ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 1 1. Konstantstromquelle L L A S CE I L S A A I L L A S E(on) I L A A S A E(on) Der Laststrom I L hängt nur von S und A ab, nicht aber vom Lastwiderstand L. Wie groß darf der Lastwiderstand L höchstens sein? Damit die Schaltung funktioniert, muß der Transistor stets im aktiven ereich arbeiten, darf also nicht übersteuert werden. Eine Übersteuerung liegt dann vor, wenn die asisspannung höher ist als die Kollektorspannung, also als der Spannungsabfall L über dem Lastwiderstand L. Forderung: L S L S ; L I L L L IL S Festlegung von Steuerspannung S und Arbeitswiderstand A für eine gegebene etriebsspannung und einen Laststrom I L, der durch einen Lastwiderstand L zu treiben ist:
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 2 I L L S S LIL A S IL E(ON) Welche etriebsspannung ist mindestens erforderlich, um einen Strom I L durch einen Lastwiderstand L zu treiben? S+ LIL ILA+ E(on) + LIL 2. NF-Verstärkerstufe in Emitterschaltung Spannungsteiler 1, 2 : asisvorspannung (legt den Arbeitspunkt fest). Widerstand : Gleichstromgegenkopplung. Arbeitswiderstand a : 1..10 kω (für typische Verstärker kleiner Leistung). Kondensator C : hebt Wechselstromgegenkopplung auf. Faustformel: 2500 C[ µ F] fu Hz [ ] ; f u untere Grenzfrequenz.
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 ichtwerte: A 2 ; E ; also CE 6 I Q 02...0,5 I C (Kollektorruhestrom) bzw. (Minimum) > 2 I. + 1 2 I Q 2 + 1 2 ; asisvorspannung bei Vernachlässigung des asisruhestroms I E E on ( ); E + E( on ) I C E a A 05, IC IC I C E Kollektorspannung: C IE a Emitterspannung: E IE Emitterstrom: I E E 1 2 + 1 2 Kollektor-Emitter-Spannung: I I CE C E E a E 1 2 IE( a + ) ( a + + ) ( a) ( ) 2 + 1 + 1 2 1 2
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 4 Spannungsverstärkung AC (mit Kondensator C): β a Spannungsverstärkung DC (ohne Kondensator C): den Transistorparametern! eispiel 1 (gemäß Kennlinie von S. 8): CE 5 V I C 7 ma (Kollektorruhestrom) E(on) 0,68 V. 6 CE 0 V. IQ 02, 7mA 14, ma a zwar wenig, aber unabhängig von a 15V 7mA 22, kω 0V E 10V 10V+ 068, V 1068, V 0V + 21, 4kΩ 14, ma 1 2 2 ( 1+ 2) 10, 68V 21, 4kΩ 0V 768, kω 1 21,4 kω 7,68 kω 1,7 kω 10V 14, kω 7mA
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 5 eispiel 2 (mit C 107): Der Pfeil zeigt auf den gewählten Arbeitspunkt: CE 2 V I C 1 ma (Kollektorruhestrom) E(on) 0,61 V. 6 CE 12 V. IQ 02, 1mA 02, ma a 6V 1mA 604, kω 12V E 4V 4V+ 061, V 461, V
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 6 12V + 60kΩ 02, ma 1 2 2 ( 1+ 2) 461, V 60kΩ 12V 2, 2kΩ 1 60kΩ 22, kω 68, kω 4V 402, kω 1mA Woraus ergeben sich die anfänglichen ichtwerte? 1. CE : gemäß Kennlinie (Festlegung des Arbeitspunktes). 2 2. A : im Interesse des Aussteuerbereichs (ausgangsseitiger Spannungshub zwischen Massepotential (0 V) und etriebsspannung).
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 7. E : um den Eingangsspannungsteiler einigermaßen symmetrisch dimensionieren zu können (Widerstandswerte nicht allzu unterschiedlich, so daß sich Toleranzen nicht allzu sehr auswirken). Gemäß ichtwert 2 ergibt sich a. 0,5 IC Damit der Transistor nicht übersteuert wird (vgl. Konstantstromquelle) muß auch gelten a IC S. S ist hier die vom Spannungsteiler zu liefernde asisvorspannung. Damit die ngleichung erfüllt ist, muß gelten S 0,5. Ein mittlerer Wert zwischen 0,25 und 0,5 ist ein vernünftiger Kompromiß. Wählt man S deutlich größer (nahe 0,5 ), so besteht die Gefahr, bei ungünstigen Wertekombinationen der Widerstände in den ereich der Übersteuerung zu kommen. Zudem wird eine unnötig hohe etriebsspannung erforderlich. Wählt man S deutlich kleiner (z.. 0,1 ), so ergibt sich ein ungünstigeres Teilerverhältnis, und man braucht ggf. (für 1 bis ) enger tolerierte auelemente. Weitere Verstärkergrundschaltungen: A I C CE 1 als Konstantstromquelle: 1 I I aus Kennlinie bzw. gemäß I C / β. Nicht ernsthaft bauen! 1 muß individuell eingestellt werden. Transistor kann thermisch durchgehen.
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 8 Spannungsgegenkopplung: ICE 1 CE 05, I Typische Transistorkennlinien
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 9. Zur Notwendigkeit der Differenzspannungsmessung "an Ort und Stelle" Fallbeispiel: atterieüberwachung (Kontrolle der Zellenspannung). Der naheliegende Ausweg:
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 10 Spannungsteilerverhältnis S 1:0 0,0. Nennwerte: 1 1k; 1 + 2 0k; 2 29k. 1 +1% 1,01k; 1-1%0,99k; 2 +1% 29,k; 2-1%28,7k 1 an der Obergrenze, 2 an der ntergrenze: S1 101, 004, 28, 7 + 1, 01 1 an der ntergrenze, 2 an der Obergrenze: S2 Worst-Case-Annahmen: 099, 29, + 0, 99 0027, Teiler a Teiler b Meßpunkt Meßpunkt + Sollwert Sollwert 00 : 0 10 V 02 : 0 10,067 V S 1 S 2 00 0,04 10,2 V 02 0,027 9,88 V S 2 S 1 00 0,027 9,81V 02 0,04 10,27 V Ersichtlicherweise ist der Fehler größer als die Soll-Differenz. Im oberen Worst-Case-Fall ergibt sich sogar eine negative Differenzspannung... Es geht also nur so: Eine Gleichtaktspannung von 00 V ist allerdings etwas viel (spezielle Verstärkertypen z.. INA 117 halten höchstens 200 V aus). Man muß sich also etwas einfallen lassen. Praxistip: den Meßverstärker auf eine passende Versorgungsspannung hochhängen und über galvanische Trennung nach unten gehen (Isolationsverstärker o. dergl.). Ggf. gleich oben ins Digitale wandeln; dann genügen simple (billige) Optokoppler oder Impulstransformatoren.
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 11 Schaltungstips zur Spannungsversorgung: Der N-Kanal-FET 1. Sourceschaltung Amplitude der Impulse erhöhen und Ausgangsverhalten beobachten. FET fängt bei etwa 4 V an zu schalten und schaltet bei etwa 8 V richtig durch. Weitere Erhöhung der Gatespannung bringt nichts.
ANGEWANDTE ELEKTONIK EECHNNGEN 1 12 2. Drainschaltung Amplitude der Impulse erhöhen und Ausgangsverhalten beobachten. FET fängt bei etwa 4 V an zu schalten. Die Ausgangsamplitude folgt der Eingangsamplitude (ähnlich wie beim Emitterfolger), aber vermindert um die Schwellenspannung von etwa,5...5 V.. Spannungsüberhöhung mit Ladungspumpe Drainschaltung High Side Drive. Damit der FET richtig durchschaltet, muß die Gatespannung um die Schaltspannung für minimalen DSon überhöht werden (V DD + 10 V). Die Diode klammert den negativen Pegel am Kondensator auf V DD. Damit liegt der positive Pegel um die Sourcespannung über V DD. Es müssen sich rechteckimpule ergeben, deren Low-Anteile auf V DD -Pegel liegen. 4. ootstrap-schaltung Der FET wird über eine Transistorstufe angesteuert. Diese wird von der Ladungspumpe gespeist. Ansteuerpegel etwa 4 V. Pegel am Kondensator (**) zwischen V DD und 2 V DD ; Pegel am Gate zwischen 0 V und 2 V DD.