|
Die Arbeitspunkteinstellung wird anhand der Emittergrundschaltung durchgeführt.
Mithilfe des 4 Quadrantenkennlinienfelds kann man aus den Kennlinien Ströme und Spannungen ablesen.
Um den Transistor verwenden zu können benötigt er gewisse Werte für UCE, UBE, IC und IB. Meist wählt man zur Festlegung des Arbeitspunkts die Größen UCE und IB aus. Die Versorgungsspannung liegt fest, sie sei angenommen UB=12V. Den Lastwiderstand RL wählt man so, dass sich bei dem gewünschten Basisstrom IB die gewählte Basis Emitter Spannung UBE einstellt. Er sei in diesem Beispiel 2k. Somit kann man sich den Kollektorstrom IC berechnen.
IC=12V/2k
IC=6mA
Wie man aus dem Diagramm herauslesen kann, soll der Arbeitspunkt bei einer Spannung von
UCE = 6V liegen.
Somit kann man im 4 Quadranten Kennlinienfeld die Widerstandsgerade einzeichnen (Gerade von 12V auf der UCE Achse bis 6 mA auf der IC Achse einzeichnen). Zieht man nun eine Gerade parallel zur UCE Achse in das Stromsteuerungskennlinienfeld und von dort eine Gerade parallel zur UBE Achse ins Eingangskennlinienfeld, so kann man die benötigte Basis Emitterspannung UBE ablesen.
In der obigen Schaltung sieht man dass R1 und R2 einen Spannungsteiler bilden. Somit ist die Spannung UR2 an R2 gleich der Spannung UBE. Jetzt kann man sich die Werte für die Widerstände R1 und R2 berechnen.
Aufgrund des Spannungsteilers folgt:
R2/(R1+R2)=UBE/UB R2/(R1+R2)=1/12
R1=11*R2
Jetzt weiß man zwar das R1 11 mal größer als R2 sein muss, aber den exakten Wert kennt man nicht. Man kann ihn aber aufgrund folgender Definition berechnen.
Iq=10*IB
Der Strom der durch R2 fließt ist 9*IB groß. Somit lassen sich die Widerstände berechnen.
R2 = UBE/(9*IB) IB=30µA 9*30µA=270µA
R2 = 1/270µA
R2 ~ 3,7k
R1 = 11*R2
-> R1 = 41k
3.1 Arbeitspunktstabilisierung
Ist der Transistor in Betrieb, so verschiebt sich aufgrund des Temperaturanstiegs der Arbeitspunkt. Um dies zu vermeiden wird der Widerstand RE eingeführt.
Erwärmt sich der Transistor so wird IC etwas größer. Dadurch steigt der Spannungsabfall am RE. Die konstante Spannung UR2 = URE + UBE . Da UR2 aber konstant ist und URE größer wird muss infolge dessen die Spannung UBE kleiner werden. Dadurch ist der Arbeitspunkt annähernd stabil.
3.2 Die 3 Grundschaltungen
Man unterscheidet zwischen drei Kleinsignalbetriebsarten, also drei Grundschaltungen des Transistors. Diese Schaltungen unterscheiden sich durch ihre Anschlussbelegungen. Das Anschlusspotential gegenüber dem die Eingangs- und Ausgangsspannung gemessen wird nennt man Bezugspotential. Dadurch ergeben sich die Namen der Schaltungen - Emittergrundschaltung, Basisgrundschaltung und Kollektorgrundschaltung. Am häufigsten wird jedoch die Emittergrundschaltung verwendet.
3.2.1 Die Emittergrundschaltung
Die Emittergrundschaltung wird am häufigsten verwendet. Hier ist der Emitter der gemeinsame Pol für den Signalein- und ausgang. Sie besitzt eine hohe Leistungs- ,Strom- und Spannungsverstärkung.
3.2.1.1 Wechselstromersatzschaltbild der Emitterschaltung
In den eingekreisten Bereichen (um den Arbeitspunkt herum) verhält sich der Transistor linear. In diesen kleinen Bereichen spricht man also von einer so genannten Linearisierung. Da sich der Transistor aber aufgrund der Arbeitspunkteinstellung jetzt wie ein lineares Bauelement verhält kann man ihn als "Blackbox ", also als einen Vierpol ansehen.
Da man die h Parameter kennt und auch weiß wie man diese misst kommt man auf das Wechselstromersatzschaltbild.
h Parameter: U1 = h11*I1+h12*U2
I2 = h21*I1+h22*U2
h11= U1/ I1 |U2=0 Dieser h Parameter entspricht dem Eingangswiderstand rBE (siehe 2.1) bei Kurzschluss am Ausgang
h12= U1/ U2 | I1=0 Dieser h Parameter entspricht dem differentiellen Rückwirkungsfaktor D (siehe 2.4 ) bei Leerlauf am Eingang
h21= I2/ I1 | U2=0 Dieser h Parameter entspricht der differentiellen Stromverstärkung β (siehe 2.3 ) bei Kurzschluss am Ausgang.
h22= I2/ U2 | I1=0 Dieser h Parameter entspricht dem Ausgangsleitwert 1/rCE (siehe 2.2) bei Leerlauf am Eingang
Aus den Gleichungen für die h Parameter kann man das Wechselstromersatzschaltbild für den Transistor herauslesen.
U1 = h11*I1+h12*U2
Hier handelt es sich um eine Spannung (Eingangsspannung U1). Wenn Spannungen addiert werden bedeutet das dass sie in Serie anliegen. Somit lässt sich der Eingang aufzeichnen:
I2 = h21*I1+h22*U2
Hier handelt es sich um einen Strom (Ausgangsstrom I2). Wenn Ströme addiert werden bedeutet das dass sie parallel liegen. Kombiniert mit der obigen Schaltung kann man das gesamte Wechselstromersatzschaltbild des Transistors aufzeichnen.
Da wir aber wissen welcher h Parameter welche Eigenschaft des Transistors beschreibt (h11 = Eingangswiderstand rBE ..) zeichnet man das Wechselstromersatzschaltbild wie folgend gezeigt wird. In folgender Darstellung wird auch die Arbeitspunktbeschaltung berücksichtigt.
Spannungsverstärkung A = Ua/Ue = - (S*UBE*(rCE//RL))/UBE rCE>>RL -> A = -S* RL
rein = rBE
raus = rCE//RL = RL
3.2.2 Die Kollektorgrundschaltung
Die Kollektorgrundschaltung ist durch einen hohen Eingangswiderstand und einen kleinen Ausgangswiderstand gekennzeichnet. Sie wird auch als "Impedanzwandler" bezeichnet.
3.2.2.1 Wechselstromersatzschaltbild der Kollektorgrundschaltung
3.2.3 Die Basisgrundschaltung
Sie besitzt einen kleinen Eingangswiderstand und einen hohen Ausgangswiderstand. Man verwendet diese Grundschaltung wenn hohe Frequenzen auftreten.
3.2.3.1 Wechselstromersatzschaltbild der Basisschaltung
|
