Transistorverstärker in Emitterschaltung
Von den drei Grundschaltungen mit bipolaren Transistoren ist die Emitterschaltung in der Verstärkertechnik sehr oft zu finden. Sie zeichnet sich über eine hohe Strom- und Spannungsverstärkung aus und hat günstige Ein- und Ausgangsimpedanzen. Sehr ausführliche Beschreibungen zu den Eigenschaften als Signalverstärker sind im Kapitel über den Kleinleistungsverstärker in Emitterschaltung. zu finden. Vergleiche zwischen Basis- und Kollektorschaltung sind im Kapitel Grundschaltungen der Transistorverstärker dargestellt.
In diesen Artikel sind neben den allgemeinen Angaben zur Emitterschaltung wichtige Maßnahmen zur Stabilisierung des DC-Arbeitspunktes beschrieben. Die Verfahren dazu sind eine Stromgegenkopplung und auch eine Spannungsgegenkopplung. Beide Methoden sind auch zur Signalgegenkopplung geeignet, um Signalverzerrungen und den damit unerwünschten Klirrfaktor zu minimieren.
Die Qualität des Ausgangssignals wird von der Lage des Arbeitspunkts und von der Verstärkung bestimmt. Durch eine zusätzliche Stabilisierung des Arbeitspunkts wird die Schaltung von der Betriebstemperatur unabhängig. Ebenso ermöglicht sie im Reparaturfall, dass beim Ersatz von Transistoren gleichen Typs trotz Exemplarstreuungen und Kennwerttoleranzen der Bauteile die Schaltung auch ohne Neuberechnung weiterhin gleich gut funktioniert.
Der Temperatureinfluss ist von besonderer Bedeutung, da er bei jeder Inbetriebnahme wirksam wird. Transistoren gehören wie alle Halbleiter zu den Heißleitern, die bei Erwärmung den Strom besser leiten. Die Temperaturerhöhung wirkt sich auf die Eingangskennlinie und die Schwellspannungen aus. Bei gleicher Basisspannung nimmt bei einer Temperaturerhöhung um 10° der Basisstrom durchschnittlich um den Faktor 2 zu. Die daraus folgende bessere Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht über die Stromsteuerkennlinie den Kollektorstrom um den Faktor der Gleichstromverstärkung B. Die Verlustleistung des Transistors nimmt zu und er erwärmt sich weiter.
Ein zuvor berechneter Arbeitspunkt verschiebt sich ohne Gegenmaßnahmen in Richtung kleinerer Kollektor-Emitter Ausgangsspannungen. Bei der Großsignalverstärkung wird der gesamte Kennlinienbereich genutzt, sodass durch die Arbeitspunktdrift die Verzerrungen des Ausgangssignals zunehmen. Im Bereich der Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter entstehen Signalbegrenzungen. Die Verlustleistung im Halbleiterkristall nimmt durch den erhöhten Stromfluss zu, wobei anfangs nur kleine partielle Zonen betroffen sind. Insgesamt erwärmt sich der Kristall und seine Leitfähigkeit nimmt zu. Gefährdet ist hierbei die Diodenstrecke zwischen Basis und Emitter, die sich durch die selbst unterstützende Strom-Wärmekopplung zerstören kann.
Der DC-Arbeitspunkt des Transistors muss gegen Temperatureinfluss und Exemplarstreuungen stabilisiert werden.
Einstellverfahren für den Arbeitspunkt
Die Arbeitspunkteinstellung durch den Basisstrom
Der DC-Arbeitspunkt wird durch den Basisgleichstrom festgelegt. Für die Betriebsspannung wird ein Vorwiderstand R1 berechnet, der den Basisstrom bestimmt. Über die Stromsteuerkennlinie des Transistors stellen sich der Kollektorstrom und die verbleibende Spannung zwischen Kollektor und Emitter ein und bestimmen die Lage des Arbeitspunkts. Bei einer Temperaturerhöhung (δ) nehmen die Leitfähigkeit des Transistors und sein Kollektorstrom zu. Dadurch wird die Spannung am Arbeitswiderstand Ra größer und die Spannung am Kollektor proportional kleiner, sodass sich der Arbeitspunkt etwas verschiebt. Da der Basisstrom vom Basisvorwiderstand bestimmt konstant bleibt, gibt es keine sich selbst unterstützende Strom-Wärmekopplung. Die Stabilisierung des DC-Arbeitspunkts ist noch nicht optimal, der sie Exemplarstreuungen hinsichtlich des Gleichstromverstärkungsfaktors B beim Ersatz eines defekten Transistors nicht ausgleichen kann.
Die Arbeitspunkteinstellung mit zusätzlichem Emitterwiderstand
Die Arbeitspunktdrift kann mit einem niedrig dimensionierten Widerstand im Emitterkreis verringert werden. Vom Schaltungstyp her bleibt es eine Emittergrundschaltung, da der Emitter weiterhin niederohmig zur Betriebsmasse verbunden ist. Um die maximale Signalverstärkung nur wenig zu verringern sollte die DC-Spannung am Emitterwiderstand nur 1 bis 2 Volt betragen.
Nimmt der Kollektorstrom bei Erwärmung zu, so erzeugt er als Emitterstrom am Emitterwiderstand die Spannung URE. Das berechnete Basispotenzial bleibt konstant und das Emitterpotenzial wird durch den etwas zunehmenden Emitterstrom positiver. Beim npn-Transistor verringert sich die Steuerspannung zwischen Basis und Emitter. Die Basis-Emitterdiode leitet weniger und verringert den Steuerstrom des Transistors, sodass über die Stromsteuerkennlinie der Kollektorstrom geringer wird. Der kleinere Strom bewirkt einen geringeren Leistungsumsatz und weniger Erwärmung des Halbleiterkristalls. Es liegt ein automatischer Regelkreis vor, der den Arbeitspunkt wesentlich besser stabilisiert und Exemplarstreuungen beim Transistorwechsel gut ausgleichen kann.
Diese Stabilisierung kann weiter verbessert werden, denn durch den abnehmenden Basisstrom verringert auch die Spannung am Basisvorwiderstand R1. Das Basispotenzial wird dadurch positiver und lässt den Basisstrom nicht so weit absinken, wie es für eine optimale Arbeitspunktstabilisierung notwendig wäre.
Die Arbeitspunktstabilisierung durch Basisspannungsteiler und Heißleiter
Bei Leistungsverstärkern wird manchmal der Arbeitspunkt durch einen NTC-Widerstand im Basisspannungsteiler stabilisiert. Anstelle des NTC kann ebenso gut eine Diode oder ein als Diode geschalteter Kleinleistungstransistor verwendet werden. Die Heißleiter werden in engen thermischen Kontakt zum Leistungstransistor oder in dessen Nähe auf dem Kühlblech montiert. Mit steigender Temperatur werden sie niederohmig und verringern die Spannung zwischen Basis und Emitter des Leistungstransistors. Sowohl sein Basisstrom als auch sein Kollektorstrom verringern sich und wirken einer Arbeitspunktdrift entgegen. Die niederohmige Eigenschaft des Heißleiters wirkt sich nachteilig direkt auf den Eingangswiderstand des Transistors aus. Diese Art der Stabilisierung findet man daher nur bei Leistungsendstufen.
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Emitterstrom-Gegenkopplung
Das Schaltungskonzept sieht einen Basisspannungsteiler und einen Emitterwiderstand RE vor. Zu jedem Arbeitspunkt gehört nach dem Mehrquadrantenfeld eines Transistors nicht nur der Basisstrom über die Stromsteuerkennlinie, sondern auch die dazu gehörige Basis-Emitterspannung entsprechend der Eingangskennlinie. So kann durch die Vorgabe einer UBE jeder gewünschte Arbeitspunkt eingestellt werden.
Ein richtig dimensionierter Basisspannungsteiler hält die Basisspannung konstant und optimiert den DC-Arbeitspunkt des Transistors. Bei einer dynamischen Ansteuerung verändert sich der Basisstrom und der Spannungsteiler wird unterschiedlich belastet. Damit die DC-Basisspannung möglichst konstant bleibt, muss der Teilerstrom ein Mehrfaches des notwendigen Basisstroms sein. Am belasteten Spannungsteiler bleibt bei einem Querstromfaktor von 5 ... 10 die Teilspannung weitgehend stabil. Die Basis-Emitterspannung ist dann nur von der Emitterspannung entsprechend dem sich ändernden Kollektorstrom abhängig. In den Gleichungen wird für den Querstromfaktor das Formelzeichen (m) verwendet.
Eine Gegenkopplung liegt vor, wenn ein Teil der Ausgangsgröße so auf den Eingang zurückgeführt wird, dass die Änderung der Ausgangsgröße verringert wird.
Die Driftverstärkung
Eine optimale Stabilisierung des DC-Arbeitspunkts wird erreicht, wenn bei äußeren Einflüssen sowohl die Änderungen des Kollektorstroms als auch der Kollektorspannung klein bleiben. Ein ΔIC führt zu einer Änderung der Emitterspannung ΔUE. Die Basisspannung des Transistors ist durch den Basisspannungsteiler fest eingestellt. Für die Steuerspannung des npn-Transistor folgt: \[{U_{BE}} = {U_B} - {U_E} \Rightarrow \Delta {U_{BE}} = {U_B} - \Delta {U_E} \Rightarrow \Delta {U_{BE}} \propto \Delta {U_E}\] Je größer der Wert des Emitterwiderstands ist, desto mehr wird einer Änderung des Kollektorstroms entgegengewirkt. Bei einem großen Kollektor- oder Arbeitswiderstand RC oder Ra genannt, entsteht schon bei einer kleinen Stromänderung eine größere Änderung der Kollektorspannung. Beide Änderungen werden in der Driftverstärkung erfasst.
Es gelten die mathematischen Zusammenhänge: \[\Delta {U_E} \approx \Delta {I_c} \cdot {R_E}{\kern 1pt} \quad \Delta {U_E} = |\Delta {U_{BE}}|\quad \Delta {U_c} = \Delta {I_c} \cdot {R_c}\] Die Driftverstärkung ist definiert als: \[{V_D} = \frac{{\Delta {U_c}}}{{\Delta {U_{BE}}}}\quad \quad {V_D} = \frac{{\Delta {U_c}}}{{\Delta {U_E}}} \approx \frac{{\Delta {I_c} \cdot {R_c}}}{{\Delta {I_c} \cdot {R_E}}}\] \[{V_D} \approx \frac{{{R_c}}}{{{R_E}}}\] Die Driftverstärkung gibt an, wievielmal größer die Änderung der Kollektorspannung bezogen auf die der Basis-Emitterspannung ist. Mit einer kleinen Driftverstärkung zwischen 0,5 bis 10 wird eine gute Stabilisierung erreicht. Ein Transistorverstärker in Emitterschaltung mit Basisspannungsteiler und Emitterwiderstand ist gegen äußere Einflüsse gut stabilisiert.
Die Berechnungen der Bauteilwerte für einen stabilen DC-Arbeitspunkt sind einfach: \[\begin{array}{l} {R_a} = \frac{{{U_{Ra}}}}{{{I_c}}} = \frac{{U - {U_{CE}} - {U_{RE}}}}{{{I_C}}}\\ {R_E} = \frac{{{U_{RE}}}}{{{I_C} + {I_B}}}\quad oder\quad {R_E} \approx 0,1 \cdot {R_a}\\ {U_{B0}} = {U_{BE}} + {U_{RE}}\quad mit\quad {U_{BE}} = 0,7\,V\\ {I_q} = m \cdot {I_B}\\ {R_2} = \frac{{{U_{B0}}}}{{{I_q}}} = \frac{{{U_{B0}}}}{{m \cdot {I_B}}}\\ {R_1} = \frac{{U - {U_{B0}}}}{{{I_q} + {I_B}}} = \frac{{U - {U_{BE}} - {U_{RE}}}}{{(m + 1)\,{I_B}}} \end{array}\] Der Transistor verstärkt den AC-Signalstrom und erzeugt am Emitterwiderstand eine kleine Signalspannung uRE. Der Eingangsstrom durch die Basis-Emitter-Diode ist phasengleich zum verstärkten Kollektor- und Emitterstrom. Der Teil der AC-Ausgangsspannung am Emitterwiderstand uRE ist ebenfalls phasengleich. Das AC-Basispotenzial uB0 ist konstant und es gibt ein AC-Emitterpotenzial uE0. Das wirksame AC-Steuersignal des Transistors ist: \({u_{AC}} = {u_{BE}} = {u_{B0}} - {u_{E0}}\). Durch die Gegenkopplung ist ein kleineres Steuersignal wirksam.
Für die Signalparameter gilt: \[\begin{array}{l} {i_E} = {i_c} + {i_B}\quad \quad {i_B} \ll {i_c}\quad \to {i_E} \approx {i_c}\\ {u_e} = {u_{BE}} + {u_{RE}} \end{array}\] Für die Signalverstärkung gilt: \[\begin{array}{l} {V_u} = \frac{{{u_a}}}{{ue}} = \frac{{{u_a}}}{{{u_{BE}} + {u_{RE}}}}\\ {u_a} \approx {i_c}\,{R_c}\quad \quad {u_e} \approx {i_c}\,{R_e} \end{array}\] Die Gegenkopplung kann für die Signalverstärkung aufgehoben werden, wenn parallel zum Emitterwiderstand ein Kondensator ausreichend großer Kapazität geschaltet wird. Er hat einen von der Signalfrequenz abhängigen niedrigen Blindwiderstand. In der Parallelschaltung wird er nur für das Signal bestimmend. Der Kondensator legt den Emitter für das Signal fast auf Massepotenzial. Die den Arbeitspunkt bestimmenden Gleichspannungsverhältnisse ändern sich nicht. Der Emitterkondensator besitzt einen praktisch extrem hohen Gleichstromwiderstand, sodass der parallel liegende Emitterwiderstand für die statische Stromgegenkopplung bestimmend bleibt. Ohne Emitterkondensator besteht Signalgegenkopplung und mit Emitterkondensator ist für das Signal der RE gegen Masse quasi kurzgeschlossen: \[\begin{array}{l} {V_u} = \frac{{{i_c}\,{R_c}}}{{{i_c}\,{R_E}}} = \frac{{{R_c}}}{{{R_E}}}\\ {X_C} \ll {R_E}\quad \to {u_{RE}} \approx 0\quad \to {V_u} = \frac{{{u_a}}}{{{u_e}}} \end{array}\]
△Spannungsgegenkopplung
Mit zunehmender Verstärkung nimmt die Verlustleistung des Transistors zu, die in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Temperaturzunahme erhöht die Leitfähigkeit des Halbleiterkristalls und verringert seine Kollektorspannung. Wird aus dieser Spannung über einen Vorwiderstand R1 der Basissteuerstrom gewonnen oder mittels Basisspannungsteiler die Basissteuerspannung erzeugt, so wird der Transistor weniger angesteuert und wirkt dem Kollektorstromanstieg entgegen. Mit dem Prinzip der Spannungsgegenkopplung kann ebenfalls der Arbeitspunkt stabilisiert werden.
Auf der Eingangsseite des Transistors ändern sich gleichzeitig die Spannung und der Basisstrom. Die Spannungsgegenkopplung gleicht somit auch Exemplarstreuungen gut aus. Die Driftverstärkung ist ein Maß für die Güte der Stabilisierung. Je kleiner sie ist, desto weniger wird der Arbeitspunkt beeinflusst. Die beste Stabilisierung wird ohne Basisspannungsteiler und nur durch einen Vorwiderstand erreicht.
Die Driftverstärkung errechnet sich aus dem Verhältnis der Spannungsänderungen von UCE zu UBE. Ist ein Basisspannungsteiler vorgesehen, dann liegt die Basis-Emitterspannung an der Parallelschaltung vom Teilerwiderstand R2 und dem dynamischen Widerstand rBE der Basis-Emitterstrecke. Die Spannung UCE liegt somit über dem Basisvorwiderstand und der Parallelschaltung, während die Steuerspannung nur über der Parallelschaltung liegt. \[{V_D} = \frac{{\Delta {U_{CE}}}}{{\Delta {U_{BE}}}}\quad {V_D} = \frac{{{R_1} + {R_2}||{r_{BE}}}}{{{R_2}||{r_{BE}}}}\quad {V_D} = 1 + \frac{{{R_1}}}{{{R_2}||{r_{BE}}}}\]
Die Spannungsgegenkopplung verringert die maximale Signalverstärkung und kann durch einen Kondensator verhindert werden. Ohne den Kondensator trifft ein Teil des verstärkten AC-Ausgangssignals mit 180° gegenphasig auf das Eingangssignal. Das ansteuernde Summensignal (rot) ist somit kleiner als das direkte Quellensignal (blau). Für den AC-Signalanteil ist der Kondensator sehr niederohmig und verringert eine unerwünschte Spannungsgegenkopplung.
Der Basisvorwiderstand R1 wird durch eine Reihenschaltung von zwei im Wert halb so großen Widerständen ersetzt. Der Kondensator ist dazwischen gegen Masse geschaltet, da er sonst entweder das gesamte Eingangs- oder Ausgangssignal nach Masse kurzschließt. Mit dem Kondensator wird die Signalrückkopplung zur Basis verhindert und ue steuert die Basis ohne Spannungsgegenkopplung an.
Die in diesem Kapitel für eine Emitterschaltung beschriebenen Maßnahmen zur Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung gelten ebenso für eine Basisschaltung und zum Teil auch für eine Kollektorschaltung.
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