AfuTUB-Kurs Aufbau. Technik Klasse A 06: Transistor & VerstÃďrker. Amateurfunkgruppe der TU Berlin.

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1 Technik Klasse A 06: Transistor & VerstÃďrker Amateurfunkgruppe der TU Berlin WiSe 2017/18 SoSe 2018 cbea This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 License. Amateurfunkgruppe der Technische Universität Berlin (AfuTUB), DKØTU, Stand: Thu Nov 16 19:02: / 38

2 Bipolarer Transistor Abb. 1: Schichten eines NPN-Transistors Abb. 2: Schichten eines PNP-Transistors Transistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten Anschlüsse: Basis (B), Kollektor (C), Emitter (E) 2 / 38

3 Ersatzschaltbild Abb. 3: ESB eines NPN-Transistors Abb. 4: ESB eines PNP-Transistors Basis-Emitterübergang muss in Durchlassrichtung gepolt sein Basis braucht ein um etwa 0,6 V höheres Potential als der Emitter 3 / 38

4 Unipolarer Transistor: Feldeffekt Transistor () Abb. 5: Eingefärbtes Schema eines n-kanal Sperrschicht- (J) (von Arne Nordmann (norro) Gate steuert Kanalbreite durch Spannung Je dünner der Kanal, desto höher ist der Kanalwiderstand cba) 4 / 38

5 Abb. 6: Eingefärbter Technologiequerschnitt eines Metall-Oxid-Halbleiters (MOS) (von Arne Nordmann (norro) cba) 5 / 38

6 Weitere -Arten Abb. 7: Übersicht von Feldeffekttransistoren mit zugehörigen Schaltzeichen (DIN) (von Cepheiden cp) 6 / 38

7 Abb. 8: Schaltsymbole von MIS-Transistoren (metal insulator semiconductor) (von Arne Nordmann (norro) cba) 7 / 38

8 Abb. 9: Schaltzeichen eines Dual-Gate-MOSs Besitzt zwei Gateanschlüsse Wird für Mischerschaltungen genutzt 8 / 38

9 TC604 A Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstleitender P-Kanal MOS B C D 9 / 38

10 TC604 A Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstleitender P-Kanal MOS B C D 9 / 38

11 TC605 Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstsperrender N-Kanal MOS A B C D 10 / 38

12 TC605 Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstsperrender N-Kanal MOS A B C D 10 / 38

13 von en Abb. 10: (von Abb. 11: Transistor als (von BNetzA ) BNetzA ) Transistoren können als Schalter oder als genutzt werden 11 / 38

14 Abb. 12: mit Belastung gegen Masse (von BNetzA ) U e = 0V Transistor sperrt U a +VDD (abzgl. Verlust über R1) Eingang 0, Ausgang 1 U e 0, 6V Transistor leitet U a 0.1V Eingang 1, Ausgang 0 Der Transistor erfüllt hier die Funktion eines Inverters 12 / 38

15 Transistor mit Koppelkondensator als Schalter Der Kondensator blockt die Gleichspannung und bildet den Mittelwert der Wechselspannung Abb. 13: Transistor mit Koppelkondensator als Schalter (von BNetzA ) 13 / 38

16 TD431 A An den Eingang dieser wird das folgende Signal gelegt. Welches ist ein mögliches Ausgangssignal U A? B C D 14 / 38

17 TD431 A An den Eingang dieser wird das folgende Signal gelegt. Welches ist ein mögliches Ausgangssignal U A? B C D 14 / 38

18 TD432 A An den Eingang dieser wird das folgende Signal gelegt. Welches ist ein mögliches Ausgangssignal U A? B C D 15 / 38

19 TD432 A An den Eingang dieser wird das folgende Signal gelegt. Welches ist ein mögliches Ausgangssignal U A? B C D 15 / 38

20 mit Überspannungsschutzdiode Abb. 14: einer indkutiven Last (von BNetzA ) Durch plötzliches Abschalten baut sich eine hohe Induktionsspannung auf Diese kann den Transistor zerstören Um das zu verhindern wird eine Diode parallel zur Spule eingebaut Diese führt die Induktionsspannung an dem Transistor vorbei ab 16 / 38

21 Definition eines s nach Captain Obvious Es ist nur dann eine Verstärkung, wenn die Leistung am Ausgang größer ist, als die am Eingang 17 / 38

22 Transistor als in Emitterschaltung Benötigt einen richtig eingestellten Arbeitspunkt, um vernünftig zu funktionieren Dazu wird die Basis-Emitter- Spannung U BE auf einen definierten Wert größer 0, 6V gesetzt Abb. 15: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) 18 / 38

23 Transistor als in Emitterschaltung Abb. 15: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) Dem durch den Arbeitspunkt eingestellten Ruhestrom überlagert sich die eingekoppelte Wechselspannung Dadurch wird der Kollektorstrom je nach Eingangsgröße größer oder kleiner Da der nur den Strom verstärkt, wird die Stromverstärkung mittels eines Widerstandes R 1 in eine Spannungsverstärkung umgewandelt 18 / 38

24 Transistor als in Emitterschaltung Abb. 15: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) Ändert man die Eingangsspannung U e der, verändert sich auch der Basisstrom Dies ruft eine Veränderung des Kollektorstromes I C hervor, die um die Stromverstärkung des Transistors größer ist als der Basisstrom Die Spannung über R 1 verhält sich bei Änderungen genauso wie der Kollektorstrom I C Dadurch sinkt die Kollektorspannung U CE des Transistors 18 / 38

25 Transistor als in Emitterschaltung Die Kondensatoren C 2 und C 3 entkoppeln das Eingangs- und das Ausgangssignal Dadurch wird der Gleichspannungsanteil entfernt, um das Signal beispielsweise einer weiteren stufe zuzuführen Abb. 15: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) 18 / 38

26 TC626 Folgendes Signal U E wurde auf den Eingang folgender gegeben. In welcher Antwort sind alle dargestellten Signale phasenrichtig zugeordnet? A B C D 19 / 38

27 TC626 Folgendes Signal U E wurde auf den Eingang folgender gegeben. In welcher Antwort sind alle dargestellten Signale phasenrichtig zugeordnet? A B C D 19 / 38

28 Verstärkungen eines Transistors bei Wechselstrom Spannungsverstärkung v U = U CE U BE Stromverstärkung v I = β = I C I B Leistungsverstärkung v P = v U v I 20 / 38

29 Generieren der Abb. 16: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) Abb. 17: Andere Möglichkeit die zu erzeugen (von BNetzA ) 21 / 38

30 , warum eigentlich? Will man eine Wechselspannung verstärken, muss man den Mittelpunkt des Signals in den Aussteuerbereich verschieben Da sonst die obere oder untere Halbwelle nicht originalgetreu wiedergegeben wird Dazu überlagert man die Wechselspannung mit einer mittleren Gleichspannung Das Erzeugen der mittleren Gleichspannung nennt man einstellen des Arbeitspunktes oder der 22 / 38

31 Abb. 18: Arbeitspunkt eines Transistorverstärkers (von Honina cba) 23 / 38

32 Einstellen des Arbeitspunktes I in µa B U = 5V CE U = 5V CE Eingang I in ma C U BE in V Ausgang Rückwirkung Abb. 19: Kombiniertes Kennlinienfeld eines Transistors (von Biezl cp) ,2 0,4 0,6 0,8 1, I in µa B U in V CE I in µa B Will man den Arbeitspunkt eines Transistors mit einer Vorspannung einstellen, muss man zwei Spannungen dimensionieren Zum einen muss die Basisspannung eingestellt werden und zum anderen die Kollektorspannung Die Kollektorspannung bestimmen wir, indem wir einen Spannungsteiler über R 1 und dem Kollektor-Emitter-Widerstand R CE (Lastwiderstand) berechnen 24 / 38

33 Einstellen des Arbeitspunktes I in µa B U = 5V CE U = 5V CE Eingang I in ma C U BE in V Ausgang Rückwirkung Abb. 19: Kombiniertes Kennlinienfeld eines Transistors (von Biezl cp) ,2 0,4 0,6 0,8 1, I in µa B U in V CE I in µa B Für eine symmetrische Aussteuerung nehmen wir an, dass sowohl über R 1 als auch über R CE V DD 2 anliegen Danach wählt man einen Kollektorstrom den der Transistor verkraften kann Dann berechnet man mittels Ohmschen Gesetz den Widerstand R 1 24 / 38

34 Einstellen des Arbeitspunktes I in µa B U = 5V CE U = 5V CE Eingang I in ma C U BE in V 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 10 Ausgang 20 Rückwirkung I in µa B U in V CE I in µa B Um die zu erzeugen, gibt es zwei Möglichkeiten: mit einem Widerstand mit einem Spannungsteiler (siehe Abbildung 17) Abb. 19: Kombiniertes Kennlinienfeld eines Transistors (von Biezl cp) 24 / 38

35 Arbeitspunktstabilisierung durch Stromgegenkopplung Der Transistor ist nicht temperaturstabil, was zum Anstieg von I B und damit I C und I E führt U R3 steigt und U BE sinkt Bei kleinerer U BE sinkt I B und damit I C und I E Die Spannung U R3 wird wieder kleiner und U BE wieder größer Abb. 20: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) 25 / 38

36 Querstrom I quer durch R 2 wird 3 bis 10 mal so groß wie der Basisstrom dimensioniert: I quer = I B Kondensator am Emitter überbrückt Wechselstromsignale dadurch werden Verstärkungsverluste bei höheren Frequenzen aufgehoben baut man am Emitter keinen Kondensator ein, fällt die Verstärkung des Transistors stark ab & liegt dann bei dem Verhältnis aus Kollektor- zu Emitterwiderstand 26 / 38

37 Arbeitspunktstabilisierung durch Spannungsgegenkopplung Abb. 21: Eine Möglichkeit zur Spannungsgegenkopplung (von BNetzA ) Abb. 22: Eine andere Möglichkeit zur Spannungsgegenkopplung (von BNetzA ) 27 / 38

38 R 1 stabilisiert gegen thermischen Einfluss I C steigt U CE sinkt U BE sinkt Transistor sperrt I C sinkt wieder Abb. 23: Transistor als Spannungsverstärker (von BNetzA ) 28 / 38

39 des Transistors Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung r e mittel z.b. 1kΩ klein z.b. 50Ω groß z.b. 100kΩ r a mittel z.b. 10kΩ groß z.b. 100kΩ klein z.b. 50Ω v i groß z.b. 100 < 1 z.b. 0, 9 groß z.b. 100 v u groß z.b. 100 groß z.b. 100 < 1 z.b. 0, 99 v p sehr groß z.b. 1kΩ groß z.b. 100 groß z.b. 100 ϕ u gegenphasig 180 gleichphasig 0 gleichphasig 0 Abb. 24: Transistorgrundschaltungen (von Frank Murmann cp) 29 / 38

40 Fakultative Hausaufgabe Prüfungsfragen TC618 TC625, TF321 TF / 38

41 Heutzutage komplexe en auf einem Halbleiterkristall Abb. 25: Ic auf Platine (von Luestling cp) Abb. 26: Offener IC Intel 8742 (von Ioan Sameli cba) 31 / 38

42 32 / 38

43 Invertierender Invertierender v u = U A U E = R 2 R 1 Abb. 28: OPV als invertierender (von Quelle unbekannt ) 33 / 38

44 Nicht-invertierender Nicht-invertierender v u = U A U E = 1 + R 2 R 1 Wird häufig als Impedanzwandler eingesetzt Abb. 29: OPV als nichtinvertierender (von Quelle unbekannt ) 34 / 38

45 Impedanzwandler Besitzt sehr großen Eingangswiderstand und sehr kleinen Ausgangswiderstand Ist quasi ein nicht-invertierender mit R 2 = 0Ω und R 1 = Ω Abb. 30: OPV als Imepdanzwandler (von Quelle unbekannt ) 35 / 38

46 Fakultative Hausaufgabe Prüfungsfragen TC711 TC / 38

47 Abb. 31: Verschiedene n (von Stefan Riepl (Quark48) Arbeiten mit hohen Spannungen und geringen Strömen Ist ein gepoltes Bauteil cba) 37 / 38

48 Die Röhre Heizung löst Elektronen aus Kathode Elektronen werden Richtung Anode beschleunigt Gitter verändert elektrisches Feld Gitterspannung steuert Anodenstrom Abb. 32: Symbol einer Triode (von RokerHRO, geändert von Fgli cp) Abb. 33: Strahltriode aus altem Fernseher (von Ulfbastel cp) 38 / 38

49 /Links [1] Moltrecht A 06: [2] Youtube Video How Does a Transistor Work? : 38 / 38