Elektronik I, Foliensatz Schaltungen mit Bipolartransistoren

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1 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 Elektronik I, Foliensatz Schaltungen mit Bipolartransistoren G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember 2013

2 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren Bipolartransistoren 1.1 Spannungsverstärker 1.2 Dierenzverstärker 1.3 Stromquellen 1.4 Transistorinverter 1.5 DT-Gatter 1.6 Spannungsstabilisierung 1.7 Aufgaben

3 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren Bipolartransistoren

4 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren Bipolartransistor: Aufbau, Anschlüsse und Schaltsymbol npn Transistor pnp Transistor E B I E U BE n p n U CB I B U BE I C U CB C E I E U BE p n p I C C I B I B U CB B B C E I C I E B U CB I B U BE C E I C I E E B C I E I B I C U BE U CB U CE Emitter Basis Kollektor Emitterstrom Basisstrom Kollektorstrom Basis-Emitter- Spannung Kollektor-Basis- Spannung Kollektor-Emitter- Spannung

5 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren Arbeitsbereiche Ein Transistor hat viele Arbeitsbereiche: BC-Übergang BE-Übergang aus aus ein ein C C I C = 0 I C < 0 0,6 V I B = 0 I B > 0 B B I B > 0 B aus ein C I B > 0 B ein aus C I C < I B 0,6 V 0,5 V I B > 0 B dazwischen ein C I C > 0 Arbeitsbereich 0,7 V 0,7 V 10 I B I E = 0 I E < 0 I E > 0 E E E E Ausschaltbereich zwei leitende Dioden Normalbereich Inversbereich 0,7 V I E > 0 E Übersteuerung Die Spannungen und Stromverstärkungen im Bild sind nur grobe Richtwerte. Die Vorzeichen im Bild gelten für npn-transistoren. Für pnp-transistoren sind sie genau umgekehrt.

6 1. Bipolartransistoren Normalbereich In fast allen Schaltungen (auÿer Digitalschaltungen) wird ein Transistor im Normalbereich betrieben: Basis-Emitter-Übergang im Durchlassbereich. Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode. Basis-Kollektor-Übergang im Sperrbereich. Wirkt wie eine vom Basisstrom gesteuerte Stromquelle (Transistoreekt). npn Transistorersatzschaltung B I B > 0 U BEF C I C > 0 pnp Transistorersatzschaltung E E Voraussetzung für die Gültigkeit der Ersatzschaltung B C I B < 0 I C < 0 U BEF β I B U CE < U CEmax β I B U CE < U CEmax U CE > U CEX U CE > U CEX Das ist ein einfaches, aber kein sehr genaues Modell. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

7 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren Modellparameter für zwei typische Transistoren β U BEF U CEX U CEmax P max BC (pnp) BC (npn) ,9 V 0,9 V 0,3 V 0,3 V 45 V 45 V 625 mw 625 mw U BEF Basis-Emitter-Flussspannung β Stromverstärkung U CEX Kollektor-Emitter-Restspannung U CEmax Spannungsfestigkeit zwischen Kollektor und Emitter P max maximale Verlustleistung

8 1. Bipolartransistoren Einfaches, aber nicht sehr genaues Modell Die Stromverstärkung ist in Datenblättern ein breiter Bereich, z.b. 100 bis 250. Dahinter verbergen sich groÿe fertigungs- und arbeitspunktabhängige Schwankungen. Die Angabe der Basis-Emitter-Flussspannung ist mit einer Toleranz von ca. ±20% behaftet. β Modell (BC337-16, U CE = 1 V) I B 1 ma 100 µa Modell µa 0,1 ma 1 ma 10 ma 0,1 A I C 1 µa 0,6 V 0,7 V 0,8 V U BE Schaltungen so entwerfen, dass sie funktionieren, solange die Parameter aller Bauteile in ihren Toleranzbereichen liegen! G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

9 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Spannungsverstärker

10 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Einfacher Spannungsverstärker bildet U e auf I B ab. Der Transistor bildet I B auf ein verstärkten I C ab. bildet I C auf U a ab. I B I C U a U e Die Versorgungsspannung ist erforderlich, damit der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung betrieben wird, so dass der Transistor im Nomalbereich arbeitet.

11 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Ersatzschaltung I B > 0 I C U e U BEF β I B U a U CEX U a I B = Ue UBEF I C = β I B = β (U e U BEF ) U a = I C U a = β RC Gültigkeitsvoraussetzungen für das Modell Zulässiger Eingangsspannungsbereich: (U e U BEF ) für U CEX < U a < U BEF U e U e.max = ( U CEX ) β + U BEF

12 Problem Parameterstreuungen: v U und U e.max hängen von der Verstärkung β ab, die Toleranzbereiche von mehr als ±50% hat, z.b. 100 bis 250. Daraus folgen mehr als ±50% Unsicherheit der Verstärkung und der Breite des Eingangsspannungsbereichs! G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Übertragungsfunktion mit allen Arbeitsbereichen U e U a = Übersteuerungsbereich Ausschaltbereich Normalbereich I B > 0 I C < β I B U e U BEF U CEX Ua = UCEX U e < U BEF U e > U e.max U a U CEX v u = d Ua d = β RC Ue RB Streuung Gültigkeitsvoraussetzungen für das Modell U BEF U e.max U e

13 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Verstärkungsabgleich Korrektur der Verstärkung durch Abgleich von : v u = β ; = β v u IB I C U a U e In einer integrierten Schaltung müsste man den nach dem Test mit einem Laser trimmen. Sehr fertigungsaufwändig! Fakt 1 Man muss Verstärker so bauen, dass v u fast nicht von β abhängt.

14 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Verlustleistung des Transistors Etwa Produkt aus Kollektorstrom und Ausgangsspannung: U e IB I C U a P Tr I C U A = I C ( I C ) Maximum bei der Nullstelle der Ableitungen: d (I C ( I C)) d I C = 2 I C = 0 I C.Pmax = UV 2... P Tr.max = U 2 V 4 P V U 2 V 4 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember / U a

15 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Beispielrechnung zum einfachen Spannungsverstärker IB I C U a U e Für die Verstärkerschaltung sei folgendes vorgegeben : der Wert des Kollektorwiderstands: = 1 kω die Transistorparameter: 100 β 250; U BEF 0,7 V; U CEX 0,5 V die Versorgungsspannung: = 5 V die gewünschte Verstärkung: v u = 10. Welchen Einstellbereich muss der Widerstand besitzen? In welchem Bereich darf die Eingangsspannung U e liegen? Wie groÿ muss die zulässige Verlustleistung des Transistor sein?

16 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Verbesserter Spannungsverstärker I B > 0 I C M2 U e R E U a U e U BEF M1 K I E R E β I B U a > U e U EBF + U CEX Tafel Knotengleichung für K: I E = I B + I C = (1 + β) I B Maschengleichung für M1: U e = U BEF + U RE = U BEF + R E (1 + β) I B I B = (U e U BEF ) R E (1 + β) ; I C = β (U e U BEF ) R E (1 + β)

17 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 1. Spannungsverstärker Fortsetzung Übertrag von oben: I C = β (Ue U BEF) R E (1+β) I C M2 U a Maschengleichung für M2: U a = I C = β (1 + β) R E (U e U BEF ) Masche nicht über die Stromquelle legen, warum? Fakt 2 Die Spannungsverstärkung v u = d U a = β d U e (1 + β) R E wird fast ausschlieÿlich durch die beiden Widerstände R E und bestimmt.

18 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 2. Dierenzverstärker Dierenzverstärker

19 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 2. Dierenzverstärker Schaltung des Dierenzverstärkers Ziel: Eliminierung des streuungsbehafteten Transistorparameters U BEF aus der Übertragungsfunktion. Lösung: Symmetrie und Kompensation. Zwei identische Verstärker, denen Parameterabweichungen sich kompensieren. U e1 U a1 U a2 U e2 R E RE Verstärker 1 Verstärker 1 I k

20 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 2. Dierenzverstärker Ersatzschaltung β I B1 I B1 U a1 U a2 β I B2 I B2 U e1 U BEF R E U RE1 U RE2 R E U BEF U e2 I E1 I k U k I E2 Tafel

21 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 2. Dierenzverstärker Für die Emitterströme der beiden Einzelverstärker gilt: I E.i = U e.i U BEF U k R E mit i {1, 2} Die Spannung über der Stromquelle stellt sich genau so ein, das am Knoten K der Knotensatz gilt: I k = I E.1 + I E.2 I k = U e1 + U e2 2 (U BEF + U k ) R E U k = U e1 + U e2 R E I k U BEF 2 Eingesetzt in die Gl. oben ergibt sich für die Emitterströme: I E.1 = U e1 U e2 + I k 2 R E 2 I E.2 = U e2 U e1 + I k 2 R E 2

22 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 2. Dierenzverstärker Mit I C.i = β β + 1 I E.i und U a.i = I C.i betragen die beiden Ausgangsspannungen: U a1 = β (U e1 U e2 ) β I k 2 (β + 1) R E 2 (β + 1) U a2 = β (U e2 U e1 ) β I k 2 (β + 1) R E 2 (β + 1) Ergebnis: U a = U a2 U a1 = β (β + 1) R E (U e1 U e2 ) Die Flussspannungen der Basis-Emitter-Übergänge sind aus der Übertragungsfunktion herausgefallen.

23 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 3. Stromquellen Stromquellen

24 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 3. Stromquellen Transistor als Konstantstromquelle Der Dierenzverstärker benötigt eine Konstantstromquelle. Einfachste Lösung ist ein Transistor mit konstantem Basisstrom: Schaltung Ersatzschaltung I B Ik I B I k U BEF β I B I k = β ( U BEF ) Problem: Der erzeugte Konstantstrom I k hängt erheblich von den streuungsbehafteten Transistorparametern β und U BEF ab.

25 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 3. Stromquellen Stromspiegel I ref I k I ref I k I B1 I B2 β I B1 U BEF U BEF β I B2 R E R E R E M R E Aus der Masche M in der Ersatzschaltung folgt, dass über beiden Widerständen R E dieselbe Spannung abfällt.

26 1. Bipolartransistoren 3. Stromquellen I ref I k I B1 linker Widerstand: β I B1 U RE = R E (I ref I B2 ) rechter Widerstand: R E U RE = R E (I k + I B2 ) Mit I B1 I B2 I B I k /β ergibt sich: ( I ref = I k ) β U BEF M I B2 U BEF β I B2 R E Bei Transistoren mit identischen Parametern (β und U BEF,...) 1 ist der Ausgabestrom fast gleich dem Vorgabestrom I ref. 1 Erreichbar mit integrierten geometrisch identischen benachbarten Transistoren. Die richtigen Simulationsmodelle haben zehnmal so viele Parameter. Aber auch da fallen die Parameter nahezu komplett aus der Rechnung heraus. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

27 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 4. Transistorinverter Transistorinverter

28 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 4. Transistorinverter Einfacher Transistorinverter (Verstärker Folie 10) 1 U y1 aus ein X U y I C I L y U CEX U x x I B U y 0 zugeordnete Signalwerte U BEF U x U x1.min 0 X 1 Bei einer 0 am Eingang muss der Transistor sicher sperren. Bei einer 1 am Eingang muss der Transistor übersteuern. max. Eingangsspannung für 0: U x0.max = U BEF.min min. Eingangsspannung für 1 U x1.min = f (β min, U BEF.max,...) Ausgangsspannung für 0: U y=0 = U CEX < U x0.max Ausgangsspannung für 1: U y=1 = f (, I L ) > U x1.min Voraussetzung für die Hintereinanderschaltung mehrerer Inverter.

29 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 4. Transistorinverter Ersatzschaltung mit Transistor im Ausschaltbereich Eingangsspannung so klein, dass der Transistor ausschaltet. Der Ausgang steuert N L (Lastanzahl) gleichartige Inverter an. U x=0 < U x0.max I C I B = 0 U y=1 U y=1 N L nachfolgende gleichartige Inverter N L N L U BEF max. Eingangsspannung für 0: U x0.max = U BEF.min Ausgangsspannung: N L U y1 = U BEF + ( U BEF ) N L +

30 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 4. Transistorinverter Übersteuerungsbereich 5 ma 50 µa I C U y I B 4 ma 40 µa 3 ma 30 µa 2 ma 20 µa 1 ma 10 µa 0 ma 0 µa Annäherung durch eine konstante Spannung U x Für U y 0 kann mit einer weiteren Zunahme des Basisstroms nicht mehr Strom am Kollektor abieÿen.

31 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 4. Transistorinverter Die Ausgangsspannung bleibt etwa konstant. Modellierung der Kollektor-Emitter-Strecke als Konstantspannungsquelle. U x=1 U x1.min U BEF I B I C < β I B U CEX U y Die minimale Eingangsspannung U x1.min, ab der der Transistor übersteuert: Maximaler Basiswiderstand: U x1.min = ( U CEX ) β min + U BEF β min Ux1.min U BEF U CEX

32 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 4. Transistorinverter Beispielrechnung Transistorinverter Für den Transistorinverter sei folgendes vorgegeben: Kollektorwiderstand: = 1 kω Transistorparameter: 100 β 250, U BEF 0,7 V und U CEX 0,2 V Versorgungsspannung: = 5 V Kleinste Spannung, die als 1 interpretiert werden soll: U x1.min = 1,4 V Fragen: 1 Bis zu welcher Spannung wird die Eingabe garantiert als 0 interpretiert? 2 Welche Spannung wird als 0 und welche Spannung wird als 1 ausgegeben? x 3 Wie groÿ darf der Widerstand U x maximal sein? I B I C y U y

33 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter DT-Gatter

34 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Dioden-Transistor-Inverter U y 0 U e0.max U x1.min U x Ideale Übertragungsfunktion Übertragungsfunktion einfacher Inverter Der DT-Inverter hat fast diese ideale Übertragungsfunktion x U x D1 D2 D3 I B I RC I C Tafel y U y

35 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Ersatzschaltung für y = 0 (Transistor übersteuert) I L1 = 0 D1 x D2 < U U F x=1 > U x1.min D3 M U RB U F U F I B U BEF U RC Tafel I RC = UV UCEX I C U y=0 U CEX I L0 Transistor U F y Eingang Folgegatter Bedingung für die Übersteuerung des Transistors: I B = 2 U F U BEF > I RC + I L0 β min = U CEX + UV UCEX UF β min Mindestspannung für eine 1 am Eingang: U x1.min = 2 U F.max U F.min + U BEF.max G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

36 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Ersatzschaltung für y = 1 (Transistor aus) x Tafel I L0 = UV UF UCEX U CEX U x=0 < U F + U BEF U F M D2 D3 U RB < 2 U F + U BEF Transistor U RC = 0 I L1 = 0 y U y=1 = Die Schaltung hat die nahezu perfekte Übertragungsfunktion: { U U y = V für U x < U F + U BEF U CEX für U x > U F + U BEF U y streuungsbedingter Eingangsspannungsbereich mit unbestimmtem Ausgabewert U CEX 0 U F + U BEF G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 U x

37 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter DT-Gatter mit mehreren Eingängen Kombination aus Dioden-UND-ODER-Gatter und Transistorinverter x 1 x 2 D1 D2 z 1 D5 I z1 y x 3 x 4 D3 D4 z 2 D6 I z2 Tafel Eingangsschaltung eines Folgegatters y = (x 1 x 2 ) (x 3 x 4 )

38 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Ersatzschaltung für y = 0 x 1 = 1 x 2 = 1 x 3 = 0 x 4 = I L0 0 D1 D2 D3 D4 U F U F D5 D6 I B U BEF I L0 y = 0 U CEX U F Eingang Nachfolgegatter Potential an x 1 und x 2 oder an x 3 und x 4 gröÿer: U x1.min = U F.max U F.min + U BEF.max Damit der Transistor sicher übersteuert: β min I B.min > U CEX + U F U CEX. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

39 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Ersatzschaltung für y = 1 x 1 = 0 x 2 = 1 x 3 = 0 x 4 = 1 I L0 0 I L0 0 D1 D2 D3 U F D5 ϕ z1 < 2 U F I I = 0 L1 = 0 y = 1 U F D4 D6 I = 0 ϕ z1 < 2 U F Potential an x 1 oder x 2 und x 3 oder x 4 kleiner: U x0.max = 2 U F.min U F.max + U BEF.min

40 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Mehrere Nachfolgegatter Bei N L nachfolgenden Logikgattern muss der Transistor bei Ausgabe einer 0 die N L Eingangsströme aufnehmen können, ohne den Übersteuerungsbereich zu verlassen: U F I B U BEF N L I L0 U CEX UF y = 0 N L Eingänge Nachfolgegatter β min I B.min > U CEX + N L UV U F U CEX mit I B.min = 2 U F.max U BEF.max Daraus ergibt sich, wie viele DT-Gattereingänge maximal an den Ausgang eines DT-Gatters angeschlossen werden dürfen.

41 1. Bipolartransistoren 5. DT-Gatter Beispielrechnung DT-Gatter Gegeben sei folgende DT-Gatterschaltung: = 3,1 V 3,4 V = = 10 kω x 1 β = D1 y I D3 I C U F = 0,6... 0,8 V B U y U BEF = 0,6... 0,8 V D2 U ECX = 0,1... 0,2 V x 2 Wie lautet die logische Funktion? Maximale Eingangsspannung für eine 0? Minimale Eingangsspannung für eine 1? Maximale Lastanzahl? Wie unterscheidet sich der Umgang mit den Parametersteuungen der Bauteile bei Logikschaltungen und Verstärkern? G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

42 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 6. Spannungsstabilisierung Spannungsstabilisierung

43 Eine ideale Spannungsstabilisierung verlangt einen Flusswiderstand der Diode R D 0 und groÿe Werte für U Q und R D. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 6. Spannungsstabilisierung Behandelte Schaltung mit Z-Diode I L I L I L U Q R Q D A R Q U Q D R D U BR R Q R D R Ers U 0 B R Q I L U Q U 0 A: = U 0 R Ers I L U Q U BR B: = U Q R Q I L ideal I L A: Ersatzschaltung für den Arbeitsbereich zur Spannungsstabilisierung B: Ersatzschaltung für den Arbeitsbereich zur Strombegrenzung

44 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 6. Spannungsstabilisierung Nachteile im Vergleich zur nachfolgenden Lösung Hoher Innenwiderstand der Ersatzquelle im Arbeitsbereich: R Ers = R Q R D R D Geringer Innenwiderstand im Arbeitsbereich Strombegrenzung. Hohe Verlustleistung, die Maxima für die die Bauteile ausgewählt werden müssen, treten auf für R Q bei einem Kurzschluss am Ausgang: ( P R I L = U ) Q = U Q 2 R Q R Q für die Z-Diode bei Leerlauf am Ausgang : P ZD (I L = 0) = (U Q U BR ) U BR R Q

45 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 6. Spannungsstabilisierung Längsregler U Q I k I L Prinzip: Bipolartransistor mit konstantem Basispotenzial, z.b. erzeugt mit einer Z-Diode im Durch- bruchbereich. Ersatzschaltung mit Z-Diode im Durchbruchbereich β I B I L Zweipolverhalten aus der Schaltungssicht U Q I k U BEF I B M 1+β I L U BR U BR U BEF

46 1. Bipolartransistoren 6. Spannungsstabilisierung Strombegrenzungsmodus Der gesamte Strom I k ieÿt in die Basis β I k I L Zweipolverhalten aus der Schaltungssicht U BEF (1 + β) I k U Q I k Laut Ersatzschaltung ideale Stromquelle. Begrenzungsstrom streut, da proportional zur Stromverstärkung. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

47 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 6. Spannungsstabilisierung Längsregler als Standardschaltkreis Verbesserte Schaltung aus mehreren Transistoren mit geringerer Streuung der Ausgangsspannung und der Strombegrenzung thermischem Überlastschutz,...: U Q = V C nf L C nf I L = 5 ma... 1 A = 5 V ±7% versorgte Schaltung Die Kapazitäten C 1 und C 2 sind wichtig für das dynamische Verhalten (Ausgleich schneller Eingangsspannungs- und Laststromänderungen).

48 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Aufgaben

49 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Kollektorschaltung U g R g U e I e R E I a U a = 5 V R E = 1 kω R g = 100 kω β = 200 U BEF = 0,7 V U CEX = 0,2 V Gesucht sind: Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb. Übertragungsfunktion: U a = f (U e ) Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist. Eingangswiderstand: R e = d Ue d I e Ausgangswiderstand: R a = d Ua d I a

50 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Verstärker mit pnp-transistor U e I e I a U a = 5 V = 10 kω = 1 kω β = 100 U BEF = 0,7 V U CEX = 0,2 V Gesucht sind: Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb. Übertragungsfunktion: U a = f (U e ) Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist. Eingangswiderstand: R e = d Ue d I e Ausgangswiderstand: R a = d Ua d I a

51 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Basisschaltung U e I e R E I a U a R E = 100 Ω = 1 kω = 5 V β = 100 U BEF = 0,7 V U CEX = 0,2 V Gesucht sind: Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb. Übertragungsfunktion: U a = f (U e ) Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist. Eingangswiderstand: R e = d Ue d I e Ausgangswiderstand: R a = d Ua d I a

52 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben 2-Transistor-Verstärker U e I e T1 T2 I a R 1 R 2 U a = 5 V R 1 = 1 kω R 2 = 100 Ω β 1 = 200 β 2 = 100 U BEF1 = 0,7 V U BEF2 = 0,7 V U CEX1 = 0,2 V U CEX2 = 0,2 V Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb. Übertragungsfunktion: U a = f (U e ) Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist. Eingangswiderstand: R e = d Ue d I e Ausgangswiderstand: R a = d Ua d I a

53 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Darlington-Transistor C I C B I B I B1 I C1 I B2 I C2 Gesucht sind: Ersatzschaltung mit beiden Transistoren im Normalbetrieb. Bedingungen, unter denen das Modell gilt. Transformierte Ersatzschaltung mit nur einer Spannungsund einer Stromquelle. E

54 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Verbesserter Stromspiegel U e R 1 T1 I e T2 T3 I a 100 Ω 100 Ω Gesucht sind: Ersatzschaltung mit allen Transistoren im Normalbetrieb. Das Stromspiegelverhältnis I a = f (I e ). Die Eingangsspannung als Funktion des Eingangsstroms: U e = f (I e ) Den Eingangsstrom I e für einen Vorwiderstand R 1 = 1 kω und = 5 V.. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55

55 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben DT-Gatter Gegeben sei folgende DT-Gatterschaltung: x 1 x 2 x 3 D1 D2 D3 D4 D5 y = 4, ,25 V = 10 kω = 1 kω β = U F = 0,6... 0,8 V U BEF = 0,6... 0,8 V U ECX = 0,1... 0,3 V Wie lautet die logische Funktion? Maximale Eingangsspannung für eine 0? Minimale Eingangsspannung für eine 1? Maximale Lastanzahl?

56 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 25. Dezember /55 1. Bipolartransistoren 7. Aufgaben Längsregler I L U Q R L R 1 U Q = 8 V R 1 = 10 kω Z-Diode: U BR = 6 V Transistor: U BEF β = 100 Bestimmen Sie die linearen Ersatzschaltungen für die Arbeitsbereiche mit dem Transistor im Normalbetrieb und 1 der Z-Diode im Durchbruchbereich 2 der Z-Diode im Sperrbereich. Wie verhält sich die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Laststrom I L in den Bereichen, in den die Ausgangsspannung und der Laststrom 0 sind?