E10 Einfache Halbleiterbauelemente und ihre Funktion

E10 Einfache Halbleiterbauelemente und ihre Funktion
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Physikdidaktische Literatur:
Unterricht Physik, Band 11: Elektronik, Köln 2001; Kapitel 2 Struktur des Inhaltsbereiches und Basiswissen S.
5-17 und Ausführungen der Unterrichtseinheiten 2-4
Martin Volkmer: „Die Solarzelle im Rahmen des Unterrichtsthemas Elektronik“ , Naturwissenschaft im
Untericht Physik, 1986, Nr. 20, S. 427-433
Martin Volkmer: "Die Verzauberte Reihenschaltung", Unterricht Physik, Heft Nr. 40, Jahrgang 1997
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Physikalisches Thema: Die Röhrendiode und -triode als "Großväter und Großmütter" der
Halbleiterelemente und ihre Funktion (Gleichrichtung, Verstärkung);
Glühelektrischer Effekt;
Einfache Schaltungen mit Halbleiterbauelementen
Physikdidaktisches Thema:
modernen
"Kognitive Konflikte" als Türöffner für die Behandlung elektronischer
Schaltungen
Material: Netzgeräte (LE 52235 und PE 753293), Diode (EZ80), Voltmeter, Amperemeter (LE 53186),
Triode (EC 92)
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Bauen Sie Ihre Dioden-Schaltung nach folgender Skizze auf:
+
I
A
U
U
A
F
Kenndaten der Diode:
Heizung: U F = 6,3V~
Anode: U A = 300VI A = 3mA
Der Vorwiderstand ist mit R V = 1 kΩ zu wählen!
Gemessen wird die Heizspannung, die Anodenspannung und der Anodenstrom
a)
Was beobachten Sie nach Anlegen der Spannung zwischen Anode und Kathode, wenn die Kathode nicht
geheizt wird? Begründen Sie kurz Ihre Beobachtung!
b) Was beobachten Sie, wenn die Kathode geheizt wird, aber kein Potenzialgefälle zwischen Anode und
Kathode besteht? Auch hier bitte eine kurze Begründung Ihrer Beobachtung!
c) Was ereignet sich, wenn man abweichend vom Schaltbild die Anschlüsse an der Röhre umpolt und so eine
negative Anodenspannung anlegt? Warum?
d) Stellen Sie die Kennlinie der Diode graphisch dar.
Bauen Sie folgende Trioden-Schaltung auf:
U a -I a -Kennlinien
Messen Sie bei konstanter Gitterspannung U g den Anodenstrom in Abhängigkeit der Anodenspannung. Führen
Sie diese Messung für zwei verschiedene Gitterspannungen durch. Stellen Sie die Kennlinie graphisch dar.
Welche Anwendungen gibt es für die beiden vorgestellten Röhrentypen in der Technik?
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Teil 2:
Diode und Triode als die grundlegenden Halbleiterelemente der Elektronik
Material: Widerstände, Lämpchen Dioden, Oszilloskop (als Volt- bzw. Amperemeter)
a)
Bauen Sie aus 4 Dioden eine Brückenschaltung (Grätz-Brückenschaltung,) nach der Schaltskizze auf
dem beiliegenden Arbeitsblatt1 und überprüfen Sie die auf dem Arbeitsblatt angegebenen Beobachtungen. Ist
Ihnen die auf dem Arbeitsblatt gegebene Erläuterung der Schaltung klar?
b) Eine besondere Diode: Die Solarzelle
Solarzellen sind wie Dioden aus einer p- und einer n-leitenden Schicht aufgebaut, so dass sich in der
Zwischenschicht ein pn-Übergang ausbildet. Informationen zu Aufbau und Funktionsweise von Solarzellen
finden Sie im Artikel von Martin Volkmer: „Die Solarzelle im Rahmen des Unterrichtsthemas Elektronik“ und
bei „leifiphysik“:
http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/index.htm
Beleuchten Sie die Solarzelle mit der Halogenlampe und messen Sie nacheinander die Leerlaufspannung (UL)
und den Kurzschlussstrom (IK) der Solarzelle.
Variieren Sie die Bestrahlungsstärke der Solarzelle und messen Sie jeweils wieder UL und IK. Was können Sie
über die Abhängigkeit der Leistung einer Solarzelle von der Bestrahlungsstärke sagen?
Betreiben Sie den Propeller mit der Solarzelle. Schalten Sie eine zweite Solarzelle in Reihe zur ersten und
beobachten Sie, was mit dem Propeller geschieht! Dunkeln Sie nun eine der Zellen mit einer Pappe ab und
beobachten Sie den Propeller! Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen und erklären Sie den Effekt nach der
Abdunklung im Vergleich zur Situation mit nur einer Solarzelle!
Für das Protokoll:
Welche Vor- und Nachteile ergeben sich bei der Nutzung von Solarenergie zur Stromversorgung?
Schlagen Sie einen kurzen didaktischen Einstieg zur Motivation des Themas Solarenergie über die
Elektrizitätslehre hinaus vor!
c) Bauen Sie die von Martin Volkmer in der Zeitschrift Unterricht Physik ( Heft Nr. 40 des Jahrgangs 1997)
beschriebene "Verzauberte Reihenschaltung" auf.
Überlegen Sie sich, wie Sie diese Schaltung in einen Unterricht zum Thema "einfache Halbleiterlemente"
einbeziehen würden. Halten Sie Ihre (begründeten) Überlegungen im Protokoll fest.
1
aus: Unterricht Physik, Band 11: Elektronik, Köln 2001, S. 48

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