3.2 Arbeitspunkteinstellung

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1 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung Arbeitspunkteinstellung Wiederholung: Der Arbeitspunkt legt die Großsignalgrößen,,,,, und U CE, sowie die Kleinsignalgrößen r BE, S und g EA fest. bestimmt maximal möglichen Aussteuerbereich soll für große Aussteueramplituden in die Mitte des Aussteuerbereiches (U CE, min...u ) gelegt werden Weiters soll der Arbeitspunkt einer Transistorschaltung möglichst stabil sein! Für uns ist es an dieser Stelle ausreichend zu fordern, dass der Kollektorstrom im Arbeitspunkt (, ) sich zufolge schwankender äußerer Einflüsse (z.b. Temperaturschwankungen) nicht ändert und möglichst unabhängig von Parameterstreuungen des Transistors einzustellen ist. Temperaturabhängigkeit der Transistorkennlinie Die Parameter I S und U T in der Transistorgleichung sind temperaturabhängig. Es gilt: = I S (e U T 1) (3.1) I S = I S e W G k B T und U T = k B T e (3.5) wobei W G =1.1 ev in Silizium, k B = J/K und e = C. Diese Temperaturabhängigkeit bewirkt, dass sich die Transferkennlinie Glg. 3.1 und die Eingangskennlinie = ( )/B um ca. 2 mv/k hin zu niedrigeren Spannungen verschieben. Der Einfluss der Temperatur auf die Transferkennlinie und ein Ersatzschaltbild eines temperaturabhängigen Transistors, der durch die Hintereinanderschaltung eines temperaturunbhängigen Transistors und einer temperaturabhängigen Spannungsquelle modelliert wird, sind in Abb. 3.4 dargestellt.

2 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 29 Transistor auf Temperatur Transistor auf Bezugstemperatur Abbildung 3.4: Temperaturabhängigkeit des Transistors Streuung der Großssignalverstärkung Bei Transistoren vom selben Typ kann die Stromverstärkung B in großen Bereichen schwanken. (Üblicherweise Schwankungen im Bereich von B ist /B nom = 3%...+5%). Zusätzlich ist B i.a. nicht konstant, sondern z.b. auch und temperaturabhängig. Die Auswirkung dieser Bauteilstreuung auf den möglichen Basisstrombereich bei gegebener Transferkennlinie sowie der daraus resultierende Streubereich in der Stromsteuerkennlinie sind in Abb. 3.5 dargestellt. Abbildung 3.5: Streuung der Großsignalverstärkung B Spannungs- und Stromeinstellung Die Temperaturabhängigkeit der Transistorkennlinien und die Streuung der Großsignalverstärkung werfen gewissermaßen Schwierigkeiten auf, wenn man fordert, dass der Kollektorstrom im AP bei sich ändernder Temperatur konstant bleibt und sich unabhängig von der tatsächlichen Großsingalverstärkung und fixer Beschaltung des Transistors auf einen vorgegebenen Wert, soll einstellt. (Bei Großserienproduktion z.b. kann allein aus Kostengründen nicht jede Transistorschaltung entsprechend des tatsächlichen B ist nachkalibriert werden.) Die Auswirkung der Temperaturabhängigkeit der Transistorkennlinien und der Streuung

3 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 3 der Großsignalverstärkung auf den Arbeitspunkt soll nun für zwei verschiedene Möglichkeiten der AP-Einstellung (Spannungs- und Stromeinstellung) diskutiert werden. Spannungseinstellung Stromeinstellung - starke Temperaturabhängigkeit + keine Temperaturabhängigkeit + keine Abhängigkeit - starke Abhängigkeit Basis-Spannungsteiler und Basis-Vorwiderstand Der zusätzliche schaltungstechnische Aufwand zur Realisierung der Basisspannungsquelle bzw. der Basisstromquelle kann durch einen Basis-Spannungsteiler bzw. Basis-Vorwiderstand eliminiert werden. Im Folgenden zeichnen wir die Spannungsquelle zur Versorgung U nicht mehr explizit ein sondern zeichnen an den Punkten in der Schaltung, die auf Potential U liegen einen Pfeil ein. Die Punkte, die auf Bezugspotential liegen werden mit einem waagrechten Strich eingezeichnet. Um den Arbeitspunkt (,,,,, ) grafisch zu ermitteln müssen Lastgeraden in die Transfer bzw. in die Eingangskennlinie eingezeichnet werden. (Es wird dabei angenommen, dass U CE, >U CE, min.)

4 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 31 Basis-Spannungsteiler Basis-Vorwiderstand Beide Schaltungen können in folgende Ersatzschaltung übergeführt werden. Funktionen der Arbeitsgeraden Die Arbeitsgeraden werden für die jeweilige Schaltung in die Transfer- bzw. in die Eingangskennlinie eingezeichent: + geringe Abhängigkeit - starke Temperaturabhängigkeit + kaum Temperaturabhängigkeit - starke Abhängigkeit

5 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 32 Strom- und Spannungsgegenkopplung Regelung des AP Stromgegenkopplung Spannungsgegenkopplung Durch eine Ersatzspannungsquelle anstatt des Basisspannungsteilers erhält man: Die Arbeitsgeraden werden wieder für die jeweilige Schaltung in die Transfer- bzw. in die Eingangskennlinie eingezeichent: Flache AG zf. + geringe Temperaturabhängigkeit + geringe Abhängigkeit + kaum Temperaturabhängigkeit + geringe Abhängigkeit In beiden Fällen schön zu sehen: Regelung von (Kompensierung von B-Streuung) Durch die Gegenkopplung stellt sich für zu große B ein kleinerer ein und umgekehrt.

6 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 33 Aufgabe 13 Arbeitspunkteinstellung für den Bipolartransistor BC 546 B In diesem Beispiel sollen anhand des Bipolartransistors BC 546 B (siehe Datenblatt in Anhang B auf Seite 46) die soeben beschriebenen Varianten der Arbeitspunkteinstellung dimensioniert werden. In diesem Beispiel soll mit den Größen aus dem Datenblatt gerechnet werden. Kennlinien, die nicht im Datenblatt enthalten sind wurden mit einem CAD Programm für den BC 546 B aufgenommen. In den folgenden Beispielen soll, = 1 ma eingestellt werden. Wenn nötig, nehmen Sie (in Analogie zum Datenblatt) U CE, = 5 V an. Überlegen Sie, für welche Fälle die Annahme,.7 V zulässig ist und wenden Sie diese Annahme in den jeweiligen Fällen an. a) Spannungs- und Stromeinstellung (a) Zeichnen Sie die Schaltungen zur Spannungs- und Stromeinstellung (b) Welche Spannung, bzw. welchen Strom, müssen Sie (nominell) einprägen, um einen Strom, = 1 ma einzustellen? - Welcher Großsignalverstärkung entspricht das? (c) Bestimmen Sie jeweils die Ströme,, min und,, max grafisch (d) Welche Vor- und Nachteile haben diese Schaltungen und welche Probleme können bei dieser Art der Arbeitspunkteinstellung auftreten? 1 1 IC[mA], COLLECTOR CURRENT 1 1 VCE = 5V C 5 C IB IC V BE[V], BASE-EMITTER VOLTAGE

7 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung C 2 C C 2 C b) Basis-Spannungsteiler und Basis-Vorwiderstand (a) Zeichnen Sie die Schaltungen für mit Basisspannungsteiler und Basisvorwiderstand (b) Für welche Schaltung ist die Annahme,.7 V zulässig? Warum (nicht)? (c) Dimensionieren Sie die Widerstände R 1, R 2 und R. Nehmen sie für den Bassis- Spannungsteiler I 2 =1. Welche Vorteile und Nachteile hat dies z.b. gegenüber der Annahme I 2 =1?

8 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 35 (d) Bestimmen Sie jeweils die Ströme,, min und,, max grafisch (e) Welche Vor- und Nachteile haben diese Schaltungen und welche Probleme können bei dieser Art der Arbeitspunkteinstellung auftreten? 4 5 C 2 C 4 5 C 2 C c) Strom- und Spannungsgegenkopplung (a) Zeichnen Sie die Schaltungen für Strom- und Spannungsgegenkopplung (b) Für welche Schaltung ist die Annahme,.7 V zulässig? Warum (nicht)? (c) Dimensionieren Sie die Widerstände R 1, R 2 und R E (Annahme U RE =1V) sowie R und R C. Nehmen sie für den Bassis-Spannungsteiler I 2 =1. Welche Vorteile und Nachteile hat dies z.b. gegenüber der Annahme I 2 =1?

9 3 Der Bipolartransistor 3.2. Arbeitspunkteinstellung 36 (d) Bestimmen Sie jeweils die Ströme,, min und,, max grafisch 2 5 C 2 C 2 5 C 2 C