Transistor. Arbeitspunkteinstellung

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1 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-01 Der ist ein aktives auteil in der Halbleitertechnik. Er wird hauptsächlich in der Verstärkung von elektrischen (Klein)Signalen benutzt. Es gibt zwei Haupttypen: unipolare und bipolare en. Während bei unipolaren en die anliegende Spannung verstärkt wird, verstärken bipolare en Ströme. n diesem beschäftigt man sich lediglich mit dem bipolaren, von dem es zwei rten gibt: den NPN- und PNP-. NPN PN-Übergänge PNP PN-Übergänge N P N E P N P E E E Durch den ufbau von drei aufeinander folgenden Halbleiterschichten entstehen zwei PN-Übergänge deswegen auch die ezeichnung bipolarer. Die beiden N-leitenden Schichten beim NPN- bezeichnet man als Kollektor () und Emitter (E), die P-leitende Schicht ist die asis (). eim PNP- verhält es sich umgekehrt. Die Richtung des Pfeils beim Emitter zeigt in Richtung der N-leitenden Schicht, also beim NPN heraus und beim PNP hinein. Das ist gleichzeitig die Richtung, in welche der Emitterstrom E fließt. Die bbildungen auf der darauf folgenden Seite zeigen die allgemeinen Zusammenhänge der Spannungen und Ströme ohne eine äußere eschaltung. Sämtliche Spannungsangaben werden auf den Emitter bezogen. Das bedeutet, die Spannung beginnt beim Kollektor oder der asis und endet beim Emitter. Für die späteren erechnungen am ist die Spannung nicht beachtenswert. Für die Ströme kann man den als Knotenpunkt betrachten. lle Strompfeile zeigen in den hinein. eim NPN- fließt der Strom E in Wirklichkeit heraus erhält demzufolge ein negatives Vorzeichen.

2 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-02 E E Es gilt: + 0 und + 0 E E E + E + E E Die Funktionsweise beider -Typen ist identisch, lediglich die Vorzeichen der Spannungen und Ströme werden vertauscht. Für die weitere etrachtung wird hier nur der NPN-Typ herangezogen. Damit ein arbeitet, müssen von außen Gleichspannungen so angelegt sein, dass sich im Eingang und usgang ein rbeitspunkt einstellt. m diesen rbeitspunkt herum wird die anliegende Wechselspannung in die positive, als auch in die negative Richtung ausgelenkt, beziehungsweise verstärkt. Dafür ist es notwendig, dass beide PN-Übergänge in Durchlassrichtung beschaltet werden. Das heißt, es muss ein asisstrom in die asis hinein fließen (beim PNP heraus). Existiert kein asisstrom, so fließt auch kein Kollektorstrom. Den Zusammenhang zwischen diesen beiden Gleichströmen beschreibt folgende Gleichung:. Dabei liegt die Größenangabe von im µ-ereich, wohingegen einige m groß ist also ein Verhältnis von mehreren hundert. Man sieht, dass wenn man vergrößert, auch größer wird und umgekehrt. Die Verstärkung kommt also dadurch zustande, dass ein kleiner steuert. Strom im Steuerkreis ( ) E einen großen Strom im Lastkreis ( ) Die rbeitspunkte werden durch eine äußere eschaltung des s durch Widerstände eingestellt. Dabei sind die Widerstände so zu dimensionieren, dass sich die Ströme und Spannungen in dem jeweiligen rbeitspunkt also und E sowie und E einstellen. Es reicht aus einen rbeitspunkt zu definieren, der andere ergibt sich zwangsweise durch die Wechselbeziehung der beiden Diagramme. Meistens wird ein vom usgang zum Eingang dimensioniert, also vom Lastkreis zum Steuerkreis. Daher gibt man den rbeitspunkt im usgang mit den Werten und E vor und trägt diesen in das usgangskennlinienfeld ein.

3 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-03 parallel E E Der Schnittpunkt dieser beiden Punkte bestimmt die Größe des Stroms. Wichtig ist, dass die Kennlinien für den Strom nicht parallel zur bszisse verlaufen, sondern mit größer werdendem eine positive Steigung erfahren. Das bedeutet, man bestimmt den rbeitspunkt und trägt eine Verbindungslinie vom rbeitspunkt parallel zu den Linen von nicht parallel zur bszisse! nach rechts ab um zu bestimmen. Dieser Strom wird im Eingangskennlinienfeld auf der nächsten Seite eingetragen. Der Schnittpunkt mit der Kennlinie ergibt den rbeitspunkt im Eingang. Damit ist auch die Spannung bekannt. E

4 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-04 E E Mit allen bekannten Größen des s und E sowie und E können sämtliche äußere eschaltungen mit Widerständen berechnet werden.

5 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-05 m zu verstehen, weshalb ein verstärkt und wozu man die rbeitspunkte benötigt, ist es erforderlich, die Kennlinienfelder in ihrer Gesamtheit zu betrachten. Dazu legt man alle Kennliniendiagramme aneinander: h β 21 e 1 h 22e r a E E h r 11e e E E Das Feld unten links ist ein verdrehtes Eingangskennlinienfeld. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen E und. Oben rechts ist das usgangkennlinienfeld mit E und. Dort eingezeichnet ist die rbeitsgerade, auf welcher der rbeitspunkt liegt, beziehungsweise ausgelenkt wird. Oben links ist der fast lineare Zusammenhang zwischen und dargestellt, deshalb kann er durch den Faktor beschrieben werden. Die rbeitspunkte im Eingang als auch im usgang sind über dieses Vierquadrantenkennlinienfeld miteinander verbunden. lle Änderungen im Eingang wirken sich (verstärkt durch den Faktor ) ebenso auf den usgang aus. Das Kennlinienfeld unten rechts ist nicht von edeutung; dieser Faktor liegt im 4 ereich 10 und ist daher zu vernachlässigen. Legt man am Eingang eine niedrige Sinusspannung an, so wird der rbeitspunkt um die Spitzenwerte dieser Eingangsspannung ausgelenkt. ei der positiven Halbwelle fließt ein größerer Strom als im rbeitspunkt also als. ei negativer Halbwelle ein kleinerer Strom. Genau das wird über die Kennlinie h 21 verstärkt auf den usgang übertragen. Der rbeitspunkt im usgang wird ebenfalls e ausgelenkt und demnach auch eine größere beziehungsweise kleinere usgangsspannung gemessen.

6 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-06 E E Man erkennt ganz deutlich, dass die rbeitspunkte nötig sind, denn ohne sie könnte keine Spannung verstärkt werden. Es ist auch wichtig, wo sich der rbeitspunkt befindet. Liegt zum eispiel der rbeitspunkt im usgang nahe einer der beiden chsen, so könnte, je nach ussteuerung, eine Halbwelle abgeschnitten werden (Übersteuerungseffekt oder lipping).

7 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-07 Eine espielrechnung soll den Vorgang einmal verdeutlichen: Gesucht sind die Größen der Widerstände R 1, R 2 und R bei folgender Schaltung: gegeben: E 18V 60m 30V 10

8 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-08 ls erstes werden sämtliche Größen des s bestimmt, das bedeutet beide rbeitspunkte müssen bekannt sein. Man fängt mit dem gegebenen rbeitspunkt im usgang an und ermittelt den asis-rbeitsstrom. 27 µ E Diesen rbeitsstrom trägt man in das Eingangskennlinienfeld ein und ermittelt die dazugehörige rbeitsspannung von asis zu Emitter. E 27 µ E 0,67V Sobald alle Größen am bekannt sind, können alle Widerstände bestimmt werden. Denn jetzt sind alle Spannungen und Ströme bekannt, beziehungsweise können mit Hilfe des 1. und 2. Kirchhoffschen Satzes berechnet werden.

9 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung T-09 Für die weiteren Zusammenhänge müssen alle Spannungen und Ströme in die Schaltung eingezeichnet werden, weil ansonsten kein ezug zu den Rechnungen besteht. R1 R ) R R + E E 0 R1 E ) E E 0 E ) E ) ) ) R1 R1 + R 2 Knotenpunkt: E E 0 Mit Hilfe der drei Maschen, der Knotengleichung sowie den rbeitspunkten am können alle Spannungen und Ströme und damit auch alle Widerstände bestimmt werden. R R 30V 18V 60m R E E 10 0,67V 10 27µ 2 2,48kΩ 200Ω R 1 R1 R1 + 30V 0,67V 98,75kΩ 270µ + 27µ

10 niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) ufgabe 1: rbeitspunkteinstellung Ü-T-01 estimme alle Widerstände in den folgenden Teilaufgaben: a) gegeben: E 12V 40m 20V 15 20µ 10µ 25µ µ 15µ 10µ 5µ

11 b) niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung gegeben: ,5m 40V Ü-T-02 20µ 10µ 25µ µ 15µ 10µ 5µ

12 c) niversity of pplied Sciences ologne ampus Gummersbach Dipl.-ng. (FH) Dipl.-Wirt. ng. (FH) rbeitspunkteinstellung Ü-T-03 gegeben: E RE 25V 20m 50V 0, µ 20µ µ -40µ -30µ 10-20µ -10µ