Transistorverstärker in Emitterschaltung

Transkript

1 Transistorverstärker in Emitterschaltung Bild 1 zeigt den Transistor BD139 in Emitterschaltung, der die Wechselspannung u e verstärken und über einen Lautsprecher (R C = 16 Ω) ausgeben soll. Weitere Daten: U 0 = 10 V, R E = 4 Ω, T = 300 K, Early-Spannung U AF = 220 V. Hinweis: U/I bezeichnen Gleichgrößen, u/i Wechselgrößen. a) Zeichnen Sie für U CE AP = 4,5 V die Arbeitsgerade und den Arbeitspunkt in das Ausgangskennlinienfeld ein. b) Wie groß sind I C AP, I B AP, B und U BE AP? c) Dimensionieren Sie R1/R2 so, dass der Strom I R2 = 10 I B AP ist. d) Zeichnen Sie das Wechselstromersatzschaltbild der Schaltung (ohne Kapazitäten). e) Geben Sie die Ersatzparameter g BE, S und g CE des Transistors allgemein und zahlenmäßig an (vernachlässigen Sie dabei den Einfluss von g CE ). f) Bestimmen Sie den Transistor-Eingangswiderstand r e = u e /i B allgemein und zahlenmäßig. g) Wie groß ist der gesamte Eingangswiderstand für u e zahlenmäßig? h) Berechnen Sie die Spannungsverstärkung v u = u RC /u e allgemein und zahlenmäßig (g CE vernachlässigen). i) r e und v u sind näherungsweise unabhängig von den Transistoreigenschaften. Diskutieren Sie den Zusammenhang mit OPV-Schaltungen. Gibt es hier eine Gegenkopplung? Bild 1 Prof. Dr.-Ing. Großmann 1

2 j) Der Lautsprecher gibt nur Frequenzen über f min = 500 Hz unverzerrt wieder. Berechnen Sie C 1 so dass die untere Grenzfrequenz des Verstärkers f min wird. Nun wird ein Kondensator C E = 1000 µf parallel zu R E geschaltet. k) Bestimmen Sie den neuen Transistor-Eingangswiderstand r e sowie die neue Spannungsverstärkung v u. Welche Vorteile/Nachteile hat C E? l) Zeichnen Sie die Wechselstrom-Arbeitsgerade ins Kennlinienfeld ein. C E wird nun wieder entfernt. m) Berechnen Sie die Gleich- und die Wechselleistung des Transistors für eine Eingangsamplitude von û e = 1 V. n) Auf welcher Temperatur befindet sich die Sperrschicht ohne Kühlkörper bzw. mit Kühlkörper? R th,jamb = 110 K/W, R th,jcase = 10 K/W, R th,kühlk = 15 K/W. Prof. Dr.-Ing. Großmann 2

3 BD139: Kennlinien 12mA 10mA 8mA 6mA 4mA 2mA I B = 2,5 ma 0A 600mV 650mV 700mV 750mV 800mV 850mV 900mV 950mV Ib(V3) V(V3:b) Eingangskennlinie I B = 10 ma 800mA 700mA 600mA 500mA WS-Arbeitsgerade I B = 5 ma 400mA 300mA I C AP 200mA I B 2,5 ma I B = 3 ma 100mA I B = 1 ma I B = 0 ma 0A 0V 1V 2V 3V 4V AP 5V 6V 7V 8V 9V 10V U Ic(V3) CE V_Uce Ausgangskennlinienfeld Prof. Dr.-Ing. Großmann 3

4 a) Die Ausgangsmasche definiert wieder die Arbeitsgerade:. Zwei Punkte können wir angeben: {I C =0; U CE =U 0 =10 V} und {I C =U 0 /(R C +R E )=500 ma; U CE =0}. Der Arbeitspunkt ergibt sich aus U CE AP = 4,5 V. b) abgelesen: 270 ; 2,5 ; 108;, 0,8 c) R 2 = U R2 /I R2 mit I R2 = 25 ma (Forderung aus Angabe) 0,8 0,27 4Ω 1,88 R 2 = 75,2 Ω R 1 = U R1 /I R1 mit I R1 = I R2 +I B = 27,5 ma und U R1 = U 0 -U R2 =8,12 V R 1 = 295 Ω d) für Wechselströme stellt eine ideale Gleichspannungsquelle (z.b. U 0 ) einen Kurzschluss dar (Gleichstromquellen sind dann Unterbrechungen). Wechselstrommäßig hängen R 1 und R C damit direkt an Masse: g CE u E ~ B i B r BE E i T C u RC R 1 R 2 R E R C e) aus den idealen Transistorgleichungen:, 0,1 (entspricht 10 Ω), 1,2 (entspricht 830 Ω) 10 Anmerkung: Aus der Eingangskennlinie kann man ein g BE 0,04 S ablesen. Die Abweichung zur Theorie lässt sich durch technologische Besonderheiten des Leistungstransistors erklären. Für andere Transistortypen passt die Theorie besser, deshalb üben wir mit g BE = 0,1 S weiter. Vernachlässigung von g CE : Da 1/ g CE R E, R C, 1/ g BE gilt, kann es für die weiteren Teilaufgaben vernachlässigt werden. Prof. Dr.-Ing. Großmann 4

5 f) Achtung: Der Transistor-Eingangswiderstand / enthält nicht die Spannungsteiler-Widerstände R 1 und R 2. Diese werden in g) berücksichtigt Ω 436 Ω 446 Ω Die letzte Näherung gilt, weil B 1 und. g) Die Quelle wird belastet durch die Parallelschaltung von R ges = 53 Ω. h) 3,9 mit der Näherung wird 4 i) Gegenkopplung macht eine Schaltung unabhängig von den Verstärkereigenschaften. Ein OPV hat eine sehr große Spannungsverstärkung, der Transistor immerhin eine große Stromverstärkung. Gegenkopplung stabilisiert (siehe Übung 4), aber sie verringert die Verstärkung. Hier liegt eine sogenannte Stromgegenkopplung durch R E vor: Wenn I T I RC steigt, wird auch U RE größer. Da durch den Basis-Spannungsteiler die Spannung U R2 const, wird U BE = U R2 U RE kleiner. Damit sinkt I B und in folge auch I C. Der Arbeitspunkt wird stabilisiert. j) Grenzkreisfrequenz μ k) Durch C E wird R E für Wechselströme kurzgeschlossen (der Arbeitspunkt bleibt erhalten). In den Formeln für r e und v U setzen wir R E = 0 und erhalten 10 Ω und 170 Vorteil: Verstärkung wird größer Nachteil: Eingangswiderstand sinkt, Quelle wird stärker belastet Prof. Dr.-Ing. Großmann 5

6 l) Die Wechselstrom-Arbeitsgerade läuft auch durch den Arbeitspunkt, ihre Steigung beträgt aber -1/R C, sie ist deshalb steiler als die Gleichstrom- Arbeitsgerade mit Steigung -1/(R C +R E ). Der Schnittpunkt mit I C = 0 liegt bei U CE = 8,92 V. Die restlichen 1,08 V bis zur Betriebsspannung U 0 liegen als Arbeitspunkt-Gleichspannung an R E an, sie stehen nicht für Wechselspannungen zur Verfügung. m) Da die Spannung U CE > 0 ist und der Strom I C > 0 und beide die gleiche Orientierung haben, stellt der Transistor gleichstrommäßig einen Verbraucher dar. Die Gleichleistung im Arbeitspunkt beträgt 4,5 0,27 1,2 Wechselspannungsmäßig stellt der Transistor eine Stromquelle dar, die i.a. Leistung abgibt. Die Wechselspannungs-Amplitude û CE ist mit 108 und die Wechselleistung ist Ω 0,242 ~, 0,58 n) Die Gesamtleistung ist ~ 1,2 0,58 0,62. Das ist die Leistung, die vom Transistor in Wärme umgesetzt wird. ohne Kühlkörper ist Δ, 68 ϑj 95 C mit Kühlkörper ist Δ,,ü 15,5 ϑj 42,5 C Prof. Dr.-Ing. Großmann 6