Arbeitspunkt-Stabilisierung durch Strom-Gegenkopplung

Transkript

1 Berechnung einer Emitterschaltung mit Arbeitspunkt-Stabilisierung durch Strom-Gegenkopplung Diese Schaltung verkörpert eine Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung zur Arbeitspunktstabilisierung. Verwendet wird diese Schaltung als NF-Vorstufenverstärker. Auch ist diese Schaltung Grundlage zahlreicher Variationen. Ersetzt man z.b. den Kollektorwiderstand durch einen Parallelschwingkreis, erhält man eine Zwischenfrequenzverstärkerstufe. Oder: Wird der Kondensator Ce entfernt, erhält man einen Verstärker mit der Spannungsverstärkung V=Rc / Re. Funktionsweise: Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich alle Spannungsangaben auf die Masse. Rbo und Rbu sorgen für eine feste Vorspannung an der Basis. Der Eingangskoppelkondensator Ck verhindert, dass Gleichspannungsanteile des Eingangssignals die Gleichspannung an der Basis verändern können. Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung für die Arbeitspunktstabilisierung. Die Schaltung als Versuchsaufbau in der Manhattan-Style-Technik aufgebaut. Der Emitterwiderstand Re sorgt für die Arbeitspunktstabilisierung mittels Stromgegenkopplung. Parallel zu ihm befindet sich der Kondensator Ce. Er wurde so groß gewählt, dass er Frequenzen ab etwa 30 Hz kurzschließt. Dadurch ist die Stromgegenkopplung nur für langsame Änderungen des Kollektorstroms wirksam, jedoch nicht für die zu verstärkende Wechselspannung. 1 / 7

2 Re wird in der Praxis so dimensioniert, dass an ihm eine Spannung von etwa 0.7 Volt abfällt. Dann ist die Gegenkopplung genügend groß. Stromgegenkopplung: Angenommen, der Kollektorstrom bzw. Emitterstrom würde aufgrund von Temperatureinflüssen steigen. Dann steigt auch der Spannungsabfall am Emitterwiderstand Re. Die Spannung am Emitter muss also steigen. Die Spannung an der Basis bleibt jedoch konstant. Dies bedeutet, dass die Spannungsdifferenz Ube zwischen Basis und Emitter kleiner wird. Eine kleinere Basis-Emitter-Spannung verringert aber den Kollektorstrom, und wir haben eine Stromgegenkopplung. Der Kollektorstrom ist deshalb weitgehend unabhängig von Temperatureinflüssen. Das passende Berechnungsprogramm "Emitterschaltung mit Arbeitspunkt-Stabilisierung durch Strom-Gegenkopplung" in der E1 - Das interaktive Elektronikprogramm. Berechnung: Alle Ströme in ma, Spannungen in Volt, Widerstände in kohm, vereinfachend ist Ie=Ic, Ucesatt=0.3 Volt. 1. Speisespannung Ubb: Meistens ist die Speisespannung schon vorgegeben. Zu hohe Speisespannungen könnten die Kollektor-Emitter-Strecke zum "Durchschlagen" bringen. Bei zu niedrigen Spannungen besteht keine Möglichkeit mehr, den Transistor auszusteuern. Wählen Sie eine Speisespannung zwischen 3 und 35 Volt. 2 / 7

3 2. Kollektorruhestrom Ic: Für den Kollektorruhestrom sollte man 0.5 bis 5 ma wählen. Hohe und niedrige Kollektorströme haben Vor- und Nachteile, die sich aus der Berechnung des Eingangs- und Ausgangswiderstands ergeben. 3. Emitterwiderstand Re: In der Praxis hat sich gezeigt, dass ein Spannungsabfall von 0.7 Volt an ihm eine ausreichende Gegenkopplung erzeugt. Durch Re fließt Ie = Ic. Re = 0.7 Volt / Ic 4. Kollektorwiderstand Rc: Er soll so dimensioniert werden, dass ein maximaler Aussteuerungsbereich ermöglicht wird. Dazu muss zuerst die Kollektorspannung für den Arbeitspunkt bestimmt werden: Die momentane Spannung am Kollektor darf sich zwischen 1 Volt und Ubb bewegen. Danach fällt in Ruhe an Rc die Spannung Urc = (Ubb-Ure-Ucesat) / 2 Urc = (Ubb-0.7 V -0.3 V) / 2 Urc = (Ubb -1V) / 2 ab. Der Kollektorwiderstand Rc ist dann Rc = Urc / Ic Falscher Arbeitspunkt: Wurde der Arbeitspunkt falsch eingestellt, wird die Ausgangsspannung verzerrt. Dies erkennt man am besten bei einer sinusförmiger Ansteuerung. a) Arbeitspunkt (Kollektorgleichspannung in Ruhe) zu hoch: Die oberen Spitzen der Sinus-Spannung werden gekappt. Arbeitspunkt zu hoch. 3 / 7

4 b) Arbeitspunkt (Kollektorgleichspannung in Ruhe) zu niedrig: Die unteren Spitzen der Sinus-Spannung werden gekappt. Arbeitspunkt zu niedgrig. c) Übersteuerung durch zu hohes Eingangssignal: Verzerrungen können auch bei richtigem Arbeitspunkt auftreten, wenn die Eingangs-Spannung zu hoch ist. Als Folge werden die oberen und unteren Spitzen der Ausgangs-Spannung gekappt. Im Extremfall wird dann ein Sinus-Signal in ein Rechteck-Signal verwandelt. Übersteuerung durch zu hohe Eingangsspaunnung. 5. Maximale Ausgangsspannung: Urc, die Gleichspannung, welche an Rc abfällt, entspricht auch der maximalen Ausgangsspannung in Vs (Volt Spitze). 6. Basiswiderstände Rbo u. Rbu: Dazu bestimmen wir zuerst die Spannung an der Basis. Zwischen Basis und Emitter muss immer die Spannung Ube = 0.7 Volt abfallen. Am Emitterwiderstand Re fallen ebenfalls 0.7 Volt ab. Diese beiden Spannungen addieren sich zur Spannung an der Basis: Ub = Ube + Ure Ub = 0.7 V V Ub = 1.4 V 4 / 7

5 Rbu: Am unteren Basisspannungsteilerwiderstand Rbu fallen dann Ub = 1.4 Volt ab. Durch ihn soll ein Strom fließen, der 10-mal höher als der Basisstrom Ib ist. Der Stromverstärkungsfaktor ß = Ic/Ib ist dem Datenblatt zu entnehmen oder wie nehmen einfach 100 an. Die meisten Kleinleistungstransistoren haben mindestens ein ß von 100. Rbu = Ub / ( Ib 10 ) Rbu = Ub / ((Ic / ß) 10) Rbo: Am oberen Basisspannungteilerwiderstand Rbo fällt die Spannungsdifferenz aus Speisespannung minus Basisspannung ab, also Ubb-Ub. Durch Rbo fließt der elffache Basisstrom: Rbo = (Ubb-Ub) / ( Ib 11) Rbo = (Ubb-Ub) / ((Ic / ß) 11) 7. Eingangswiderstand re: Wechselstrommäßig existiert in dieser Schaltung keine Gegenkopplung, denn der Gegenkopplungswiderstand Re ist durch den Kondensator Ce für Frequenzen oberhalb 30 Hz kurzgeschlossen. Deshalb berechnet sich der dynamische Eingangswiderstand re wie beim "Einfachen Verstärker mit einem Transistor in Emitterschaltung". re = ß / S re = ß / (40 (1/ V) Ic) [re in kohm; Ic in ma, die 40 kann bei Silizium-Transistoren angenommen werden] 8. Koppelkondensator Ck: Der Koppelkondensator Ck verhindert, dass Gleichspannungsanteile des Eingangssignals den Arbeitspunkt verschieben können. Allerdings bildet dieser Kondensator zusammen mit dem Eingangswiderstand re und dem wechselstrommäßig parallel zu re angeordnetem Widerständen Rbo und Rbu einen Hochpass. Ck sollte so groß gewählt werden, dass für Niederfrequenzanwendungen die untere Grenzfrequenz des Hochpasses bei etwa 30 Hz liegt. Dafür bedient man sich folgender Faustformel: 5 / 7

6 Ck = 5000 / Rg Ck in nf; Rg in kohm. Rg ist die Parallelschaltung von re und Rbo und Rbu: 9. Emitterkondensator Ce: Ce überbrückt den Emitterwiderstand Re für Wechselspannungen. Dazu muss für die untere Grenzfrequenz von 30 Hz der Wechselstromwiderstand von Ce groß gegenüber Re sein. Ce kann nach folgender Faustformel berechnet werden: Ce = 200 Ic [Ce in µf; Ic in ma] 10. Ausgangswiderstand Raus: Wechselstrommäßig liegt Rc zwischen Kollektor und Masse. Da der Ausgangswiderstand der Kollektor-Emitter-Strecke mit seinem mehreren 100 kohm sehr hoch gegenüber dem Kollektorwiderstand Rc ist, kann man vereinfacht Raus mit Rc gleichsetzen: Raus = Rc 11. Spannungsverstärkung V Da dies Emitterschaltung wechselstrommäßig nicht gegengekoppelt ist, berechnet sich die Spannungsverstärkung wie bei dem "Einfachen Verstärker mit einem Transistor in Emitterschaltung". V = S Rc V = 40 (1/ V) Ic Rc [Ic in ma und Rc in kohm]. 6 / 7

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