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 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...0,7 V (Silizium) anliegt.
Der Basis-Spannungsteiler senkt den Eingangswiderstand re der Schaltung, was nicht gewünscht ist. Im Regelfall ist ein hoher Eingangswiderstand bei z.B. dieser Verstärkerschaltung von Vorteil. Deshalb bestehen solche 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.
Emitterschaltung mit Gleichstromgegenkopplung
Mit dem Basis-Spannungsteiler wird allerdings nur der Arbeitspunkt eingestellt. Er sollte stabil bleiben. Ein Problem ist dabei, dass die Basis-Emitter-Spannung UBE temperaturabhängig ist.
Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors ist eine Diode und hat einen eigenen Widerstand, der temperaturabhängig ist. Dieser ist aber typischerweise extrem niederohmig, wie bei einer normalen Diode. Doch was bedeutet das?
Wie bei einer normalen Diode ändert sich die Flussspannung. Diese beträgt bei Silizium etwa 600 bis 700 mV bzw. 0,6 bis 0,7 V. Die Temperaturdrift liegt dabei sehr linear bei etwa -2 mV/K (hier identisch mit -2 mV/ºC). Bei einer Temperaturänderung von 30 ºC sind das -60 mV. Das ist etwa 10 % von UBE und das wirkt sich deutlich auf die Stromverstärkung aus. Das bedeutet, je niedriger UBE durch eine Temperaturerhöhung, um so höher ist die Stromverstärkung und in der Folge auch der Kollektorstrom.
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 3 bis 10-mal größeren Basisstrom im Spannungsteiler. So wird die Arbeitspunktverschiebung weitestgehend vermieden.
Doch dadurch stimmt der Arbeitspunkt nur bei bestimmten Temperaturen. Jede Temperaturänderung verändert den Arbeitspunkt. Es ist zusätzlich eine Arbeitspunktstabilisierung notwendig. Beispielsweise durch eine Gleichstromgegenkopplung. 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. Hier 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.
Wenn die Emitterschaltung keinen Emitterwiderstand hat, dann beträgt die Emitterspannung URE 0 V.
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. Der Faktor 5, 6 oder 7 ist eine gute Mitte.
Formeln zur Berechnung des Widerstandes R1
Die Basis-Emitter-Spannung UBE muss aus dem Eingangskennlinienfeld ermitteln werden. Oder man geht je nach Transistor von 0,3 V (Germanium) oder 0,6...0,7 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.
Für die praktische Berechnung von R1 genügt es, wenn man nur Iq berücksichtigt und IB vernachlässigt. Die Stromverstärkung bei Kleinsignal-Transistoren ist sowieso grösser als 100 für DC- und AC-Anwendungen im unteren Frequenzbereich.
Formeln zur Berechnung des Widerstandes R2
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...0,7 V (Silizium) plus die Spannung, die über den Widerstand RE anliegt.
Wenn die Emitterschaltung keinen Emitterwiderstand hat, dann beträgt die Emitterspannung URE 0 V.
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 (0 V). 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 bzw. schon überschritten.
Anwendbarkeit der Emitterschaltung mit Basis-Spannungsteiler
Eine Schaltung wie diese (einstufig) eignet sich in der Praxis nur für eine niedrige Spannungsverstärkung. Bedingt durch das Verhältnis von RC zu RE. Dies hat den Vorteil, dass die Schaltung durch eine relativ gute Stromgegenkopplung zweckorientiert ausreichend stabil ist.
Wenn man nur AC-Spannungen verstärken will, kann man, so wie diese Schaltung ist, es bei gleich niedriger DC-Verstärkung belassen, zum Wohle der guten Stromgegenkopplung. Man schaltet parallel zu RE ein zusätzliches RC-Glied, das dann dafür sorgt, dass die Schaltung im AC-Bereich deutlich höher verstärkt. Natürlich mit einer Frequenzbandbreite, deren unteres Ende durch die RC-Grenzfrequenz bestimmt wird. Das obere Ende wird durch die Dimensionierung der gesamten Schaltung bestimmt. Hierbei kommen Basis- und Kollektorstrom ins Spiel und mit der so genannten Miller-Kapazität zwischen Kollektor und Basis.
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 entgegenzuwirken 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 unterscheidet 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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