Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Spannungsteiler
Damit die Emitterschaltung richtig funktioniert, müssen Spannungs- und Stromwerte richtig eingestellt werden. Dabei müssen die Kollektor- und Basisstromwerte des Transistors beachtet werden. Ein Spannungsteiler an der Basis des Transistors ist eine Möglichkeit der Arbeitspunkteinstellung.
Bei der Arbeitspunkteinstellung mit Spannungsteiler wird vor dem Transistor ein Spannungsteiler aus mindestens 2 Widerständen vorgeschaltet. Der Spannungsteiler aus R1 und R2 muss so dimensioniert werden, dass am Widerstand R2 die Basis-Emitter-Spannung UBE je nach Transistor von 0,3 V (Germanium) oder 0,6 V (Silizium) anliegt.
Der Basis-Spannungsteiler senkt den Eingangswiderstand re der Schaltung, was nicht gewünscht ist. Im Regelfall ist ein hoher Eingangswiderstand bei einer Verstärker-Schaltung von Vorteil. Deshalb bestehen Verstärkerschaltungen häufig aus mehreren Stufen.
Wegen der Exemplarstreuung bei den Transistoren und der Toleranz der Widerstände ist es schwer, den vorausberechneten Arbeitspunkt exakt einzustellen. Daher empfiehlt es sich für R1 und R2 einen regelbaren Widerstand zu verwenden, um den Arbeitspunkt beim Abgleich fein einstellen zu können.
Mit dem Basis-Spannungsteiler wird allerdings nur der Arbeitspunkt eingestellt. Ob er dabei stabil bleibt? Erschwerend kommt hinzu, dass die Basis-Emitter-Spannung UBE temperaturabhängig ist. Der Widerstand von Halbleitern wird mit steigender Temperatur kleiner. Dadurch erhöht sich der Stromfluss in der Basis-Emitter-Strecke und damit verschiebt sich auch der Arbeitspunkt. Deshalb wählt man einen 5 bis 10-mal größeren Basisstrom im Spannungsteiler. So wird die Arbeitspunktverschiebung weitgehend vermieden. Der Einfluss der temperaturbedingten Widerstandsänderung der Basis-Emitter-Strecke wird damit auf 1/10 beschränkt. Doch dadurch stimmt der Arbeitspunkt nur bei bestimmten Temperaturen. Jede Temperaturänderung verändert den Arbeitspunkt. Es ist zusätzlich eine Arbeitspunktstabilisierung notwendig. Beispielsweise durch eine gleichzeitige Stromgegenkopplung. Hier wird ein Widerstand zwischen Emitteranschluss und Masse geschaltet. Der Widerstand wird als Emitterwiderstand RE bezeichnet.
Einfluss der Betriebsspannung UB auf den Arbeitspunkt
Beim Thema Arbeitspunktstabilisierung ist auch ein Wort über die Betriebsspannung UB zu verlieren. Denn die spielt eine große Rolle. Wer eine Festspannungsquelle oder eine andere stabilisierte Spannungsquelle verwendet, der dürfte weniger Probleme haben. Problematisch ist eine Spannung aus einer Batterie oder einem Akkus. Dann muss man berücksichtigen, dass die Batteriespannung im Laufe der Entladung auf den halben Wert ihrer Nennspannung sinken kann. So verschiebt sich auch der Arbeitspunkt mit sinkender Nennspannung. In der Regel legt man den Arbeitspunkt auf 3/4 der Betriebsspannung fest. Bei voll geladener oder fast entladener Batterie liegt er dann eben nicht ganz optimal.
Formel zur Berechnung des Kollektorwiderstandes RC
Die Werte für den Kollektorstrom IC und die Kollektor-Emitter-Spannung UCE werden durch die Anwendung oder die Nutzung der Emitterschaltung festgelegt.
Formel zur Berechnung des Basisstroms IB
Der Basisstrom IB kann aus dem Ausgangskennlinienfeld mit Kollektorstrom IC und Kollektor-Emitter-Spannung UCE ermittelt werden oder bei bekannter Gleichstromverstärkung B (aus dem Datenblatt) berechnet werden.
Formel zur Berechnung des Querstroms Iq
Der Basis-Spannungsteiler wird so niederohmig gemacht, dass sich die Basis-Emitter-Spannung UBE kaum ändert, wenn sich der Basisstrom IB ändert. Das hat zur Folge, dass der Basisstrom IB im Verhältnis zum Querstrom Iq des Basis-Spannungsteilers sehr klein ist. Der Querstrom Iq muss zwischen 3 bis 10 mal so groß sein wie der Basisstrom IB.
Formeln zur Berechnung des Widerstandes R1
Die Basis-Emitter-Spannung UBE muss man aus dem Eingangskennlinienfeld ermitteln werden. Oder man geht je nach Transistor von 0,3 V (Germanium) oder 0,6 V (Silizium) aus. Bei einer rein mathematischen Berechnung ist der Wert der Basis-Emitter-Spannung UBE nicht so wichtig. Soll jedoch eine Emitterschaltung für eine echte Anwendungen dimensioniert werden, dann muss die Einstellung der Basis-Emitter-Spannung UBE sehr genau erfolgen. Schon eine geringe Fehleinstellung führt zu einer starken Arbeitspunktabweichung.
Formeln zur Berechnung des Widerstandes R2
(vereinfacht)
Der Spannungsteiler aus R1 und R2 muss so dimensioniert werden, dass am Widerstand R2 die Basis-Emitter-Spannung UBE je nach Transistor von 0,3 V (Germanium) oder 0,6 V (Silizium) anliegt.
Warum kann man bei der Berechnung von R2 und RC auf die Berücksichtigung von RE verzichten?
In der vereinfachten Formel zur Berechnung des Widerstandes R2 und des Kollektorwiderstandes RC wird der Spannungsabfall am Emitterwiderstand RE einfach ignoriert. Doch das stimmt so nicht. Er wird nicht ignoriert, sondern nur durch eine logische Folgerung ersetzt. Denn der Widerstand R2 ist Teil des Basis-Spannungsteilers, durch den ein Strom von 3...10 x IB hindurchfließen soll. Bei dieser Betrachtung ist der Emitterwiderstand RE irrelevant. Auf den belasteten Spannungsteiler hat Emitterwiderstand RE keinen Einfluss, weil der Emitterwiderstand RE um mindestens den Verstärkungsfaktor vergrößert und somit weit außerhalb jeglicher wirklichen Belastung im Basiskreis des Transistors auftaucht.
Hintergrund: Um den Kollektorwiderstand RC zu berechnen wird der Kollektorstrom IC herangezogen. Der Emitterstrom IE beträgt ungefähr so viel wie der Kollektorstrom IC. Der Grund, die Stromkreise von Basis-Emitter und Kollektor-Emitter sind ineinander verschlungen. Nur wer pingelig ist, der berechnet IE aus IC + IB. Wobei der Basisstrom IB gegenüber Kollektorstrom IC verhältnismäßig klein ist und somit "fast" vernachlässigt werden kann. Es stört einen Kollektorstrom IC von bspw. 100 mA wenig ob bspw. noch 0,5 mA Basisstrom IB drauf kommt. Also der Emitterstrom IE 100,5 mA beträgt. Der Unterschied zwischen Kollektorstrom IC und Emitterstrom IE ist wegen dem geringen Basisstrom IB minimal. In der Praxis ist die Toleranz und die Schrittweite der E-Reihe für die Widerstände und deren Einfluss auf die Stromwerte um ein Vielfaches größer.
Abgleichvorgang
Nach jeder Berechnung und dem anschließenden Aufbau muss vor der Inbetriebnahme der Emitterschaltung mit Spannungsteiler ein Abgleich erfolgen. Das heißt, die Toleranzen bei der Berechnung und echten Bauteile müssen ausgeglichen werden. Dazu schließt man die Emitterschaltung an die Betriebsspannung UB an. Der Eingang bleibt unbeschaltet. Mit einem Vielfachmessgerät misst man die Spannung zwischen Kollektor und Masse (0V). Optimal ist es, wenn man in Reihe zum Widerstand R1 ein Potentiometer schaltet. Dann kann man das Potentiometer so einstellen, dass das Messgerät halbe Betriebsspannung anzeigt. Dann ist der Arbeitspunkt gleichspannungsmäßig optimal eingestellt. Das ermöglicht eine symmetrische Aussteuerung einer ausgangsseitigen Wechselspannung mit einer maximal möglichen Amplitude.
Ergänzender Hinweis: Was bei dieser Anwendung wirklich interessiert, ist die Gleichspannungseinstellung. Die ist dann optimal, wenn eine Wechselspannung am Ausgang symmetrisch ausgesteuert werden kann. Das bedeutet, man erhöht am Eingang eine Sinus- oder Dreieckspannung und beobachtet am Oszilloskop das Ansteigen der Ausgangsspannung. Wenn dann gleichzeitig die Wechselspannung an der maximal möglichen positiven Spannung und in GND-Nähe begrenzt wird, ist die maximale Aussteuerbarkeit der Amplitude erreicht.
Arbeitspunktstabilisierung bei der Emitterschaltung (ohne Emitterwiderstand RE)
Alle Transistorwerte sind temperaturabhängig. Das bedeutet, auch der Arbeitspunkt des Transistors ist temperaturabhängig. Je nach Anwendung des Transistors und Ort des Betriebs, kann die Temperatur auf die Emitterschaltung einwirken und den Arbeitspunkt verschieben. Das Verschieben des Arbeitspunktes führt am Ausgang der Emitterschaltung zu nichtlineare Verzerrungen.
In der Regel nimmt bei steigender Temperatur der Kollektorstrom IC zu. Um dem entgegen zu wirken verkleinert man die Basis-Emitter-Spannung UBE und verhindert so den Anstieg des Kollektorstroms IC. Die Schwierigkeit ist, die Basis-Emitter-Spannung UBE so zu verkleinern bzw. zu vergrößern, dass eine Arbeitspunktstabilisierung eintritt.
Bei der Arbeitspunktstabilisierung unterschiedet man zwischen Temperaturkompensation und Gegenkopplung.
- Stabilisierung mit Temperaturkompensation
- Temperaturkompensation mit einem Heißleiter
- Temperaturkompensation mit einer Diode
- Stabilisierung durch Gegenkopplung
Übersicht: Emitterschaltung
- Emitterschaltung
- Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Vorwiderstand
- Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung
- Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung
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