npn-transistor_in_emitter-schaltung
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| npn-transistor_in_emitter-schaltung [2014-04-19 10:58:12] – [Berechnungsbeispiel 1] manfred | npn-transistor_in_emitter-schaltung [2023-04-07 14:03:40] (aktuell) – [einfache Schaltung mit Stromgegenkopplung] manfred | ||
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| + | ====== NPN-Transistor in Emitter-Schaltung ====== | ||
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| + | * [[http:// | ||
| + | * [[http:// | ||
| + | |||
| + | Die Emitterschaltung ist die beliebteste Transistorschaltung, | ||
| + | denn bei ihr ist der Unterschied zwischen Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand am geringsten. Allerdings hat sie auch einige Nachteile. | ||
| + | Betreibt man sie mit hoher Gegenkopplung, | ||
| + | Betreibt man sie mit geringer Gegenkopplung, | ||
| + | Im Verstärkerbereich wurde sie durch Operationsverstärker (OPV) abgelöst, in anderen Bereichen ist sie dagegen noch sehr verbreitet. | ||
| + | |||
| + | Die Emitterschaltung ist sehr Temperaturabhängig. | ||
| + | Die Arbeitspunkt-Stabilisierung mit Spannungsgegenkopplung ist schlechter als bei der Stromgegenkopplung. Deshalb nimmt man bevorzugt die Arbeitspunkt-Stabilisierung mit Stromgegenkopplung. Mit Hilfe eines Widerstandes zwischen Emitter und Masse (0V) wird die Arbeitspunktstabilisierung hergestellt. Dieser Widerstand wird als Emitterwiderstand '' | ||
| + | |||
| + | Der Emitterwiderstand '' | ||
| + | Der Emitterwiderstand '' | ||
| + | |||
| + | * Niederfrequenztransistor (NF): BC... (zum Beispiel: "BC 547") | ||
| + | * Hochfrequenztransistor | ||
| + | |||
| + | UB = Betriebsspannung | ||
| + | AP = UB / 2 # Der ArbeitsPunkt muss mit R1 und R2 genau auf die halbe Betriebsspannung eingestellt werden! | ||
| + | Vu = Spannungsverstärkung | ||
| + | IC = Kollektorstrom | ||
| + | UBE= Basis-Emitter-Spannung | ||
| + | rBE= Basis-Emitter-Widerstand # steht im Datenblatt des Transistor' | ||
| + | B = Verstärkungsfaktor | ||
| + | RC = Kollektorwiderstand | ||
| + | RE = Emitterwiderstand | ||
| + | |||
| + | |||
| + | ==== Die Röhre war gut - ein Plädoyer für den richtigen Verstärker ==== | ||
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| + | * [[http:// | ||
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| + | |||
| + | ===== Verlustleistung ===== | ||
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| + | * [[http:// | ||
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| + | Im Buch " | ||
| + | * [[http:// | ||
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| + | Im einem Transistor wird während des Betriebes elektrische Arbeit inWärme umgesetzt. Der Transistor wird dadurch erwärmt.Man unterscheiden zwischen der Kollektor-Emitter-Verlustleistung '' | ||
| + | PCE = UCE * IC | ||
| + | PBE = UBE * IB | ||
| + | |||
| + | Beide Verlustleistungen ergeben zusammen die Gesamtverlustleistung | ||
| + | Ptot = UCE * IC + UBE * IB | ||
| + | |||
| + | Die Basis-Emitter-Verlustleistung ist meist sehr viel kleiner als die Kol-lektor-Emitter-Verlustleistung und kann deshalb vernachlässigt werden | ||
| + | PCE ~ UCE * IC | ||
| + | PCE ~ UCE^2 / RC | ||
| + | |||
| + | |||
| + | ===== einfache Schaltung mit Spannungsgegenkopplung ===== | ||
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| + | +-+ | ||
| + | | | RC | ||
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| + | +-+ C2 | ||
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| + | +-+ | | ||
| + | | | RB | | ||
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| + | | | / | ||
| + | C1 +-+ | / | ||
| + | E | ||
| + | O---||-----+-------| | ||
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| + | | > | ||
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| + | O----------------------+----------O | ||
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| + | ==== Berechnung der Schaltung mit Spannungsgegenkopplung ==== | ||
| + | |||
| + | Damit der Arbeitspunkt genau eingestellt werden kann, muss der genaue Verstärkungsfaktor des Transitor' | ||
| + | Dabei ist zu beachten, dass die Angaben in den Datenblättern nicht genau sind, die einzelnen Transistoren haben leicht | ||
| + | unterschiedliche Verstärkungsfaktoren. | ||
| + | |||
| + | RC = UB / IC | ||
| + | RB ~ B * RC | ||
| + | |||
| + | |||
| + | ===== einfache Schaltung mit Stromgegenkopplung ===== | ||
| + | |||
| + | Die Stromgegenkopplung stellt eine bessere Stabilität gegen Temperaturunterschiede dar. | ||
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| + | * [[http:// | ||
| + | * [[http:// | ||
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| + | +-+ +-+ | ||
| + | | | RB1 | | RC | ||
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| + | | | | | | ||
| + | +-+ | ||
| + | | ||
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| + | C1 | ||
| + | E | ||
| + | O---||-----+-------| | ||
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| + | | ||
| + | +-+ +-+ | ||
| + | | | RB2 | | RE | ||
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| + | | | | | | ||
| + | +-+ +-+ | ||
| + | | ||
| + | O----------+-----------+----------O | ||
| + | |||
| + | |||
| + | ==== Berechnung der Schaltung mit Stromgegenkopplung ==== | ||
| + | |||
| + | Diese Schaltung bietet die größte Stabilität gegen Temperaturunterschiede, | ||
| + | hat die größte Übertagungsbandbreite aber hat auch den geringsten Verstärkungsfaktor | ||
| + | und eine recht kleine Ausgangsspannung. | ||
| + | |||
| + | Der Emitterwiderstand '' | ||
| + | und desto kleiner ist die Ausgangsleistung. | ||
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| + | === Berechnungsbeispiel 1 === | ||
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| + | * [[http:// | ||
| + | * [[http:// | ||
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| + | Der Widerstand '' | ||
| + | RT = B * RE + rBE | ||
| + | |||
| + | Wir dimensionieren den Emitterwiderstand '' | ||
| + | RE ~ rBE | ||
| + | |||
| + | Wollen wir eine größere Temperaturstabilität, | ||
| + | Faktor = 1...20 | ||
| + | RE = rBE * Faktor | ||
| + | |||
| + | Für geringe Spannungs-Verstärkungsfaktoren, | ||
| + | Vu ~ RC / RE | ||
| + | RC ~ RE * V | ||
| + | |||
| + | Leerlauf-Spannungsverstärkung: | ||
| + | Vu ~ (B * ((RC * RL) / (RC + RL)) ) / (rBE + B * RE) | ||
| + | |||
| + | Leerlauf-Spannungsverstärkung, | ||
| + | Vu ~ ((B / rBE) * RC) / RE | ||
| + | |||
| + | Leerlauf-Spannungsverstärkung, | ||
| + | Vu ~ ((RC * RL) / (RC + RL)) / RE | ||
| + | |||
| + | Leerlauf-Spannungsverstärkung, | ||
| + | Vu ~ RC / RE | ||
| + | |||
| + | Impedanz des Spannungsteilers RB1/RB2: | ||
| + | RS = (RB1 * RB2) / (RB1 + RB2) | ||
| + | |||
| + | Impedanz der Tr-Basis-Emiter - RE1 - Strecke: | ||
| + | RtrRE = rBE + B * RE1 | ||
| + | |||
| + | Eingangswiderstand (Rein): | ||
| + | Rein = (RS * RtrRE) / (RS + RtrRE) | ||
| + | |||
| + | Widerstände des Basis-Spannungsteilers: | ||
| + | RB2 = RS * (UB / (UB - UR2)) | ||
| + | RB1 = RB2 * ((UB - UR2) / UR2) | ||
| + | |||
| + | C1 = 1 / (2 * Pi * f * RT) | ||
| + | Rx = Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe | ||
| + | C2 = 1 / (2 * Pi * f * Rx) | ||
| + | |||
| + | Verlustleistung, | ||
| + | PV = UC² / RC | ||
| + | |||
| + | |||
| + | === Berechnungsbeispiel 2 === | ||
| + | |||
| + | **Werte des zu verwendenden Transistors (BC547)**: | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | |||
| + | **Werte der gewünschten Schaltung**: | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
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| + | **Werte der erforderlichen Bauteile**: | ||
| + | '' | ||
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| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
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| + | '' | ||
| + | '' | ||
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| + | Der Wert von '' | ||
| + | Mit '' | ||
| + | Wenn '' | ||
| + | Der Wert für '' | ||
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| + | Im Überschlag kann man für '' | ||
| + | Will man es genaue, dann nimmt man für R< | ||
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| + | === Berechnungsbeispiel 3 === | ||
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| + | **Werte des zu verwendenden Transistors (BC547)**: | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
| + | |||
| + | **Werte der gewünschten Schaltung**: | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
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| + | **Werte der erforderlichen Bauteile**: | ||
| + | '' | ||
| + | '' | ||
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| + | ===== Die Bootstrap-Schaltung ===== | ||
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| + | Die Arbeitspunkteinstellung einer Transistorschaltung wird oft mithilfe eines Basisspannungsteilers und eines niederohmigen Emitterwiderstands vorgenommen. Beide beeinflussen den Eingangswiderstand (Eingangsimpedanz) des Verstärkers. Der Emitterwiderstand vergrößert den Eingangswiderstand. Eine gute Arbeitspunktstabilisierung wird mit einem hohen Querstromfaktor erzielt. Daraus ergibt sich ein relativ niederohmiger unterer Widerstand für den Basisspannungsteiler. Er bestimmt letztlich den Wert des Eingangswiderstands, | ||
| + | Soll das Signal einer hochohmigen Quelle, z.B. eines Kondensatormikrofons oder eines Parallelschwingkreises, | ||
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| + | Mit einer speziellen Eingangsschaltung, | ||
| + | (Bootstrap, engl. Stiefelschlaufe, | ||
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| + | ===== Kaskodeschaltung ===== | ||
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| + | Für hohe Frequenzen ist bei großer Verstärkung die Rückwirkkapazität der Kollektor-Basis-Sperrschicht störend, wodurch die Verstärkung frequenzabhängig wird => [[http:// | ||
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| + | +-+ | ||
| + | | | R1 | | R3 | | RC | ||
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| + | | | R2 | | | | RE | ||
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| + | O----------+------+------+-----------+----------O | ||
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| + | Abgesehen vom nicht vorhandenen Miller-Effekt und dem sich daraus ergebenden höheren Grenzfrequenz verhält sich die Kaskodeschaltung genauso wie eine Emitterschaltung. Es gelten sogar die gleichen Formeln zur Berechnung. Allerdings ist bei gleicher Betriebsspannung der Aussteuerungsbereich geringer, denn die Ausgangsspannung kann ja nicht geringer werden als größenordnungsmäßig die Basisspannung von T2. | ||
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| + | ===== Zweistufiger Verstärker mit galvan. Kopplung npn/pnp ===== | ||
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| + | | | RB1 | | RC1 | | RE2 | ||
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| + | | | RB2 | | RE1 | | RC2 | ||
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| + | O----------+-----------+-----------------------+----------O | ||
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| + | Der Arbeitspunkt der ersten Stufe liegt üblicherweise etwas über der Hälfte der Betriebsspannung. Dies ist bei einer herkömmlichen Emitterschaltung Schaltung ungünstig, weil die relativ hohe Spannung auf eine relativ niedrige Spannung heruntergeteilt werden muß, was einen großen Teilungsfaktor und damit leider auch eine hohe Signaldämpfung ergibt. Bei dieser Schaltung mit komplementären Transistoren hingegen sind die Verhältnisse umgekehrt: | ||
| + | |||
| + | Bei der zweiten Stufe sind die Spannungen nämlich auf die Betriebsspannung bezogen. Wenn man den Arbeitspunkt noch ein klein wenig höher legt und den Widerstand RC2 so dimensioniert, | ||
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| + | Die Verzerrungen sind im Vergleich zu einer einzigen Stufe mit gleicher Verstärkung gering, aber trotzdem erzeugt jede Stufe ein gewisses Maß an Verzerrungen. Die Verzerrungen der ersten Stufe werden von der zweiten Stufe genauso stark verstärkt wie das Nutzsignal. Man kann die Gesamtverzerrungen dadurch verringern, indem man eine sogenannte Über-Alles-Gegenkopplung verwendet => RG+C3 | ||
| + | |||
| + | Bei dieser Schaltung wird ein Teil der phaseninvertierten Ausgangsspannung über RG auf den Gegenkopplungswiderstand RE1 zurückgeführt. Dieses Gegenkopplungssignal sorgt dafür, daß die Verstärkung beider Stufen zusammen einen definierten Wert besitzt und durch einen stetigen Vergleich des Ausgangs- mit dem Eingangssignal Verzerrungen deutlich reduziert werden. Dies funktioniert am besten, wenn die Verstärkung der ersten Stufe gering und die der zweiten hoch ist. Man strebt daher eine hohe Grundverstärkung (ohne RG) an und reduziert dann die Verstärkung durch den Gegenkopplungswiderstand RG, so daß sich ein hoher Gegenkopplungswert über die beiden Stufen ergibt. Der Quotient zwischen Grundverstärkung und tatsächlicher Verstärkung ist die Reserve, die die Schaltung nutzen kann, um Abweichungen " | ||
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| + | Der Widerstand RC2 wird zur Erzielung einer hohen Verstärkung oft mit einem Kondensator wechselspannungsmäßig überbrückt. Für Gleichströme (Strom im Arbeitspunkt) wirkt dann eine arbeitspunktstabilisierenden Gegenkopplung, | ||
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