Frage zu Widerstandsnetzwerk

Diskutiere Frage zu Widerstandsnetzwerk im Hausaufgaben Forum im Bereich DIVERSES; Hallo, bislang habe ich einige Aufgaben richtig durchrechnen können und hatte keine Probleme. Jetzt habe ich aber eine Aufgabe vor mir, bei...

  1. #1 vrumfondel93, 08.05.2011
    vrumfondel93

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    Hallo,

    bislang habe ich einige Aufgaben richtig durchrechnen können und hatte keine Probleme.

    Jetzt habe ich aber eine Aufgabe vor mir, bei der ich schon die Schaltung nicht verstehe.
    Es geht darum die Spannung zwischen GND und TP1 für unterschiedliche Eingangsspannungen und Widerstandswerte zu bestimmen. Bestimmt werden soll auch der Strom I0.
    Es steht auch dabei, dass man von idealen Bauteilen mit typischen Werten ausgehen soll. Warum? Kann man das nicht immer?
    Allerdings verstehe ich schon die Schaltung nicht. Kann man die Transistoren nicht einfach weglassen und nur mit den Widerständen rechnen? Was machen die Transistoren?

    [​IMG]

    Für euren fachlich immer guten Rat jetzt schon ein ganz großes DANKE

    Bernd
     
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  3. patois

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    Im vorliegenden Fall muss man anerkennen, dass eine saubere und übersichtliche Zeichnung gepostet wurde.

    Man sieht auf den ersten Blick, dass es sich um eine Schaltung aus der Kategorie "Brückenschaltung" handelt.

    Eine Brückenschaltung haben wir hier vor nicht allzu langer Zeit durchgerechnet. Also bitte die Suchfunktion des Forums benützen, um diesen zurückliegenden Vorgang aufzustöbern.

    Eine spezielle Art der Brückenschaltung ist die Wheatstonsche Meßbrücke.
    Jedes Lehrbuch befaßt sich mit der Wheatstonschen Meßbrücke und ihrer Wirkungsweise. Oder man sucht sich diese Information im Internet zusammen.

    Ferner muss sich der Fragesteller mit der Funktionweise von Transistoren vertraut machen, dann beantwortet sich eine seiner Fragen von selbst.

    Erschwerend ist natürlich, dass es sich um einen FET und einen bipolaren Transistor in der Schaltung handelt, also ziemlich gründliches Wissen erforderlich ist.

    Ein Hilfsmittel, um das Verstehen der Schaltung zu erleichtern, wäre die Nutzung eines Simulations-Programmes.

    Im ersten Anlauf die Wheatstonsche Brücke simulieren, denn deren Funktionsweise muss verstanden sein, ehe man sich den "Transistoren" im Brückenzweig der vorliegenden Schaltung sinnvoll widmen kann.

    Den Brückenzweig sollte man zur Simulation in zwei Schaltungen aufteilen, deren Funktion man dann getrennt ermitteln/untersuchen kann.

    a) die Schaltung des bipolaren Tr. BC557B mit den Widerständen R3 und R4

    b) die Schaltung des FET BF245B mit einem Source-Widerstand anstelle des Netzwerks a)

    ... und ja, es gibt einen Fall, wo man den Brückenzweig unbeachtet lassen kann; das wäre bei einer unbelasteten und abgeglichenen Brücke!
    Im einfachsten Fall, wenn R1 = R2 = R5 = R6, ideale Werte der Widerstände ohne Toleranzen vorausgesetzt! :wink:

    Da steckt viel Arbeit drin ...

    Greetz
    Patois

    Simulation der abgeglichenen Brückenschaltung:

    [​IMG]
     
  4. #3 79616363, 09.05.2011
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    Ich seh das nicht ganz so rosig. Der selbstleitende JFET und der PNP bilden zusammen ne leicht modifizierte Lambda-Diode (so ähnlich wie ne mittlerweile recht unbekannte Esaki/Tunneldiode - Nur anders :lol:).
    Lambda-Dioden sind aber immer ne etwas fummelige Sache, weil die Exemplarstreuungen bei den JFETs immens sind.

    Das Tolle an dieser Lambda-Geschichte ist halt, dass wir nen Kennlinienabschnitt mit differentiell negativen Verlauf haben. Damit lassen sich prima Oszillatoren aufbauen.
    Gut ist auch, dass dieser Bereich recht gross ist.
    Der Nachteil ist, dass eine Lambda-Diode bei weitem nicht so schnell ist wie ne Esaki-Diode.

    Simulation iss immer so ne Sache. Wenn aber schon Simulation, dann richtig. Yenka ist damit hoffnungslos überlastet und bietet auch nicht die richtigen Bauteile an.

    Gerade bei Lambda-Dioden ist es sehr wichtig, dass die Transistoren genau zueinander passen.
    Hier muss also wirklich ein BF245B und möglichst ein BC557B verwendet werden.
    Der PNP (BC557B) ist nicht ganz so kritisch.Der BF245B ist entscheidend.

    Eine brauchbare Simulation erhält man mit SPICE Modellen (nicht mit Yenka!).

    Ich kann hier LTspice (von Linear Technologies) und Pspice (von Orcad) empfehlen. LTspice steht sowieso frei zur Verfügung und Pspice gibt es frei als leicht eingeschränkte Student-Edition.

    Bei beiden Programmen muss man allerdings leider ordentlich an den Libs basteln, dass man auch alle Bauteile hat, die man simulieren will.
    Allerdings gibt es für fast jedes Bauteil ein SPICE-Modell, das frei vom Hersteller zur Verfügung gestellt wird - Schlimmstenfalls muss man's halt selber basteln ;-)

    So sieht das z.B. bei einigen üblichen JFETs aus:
    Code:
    .model BF245A	NJF(Beta=1.754m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=2.667m Vto=-1.409
    +		Vtotc=-2.5m Is=33.57f Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti=3 Alpha=311.7u
    +		Vk=243.6 Cgd=3.35p M=.3622 Pb=1 Fc=.5 Cgs=3.736p Kf=13.56E-18
    +		Af=1)
    *		National	pid=50		case=TO92
    *		88-08-01 rmn	BVmin=30
    *$
    .model BF245B	NJF(Beta=1.6m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=3.1m Vto=-2.29
    +		Vtotc=-2.5m Is=33.57f Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti=3 Alpha=311.7u
    +		Vk=243.6 Cgd=3.35p M=.3622 Pb=1 Fc=.5 Cgs=3.736p Kf=13.56E-18
    +		Af=1)
    *		National	pid=50		case=TO92
    *		88-08-01 rmn	BVmin=30
    *$
    .model BF245C	NJF(Beta=1.5m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=3.8m Vto=-3.099
    +		Vtotc=-2.5m Is=33.57f Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti=3 Alpha=311.7u
    +		Vk=243.6 Cgd=3.35p M=.3622 Pb=1 Fc=.5 Cgs=3.736p Kf=13.56E-18
    +		Af=1)
    *		National	pid=50		case=TO92
    *		88-08-01 rmn	BVmin=30
    *$
    
    Der Nachteil der SPICE-Programme ist halt, dass sie (durch ihre ungeheure Mächtigkeit) etwas fummelig zu bedienen sind.

    Hier mal die Spannungs/Stromkennlinie der abgebildeten Lambda-Diode:

    Viele Grüsse,

    Uli

    [​IMG]

    <b>Anmerkung:</b>

    Normal baut man Lambda-Dioden nicht mit nem bipolaren PNP drin, sondern mit nem N-Kanal JFET und nem P-Kanal JFET - Dann sieht die Kennlinie lustiger aus :lol:
    Hier mal ein Beispiel, wo ich allerdings nicht sonderlich auf die Typen geachtet hab:

    [​IMG]
     
  5. patois

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    Leider muss ich diese Aussage bestätigen, denn YENKA hält nur zwei FET-Typen vor:
    den P-Channel MosFet ZVP2106A
    und den N-Channel MosFet IRF520.

    Auf meinem PC treibt sich noch TARGET-3001 rum; mal sehen, ob dort die erforderlichen Transistor-Typen vorhanden sind.

    Nebenbei: mir ist schleierhaft, was ein so kompliziertes Netzwerk in der Aufgabensammlung des Fragestellers zu suchen hat, zumal er anscheinend das Thema "Transistoren" noch nicht bearbeitet hat.

    Wie heißt es in der Feuerzangenbowle: das kriejen wir später.

    Greetz
    Patois
     
  6. #5 79616363, 09.05.2011
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    Hmm, wohl wahr ...

    Aber vielleicht wollt der Lehrer nur zeigen, wo der Hammer hängt und dass es nicht immer ganz so einfach ist? Vielleicht wollt er auch zeigen, dass es durchaus negative Widerstände gibt (hier allerdings nur differentiell negativ)?
    Ne Tunneldiode wär viel lustiger gewesen, denn da spielen quantenmechanische Effekte mit :lol:

    Na ja, wo er schon dabei war, dann hätte er auch die komplette Aufgabe einscannen können, denn ohne Kenntnis von U0, R1, R2, R5 und R6 ist das recht langweilig.
    Auch die (hoffentlich angegebenenen) Näherungen der Kennlinien wär interessant gewesen.

    Ich frag mich auch warum hier auf Brücke gemacht wurde, wenn es da gar nix Spektakuläres zu sehen gibt. R2 und R5 sind sowas von kontraproduktiv und vermiesen die Show (bei U1) :lol:

    Viele Grüsse,

    Uli
     
  7. #6 79616363, 09.05.2011
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    @Patois: In der Simulation aufpassen, Yenka hat nur MOSFETs, hier haben wir aber nen JFET!

    Bevor Du lang rumkruschtelst, schau Dir mal <a href="http://www.linear.com/designtools/software/" target="LT">LTspice</a> an. Das ist fast handzahmer und bequemer als Pspice - Macht bei der Simulation aber auch wirklich jeden Quatsch mit :lol:
    Okay, die mitgelieferte Lib ist sehr LT-lastig, aber das kann man man mit freien SPICE-Modellen aus dem Netz beliebig ergänzen.
    Auch Pspice Definitionen passen problemlos - Liegt wohl an den gemeinsamen Urahnen in Berkley ;-)

    Okay, die kommerzielle Pspice-Variante kann noch etwas mehr - Aber selten war ich von nem freien Tool so angetan wie von LTspice.

    Etwas schwer zu zähmen, aber wenn man es nach kurzer Zeit im Griff hat, dann gibt es nix Besseres (ausser natürlich die kommerzielle Variante von Pspice).
    Gefummel hat man aber bei beiden :lol:
    Aber na gut, Target-3000 scheint ja auch was zu können ...

    Viele Grüsse,

    Uli
     
  8. patois

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    [​IMG]

    @ Uli,

    wenigstens hat TARGET die richtigen Transistortypen, sogar mit den in der Aufgabe vorgegebenen B-Werten.

    Bei meiner Simulation, in der ich Uo = 9 Volt eingesetzt habe, kommt der Tunneleffekt noch nicht zum Tragen.

    Interessant wäre auch den umgekehrten Fall zu betrachten, wenn die Brücke so verstimmt wird, dass praktisch PLUS und MINUS vertauscht sind.

    Insgesamt sieht es wohl so aus, dass bei niederohmiger Auslegung der Brückenwiderstände und einer Kleinspannung für Uo (z.B. 9Volt), die Schaltung so berechnet werden kann, als ob im Brückenzweig nur die beiden hochohmigen Widerstände R3 und R4 vorhanden wären.

    Vielleicht komme ich morgen noch dazu die -wie oben angedeutet- invers verstimmte Brücke zu simulieren.

    YENKA hat allerdings für diesen Fall Spannungsdurchbrüche schon ab Uo = 5Volt angemahnt.

    Ob TARGET das berücksichtigt, weiß ich noch nicht :oops:

    Greetz
    Patois
     
  9. #8 79616363, 09.05.2011
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    Hmm, da kann aber was nicht stimmen - Da muss irgendein Strom fliessen ...

    Spielen wir das mal durch:
    <ul><li><b>Fall 1:</b> Der BC557 leitet anfangs nicht.
    Dann driftet das Sourcepotential vom BF245 automatisch nach oben, UGS geht gegen Null, der BF245 beginnt zu leiten, zieht den Emitter vom BC557 nach oben und der beginnt auch zu leiten.

    <li><b>Fall 2:</b> Der BF245 leitet nicht.
    Das würde bedeuten, dass UGS unter der Pinch-Off wäre. Das würd aber bedeuten, dass US relativ hoch sein müsste und damit auch UE hoch wäre.
    Das bedeutet, dass der PNP anfangen würde zu leiten und Source runterzieht. Damit würde dann auch der der BF schnell leitend ...</ul>
    Man kann es drehen und wenden wie man wie man will, sobald eine positive Spannung (grösser ca. UBE) an der hier gezeigten Lambda-Diode anliegt, fliesst auch irgendein Strom!
    Dass der bei steigenden Spannungen dann wieder kurz gegen Null geht (aber Null nicht erreicht), spielt keinen Tango.

    Dass Yenka wegen Sperrspannungen meckert kann ich mir nur dadurch erklären, dass Yenka hier die Sache wieder mal zu eng auslegt.
    Kleinere Avalanche/Zenerströme halten auch BE-Dioden aus und damit verschwindet der hochohmige Spuk sofort.

    Yenka halt wieder ;-) Wobei man Yenka schon am Leben lassen kann. Für einfachere Sachen ist es okay.
    Wenn aber extremst mit Kennlinien gespielt werden muss, dann ist es fehl am Platz.

    Hmm - Tunneln tut bei ner Lambda eh nix, dieser Effekt ist der krassen Dotierung der Esaki vorbehalten.

    Viele Grüsse,

    Uli

    <b>PS:</b> Hab's grad nochmal durchgerechnet. Mit Deinen 9 V bist Du natürlich bös im Tal der Kurve. So knappe 68µA sollten aber doch fliessen.
    Komisch, dass Target da nix anzeigt.
    Geh mal mit der Versorgung von den 9V runter auf 2V - Da müssten etwa 1,6mA fliessen (Dort liegt der "Berg" der Kurve) ...


    [​IMG]
     
  10. #9 79616363, 10.05.2011
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    @Patois,

    jetzt seh ich was passiert ist :lol:
    Bei 9V ist mal richtig Tal und Du misst den Strom zwischen Source und Emitter.
    Ich hab so "gemessen" wie der Zweipol später in die Brücke soll. Das erklärt die Abweichung der Ergebnisse.

    Tja, ausgerechnet bei 9V ist so wirklich Ebbe und fast nix mehr messbar :lol:

    Geh mal mit der Versorgung auf etwa 2V runter (ja nicht hoch!), dann sieht's anders aus. Dann sieht man wenigstens was :lol:

    [​IMG]
     
  11. patois

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    Hallo Uli,

    da bei deinem System die Simulation so gut zu funktionieren scheint, möchte ich dich bitten die Polarität an deiner Schaltung zu reversieren, um zu sehen, was dann passiert.

    Je nach Auslegung der Brücken-Widerstände kann der Fragesteller eine Kondition erzeugen, die eine umgekehrte Polarität über dem Querzweig der Brücke erscheinen läßt.

    Ob das dem "Erfinder" der Aufgabe klar war?

    Werde selbst mit TARGET einen entsprechenden Versuch durchführen ...

    Greetz
    Patois
     
  12. #11 79616363, 10.05.2011
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    Hallo Patois,

    es bringt nix Lambda- oder Esaki-Dioden gegen die Vorzugsrichtung zu betreiben. Diese "Dioden" sperren nicht und es gibt auch keine brauchbaren Auffälligkeiten der Kennlinie - Die bilden schlichtweg nur nen Kurzen und man hat prima Chancen die Transistoren zu schrotten :lol:

    Ich hab mal spasseshalber die Spannungsrampe bei beiden Varianten der Schaltung bei -0,6V gestartet.
    Bei der PNP Variante läuft die Spannung (grün) von -0,6V bis 8V.
    Bei der reinen FET Variante hab ich die Spannung von -0,6 bis 11V laufen lassen.
    Beim Strom (rot) messe ich den Strom an der Spannungsquelle - D.h. ich mess so, wie der Zweipol sich später in der Brücke verhalten würde.

    Unter -0,6V zu messen hat keinen Wert - Dort laufen einem die Ströme weg und es geht nur noch steil bergab ;-)

    Viele Grüsse,

    Uli

    [​IMG]

    PS: Bin mal gespannt, ob wir vrumfondel schon verscheucht haben, oder ob er noch versucht mitzukommen :lol:
    Die Aufgabe ist echt für nen Anfänger zu schwer ...
     
  13. patois

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    Hallo Uli,

    danke für deine beiden Varianten.

    Für den Fragesteller hoffe ich, dass er sich wenigstens mit den Brückenschaltungen auseinandersetzt.

    Man weiß ja nicht, innerhalb welcher Bildungseinrichtung diese Aufgaben gestellt werden.

    Greetz
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  14. #13 79616363, 10.05.2011
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    Hmm, vielleicht noch ganz lustig, wenn man sich den spannungsabhängigen Widerstand des Zweipols aufzeichnen lässt.
    Dann wird klar, was der "Lehrkörper" wohl wollte.
    Denn wenn das Ding in ner sonst linearen Brücke hängt, dann gibt es u.U. zwei Spannungen am Zweipol, bei der die Sache stabil ist.

    Viele Grüsse,

    Uli

    [​IMG]
     
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