Der Bipolar-Transistor

Transkript

1 Universität Kassel F 16: Elektrotechnik / Informatik FG FSG: Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik Wilhelmshöher Allee 73 D Kassel

2 Prinzip des Transistors Seite: 2 Aufbau des ipolar-transistors, eispiel npn-transistor Idee: mit einem kleinen Steuerstrom einen großen Strom kontrollieren n-schicht stark dotiert p-schicht schwach dotiert n-schicht stark dotiert Elektron Loch Rekombination elektr. neutral Kollektor E Emitter asis Halbleiter-Schichten und Anschlüsse eines npn-transistors Entstehung der Raumladungszonen durch Rekombination n Raumladungszone p n E E pn-übergänge und Raumladungszonen eines npn-transistors Dioden-Ersatzschaltung

3 Prinzip des Transistors Seite: 3 Aufbau des ipolar-transistors, eispiel npn-transistor Idee: mit einem kleinen Steuerstrom einen großen Strom kontrollieren Kollektor =0 Da =0, sind und I E =0 I E I E = + asis Wassermodell des Transistors nachempfunden einer Illustration aus dem Elektronik-aukasten KOSMOS Radiomann, um Quelle: Internet Kollektor = Sammler (von Elektronen) Emitter = Sender (von Elektronen) Emitter I E

4 Seite: 4 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten Eingangskennlinie: Variieren der asis-emitter-spannung U E und Messen des Eingangsstroms bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung U E Aufnahme der Eingangskennlinie I f ( U ) E Dynamischer Eingangswiderstand r E U I E A U E V U E =konst. estimmen der Eingangskennlinie eines npn-transistors

5 Seite: 5 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten Stromsteuerkennlinie: Variieren des asisstroms und Messen des Kollektorstroms bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung U E Aufnahme der Stromsteuerkennlinie I Gleichstromverstärkung und Wechselstromverstärkung β I I f ( I ) I I A A U E U E =konst. estimmen der Stromverstärkung eines npn-transistors

6 Seite: 6 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten Übertragungskennlinie: Variieren der asis-emitter-spannung U E und Messen des Ausgangsstroms bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung U E, wird alternativ zur Stromsteuerkennlinie benutzt. Aufnahme der Übertragungskennlinie I Steilheit E I S U f ( U ) E E A U E V U E =konst. estimmen der Eingangskennlinie eines npn-transistors

7 Seite: 7 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten Ausgangskennlinie: Variieren des Kollektorstroms und Messen der Kollektor-Emitter-Spannung U E bei konstantem asisstrom Aufnahme der Ausgangskennlinie U f ( I, I ) E Dynamischer Ausgangswiderstand r E U I E A = 100µA = konst. A V U E = 60µA = 20µA I 0 U E estimmen der Ausgangskennlinie eines npn-transistors

8 Seite: 8 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten Ausgangskennlinie: Variieren des Kollektorstroms und Messen der Kollektor-Emitter-Spannung U E bei konstantem asisstrom Aufnahme der Ausgangskennlinie U f ( I, I ) E Dynamischer Ausgangswiderstand Maximal erlaubte Verlustleistung P tot beachten! r E U I E A = 100µA P tot = 100mW = konst. A V U E = 60µA = 20µA I 0 U E estimmen der Ausgangskennlinie eines npn-transistors

9 Seite: 9 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten Spannungsrückwirkungskennlinie: Variieren der Kollektor-Emitter-Spannung U E und Messen der asis- Emitter-Spannung U E bei konstantem asisstrom Aufnahme der Spannungsrückwirkungskennlinie U f ( U, I ) E E Differentielle Spannungsrückwirkung D U U E E = 100µA = 60µA = 20µA = konst. A V I 0 U E V U E estimmen der Spannungsrückwirkung eines npn-transistors

10 Seite: 10 4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-ipolartransistors Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten. Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld / ma I II Ausgangskennlinie Stromsteuerkennlinie P tot = 100mW = 100µA = 60µA III Eingangskennlinie II 8 I IV Spannungsrückwirkungskennlinie / µa 4 = 20µA U E / V 0,2 III 0,4 IV 0,6 = 20µA = 60µA = 100µA U E / V

11 Seite: 11 Verstärker-Grundschaltungen: Emitterschaltung Der Name der Grundschaltung kommt von dem gemeinsamen ezugspotenzial zwischen Eingangs- und Ausgangssignal. Kondensatoren bilden für Eingangs- und Ausgangssignale jeweils einen Kurzschluss, entkoppeln Signal- und Gleichspannung. Signalverstärkung: u a > u e, i a > i e, Impedanz: Z a < Z e R 1 R R 1 R U E U E u a u e R 2 U E I E u a u e R 2 U E I E R E npn-transistor in Emitterschaltung Emitterschaltung mit Emitterwiderstand

12 Seite: 12 Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der asisvorspannung Einstellung des Arbeitspunktes R V R R 1 R U E U E U E I E R 2 U E I E asisvorwiderstand asis-spannungsteiler

13 Seite: 13 Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der asisvorspannung zum Einstellen des Stroms Einstellung des Arbeitspunktes: erechnung des asisvorwiderstands asis-emitter-spannung aus der Eingangskennlinie des Transistors U U U I R R E 0 V V U I 0 E R V R U E U E I E

14 Seite: 14 Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der asisvorspannung zum Einstellen des Stroms Einstellung des Arbeitspunktes: erechnung des asisspannungsteilers asis-emitter-spannung aus der Eingangskennlinie des Transistors Regel: Wähle den Querstrom durch R 1 mit 5 10 U U U U U I R, R, R ( 1) I 0 E E E I R 1 R U E ( -1) R 2 U E I E

15 Seite: 15 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. Zur Erinnerung: Grafische Lösung eines Spannungsteilers R eispiel: etrachtung von R 2 als Innenwiderstand der Quelle G U k, R 1k, 0, 25 ms, G 1mS, 10V R 1 U 1 G 2 U 1 = 8V U 2 = 2V G 1 R 2 U 2

16 Seite: 16 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: erechnung des asisspannungsteilers für den gewählten Arbeitspunkt. Verstärker in einfacher Emitterschaltung Arbeitsgerade: G = 24 ms R 1 R 10 U E u a u e R 2 U E I E

17 Seite: 17 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: G =24 ms (R =41,667 Ω) Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld Arbeitsgerade: G = 24 ms Arbeitspunkt des Transistors: = 60µA = 200 = 12mA / µa U E = 0,666V U E = 5V / ma = 100µA P tot = 100mW = 60µA G = 24mS = 20µA ,2 0,4 U E / V 0,6 = 20µA = 60µA = 100µA U E / V

18 Seite: 18 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: erechnung des asisspannungsteilers für den gewählten Arbeitspunkt. Verstärker in einfacher Emitterschaltung Arbeitsgerade: G = 24 ms U U U U U I R, R, R ( 1) I 0 E E E I Arbeitspunkt des Transistors: = 60µA = 12mA = 200 R 1 R U E = 0,666V erechnung des asisspannungsteilers: 10 R R V 0,666V 15,557 kω 10 60µA 0,666V 1,233kΩ 9 60µA u e R 2 U E I E U E u a

19 Seite: 19 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt. Verstärker in einfacher Emitterschaltung Arbeitsgerade: G = 24 ms Arbeitspunkt des Transistors: = 60µA = 12mA = 200 R 1 R U E = 0,666V Annahme: der asisstrom ändert sich um ± 20µA u e R 2 U E I E U E u a u a I 60µA 20µAsin( t)

20 Seite: 20 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt, idealisierte Näherung. Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld Arbeitsgerade: G = 24 ms Arbeitspunkt des Transistors Wechselstromverstärkung 8mA µA Wechselspannungsverstärkung v Leistungsverstärkung v v ,333V 95 0,035V E u U E p I I U u / µa / ma = 60µA ,2 0,4 10/3 20/3 0,6 0,649 0,684 U E / V U E / V

21 Seite: 21 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt, genauere etrachtung. Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld Arbeitsgerade: G = 24 ms Arbeitspunkt des Transistors Wechselstromverstärkung Wechselspannungsverstärkung v Leistungsverstärkung v 7,64mA µA v ,333V 95 0,035V E u U E p I I U u / ma = 7,64mA = 40µA / µa ,2 0,4 10/3 20/3 0,6 0,649 0,684 U E / V = 80µA = 60µA = 40µA U E / V

22 Seite: 22 Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand R. eispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt. Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld Arbeitsgerade: G = 24 ms Arbeitspunkt des Transistors Dyn. asis-emitter-widerstand r E E Dyn. Kollektor-Emitter-Widerstand r E U I 413 U I E 10 k 16,5 mv 40µA 8V 0,8mA / µa / ma = 60µA 8 U E = 8V = 40µA ,2 0,4 0,6 U E 16,5mV U E / V = 0,8mA U E / V