Vierquadranten-Kennlinienfeld für Transistoren

Der folgende Videoclip veranschaulicht die Zusammenhänge zwischen der Lage des statischen Arbeitspunktes und der Signalverstärkung im Mehrquadranten-Kennlinienfeld eines bipolaren npn-Transistors. Die zugrundeliegende Schaltung entspricht einem Verstärker in der Emittergrundschaltung mit Basisspannungsteiler ohne Gegenkopplung und Temperaturstabilisierung. Vergleichbare Ergebnisse lassen sich mit geeigneten Simulationsprogrammen erhalten. Der Videoclip ist mit erklärenden Texten versehen und kann nur mithilfe der einblendbaren Controlleiste gesteuert werden.

Die Arbeitsgerade und der Arbeitspunkt

Die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors bildet mit dem Arbeitswiderstand eine Reihenschaltung. Die Kollektor-Emitterspannung ist folglich vom Kollektorstrom und vom Arbeitswiderstand abhängig. Auf der Ausgangsseite des Transistors befindet sich ein vom Kollektorstrom durchflossener Spannungsteiler. Für einen bestimmten Kollektorstrom kann aus der Lage der Arbeitsgeraden der zugehörige Arbeitswiderstand berechnet werden.

Der 1. Quadrant zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines Transistors. Mit der Wahl der Betriebsspannung U und dem maximal gewünschten Kollektorstrom IC ist die Lage der Arbeitsgeraden bestimmt. Diese beiden Endpunkte der Geraden entsprechen dem gesperrten Transistor mit IC = 0 und UCE = U, der Betriebsspannung und dem vollständig leitenden Transistor beim theoretischen Wert UCE = 0 und IC = ICmax. Die Verlustleistung des Transistors darf dabei für keine Punkt der Arbeitsgeraden überschritten werden.

Wird bei einem npn-Transistor das Basispotenzial ab 0,6 V positiver als das Emitterpotenzial, dann wird die Diodenstrecke zwischen Basis und Emitter deutlich leitend. Es fließt ein zunehmender Basisstrom, der den Kollektorstrom verursacht. Bei festgelegter Betriebsspannung ist am Lastwiderstand eine dazu proportionale Ausgangsspannung messbar. An der Kollektor-Emitterstrecke ist die Spannungsdifferenz UCE = U − URa messbar. Im Ausgangskennlinienfeld liegt im Schnittpunkt der Koordinaten UCE und IC auf der Arbeitsgeraden der zugehörige statische Arbeitspunkt AP. Über die Stromsteuerkennlinie im 2. Quadranten lässt sich jedem Basisstrom ein fester Kollektorstrom zuordnen. Die geringfügige Abhängigkeit, die von der nicht ganz linearen Stromsteuerkennlinie ausgeht, muss in der Praxis meistens nicht berücksichtigt werden.

Für jede Lage des Arbeitspunkts kann die Gleichstromverstärkung B errechnet werden. Der Videoclip zeigt, dass dieser Wert mit B = 300 in einem weiten Bereich konstant ist. Bei den ersten vier Werten im stark gekrümmten Bereich der Eingangskennlinie der Basis-Emitterstrecke sind die Ablesefehler am größten. In der Verstärkertechnik wird dieser Bereich auch nicht benutzt. Die Gleichstromverstärkung ist von der Steilheit der Arbeitsgeraden und somit vom Wert des Arbeitswiderstandes unabhängig.

Die Kleinsignalverstärkung

Bleibt bei der dynamischen Ansteuerung des Transistors die Basisstromänderung so gering, dass der durchlaufene Bereich auf der Eingangskennlinie praktisch noch linear ist, dann arbeitet der Transistor als Kleinsignalverstärker. Die Ansteuerung kann ebenso als kleine Spannungsänderung zwischen Basis und Emitter gesehen werden. Sie führt an der durch den DC bestimmten Arbeitspunkt an der leitenden Basis-Emitterstrecke zur proportionalen Basisstromänderung. Bipolare Transistoren sind stromgesteuerte aktive Bauteile.

Die Kleinsignalverstärkung erzeugt ein fast verzerrungsfreies Ausgangssignal. Die erzielbare Verstärkung ist nur wenig von der Lage des Arbeitspunktes abhängig. Sie ist etwas geringer bei kleinen Basisvorspannungen, da dort die Eingangskennlinie flacher verläuft. Zur Arbeitspunkteinstellung wird man eher in der unteren Hälfte der Eingangskennlinie bleiben und damit diesen flacheren Bereich nutzen. Bei Nichtansteuerung fließt dann ein sehr kleiner Ruhestrom mit dem Vorteil einer geringen Gleichstromverlustleistung und vernachlässigbaren Erwärmung des Transistors.

Im Bereich der gekrümmten Eingangskennlinie ändert sich der dynamische Eingangswiderstand rBE des Transistors sehr stark. Zur Kleinsignalverstärkung wird daher bevorzugt die Basisstromansteuerung verwendet, da sie zur Linearisierung der Basisstromänderung führt. Stromsteuerung liegt immer dann vor, wenn der Innenwiderstand der Signalquelle sehr hochohmig ist oder das Signal über einen hochohmigen Widerstand zugeführt wird. Der Vorwiderstand RV bildet mit dem dynamischen Eingangswiderstand rBE des Transistors einen Spannungsteiler.

Basisspannungssteuerung liegt vor, wenn der Vorwiderstand oder der Innenwiderstand der Signalquelle klein im Vergleich zum dynamischen Eingangswiderstand rBE des Transistors ist. In der Skizze ist die Widerstandsgerade dieses Vorwiderstands nicht dargestellt. Der Basisstrom ändert sich dann in Abhängigkeit vom variablen dynamischen Eingangswiderstand. Die gestrichelt gezeichnete Stromkurve ΔIB ist nicht mehr symmetrisch zum Arbeitspunkt. Der Steuerstrom zeigt nichtlineare Verzerrungen, die über die Stromsteuerkennlinie verstärkt an das Ausgangssignal gelangen.

Ist der Vorwiderstand verglichen mit dem dynamischen Eingangswiderstand ausreichend groß, so wird der Eingangsstrom vom Vorwiderstand bestimmt. Diese Widerstandsgerade RV ist farbig eingezeichnet. Es liegt Basisstromsteuerung vor. Bei einer symmetrischen sinusförmigen Eingangsspannung bestimmt der hochohmige Vorwiderstand im Arbeitspunkt den Steuerstrom. Die Änderungen des Steuerstroms sind jetzt an der nichtlinearen Eingangskennlinie optimiert und die Basisstromkurve ist frei von nichtlinearen Verzerrungen.

Wird für die Basisstromsteuerung der Verlauf der Basis-Emitterspannung ΔUBE am Oszilloskop dargestellt, so zeigt diese jetzt die nichtlinearen Verzerrungen. Bezogen auf den Arbeitspunkt hat die negative Halbwelle die größere Amplitude, da in diesem Bereich der Eingangswiderstand des Transistors höher ist. In beiden Halbwellen sind für vergleichbare Zeitpunkte die absoluten Stromwerte konstant. Im steileren Verlauf der Eingangskennlinie nimmt der dynamische Eingangswiderstand ab, folglich ist die Spannungsamplitude der positiven Halbwelle geringer.

Die Großsignalverstärkung

Die Großsignalverstärkung liegt vor, wenn mit einer großen Signalamplitude am Eingang ein weiter Bereich der Eingangskennlinie durchlaufen wird. Zur vollständigen Darstellung des Ausgangssignals sollte der Arbeitspunkt ungefähr in der Mitte der Ausgangskennlinie liegen. Voraussetzung für große Änderungen des Kollektorstroms ist die Ansteuerung der Basis mit einer niederohmigen Signalquelle. Im Video zu Beginn dieser Seite sind deutlich die Probleme zu erkennen, die sich bei der Großsignalverstärkung ergeben. Das Ausgangssignal hat oftmals einen hohen Anteil nichtlinearer Verzerrungen.

Ein großer Kollektorruhestrom verschiebt den Arbeitspunkt in den oberen Bereich der Arbeitsgeraden. Der Bereich der Signalansteuerung liegt dann im weitgehend linearen Abschnitt der Eingangskennlinie und die nichtlinearen Verzerrungen des Ausgangssignals sind geringer. Nachteilig ist dann die Signalbegrenzung bei zu hohen positiven Eingangsspannungen. Der Transistor kann nur bis zur Sättigungsspannung an der Kollektor-Emitterstrecke unverzerrt verstärken. Darüber hinaus wird der Signalverlauf begrenzt und der Verstärker ist übersteuert.

Die Verringerung des Ruhestroms verschiebt den Arbeitspunkt zur Mitte der Arbeitsgeraden oder weiter darunter. Das Eingangssignal gelangt in den gekrümmten Bereich der Eingangskennlinie. Im Ausgangssignal nimmt der Anteil der Verzerrungen zu. Der Signalverlauf der positiveren Halbwelle ist verglichen mit der negativeren Halbwelle gestaucht. Die Verringerung der Eingangsamplitude oder spezielle Gegenkopplungsschaltungen wirken dem entgegen, setzen aber auch die maximal erzielbare Verstärkung herab.

Das Verhältnis von Verlustleistung und Wechselstromleistung

Auch ohne Signalansteuerung wird am Transistor Leistung umgesetzt. Für jeden festgelegten Arbeitspunkt fließt ein bestimmter Ruhestrom als Gleichstrom und am Ausgang stellt sich der Gleichspannungswert UCE ein. Die dabei in Wärme umgesetzte Verlustleistung errechnet sich aus dem Produkt beider Werte. Die maximale Verlustleistung des Transistors darf nicht über dem vom Hersteller definierten Wert Ptot des Transistors liegen.

Werden zur Bestimmung des Arbeitspunkts sowohl die Sättigungsspannung der Kollektor-Emitterstrecke als auch die nichtlinearen Verzerrungen vernachlässigt, so liegt der Arbeitspunkt auf der Mitte der Arbeitsgeraden. Zur Berechnung der Gleichstromverlustleistung sind in guter Näherung die halbe Betriebsspannung und der halbe maximale Kollektorstrom einzusetzen. Die Gleichstromverlustleistung im Arbeitspunkt darf nie größer sein als die maximale Verlustleistung des Transistors. Im Arbeitspunkt ist die Arbeitsgerade dann die Tangente an die Ptot-Hyperbel. Bei vollkommen symmetrischer Aussteuerung mit sinusförmigem Signal nehmen die Spitzenwerte für Spannung und Strom dann die gleichen Werte an. Die Wechselstromleistung wird mit den Effektivwerten berechnet.

Im praktischen Einsatz des Verstärkers fällt das Leistungsverhältnis schlechter aus. Der Arbeitsbereich des Transistors als Verstärker kann nur bis zur Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter genutzt werden. Für ein verzerrungsarmes Ausgangssignal ist der dann verbleibende gesamte Aussteuerbereich auch nur eingeschränkt nutzbar. Die maximale Nutzleistung bei dynamischer Ansteuerung und möglichst unverzerrtem Ausgangssignal ist kleiner.

In einem weiteren ausführlichen Kapitel wird die Emitterschaltung im Einsatz als Kleinleistungsverstärker beschrieben. Neben einer exemplarischen Arbeitspunktberechnung werden Signaldiagramme und das Frequenzverhalten beschrieben. Die Ein- und Ausgangsimpedanzen werden bestimmt und es werden Berechnungen nach dem Wechselstromersatzschaltbild der Emitterschaltung gezeigt.