
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<note>
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Besser wäre: steuert den Kanalstrom statt Widerstand, da dieses Widerstand-Verhalten nur bei kleinen Drain-Source-Spannungen auftritt
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Gate-source-spänningen styr kanalströmmen (kanalresistansen bara vid små drain-source-spänningar)
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</note>
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### Bauarten FET
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### Typer av FET
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* *selbstleitend*: Ohne Gate-Source-Spannung ist der FET leitend
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* *selbstsperrend*: Ohne Gate-Source-Spannung ist der FET sperrend
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* *n-Kanal-FET*: Strom im Kanal wird von Elektronen getragen
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* *p-Kanal-FET*: Strom im Kanal wird von Löchern getragen
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* *Sperrschicht-FET*: Gate ist eine Diode
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* *Isolierschicht-FET*: Gate ist eine Kondensator-Struktur (z.B. MOSFET)
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* *självledande*: Utan gate-source-spänning är FET:en ledande
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* *självspärrande*: Utan gate-source-spänning är FET:en spärrande
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* *n-kanal-FET*: Strömmen i kanalen bärs av elektroner
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* *p-kanal-FET*: Strömmen i kanalen bärs av hål
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* *Övergångs-FET*: Gaten är en diod
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* *Isolerad-gate-FET*: Gaten är en kondensatorstruktur (t.ex. MOSFET)
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<note>
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MOSFET: metal oxide semiconductor FET
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</note>
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### Schaltzeichen FET
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### Kretssymboler FET
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<left>
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[picture:273:a_bauelemente_selbstleitender_p_kanal_mosfet:Selbstleitender p-Kanal MOSFET]
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[picture:276:a_bauelemente_selbstsperrender_n_kanal_mosfet:Selbstsperrender n-Kanal MOSFET]
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||||
[picture:273:a_bauelemente_selbstleitender_p_kanal_mosfet:Självledande p-kanal-MOSFET]
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||||
[picture:276:a_bauelemente_selbstsperrender_n_kanal_mosfet:Självspärrande n-kanal-MOSFET]
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</left>
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<right>
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||||
* *selbstleitend*/*selbstsperrend*: Gate durchgehend/gestrichelt
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* *p-*/*n-Kanal*: Pfeil zeigt weg vom/hin zum Kanal
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* *Isolierschicht* (MOSFET): Gate und Kanal als Kondensator
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* *självledande*/*självspärrande*: heldragen/streckad linje i kanalen
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||||
* *p-*/*n-kanal*: pilen pekar från/mot kanalen
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||||
* *Isolerad gate* (MOSFET): gate och kanal som kondensator
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||||
</right>
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||||
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[question:AC507]
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[question:AC508]
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[question:AC509]
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||||
---
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||||
[question:AC510]
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||||
---
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||||
[question:AC511]
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||||
---
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[question:AC521]
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#### Lösungsweg
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||||
#### Räkneexempel
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<left>
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* gegeben: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
|
||||
* gegeben: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
|
||||
* gegeben: $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$
|
||||
* gegeben: $R_3 = \qty{2,2}{\kilo\ohm}$
|
||||
* gesucht: $U_{\textrm{GS}}$
|
||||
* Ansatz: Unbelasteter Spannungsteiler über $R_1$ und $R_2$, mit $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$
|
||||
* givet: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
|
||||
* givet: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
|
||||
* givet: $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$
|
||||
* sökt: $U_{\textrm{GS}}$
|
||||
* Ansats: Obelastad spänningsdelare över $R_1$ och $R_2$, med $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$
|
||||
</left>
|
||||
<right>
|
||||
<fragment>
|
||||
@@ -254,17 +209,14 @@ $\begin{split} \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \
|
||||
</right>
|
||||
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||||
---
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||||
[question:AC522]
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---
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||||
#### Lösungsweg
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||||
#### Räkneexempel
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||||
|
||||
<left>
|
||||
* gegeben: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
|
||||
* gegeben: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
|
||||
* gegeben: $R_3 = \qty{2,2}{\kilo\ohm}$
|
||||
* gegeben: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = \qty{2,8}{\volt}$
|
||||
* gegeben: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$
|
||||
* gesucht: $R_2$
|
||||
* givet: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
|
||||
* givet: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
|
||||
* givet: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = \qty{2,8}{\volt}$
|
||||
* givet: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$
|
||||
* sökt: $R_2$
|
||||
</left>
|
||||
<right>
|
||||
<fragment>
|
||||
@@ -272,31 +224,26 @@ $\begin{split} \frac{U_{\textrm{R1}}}{U_{\textrm{R2}}} &= \frac{R_1}{R_2}\\ \Rig
|
||||
</fragment>
|
||||
</right>
|
||||
---
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||||
[question:AC523]
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||||
#### Lösungsweg
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||||
#### Räkneexempel
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||||
|
||||
* gegeben: $R_{\textrm{DSon}} = \qty{4}{\milli\ohm}$
|
||||
* gegeben: $I = \qty{25}{\ampere}$
|
||||
* gesucht: $P$
|
||||
* givet: $R_{\textrm{DSon}} = \qty{4}{\milli\ohm}$
|
||||
* givet: $I = \qty{25}{\ampere}$
|
||||
* sökt: $P$
|
||||
|
||||
<fragment>
|
||||
$P = I^2 \cdot R = (\qty{25}{\ampere})^2 \cdot \qty{4}{\milli\ohm} = \qty{2,5}{\watt}$
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||||
</fragment>
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||||
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||||
<note>
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||||
MOSFET verhält sich wie ein ohmscher Widerstand
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MOSFET:en beter sig som ett ohmskt motstånd
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</note>
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### Freilaufdiode
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||||
### Frihjulsdiod
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||||
* Relais wird über einen in Serie geschalteten Bipolartransistor betrieben
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* Transistor schaltet ein $\rightarrow$ Strom fließt durch die Relaisspule
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||||
* Transistor schaltet ab $\rightarrow$ Strom in der Spule induziert negative Spannung am Transistor
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||||
* Kann zur Zerstörung des Transistors führen
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||||
* Verhindern: *Freilaufdiode* parallel zum Relais in Sperrichtung verbauen
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||||
* Induktionsspannung wird auf Diodenspannung begrenzt
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||||
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||||
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||||
[question:AC524]
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||||
* Relä drivs via en seriekopplad bipolärtransistor
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||||
* Transistorn slår på $\rightarrow$ ström flyter genom relespolen
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||||
* Transistorn slår av $\rightarrow$ strömmen i spolen inducerar negativ spänning över transistorn
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||||
* Kan förstöra transistorn
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||||
* Förhindra: montera en *frihjulsdiod* parallellt med reläet i backriktningen
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||||
* Induktionsspänningen begränsas till diodspänningen
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||||
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