NPN-Kippschwingungen
Viele
kennen diese Schaltung eines einfachen Kippgenerators. Jeder kann es
ausprobieren, es funktioniert einfach. Aber warum?? Eines der
ungelösten Rätsel der Elektronik.
2 V/Skt
Am Kondensator findet man ein
Sägezahnsignal mit ca. 1 kHz. Es ist stark von der
Betriebsspannung abhängig.
0,5 V/Skt
Hier
das Signal an der Basis. Man sieht starke Basis-Impulse. Was man
über die Funktion weiß, ist dass der Transistor
zwischen
Basis und Emitter eine Art Zenerdiode enthält. Man kann einen
NPN-Transistor sinnvoll als Z-Diode einsetzen, allerdings unterliegt
die Z-Spannung gewissen Streuungen.
Teilweise erklärt das zu Verhältnisse in der
Kippschaltung: Wenn
nun die Z-Diode einsetzt, steigt die Basisspannung linear an. Soweit
ist es klar. Dann aber setzt ab einem bestimmten Strom ein anderer
Prozess ein, der wie eine starke Rückkopplung wirkt und einen
steilen, hohen Impuls an der Basis erzeugt. Es sieht fast so aus, als
würde der Kollektorstrom die Z-Spannung reduzieren.
Ein
PNP-Transistor bildet ebenfalls eine Z-Diode. Allerdings habe ich hier
etwas höhere Zenerspannungen gefunden. Der PNP-Transistor
verhält sich also ähnlich wie ein NPN-Transistor, nur
mit
anderer Polarität. Also habe ich den BC557 auch in der
Oszillatorschaltung getestet. Ergebnis: Fehlanzeige, er schwingt
nicht!
Basisschaltung
Auf der weiteren Suche nach der Funktion der Kippschaltung habe ich
diese Schaltung gebaut:
Das
Ergebnis ist ein Verstärker mit sehr guter Linearität
und
hoher Spannungsverstärkung. Das ist irgendwie
erklärlich.
Wegen der fast symmetrischen Bauweise eines NPN-Transistors
funktioniert er auch falsch herum, also mit vertauschtem Emitter und
Kollektor. Allerdings ist die Stromverstärkung geringer, so um
5-fach herum. Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen
Verstärker in Basisschaltung, die normalerweise auch nur eine
Stromverstärkung von 1, dafür aber eine hohe
Spannungsverstärkung hat. Da macht es nicht viel aus, dass der
Transistor invers eingesetzt ist. Dreht man ihn um, kommt fast das
gleiche raus. De Unterschied ist nur, dass die inverse Schaltung nur
bis zur BE-Zenerspannung am Ausgang arbeitet.
Mit
einer kleinen Änderung wird auch wieder ein Oszillator aus der
Schaltung. Man muss etwas mit dem Arbeitspunkt (z.B. der positiven
Betriebsspannung) spielen, bis es schwingt.
Na
gut, der Kondensator bildet eine Rückkopplung vom Ausgang auf
den
Eingang der Schaltung. Aber eine normale Basisschaltung würde
nicht schwingen, außer wenn man einen Schwingkreis im
Kollektorkreis verwendet. Ergebnis der Versuche: Es bleibt weiter
unklar, warum die Kippschwingungen entstehen.
Negativer
Innenwiderstand
Wenn
der Oszillator schwingen kann, muss irgendwo ein negativer
Innenwiderstand auftauchen. Das sollte auch einmal statisch untersucht
werden. Der Transistor wird als invers-verstärkte Z-Diode
eingesetzt. Es arbeitet also die BE-Z-Diode und der inverse Transistor
mit vertauschtem Emitter und Kollektor. Das ganze ergibt dann so etwas
wie eine Gesamt-Zenerdiode. Die Vermutung war aber, dass die
resultierende Z-Spannung bei steigendem Strom sinkt. Dann gäbe
es
einen negativen Innenwiderstand. Für den Versuch wurde die
Betriebsspannung mit einem Labornetzteil in Stufen hochgefahren und die
Z-Spannung gemessen.
Die
Auswertung mit Excel zeigt tatsächlich den negativen
Innenwiderstand. Der Kollektorstrom wird aus den gemessen Spannungen
berechnet. Dann wird der Strom gegen die Z-Spannung aufgetragen.
Ergebnis: Mehr Strom – weniger Spannung. Das ist anders als
bei
einer normalen Z-Diode und erklärt auch die Schwingungen.
Allerdings
– es fehlt immer noch die Theorie zur Messung. Warum genau
sinkt
die Z-Spannung bei steigendem Kollektorstrom? Und noch etwas ist
seltsam: Die gleiche Messung mit einem PNP-Transistor zeigt einen sehr
kleinen positiven(!) Innenwiderstand, fast so wie bei einer sehr guten
Z-Diode.
Hinweise
von Frank Schacht:
Die Kippschaltung mit NPN Transistor funktioniert bei mir mit den
Transistoren BC547C und BC337. Wie bei Ihnen funktioniert das mit dem
BC557C nicht. Die "Z-Dioden" konnte ich bei 9,7 und 9,9 V
feststellen. Daher schwingt die Schaltung bei mir "erst"
über 12V+. Auch interessant: die hergestellte Frequenz: mit
einem C von 6,8 nF (gerade vorhanden) beträgt 24,65 kHz (bei
beiden Transistoren gleich!) sie scheint also nur von der
angeschlossenen Kapazität abhängig zu sein, bei C =
0,33 µF, f = 4,7 Hz (ohne C konnte ich keine Frequenz
feststellen). Der beschriebene Effekt wird als Avalancheeffekt
eines PN Übergangs bezeichnet. Ich entdeckte die erste
Beschreibung im "Elektronischen Jahrbuch 1986 des
Militärverlages der DDR". Es wird dort von einem
negativen differentiellen Widerstand in der Kennlinie mancher
Halbleiter gesprochen. Von dieser Anwendung mit dem BC337 habe ich
schon einmal (auf einer anderen Webseite ) gelesen, aber dass der
BC547C ebenfalls diese Eigenschaft aufweist, wusste ich nicht. Es soll
aber auch PNP-Transistoren geben, die so funktionieren. (im Buch werden
allerdings nur alte Russ. Ge-Transistoren bezeichnet).
Hinweise von
Arne Rossius:
Ich
fand deinen Versuch zu den NPN-Kippschwingungen sehr interessant und
habe ihn mal nachgebaut. Zuerst habe ich es mit einem BC550C versucht,
jedoch ohne Ergebnis -- es schwingt nicht, auch bei deutlich
größerer Betriebsspannung nicht. Dann habe ich doch
noch
einen BC548C und einen BC547C gefunden und siehe da, mit denen klappt
es, wenn auch mit nur ca. 1 Vpp. Interessant, ich dachte bislang, die
Unterschiede der BC546~BC550-Serie seien minimal. In der Bastelkiste
fand sich dann auch noch ein BC547B, mit dem ich auch fast den von dir
gezeigten Spannungshub von gut 2V erreicht habe. Mit BC337-40 geht es
auch (ich habe Typen von zwei verschiedenen Herstellern probiert, mit
ähnlichen Ergebnissen), 2N9014 und SS8050 klappen ebenfalls
mit 2
V bzw. 1.5 V Spannungshub. Sollte der Verstärkungsfaktor etwa
etwas mit dem Spannungshub zu tun haben? Ich habe daraufhin
ein paar Leistungstransistoren ausprobiert, und
tatsächlich: BC140-16 und 2SC1306 bringen 1.5 V, mit einem
BD137-10 schaffe ich es sogar auf fast 3 V. Andere
Leistungstransistoren, insbesondere die richtig "dicken", lassen sich
hingegen keine Schwingung entlocken. Ein paar Versuche mit
PNP-Transistoren habe ich dann auch noch gemacht, unter anderem mit
BC327-40, aber genau wie bei dir ohne Ergebnisse.
Aufbau
eines LED-Blitzers
Der
Entladestromstoß ist kräftig genug um eine LED damit
zu betreiben. Hier wird eine Spannung über 9 V gebraucht. Die
Schaltung funktioniert sehr gut mit zwei fast völlig leeren
9-V-Batterien. Die LED blinkt noch lange und holt das letzte bisschen
Saft aus den Batterien. Die Blitzfrequenz nimmt dabei weiter ab. Den
Ladewiderstand habe ich aus mechanischen Gründen zwischen die
Batterien gesetzt, er hilft, sie zusammenzuhalten.
Video: https://youtu.be/s0zs9rZ_P3k
Vereinfachter
Kipposzillator mit nur zwei Bauteilen, von
Leander Hackmann
Leider
hatte ich nicht die richtigen Bauteile in meiner Sammlung. Deshalb habe
ich die
selbe Schaltung mit einem BC547C ausprobiert. Leider hat das Ganze dann
nicht
funktioniert, weshalb ich etwas rumprobiert habe. Ich habe den 100 uF
Kondensator und den 27 k Widerstand weggelassen. Die LED blinkt jetzt
ca. alle
5 Sekunden und lädt sich dann wieder langsam auf, bis sie umkippt (1 s
aufblitzt), dann ausgeht und das ganze sich wiederholt.
Versuch einer Erklärung: Die Batterien müssen schon fast leer gewesen
sein. Sie
haben dann einen großen Innenwiderstand und verhalten sich zusätzlich
ähnlich
wie Kondensatoren. Nach jedem Zünden sinkt die Batteriespannung ab und
steigt
dann langsam wieder an. Mit frischen Batterien würde es nicht gehen.
Leander: Stimmt, mit zwei neuen Batterien gab es eine Rauchwolke, und
der
Transistor war kaputt, die LED kurze Zeit später auch.
Nachtrag: Versuch einer Erklärung
Der Transistor hat bei inversem Betrieb zwischen Emitter und Kollektor
eine
negative Kennlinie. Das ist bewiesen. Aber warum ist das so?
Es könnte so funktionieren: Die BE-Diode zeigt bei ca. 9 V den
bekannten
Avalanche-Effekt.
Dabei werden Ladungsträger in der Sperrschicht so schnell,
dass sie weitere Ladungsträger aus dem Kristallgitter befreien können.
Die Anzahl der
Ladungsträger steigt lawinenartig an, und damit der Strom. Dieser
Effekt
entspricht genau dem in einer 9-V-Z-Diode. Der Innenwiderwiderstand
dieser
Diode ist aber noch positiv.
Jetzt kommt zusätzlich der inverse Transistor dazu. Emitter und
Kollektor
tauschen zwar die Rollen, aber wegen des prinzipiell symmetrischen
Aufbaus
funktioniert der Transistor auch so herum. Man kann eine geringe
Stromverstärkung von 3 bis 10 messen. Die Funktion des
Transistors ist
aber, dass Ladungsträger durch die dünne Basis hindurch in die
Sperrschicht
gelangen. Und jetzt kommt’s: Genau diese Sperrschicht ist dieselbe, in
der auch
der Lawineneffekt auftritt. Also noch mehr Ladungsträger, die noch
weitere
Ladungsträger aus dem Gitter befreien, sozusagen eine Lawine im
Quadrat. Wenn
diese Lawine einmal rollt, reicht auch eine kleinere Spannung, um sie
aufrechtzuerhalten. Der Kollektorstrom verstärkt also den
Lawineneffekt
und sorgt für die negative Steigung der Kennlinie.
Eine weitere Anwendung: Der
Multi-Blitzer
Video: https://youtu.be/lqr-YTf3b9U
Tests mit weiteren Transistoren,
von Rudolf Drabek
BC547
Dieser Effekt hat mich sehr interessiert und ich habe die Absicht
einen kleinen Beitrag dazu schreiben. 19 Transistoren habe ich
nachgemessen npn und
pnp. Der BFR96 bricht schon bei ca. 4V durch. Er ist so schnell, dass
man einen
LC-Osz. bis ca. 2 MHz zum schwingen bringen kann. Mit NF Transistoren
gehen nur
Kippschwingungen.
Meine Erklärung für den Effekt ist folgende:
Man hat ein Dreischichtelement z.B. npn die EB-Diode ist in
Sperrrichtung betrieben. Die BC-Diode in Durchlassrichtung. Tritt nun
ein Lawinendurchbruch
der EB-Diode auf, so würde der Zenerstrom über die Basis
abfließen. Kann er
nicht, also fließt er über die in Durchlassrichtung gepolte
CB-Diode ab. Damit
ist dies aber ein Basisstrom für eine normale Transistorstufe mit
geringerer
Stromverstärkung als mit Emitter an minus. Das ändert bei
vielen
Transistortypen, aber nicht allen, die Zenerspannung. Interessant ist,
dass
Professor ESAKI diesen Effekt bei Sony schon 1957 untersucht hat und
vielleicht
das die Ursache für die Entwicklung der Tunneldiode war.
Anbei einige der 19 Fotos. Der 2N3906 z.B. zeigt den Effekt nicht. Der
2N2369 scheint schon im Kennlinienschreiber zu schwingen. Der
LEDflasher mit BC547 geht sehr gut. Aus den Diagrammen ist auch der
mögliche Spannungshub gut zu erkennen. Einstellung: 1V bzw 1 mA
Skalenteilung.
Anwendung
in einer PWM-Steuerung von Bernhard Stiehle
Vergleicht man die Sägezahnspannung mit einer konstanten Spannung über
einen Komparator, so ergibt sich ein PWM-Signal am Ausgang. Genau das
habe ich aufgebaut. Am Ausgang der Schaltung liegt nun ein PWM-Signal
an, dessen Tastverhältnis man über das Poti R3 einstellen kann, also
ideal für z.B. einen einfachen Dimmer.
R1, C1 und T1 bilden hier die npn-Kippschaltung, R1 habe ich
hochohmiger gewählt. Mit den Bauteilwerten beträgt die Kippfrequenz
etwa 250 Hz. An R3 wird das Tastverhältnis des PWM-Signals eingestellt;
R2 und R4 sorgen dafür, dass der Einstellbereich des Potis besser
ausgenutzt wird. Man könnte natürlich auch zusätzlich noch die
Grundfrequenz des PWM einstellbar machen, indem man R1 durch eine
Reihenschaltung von Widerstand und Poti ersetzt.
Als Operationsverstärker habe ich einen LM358 verwendet. Da hier zwei
OpAmps in einem Gehäuse untergebracht sind, habe ich den zweiten noch
zur Invertierung des Signals verwendet (optional, vielleicht nützlich
für bestimmte Anwendungsgebiete?). Der Ausgangsstrom des
Operationsverstärkers reicht aus, um damit einen Bipolartransistor oder
FET zu steuern. Die Schaltung könnte man dann z.B. für einen einfachen
Dimmer an 12 V verwenden. Der Vorteil gegenüber bekannten
PWM-Schaltungen (z.B. mit NE555) ist hier, dass auch wirklich ein
Tastverhältnis von 0% bzw. 100% erreichbar ist, der Ausgang lässt sich
also auch komplett ein- und ausschalten. Bei geeigneter Dimensionierung
ist auch bestimmt ein Servotester realisierbar (PWM: 50 Hz, 1-2 ms
High, 5 V Ausgang).
Ein
12-V-Blitzer von Gerd Sinning
Diese Schaltung braucht 12 V, ist also gut für das Auto geeignet, da
kann sie dann eine Alarmanlage simulieren. Mit den Werten für R1 C1
blitzt es etwa alle 3 Sekunden und wenn man R2 verkleinert, dann blitzt
es heller. Für Q1 wollte ich auch einen BC558 nehmen, das ging
aber nicht, der wirkt wie eine Zenerdiode bei ca 10 V.
Kippschwingungen und Sinus von Günther Zivny
Der Transistor hat in einem bestimmten Spannungsbereich eine
negative Kennlinie, also einen negativen (differentiellen) Widerstand. Dadurch
kann der (positive) Verlustwiderstand kompensiert werden. Mit einem
LC-Schwingkreis lassen sich auch Sinusschwingungen erzeugen. Die genaue
theoretische Erklärung ist ja nach wie vor etwas unklar.
Nach meinen Versuchen entstehen bei niederer
Betriebsspannung (ab etwa 8 V) „verformte“ Kippschwingungen, die sich mit
steigender Spannung Sinusschwingungen annähern. Es gibt dann aber bei einer
bestimmten Spannung (ca. 12 V) eine Diskontinuität und der Oszillator erzeugt
plötzlich saubere Sinusschwingungen, wie die Bilder zeigen.
Die Frequenz lässt sich mit der Formel
berechnen (im Beispiel: 3,75 kHz).
Die Schaltung kann selbstverständlich nicht simuliert
werden, weil die mathematischen Modelle in den Simulationsprogrammen diese
Verwendung des Transistors nicht abdecken.
Oszilloskopeinstellungen:1 V/div, 50 µs/div
Niedere Versorgungsspannung
Höhere Versorgungsspannung, kurz vor dem Umschlagen
Hohe Versorgungsspannung
Siehe auch
Der
Avalanche-Transistor
https://www.dos4ever.com/ring/ring.html#amazing
